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  哈尔滨工程大学学报  2019, Vol. 40 Issue (5): 974-978  DOI: 10.11990/jheu.201712022
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引用本文  

赵品, 叶见曙. 波形钢腹板箱梁桥面板横向温度效应分析[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2019, 40(5), 974-978. DOI: 10.11990/jheu.201712022.
ZHAO Pin, YE Jianshu. Analysis of transverse temperature effects on the deck of box girder with corrugated steel webs[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2019, 40(5), 974-978. DOI: 10.11990/jheu.201712022.

基金项目

国家自然科学基金项目(51508348);河北省自然科学基金项目(E2017210183,E2017210191);河北省教育厅项目(QN2015134)

通信作者

赵品, E-mail:zhaopin1115@126.com

作者简介

赵品, 女, 博士;
叶见曙, 男, 教授, 博士生导师

文章历史

收稿日期:2017-12-08
网络出版日期:2019-01-22
波形钢腹板箱梁桥面板横向温度效应分析
赵品 , 叶见曙     
东南大学 交通学院, 江苏 南京 210096
摘要:针对我国公路桥涵设计规范仅给出混凝土箱梁的温度梯度模式,并未涉及波形钢腹板箱梁温度梯度模式的不足,本文鉴于2种箱梁结构的构造特点及力学性能的差异,对某波形钢腹板连续箱梁桥进行了为期1 a的温度效应观测。研究了其日照温度场分布规律,提出了波形钢腹板箱梁温差计算模式;且基于温度梯度模式得出了箱梁桥面板的横向内力。结果表明:箱梁桥面板同一高度各测点的温度变化规律一致,沿桥面板横向的各测点混凝土温度变化规律均呈正弦曲线变化趋势;基于二维温度梯度模式的结构力学方法计算结果与有限元结果吻合,可以为该地区波形钢腹板箱梁温度效应产生的温度应力值提供参考。
关键词桥梁工程    波形钢腹板箱梁    桥面板    太阳辐射    温度梯度    温差效应    横向内力    有限元模型    
Analysis of transverse temperature effects on the deck of box girder with corrugated steel webs
ZHAO Pin , YE Jianshu     
School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China
Abstract: In the design code of highway bridges and culverts in China, the temperature gradient mode of concrete box girder is given, but the temperature gradient mode of corrugated steel web box girder is not given. Considering the structural characteristics and mechanical properties of the above two box girder structures, the temperature effect for a period of one year was observed with respect to a continuous box girder bridge with corrugated steel webs. The distribution law of its sunshine temperature field was studied. A calculation model of temperature difference of these box birders with corrugated steel webs was developed, and based on the above temperature gradient mode, the lateral internal force of this box girder bridge deck was obtained. The results show that the temperature variations of each measuring point at the same height of the box girder bridge deck are consistent. The temperature variation law of concrete at each measuring point along the transverse direction of the bridge deck shows a sinusoidal trend. The computation result of the structural mechanics method based on the above two-dimensional temperature gradient model is consistent with the finite element results. It can provide reference for the temperature stress value generated by the temperature effect of corrugated steel web box girder in this area.
Keywords: bridge engineering    box girders with corrugated steel webs    bridge deck    solar radiation    temperature gradient    temperature difference effect    transverse internal force    finite element model    

波形钢腹板箱梁作为一种轻型化的组合梁,有效解决了传统预应力混凝土箱梁腹板容易开裂和持续跨中下挠两大工程病害,提高了结构的稳定性、强度及材料的使用效率。但是作为暴露在大气中的结构物,桥梁受温度作用影响,桥面与内部形成的不均匀温度场仍会导致结构产生较大的温度应力,乃至结构开裂[1-6]。对于波形钢腹板箱梁的混凝土桥面板而言,由于波形钢腹板的构造特点、力学性能与混凝土腹板存在差异[2],其所支撑的混凝土桥面板与普通混凝土箱梁桥面板在日照温差和箱内外温差作用下的内力分布规律不同。鉴于桥梁的构造特点和地区间自然环境的差别, 在实际应用中不能简单套用桥规中的温度梯度模式, 需进一步研究日照温差所引起的波形钢腹板箱梁的温度场分布及梯度温度模式。

本文基于南京某波形钢腹板连续箱梁桥温度场及温差效应现场测试数据, 研究太阳照射下的波形钢腹板箱梁温度场分布特性,确定了波形钢腹板箱梁的日照温差模式及其桥面板横向内力值。

