大跨混凝土箱梁横向温度应力分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 2年第 8期( 总第 1 7 0期 ) 大 跨混凝土箱梁横 向温 度应 力分析 聂玉东 。 ， 王宗林 ， 田石柱 ( 1 哈尔滨工业大学 ， 哈尔滨1 5 0 0 8 0； 2 黑龙江省公路勘察设计院 ， 哈尔滨1 5 0 0 8 0) 【 摘要】 以一主跨 1 2 5 m连续梁桥为例， 采用 A n s y s l 0 0 软件， 计算分析混凝土箱梁温度场及横向温度应 力的分布规律 ， 并对箱内、 外温差的取值进行了探讨。混凝土箱梁横向温度应力较大， 特别是顶板下缘由温度引 起的拉应力可以达到 3 5 MP a ， 易造成箱梁顶板的纵向开裂， 这应引起设计者的重视。 【 关键词】 桥梁工程； 横向温度应力； 温度场； 混凝土箱梁 【 中图分类号】 U 4 4 1 5 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 6 8 0 3 ANALYS I S oF T RANS VERS E THE RM AL S TRE S S oF L ARGE S P AN CoNCRETE BoX G R NI E Yu d o n g ，W ANG Zo ng 1 i n ，TI AN Sh i z h u ( 1 H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 8 0 ， C h i n a ； 2 H e i l o n g j i a n g H i g h w a y S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e ， H a r b i n 1 5 0 0 8 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Wi t h a c o n t i n u o u s g i r d e r b r i d g e o f 1 2 5 m ma i n s p a n a s a n e x a mp l e ，t h e d i s t r i b u t i o n l a w o f c o n c r e t e b o x g i r d e r t e mp e r a t u r e fi e l d a n d t r a n s v e r s e the r ma l t e mp e r a t u r e s t r e s s i s c a l c u l a t e d u s i n g An s y s 1 0 0，a n d t h e t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e o f b o x i s a l s o d i s c us s e d i n thi s p a p e r Th e t r a n s v e r s e t h e r ma l s t r e s s o f c o nc r e t e b o x g i r d e rs i s b i g g e r，e s p e c i a l l y a t l o we r r o o f ，t e n s i l e s t r e s s c a u s e d b y t e mp e r a t u r e c a n r e a c h 3 5 MP a ，i t i s e a s y tha t the l o n g i t u d i n a l c r a c k s a p p e a r o n the r o o f o f b o x g i r d e r ， the a t t e n ti o n s h o u l d b e pa i d f o r d e s i gn e r s Ke y wo r d s： b rid g e e ng i n e e ring； t r a ns v e r s e the rm a l s tre s s ； t e mp e r a t u r e fie l d； c o n c r e t e b o x g i rd e r 对于大跨混凝土结构桥梁， 非均匀温度会引起很大应力 和挠度 ， 被认为是该类 桥梁产生裂缝 的主要原 因。桥 梁结 构 由温度作用产生的应力可分为纵向和横( 竖) 向两大类， 对桥 梁纵向温度应力的计算 ， J T G D 6 02 o o 4 ( 公路桥涵设计通用 规范 ( 以下简称“ 规范” ) 规定了温度荷载及计算方法， 而桥 梁横( 竖) 向温度应力的计算， “ 规范” 缺少明确的规定。