溫度變化對(duì)雙箱單室矮塔斜拉橋主梁受力性能影響研究

1、溫度變化對(duì)雙箱單室矮塔斜拉橋主梁受力性能影響研究【摘要】以承德北路鹽河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過對(duì) 雙箱單室矮塔斜拉橋建立有限元模型的仿真分析，得出橋梁 結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的內(nèi)力響應(yīng)，分析了橋梁結(jié)構(gòu)的受力 性能。從最不利荷載工況組合看出，溫度變化作用在進(jìn)行結(jié) 構(gòu)分析時(shí)需要著重考慮?！娟P(guān)鍵詞】雙箱單室；矮塔斜拉橋；仿真分析；荷載工 況前言矮塔斜拉橋也稱部分斜拉橋，是近些年來在斜拉橋基礎(chǔ) 上發(fā)展起來的一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式。就其結(jié)構(gòu)特性而 言，矮塔斜拉橋是介于連續(xù)梁橋與斜拉橋之間的一種新橋 型，它采用了體外預(yù)應(yīng)力束的思想，把梁體內(nèi)的一部分預(yù)應(yīng) 力移到橋塔上。如果把連續(xù)梁橋歸類于剛性橋型，把斜拉橋 歸類

2、于柔性橋型，則矮塔斜拉橋?yàn)橐环N剛?cè)嵯酀?jì)的新橋型。 它具有美觀性、跨徑布置靈活、施工簡便以及經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。 對(duì)于此種橋型，有限元仿真分析是一種必不可少的技術(shù)手 段。本文針對(duì)承德北路鹽河大橋運(yùn)用midas/civ訂橋梁專業(yè) 建模軟件，對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析模擬。1工程概況承德北路鹽河大橋主橋設(shè)計(jì)為60 m+105 m+60m=225m矮 塔斜拉橋。橋塔手型結(jié)構(gòu)，造型獨(dú)特美觀，塔梁固接，墩梁 分離。橋?qū)?2.5m,橋塔主塔結(jié)構(gòu)高18m。主梁采用預(yù)應(yīng)力 雙箱單室截面。端部梁高2.8m,根部梁高3.8m。斜拉索按 扇形布置，梁上水平間距6m,塔上豎直間距0.75iii。橋型布 置如圖1所示。圖1橋型總

3、體布置圖（單位：cm）2仿真分析的建模根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，承德北路鹽河大橋主體結(jié)構(gòu)可分 為3部分：混凝土主梁，主塔，斜拉索。混凝土主梁、主塔 采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。主梁和斜拉索 節(jié)點(diǎn)采用剛性連接，主塔和斜拉索采用共節(jié)點(diǎn)。針對(duì)此雙箱 單室結(jié)構(gòu)，建立混凝土主梁梁格模型，2片單箱模擬為2片 虛擬縱梁，虛擬縱梁之間按布設(shè)虛擬橫梁，虛擬橫梁厚度取 橋面板厚，并在實(shí)際橫梁處建立橫梁結(jié)構(gòu)。圖2為空間梁格 有限元模型圖2空間梁格有限元模型3溫度變化對(duì)主梁內(nèi)力及應(yīng)力影響分析對(duì)于矮塔斜拉橋，溫度變化對(duì)全橋結(jié)構(gòu)的影響非常復(fù) 雜，且溫度的變化會(huì)引起結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力，這對(duì)矮塔斜拉橋 結(jié)構(gòu)內(nèi)力及應(yīng)力影響很

4、大。其主要原因有以下兩點(diǎn)：一是選 用不同材料、不同形狀、不同部位處的構(gòu)件對(duì)溫度變化的反 應(yīng)程度不同；二是溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不是獨(dú)立作 用，而是伴隨混凝土的收縮、徐變作用，它們之間相互影響。 在應(yīng)用有限元軟件midas/civil程序計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)的橋 梁，采用簡化的方法，即考慮由溫度變化產(chǎn)生的附加內(nèi)力對(duì) 結(jié)構(gòu)的影響。本文中的依托工程承德北路鹽河大橋所處位置的年平 均氣溫為12°c,實(shí)際氣溫變化范圍為391-8°co根據(jù)實(shí) 際情況，所建模型中的合龍溫度取其年平均氣溫，系統(tǒng)升降 溫均取25°c,斜拉索的升降溫取為10°co對(duì)于矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)因溫度變化引