1 日照温差效应的现场测试 1.1 现场测试内容

采集温度实测数据的桥梁位于江苏省南京市六合区马鞍镇窑户庄北,为30 m+40 m+30 m的波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁,呈东—西走向。其中波形钢腹板钢材采用Q345C级钢,几何尺寸采用1600型,厚度为16 mm。主桥桥面铺装层为沥青铺装层,厚度为90 mm。

由于沿桥长方向各箱梁截面的温度分布一致,故温度测点选择埋设在0~1号墩之间的边跨1/4断面布设了温度传感器,见图 1

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图 1 边跨1/4断面传感器布置 Fig. 1 Sensor layout of 1/4 cross-sectional side

为全面获取温度场在周期性气候变化条件下的温度场,将波形钢腹板箱梁的温度观测设定为1 a, 即从2012-09初至2013-02中旬,为桥面有沥青铺装层的数据观测。温度四季的时间界限分别为2012-11(秋季)、2013-02(冬季)、2013-05(春季)、2013-07(夏季),即涵盖了温度场在一年四季的变化特征。

温度数据采集仪采用JMZR-2000型自动综合监测系统,温度测点采用JMT-36型温度传感器,测量精度为±0.5 ℃, 测量范围为线性误差小于0.3 ℃,采集频率为2~3 h[3]

1.2 温度测试结果及分析

对于受到太阳辐射、大气温度变化的桥梁结构,在太阳辐射强烈的夏季可产生最不利的竖向正温差,冬季大气降温作用下产生最不利的竖向负温差。因此将选取夏季、冬季具有典型温度场的时间段内的混凝土桥面板的温度场观测数据进行分析[7-15]

从全年实测数据中选取了夏季2013-08-10 3:35至2013-08-12 23:35三天的数据进行分析,温度的测试频率为2 h/次;箱梁外遮阴处最高气温为40.2 ℃,箱室内最高气温为38.1 ℃。冬季为2013-02-08 1:33—2013-02-10 22:33,测试频率为3 h/次;箱梁内外侧的最低气温分别为-2 ℃、-4.5 ℃。

图 2为夏季顶板顶缘测点实测温度,箱梁桥面板顶缘的各测点温度变化规律一致,桥面板顶缘沿截面横向的各测点混凝土温度变化规律几乎一致且与箱外遮阴处的大气温度变化规律相同,均呈弦曲线变化趋势;但是由于太阳辐射的影响,同一时刻箱梁桥面板顶缘的混凝土温度明显高于箱外气温,最高温度在2013-08-10可达到43.5 ℃。

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图 2 夏季顶板顶缘测点实测温度 Fig. 2 Measured temperatures of the measuring point of roof top edge in summer

图 3为夏季顶板底缘测点实测温度,箱梁桥面板底缘各测点的温度变化规律同于顶缘的变化规律亦呈正弦曲线变化,与箱内温度较接近,沿桥横向同一位置底缘的测点温度明显低于顶缘的测点温度。顶板下表面测点位置的混凝土温度达到最大值和最小值的时间比顶板上表面相应测点位置的混凝土延迟5~6 h,是因为混凝土的导热系数比较低且顶板下表面不能受到阳光直射的原因。

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图 3 夏季顶板底缘测点实测温度 Fig. 3 Measured temperatures of the measuring point of bottom edge of the roof in summer

图 4图 5(冬季时间始于2013-02-07 12:00)可知冬季桥面板顶缘各点温度变化规律相同,同于箱外大气温度变化规律;最低可达到-3.5 ℃,大气最低温度为-4.5 ℃。但是桥面板顶缘达到最小值的时刻较大气温度达到最小值的时刻延迟5~6 h。顶板底缘的各测点变化规律相同且同于顶缘的变化趋势;最低温度可达-2.5 ℃,大气最低温度为-2.0 ℃。沿桥横向同一位置底缘的测点温度高于顶缘的测点温度,温差为1.3 ℃。

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图 4 冬季顶板顶缘测点实测温度 Fig. 4 Measured temperatures of the measuring point of roof top edge in winter
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图 5 冬季顶板底缘测点实测温度 Fig. 5 Measured temperatures of the measuring point of bottom edge of the roof in winter

春秋季温度变化规律仍为弦曲线变化趋势,温差小且温度场较为平稳;春秋两季的顶板横向温差很小,在2 ℃以内。

2 桥面板的温度梯度模式

选取图 1中顶板横向3个不同位置的3组测点MT-4、MT-5、MT-6;MT-7、MT-8、MT-9和MT-10、MT-11、MT-12作为反映沿波形钢腹板箱梁桥面板厚度方向温度分布状况的特征点,图 6是观测时期内达到全年最高观测温度时近12 h内顶板的实测温度分布。由图 6可知顶板横向3个位置处的温度变化规律相同。

