钢管混凝土拱桥环境温度引起的应力挠度分析.pdf

2 0 1 6年第 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n ee r i n g 39 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 3 9 0 4 钢管混凝土拱桥环境温度引起的应力挠度分析 王 新 泽 ( 中铁十八局集 团 第二工程有限公 司， 河北 唐山0 6 3 0 0 0 ) 摘 要 ： 分析 了钢 管混凝 土拱 的挠 度和拱 趾 处应 力随 环境 温度 改 变而产 生的 变化 。结果表 明 ： 环境 温度 引 起 的轴 向应 力和 拱肋 自重引起 的轴 向应 力绝对值 均 不超过 1 0 0 MP a ； 拱 肋截 面应 力 变化 并 非 同步 ， 而是 存在一个弯曲效应， 环境温度每 变化5 引起拱顶竖向位移变化 1 7 m m； 由当地最高温度 引起的拱顶挠 度 变化 为 向上 5 5 6 mm， 由当地 最低 温 度 引起 的 拱 顶挠 度 变化 为 向下 1 3 5 6 mm； 由环 境 温度 变化 引起 的竖 向 高差不均 匀是 高速 列车行 驶 的安全 隐患 ， 不 可忽略 。 关 键词 ： 钢 管混凝 土拱桥环境 温度挠度 温度应 力 西 溪河 大桥 中图分 类号 ： U 4 4 8 2 2 2 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 6 0 2 0 9 钢管混凝土拱桥广泛地应用于铁路 、 公路桥梁中， 特别是随着高速铁路的快速发展 ， 对钢管混凝土拱桥 提 出 了许多新 的要 求 。 钢管混凝土拱桥结构形式多样 ， 其温度研究 尚不 充分， 距 离 指 导设 计 施 工还 有 较 大距 离 。文 献 3 7 研究了拱 的温度应力 ， 但是并没有关注温度引 起的拱的挠度变化。而文献 8 9 对有效合龙温度 的 理论进行 了研究。文献 1 0 1 1 则对拱圈在 日照辐射 温度场的温度传导进行了研究 。 由于高速铁路对挠度要求很高， 钢管混凝土拱桥 随环境温度变化所引起 的沿桥纵向挠度 的变化 ， 将引 起桥面不均匀高差变化 ， 对 列车的安全行驶存在重大 隐患。 目前针对环境温度引起的钢管混凝土拱桥的挠 度变化研究较少 ， 本文分析了钢管混凝土拱肋 ( 以成 贵高速铁路西溪河大桥为例) 的挠度和拱趾处应力随 环境温度改变而产生的变化。 1有限元模型 1 1成贵 高速铁 路西 溪河 铁路大 桥 简介 新建高速铁路成都至贵阳线乐山至贵阳段西溪河 特大桥 主桥 采用 2 4 0 m跨 的上承 式钢 管混 凝土 提篮 拱 桥 ， 计算跨度 2 4 0 m， 矢高 5 5 m， 拱轴系数 2 2 ， 矢跨 比 1 4 3 6 4 。拱肋全长范围为等截面 ， 由两肢 Q 3 4 5 q d钢 管和其间的两块钢板焊接成哑铃型 ， 内填充 C 5 0混凝 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 6 0 5； 修回 日期 ： 2 0 1 5 - 1 0 2 6 基金项 目： 住建部科学技 术项 目( 2 0 1 5 一 K 3 0 2 1 ) ； 天津 市 自然科 学基 金 项 目( 1 3 J C Y B J C 1 9 6 0 0 ) ； 天 津 市交 通 运输 委 员会 科 技 项 目 ( 2 0 1 4 2 3 ) 作者简介 ： 王新泽 ( 1 9 8 4 一) ， 男 ， 工程师。 土； 拱趾起拱两端各 5 3 0 m范 围内用两块钢板连接， 内填充 C 5 0混凝土构成箱形截面 ， 其余部分用 H型钢 连接成 格构 段 。 图 1为西 溪河 大桥 布置示 意 。 图 1 西溪河大桥布置( 单位 ： e m) 桥址区属亚热带季风气候区， 据附近大方县气象 资料 ， 该地 区多 年平 均气 温 l 5 7， 极端 最 高气 温 3 9 4， 极端最低气温 一1 4 2。 1 2 有 限元 模型 介绍 钢管混凝土 目前有 3种计算理论 ： 将钢管混凝 土视为一种特殊的材料 ； 将钢管或者混凝土折算为另 外一种材料 ； 将钢管和混凝土视为两种不 同材料并考 虑 二者 的黏 结 。 本 文 采 用 独 立 建 模 方 式 ， 将 Q 3 4 5 q d 钢 材和 C 5 0混 凝 土分 别 建 立模 型 ， 视 钢 材和 混 凝 土 同 步 变形 ， 不考 虑二 者 的滑移效 应 。 