5、起的溫度效應(yīng)，主要 包括系統(tǒng)整體升溫與降溫作用、斜拉索的升溫與降溫作用以 及主梁正負(fù)溫度梯度作用。通過該矮塔斜拉橋有限元模型的 計(jì)算結(jié)果分析，對(duì)溫度效應(yīng)進(jìn)行內(nèi)力響應(yīng)對(duì)比分析。3.1系統(tǒng)溫度變化對(duì)主梁的影響根據(jù)承德北路鹽河大橋有限元模型計(jì)算結(jié)果，得到該橋 在系統(tǒng)溫度變化作用下成橋狀態(tài)的內(nèi)力圖，如圖38所示:圖3系統(tǒng)升溫作用下彎矩圖圖4系統(tǒng)升溫作用下應(yīng)力圖圖5系統(tǒng)降溫作用下彎矩圖圖6系統(tǒng)降溫作用下應(yīng)力圖從圖3、5以可以看出，系統(tǒng)升溫作用下主梁最大正彎 矩出現(xiàn)在中跨跨中截面，彎矩值為2135. 4kn.m,最大負(fù)彎矩 出現(xiàn)在支座處截面，彎矩為-3581.8 kn.mo主塔塔底截面出 現(xiàn)負(fù)彎矩，且隨著

6、高度的增加彎矩逐漸減小，主梁截面的最 大負(fù)彎矩為主塔截面最大負(fù)彎矩的32倍，可見溫度的變化 對(duì)主塔內(nèi)力影響很小。相比系統(tǒng)降溫25£而言，對(duì)結(jié)構(gòu)（主 梁+主塔）產(chǎn)生的彎矩、應(yīng)力大小與系統(tǒng)升溫相同，且最大 值出現(xiàn)位置亦相同，但符號(hào)相反。從圖4、6可以看出，系統(tǒng)升溫作用下主梁最大拉應(yīng)力 出現(xiàn)在中跨跨中，其值為417 kn/ m2,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠 近主塔無索區(qū)內(nèi)，其值為316. 2kn/ m2o主塔產(chǎn)生拉應(yīng)力， 靠近主梁處的無索區(qū)內(nèi)拉應(yīng)力逐漸減小，減小幅度不大，而 主塔上的拉索區(qū)段拉應(yīng)力由下往上急劇減小，直至塔頂無索 區(qū)拉應(yīng)力為零。與系統(tǒng)升溫相比，系統(tǒng)降溫作用下主梁和主 塔的最大拉應(yīng)力和

7、壓應(yīng)力出現(xiàn)的位置正好相反。3. 2拉索溫度變化對(duì)主梁的影響由于拉索與混凝土主梁的材料、形狀、傳熱性不同等原 因，拉索在日常的溫度變化下，產(chǎn)生的溫差與混凝土的截然 不同，本文考慮斜拉索的升降溫為10°co矮塔斜拉橋的拉索 升溫或降溫定會(huì)引起相應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，通過計(jì)算分析發(fā) 現(xiàn)，斜拉索升溫作用和降溫作用對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力的影響規(guī) 律與系統(tǒng)整體升降溫作用下的相同，下面僅對(duì)斜拉索升溫作 用下產(chǎn)生的內(nèi)力及應(yīng)力進(jìn)行分析，然后與系統(tǒng)整體升降溫作 用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響進(jìn)行對(duì)比。拉索升溫作用引起的結(jié)構(gòu)內(nèi) 力及應(yīng)力圖如圖78所示。圖7拉索升溫作用下彎矩圖圖8拉索升溫作用下應(yīng)力圖從圖78可以看出，拉索升溫作

8、用與系統(tǒng)升溫作用下 產(chǎn)生的內(nèi)力及應(yīng)力圖的變化趨勢相同。拉索升溫作用下主梁 的最大正彎矩出現(xiàn)在中跨跨中截面處，彎矩值為 4908. 8kn. m ,最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在支座處的梁截面為 8110.5kn.ru。主梁上的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中跨跨中合龍段 處，拉應(yīng)力為962.2 kn/ m2,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在主梁上靠近 主塔的無索區(qū)內(nèi)，壓應(yīng)力為713. 9kn/ m2。主塔上均產(chǎn)生的 是拉應(yīng)力，靠近主梁處的無索區(qū)內(nèi)拉應(yīng)力逐漸減小，但變化 不大，而主塔上的拉索區(qū)段拉應(yīng)力隨著塔高度的增加而急劇 減小，直至塔頂無索區(qū)起應(yīng)力值變?yōu)榱?。根?jù)該矮塔斜拉橋的有限元模型計(jì)算結(jié)果分析，拉索升 溫作用與系統(tǒng)整體升溫作用產(chǎn)生的