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图 6 不同横坐标位置沿顶板深度的顶板测点实测温度比较 Fig. 6 Measured temperatures comparison of roof measuring point of same abscissa at different depths

采用箱梁顶板中心线沿板厚方向的3个测点MT-10、MT-11、MT-12,腹板测点MT-23和底板中心线沿板厚方向3个测点MT-31、MT-32、MT-33的实测温度来研究混凝土箱梁沿截面高度的温差分布模式。以腹板测点MT-23作为基准点,将其他测点的温度值与该值相减,得到温度梯度。箱梁顶板上缘混凝土温度最大值出现在2013-08-10 19:35分左右,将该时刻箱梁混凝土测点的温度实测数据整理分析,箱梁测点沿梁高方向的温差分布如图 7所示。其中T0为测点MT-10与MT-23的温差,T1为箱梁底板测点MT-31与MT-33的温差,取为1.3;将实测的温度及相应温差数据按最小二乘法进行拟合得出指数分布曲线方程为Ty=9e-3y

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图 7 沿桥面板板厚方向的正温差 Fig. 7 Positive temperature difference in the thickness direction of the panel along the bridge

图 7中的实测数据与各国规范温度梯度计算模式[16]的结果进行比较(见表 1),可知在相同温度设计值情况下,本文所提出的温度梯度模式能较好地模拟由日照温差引起的波形钢腹板箱梁内部的温度分布。

表 1 各国规范规定的温差分布形式沿梁高的计算值 Table 1 The calculated values along the beam height of the temperature distribution in each country
3 考虑温度效应的桥面板横向内力计算

采用本文所提的温度梯度模式,运用有限元软件ANSYS对该桥进行了温差产生的桥面板横向应力分析[7-10]

同时对有限元模型进行了车辆荷载下的桥面板横向应力计算,采用图 8所示的车辆荷载布置形式,且将加载车辆的后轴作用在温度观测断面上。

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图 8 车辆荷载横向、纵向示意图 Fig. 8 Horizontal and vertical schematic of vehicle loads

以顶板顶缘为对象,由图 9的横向应力曲线可知,绝大部分中跨跨中顶板上缘横向应力值为压应力,最大值约为1.90 MPa,位于中轴线位置。温度效应和车辆荷载效应产生的中跨跨中位置桥面板顶缘的横向应力值数值较接近,说明日照温差可产生接近于车辆荷载的应力,温差效应不可忽视。

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图 9 中跨跨中位置温度、活载效应下的顶板上缘横向应力 Fig. 9 Transverse stress on the edge of the roof under the effect of temperature and live load at cross location of middle span

综上所述,最大正温差与车辆荷载作用下在波形钢腹板箱梁中跨跨中位置顶板顶缘可产生3.80 MPa的横向压应力;同位置处的顶板底缘可产生3.58 MPa的横向拉应力。由于温度效应产生的横向应力值与车辆荷载结果相当,所以对于波形钢腹板箱梁桥面板的横向内力计算应同时考虑恒载、活载和温度效应。

以顶板跨中位置的横向内力值为对象,将采用结构力学方法得到的温度次应力与温度自应力(计算过程省略)叠加便可得到温度梯度产生的横向应力;同样采用结构力学方法可得到活载下的横向应力值,将上述2种荷载下的横向应力值进行对比发现,两者差值为6 %;且结构力学方法计算结果与有限元计算结果较接近,如表 2所示。通过2种方法分析结果可知,温度效应产生的横向内力值与活载横向内力值相当,不可忽略。对于波形钢腹板箱梁桥面板的横向内力计算,在考虑恒载、车辆荷载的基础上应同时考虑温度效应。

表 2 桥面板横向应力 Table 2 Transverse stress meter of bridge panel
4 结论

1) 箱梁桥面板同一高度各测点的温度变化规律一致,沿桥面板横向的各测点混凝土温度变化规律均呈弦曲线变化趋势;顶板下表面测点位置的混凝土温度达到最大值和最小值的时间比顶板上表面相应测点位置的混凝土延迟5~6 h,且顶板的横向温差较小。

2) 通过与各国规范值的对比可知,文中提出的二维温度梯度模式的精确度较高,可以为该地区该类桥梁温度效应产生的温度应力值提供参考。对于考虑温度效应的波形钢腹板箱梁桥面板的横向内力计算,采用本文提出的温度梯度模式,结构力学方法计算结果与有限元结果吻合。

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