建模 采用 A N S Y S有 限元 软件 ， 桁 架拱 杆件 采 用空 间梁单元 B e a m1 8 8 ， 盖板采用 S h e l l 1 8 1单元 ， 混凝土采 用 S o l i d 4 5单元 ， 不 同单元采用共节点方式以实现变形 协调。西溪河大桥主桥拱桁采用 Q 3 4 5钢管， 钢桁架 弹性模量 E = 2 11 0 MP a ， 泊松 比 = 0 3 ， 拱桁 内 部分灌 注 C 5 0混凝土 ， 弹性模量 E = 3 51 0 M P a 。 泊松比 = 0 2 。模型如图 2所示 。 Q 3 4 5 q d钢材 热膨胀 系数 取 1 21 0 ， 弹性 模量取 2 1 0 G P a ， 泊松 比取 0 3 ； C 5 0混凝土热膨胀系 铁道建筑 图 2 有 限元 模型 数取 81 0 ， 弹 性 模 量 取 3 4 5 G P a ， 泊 松 比 取 01 6 7。 2有 限元结果分析 2 1 合 龙温 度和 温度 荷载 的确 定 合龙时的环境温度并不能作为计算温度荷载的基 准 温度 ， 因为合龙 后 混凝 土凝 固放 出的 水 化 热会 在 混 凝 土 中产生 残余 温度 。文 献 8 中通过 试 验 和 理论 分 析的方法指出， 在没有实 际测量 的基 础上 ， 可近似认 为 ： 温降计算可取 当月平均温度加 45作为基准温 度 ， 温升计算取当月平均温度作为基准温度。 西溪河大桥合龙施工处于 7月份， 该月份大桥所 在地 区平均气温为 2 3 3 1 。本文取 2 3 3 1 c c作为计 算环境温度的基准温度。 2 2拱 趾处 温度 引起 的应 力分 析 将拱趾处拱肋截 面 4个钢 管混凝土拱 圈命 名为 A， B， c， D， 如图 3所示。计算 自重工况下每个拱 圈的 轴向应力 ， 结果见表 1 。 图 3 拱趾处拱肋 截面布置 表 1 自重引起杆件轴 向应 力 M P a 拱 圈编号 轴 向应力 一 2O 29 26 5 4 44 22 3 4 9 8 分别计算每个拱圈在不 同温度下 的轴 向应力。温 度荷 载取 一1 54 0 c ( 二， 以 5 c c为 梯度 ， 基 准 温度 取 2 3 3 1 。 图 4为 由温 度 引起 的轴 向应 力 ， 图 5为 温 度和 自重共 同作用 下 的轴 向应 力 。 最 翅 -叵 恭 图 4温度引起 的轴 向应力 图 5 温度和 自重共 同作用下 的轴 向应力 由图 4 、 图 5可 以看 出 ， 当温 度 高 于基 准 温 度 时 ， 拱趾处的应力为压应力 ； 当温度低于基准温度时， 拱趾 处 的应力 为拉 应力 。 可 以看 出 ， 随着 温度 的变 化 ， 4个拱 圈 的温 度应 力 变化并非同步 ： 拱肋上弦随温度变化而产生的应力 变 化大 于拱肋 下 弦 随 温度 变 化 而 产 生 的应 力 变 化 ； A拱 圈对温度最为敏感 ， 当环境温度升高或降低时其产生 的温 度应力 最 大 ； 而 C拱 圈对 温 度 最 不 敏 感 。 由于 4 个拱圈轴向应力不 同， 可以认为拱肋截面在环境温度 作用下产生双向弯曲效应 。 同时考 虑 环境 温 度 和拱 自重 后 可 得 出 以下 结 论 ： 环境 温度 引起 的轴 向应 力和拱 肋 自重 引起 的轴 向应 力 绝对值均不超过 1 0 0 M P a 。在不考虑其他荷载工况情 况下 ， 当温度低于2 时便会在拱肋 A拱管 内产生拉 应力 ， 在温度低于0 q C时便会在拱肋 A拱管内产生拉 应力 ， 当拉应力大于混凝土抗拉承载力 时便会造成开 裂 。 由于计 算 模 型没有 考虑 钢管 混凝 土拱 上结 构 的 自 重 ， 因此除非遇到未浇筑拱上结构前温度骤然降低到 0 以下 的情 况 ， 否 则 可认 为环 境 温 度 变 化 不 会 引 起 混 凝土 开裂 。 2 3温度 引起 的挠 度分 析 本节分析了环境温度引起的拱肋竖向挠度沿纵向 2 0 1 6年第 2期 王新泽 ： 钢管混凝 土拱 桥环境 温度引起 的应力 挠度 分析 4 1 的变化。计算环境温度引起的， 距拱趾 处水平距 离 0 1 2 0 m的单肢拱肋上 、 下弦形心处 的竖 向挠度。拱 肋全长 2 4 0 n l ， 取半 ( 1 2 0 m) 结构提取结果。温度荷载 取 一1 5 4 O q C， 以5 c C为梯度 ， 基 准温度取 2 3 3 1 ， 计算结果见图 6和图 7 。 图 6 上弦截面形 心挠 度沿拱肋 纵向变化 图 7 下弦截面形心挠度沿拱肋 纵向变化 由图可见 ， 当温度高于基准温度时 ， 拱肋产生向上 的竖向变形 ； 当温度低于基准温度时， 拱肋产生向下的 竖向变形。