9、內(nèi)力及應(yīng)力影響是一致 的，但是兩者對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度是不同的，以下是系統(tǒng)升溫 與拉索升溫對(duì)主梁彎矩和應(yīng)力的影響對(duì)比圖。圖9主梁彎矩影響對(duì)比圖圖10主梁應(yīng)力影響對(duì)比圖從圖9、10看出，拉索升溫作用下主梁內(nèi)力響應(yīng)程度比 系統(tǒng)升溫大很多。拉索升溫作用下產(chǎn)生的主梁彎矩大約為系 統(tǒng)升溫作用下的2倍，其中支座處的梁截面的彎矩大約為系 統(tǒng)升溫作用下該處梁截面彎矩的2. 3倍。對(duì)于梁截面的應(yīng)力, 拉索升溫時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力大于相應(yīng)的系統(tǒng)升溫作用下產(chǎn)生的 應(yīng)力。由此可見，拉索升溫作用下引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力大于系統(tǒng)升 溫。在矮塔斜拉橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)，往往會(huì)忽略拉索溫 度變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，但根據(jù)該模型的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)斜 拉

10、索的溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響很大，因此，在結(jié)構(gòu)受力 分析時(shí)，應(yīng)充分重視拉索溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。3. 3溫度梯度對(duì)主梁的影響在日照溫差的影響下，矮塔斜拉橋上部結(jié)構(gòu)的箱梁會(huì)產(chǎn) 生自應(yīng)力和次應(yīng)力，并且箱梁結(jié)構(gòu)的外部和內(nèi)部的熱傳導(dǎo)是 非常復(fù)雜的三維熱傳導(dǎo)問題，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響很大。模型中的正負(fù)溫度梯度指的是沿箱梁高度方向的豎向 溫度變化。按照通規(guī)(jtgd60-2004)規(guī)定進(jìn)行加載來分 析日照溫差作用下對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。正溫度梯度取值為 (14°c5. 5°c0°c)；降溫溫度梯度取t/2*正溫度梯度。圖11正溫差作用下彎矩圖圖12正溫差作用下應(yīng)力圖從圖1112看

11、出，正溫差作用下主梁各截面均產(chǎn)生正 彎矩，最大正彎矩在中支座截面，其值為11499 kn. m,中跨 各截面彎矩值相差不大，中跨跨中截面彎矩最小約為中支座 截面的69%o從中支座截面向邊支座彎矩急劇減小，直至為 零。正溫差作用下主梁各截面最大壓應(yīng)力均在4mpa左右。 負(fù)溫差作用下的彎矩和應(yīng)力響應(yīng)與正溫差一致，其值為正溫 差的一半，符號(hào)相反。3.4溫度變化對(duì)主梁影響對(duì)比分析根據(jù)計(jì)算結(jié)果和以上溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響的分析，繪出 溫度變化作用下內(nèi)力影響對(duì)比圖，如圖1314所示。圖13主梁彎矩影響對(duì)比圖圖14主梁應(yīng)力影響對(duì)比圖從圖1314可以看出，系統(tǒng)升溫、拉索升溫以及正溫 度梯度中溫度梯度作用對(duì)主梁內(nèi)力

12、及應(yīng)力最大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力 影響最大，拉索升降溫次之，系統(tǒng)整體升降溫最小。溫度梯 度作用下產(chǎn)生的內(nèi)力大小約為系統(tǒng)整體升降溫作用的3. 8 倍，應(yīng)力大約為5倍；拉索升降溫作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和應(yīng)力 大約為系統(tǒng)整體升降溫作用下的2. 3倍。圖15最不利短期組合主梁上緣應(yīng)力圖從短期效應(yīng)最不利組合結(jié)果來看，主梁上緣全截面受 壓，最小壓應(yīng)力為1. 56mpa,荷載組合為：恒載+汽車荷載+ 人群+拉索降溫+負(fù)溫度梯度。可見，對(duì)于矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，溫度變化對(duì)其內(nèi)力影響很 大，特別是溫度梯度和拉索升降溫，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析時(shí) 應(yīng)著重考慮。4結(jié)語通過對(duì)全橋結(jié)構(gòu)仿真分析計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：(1) 承德北路鹽河大橋主橋在溫度變化作用下的內(nèi)力 響應(yīng)，溫度梯度影響最大，拉索升降溫次之，系統(tǒng)整體升降 溫最小。溫度梯度作用下產(chǎn)生的內(nèi)力大小約為系統(tǒng)整體升降 溫作用的3. 8倍，應(yīng)力大約為5倍；拉索升降溫作用下產(chǎn)生 的內(nèi)力和應(yīng)力大約為系統(tǒng)整體升降溫作用下的2. 3倍。(2) 從最不利短期效應(yīng)組合看出，可變荷載中，溫度 作用影響很大，因此在結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)著重考慮。參考文獻(xiàn)：1 劉士林，梁智濤，侯金龍，孟凡超.主編斜拉橋m. 北京：人民交通出版社，2002.2 鄭一峰，黃僑，孫永明.部分斜拉橋合理成橋