沿着拱肋纵 向， 从拱趾到拱顶挠度变形不 断增大 ， 进而会引起桥面高程的变化。 环境温度变化引起的上弦挠度变化大于下弦挠度 变化。在同一环境温度下 ， 距离拱趾水平距离相 同的 拱 肋 上弦 和下 弦挠度 相差 2 4 m m。这一 情况 和上 一 节提到的环境温度变化引起 的拱肋上弦应力大于拱肋 下弦应 力是 一致 的 。 图 8为 环境 温度 引起 的拱顶 上 弦截 面形 心处 的挠 度变化 。从图中可以看出， 当温度每变化5 ， 挠度变 图 8 拱顶上 弦截 面形心处 的挠度 化 1 7 mm左右 。西 溪河 大桥 在 当地 极 限低 温 情 况下 ， 拱肋向下位移为 1 3 5 2 6 m m； 在当地极限高温情况下 ， 拱肋向上位移为 5 5 6 mm。 3 结语 拱肋的竖向挠度和拱趾处的应力会随着温度变化 产生较大变化。环境温度引起的轴向应力和拱肋 自重 引起 的轴 向应力绝对值均不超过 1 0 0 MP a 。环境温度 变化引起 的拱肋截 面轴 向应力不是均匀分布的， 存在 一 个弯曲效应 。沿着桥的纵 向从拱趾到拱顶挠度变化 不 断 增 大 。 温 度 每 变 化 5 则 拱 肋 垂 向位 移 变 化 1 7 m m左右。拱肋 的上下弦 的竖 向位移 变化也不相 同 ， 上 弦挠度 变化 大 于下弦 挠度 变化 。 在当地极 限高温情况下， 西溪河大桥拱趾和拱顶 相对高差可达 5 5 6 m m； 而在 当地极 限低温情况下拱 趾和拱顶相对高差可达 1 3 5 6 mm。这 已经对高速列 车 的行驶 造 成 了安 全 威 胁 ， 需 要 在设 计 钢 管 混 凝 土拱 桥之前考虑到环境温度引起 的高差变化。 参 考 文 献 1 陈宝春 钢管混凝土拱桥计算理论研究进展 J 土木工程 学报 ， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 1 2 ) ： 4 7 5 7 2 陈宝春 ， 刘振宇 钢管混凝 土拱桥温 度问题研 究综述 J 福州大学学报( 自然科学版 ) ， 2 0 0 9， 3 7 ( 3 ) ： 4 1 2 4 1 8 3 徐爱民 ， 陈宝春 钢管混凝 土拱桥温 度应力数 值分析 J 福 州大学学报( 自然科学版 ) ， 1 9 9 9 ， 2 7 ( 3 ) ： 1 5 1 8 4 何雄君 ， 文武 松 ， 胡志 坚 钢管 混凝 土拱 桥温 度荷 载分 析 J 桥 梁建设 ， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 1 7 1 9 5 陈宝春 ， 徐爱 民， 孙潮 钢管混凝土拱桥温度 内力计算 时温 差 取值 分析 J 中国公路 学报 ， 2 0 0 0， 1 3 ( 2 ) ： 5 2 5 6 6 熊红霞 钢管混凝土拱桥 收缩徐变 与温 度应 力的数值 模拟 分析 D 武汉 ： 武汉理工大 学 ， 2 0 0 4 7 赵毓成 钢管混凝土拱桥温度应力分 析 D 沈阳 ： 东北 大 学 ， 2 0 0 6 8 张后举 中承式 钢管 混凝 土拱 桥温 度场 及温 度效 应分 析 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 9 9 林 春姣 ， 郑 皆连 ， 黄海 东 钢管混凝土拱计算合龙温度 试验 研 究 J 广西大学学 报(自然科 学版 ) ， 2 0 1 0， 3 5 ( 4 ) ： 6 0 1 6 09 1 0 王璐 ， 向中富 ， 杜秋 钢管混凝土构件温变试验分析 J 辽 宁省交通 高等专科 学校学报 ， 2 0 0 5 ， 7 ( 4 ) ： 9 1 1 1 1 黄福云 ， 陈宝春 ， 柯婷娴 钢管混凝 土哑铃形 拱的计算 温度 取值研究 J 福州大学学报 ( 自然科 学版 ) ， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 2 ) ： 2 6 6 2 7 5 1 2 钟善桐 钢管混 凝土统 一理论 ： 研究 与应用 M 北京 ： 清 华大学出版社 ， 2 0 0 6 如如0 枷 埘 m g 越嚣 一 一 4 2 铁道建筑 F e b r u a r y ，2 01 6 An a l y s i s o f s t r e s s a nd d e f l e c t i o n o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r a r c h b r i d g e c a u s e d b y a m b i e n t t e mpe r a t u r e W ANG Xi n z e ( T h e 2 t h E n g i n e e r i n g C o ， L t d o f t h e 1 8 t h B u r e a u Gr o u p。 f C h i n a R a i l wa y ，T a n g s h a n He b e i 0 6 3 0 0 0， C h i n a ) Abs t r a c t： I n t h i s pa p e r ， t he de f l e c t i o n of c o nc r e t e f ill e d s t e e l t u be a r c h a nd t h e s t r e s s d i s t r i b ut i o n a t t h e a r c h s p r i n g i n g we r e a na l y z e d d ue t o the t e mp e r a t ur e e ffe c t The r e s u l t s s ho w t h a t t he a xi a l s t r e s s du e t O t e m p e r a t u r e e f f e c t a nd s e l we i g ht i s l e s s t ha n 1 0 0 M Pa The s t r e s s e s o f e a c h p a r t o f the a r c h s e c tio n a r e no t s yn c hr o no us a nd 山e r e i s a b e n di n e fl c t As the a mb i e n t t e mp e r a t u r e c h a n g e s e v e r y 5 ，t h e r e i s a 1 7 mm v e r t i c a l d i s pl a c e me n t a t t he a r c h c r o wn Th e m a x i mum u pwa r d de f l e c t i o n c a us e d by t h e l o c a l hi g he s t t e mp e r a t ur e i s 5 5 6 m m whi l e t h e m a xi I I l u m do wn wa r d d e f l e c t i o n c a u s e d by the l owe s t t e mpe r a t ur e i s 1 3 5 6 m m The ve r t i c a l d e f l e c ti on c a us e d b y t e m p e r a 七 ur e c h a n g e m a v t h r e a t e n th e s a f e t y o f the o p e r a t i o n of t r a i ns Ke y wor ds： Co nc r e t e f ill e d s t e e l t u bu l a r a r c h br i dg e； Amb i e n t t e mpe r a t ur e； De ne c t i o n； Te mpe r a t ur e s t r e s s： X i xi r i ve r Br i dg e ( 责任审编赵其文) ( 上接 第 3 5页) Re s e a r c h o n mo ni t o r i n g t e c h n o l o g y f o r p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s c ur v e d g i r d e r c o n s t r u c t e d b y c a n t i l e v e r c a s t i n g m e t h o d YANG Ya f a n g ( T h e 1 s t E n g i n e e r i n g C o ， L t d o f C h i n a Ra i l w a y 1 2 t h B u r e a u Gr o u p ，Xi a n S h a a n x i 0 3 0 0 2 4 C h i n a ) Ab s t r a c t ： Co mb i n e d wi th the Xi a n y a n g We i h e B r i d g e p r o j e c t i n Z h e n g z h o u Xi a n h i g h s p e e d r a i l wa y ，t he m a i n t a c t 。 o i s t r e s s a nd s t r a i n of th e l o ng s pa n pr e s t r e s s e d c o nc r e t e c o nt i n uo us c ur v e d g i r d e r b r i d g e d ur i ng 山。 c o ns c r uc no n p r oc e s s we r e s u m ma r i z e dThe m e c ha n i c a l p r o pe r t i e s a nd l i n e a r v a r i a t i on of C U r v e d br i dg e s t r uc t u r e du r i n g c a nt il e v e r c o ns t r uc ti o n we r e a na l y z e d Th e e f fe c t s o f th e r a d i us o f c urv a tur e a n d the s e a s o na l t e mD e r a t l l r e di ffe r e n c e we r e di s c us s e d The r e s u l t s s h ow t ha t wi th t he de c r e a s i ng r a di us o f c ur v a t ur e 。c a nt i l e v e r r o o t s e c t i on t or q ue o f s t a t i c a l l y d e t e r mina t e T s t r u c t u r e i s i n c r e a s ing ，whi l e the a x i a l f or c e a nd b e nd i n g m o me n t a r e r e d uc e d 1 a t e r a 1 d i s p l a c e m e nt i n c r e a s e s o bv i o us l y The s e a s on a l t e mpe r a t ur e d i ffe r e nc e wi l l c a us e a l a r g e r l a t e r a l d i s pl a c e me nt of t he e nd c r os s s e c t i o n of s t a t i c a l l y d e t e r m i na t e T s t r uc t u r e Fo r th e r e i s a l a r g e d i f f e r e nc e e f f e c t s c a us e d b y t a mDe r a t u r e g r a di e nt mod e， s uns hi ne t e mpe r a t ur e d i f f e r e n c e s ho u l d b e c a l c ul a t e d a c c o r d i n g t o t he t WO di m e ns i o na l t e mpe r a t u r e g r a d i e n t mod e f or t e mp e r a t ur e e ffe c t Ke y wo r d s ： P r e s t r e s s e d c o n c r e t e c u r v e d gi r d e r b r i d g e ； C o n s t r u c t i o n mo n i t o r i n g ； Ca n t il e v e r c a s t i n g c o n s t r u c t i o n ； T h e r a di us o f c u r va t ur e； Te m p e r a t u r e d i ffe r e nc e ( 责任 审编 郑冰)