本文 以黑龙江省齐甘高速公路嫩江大桥为例， 分析大跨混凝土箱 梁温度场及横向温度应力的分布规律 ， 并给出了计算箱梁桥 横( 竖) 向温度应力时箱外、 内温差取值建议。 1 工程概况 齐甘高速公路嫩江大桥于齐齐哈尔市跨越嫩江， 大桥 主桥上部结构采用 7 5 m+2 x 1 2 5 m+7 5 m变截面预应力混 凝土连续箱梁， 单箱单室断面， 根部梁高 7 3 m， 跨 中梁高 2 8 m， 梁高按 2次抛物线变化。跨中箱梁断面尺寸见图 1 。 2计算方法 假设箱梁温度沿桥梁纵向不变， 将温度场简化为沿箱 梁竖向和横向的二维温度场来考虑。采用 A n s y s l 0 0进行 计算分析 ， 按间接法求解箱梁截面横向温度应力， 即先根据 气象资料进行瞬态热分析 ， 求得截面温度分布， 再将求得的 节点温度作为体荷载施加到结构中进行应力计算。 3计算工况 高L r 1 2 7 5 图1 跨中断面尺寸图 e r a 分三种工况， 每种工况考虑无铺装( 模拟施工阶段) 和有 1 0 c m沥青混凝土铺装( 模拟使用阶段) 两种情况。工况 1考 虑顶板受太阳辐射强度最大情况， 计算 日期选取6月 1 5日， 分别计算顶板、 底板及腹板受太阳辐射强度数值， 施加于有限 元模型上； 工况2考虑腹板受太阳辐射强度最大情况， 计算 日 期选取 2月 1 5日； 工况 3考虑环境温度骤然降低情况， 根据 齐齐哈尔地区气温日较差最大值及现场实测温度， 选取 2 0 1 1 年4月 1 4日1 8时至2 0 1 1 年4月1 5日6时为计算时间段， 将 现场实测温度作为荷载施加于有限元模型上。 4 箱梁温度场分析 表 1 表 3为工况 13箱梁截面板件最大温差表 ， 可 看出箱梁截面温度场分布有如下规律 ： 无铺装时箱梁截 面板件温差大于或等于有铺装时箱梁截面板件温差； 和 聂玉东等 ： 大跨混凝土箱梁横向温度应力分析 支点截面相 比， 跨 中截面箱梁底 板内外温差降低 0 8一 1 7 ， 腹板内外温差降低值 0 1 1 3 C； 桥面铺装对顶 板温差影响较大， 对腹板、 底板温差影响较 b； 阳光直射 一 侧腹板时可能导致腹板产生较大的内外温差， 对本桥来 说， 外腹板内外温差最大可达 1 6 6 C， 超过顶板温差。 表 1 工况 1 截 面板件温差 表2 工况 2截面板件温差 表 3 工况3截面板件温差 5 温度应力分析 ( 1 ) 顶板。支点截面的温度应力一般稍大于跨中截 面的温度应力， 因此利用支点截面分析温度应力的极值。 图2 、 图 3为支点截面顶板上 、 下缘横向温度应力分布图， 可 以看出： 无铺装时， 顶板上缘横 向最大压应力为 一4 5 MP a ， 最大拉应力为 1 6 MP a 。顶 板下缘横 向最大 压应力 为 一 1 0 M P a ， 最大拉应力为 3 5 MP a 。有铺装时， 顶板上缘横 向 最大压应力为 一 3 1 MP a ， 最大拉应力为0 9 MP a 。顶板下缘 横向最大压应力为 一 0 3 IV I P a ， 最大拉应力为2 1 MP a 。 ( 2 ) 底板。图4 、 图5为支点截面底板上、 下缘横向温 度应力分布图， 因为有铺装时底板应力较无铺装应力稍小， 图中仅示出无铺装时应力， 可看出： 底板上缘横向最大压应 力为 一 0 4 MP a ， 最大拉应力为 1 5 MP a 。均发生在底板与外 腹板承托相接部。底板下缘横 向最大压应力为 一 2 7 MP a ， 发生在靠近外侧腹板侧， 距外腹板边缘约 1 5 m。最大拉应 力为 1 8 MP a ， 发生在底板大部分区域。 ( 3 ) 腹板。图6 、 图7为支点截面腹板内、 外侧竖向温 度应力分布图， 可 以看 出： 腹板 内侧竖 向最 大压应 力为 20 1 0 0 O 重 杂一 2 0 翻 一 4 O 4 2 蚕 一0 _ 2 ， 一 、 _ 、 ， 距外侧距离， m 图2 顶板上缘温度应力 距外侧距离， m 图3 顶板下缘温度应力 注：图2 、圉3 中 一 - 工况2 无铺装 一 工况2 有铺装 一工况3 。无铺装 工况3 ，有铺装 一 工况1 无铺装一工况1 有铺装 2 0 1 0 雹 00 5 一I l0 、 J r一 一 一 一 一lj一。 距外侧距离 m 图4 底板上缘温度应力 。 图5 底板下缘温度应力 注：图4 、图5 中 一工况2 一工况3 一 工况1 0 3 M P a ， 最大拉应力为 1 1 MP a 。均发生在腹板与底板承 托相接部。腹板外侧竖向最大压应力为 一 4 2 M P a ， 最大拉 应力为 1 6 MP a 。均发生在距梁底约 1 0 m处。 6 箱梁外 、 内温差确定 上述对箱梁横向温度应力分析的过程较为繁琐 ， 并且 需要借助 A n s y s 软件才能完成。实际设计中， 一般先确定箱 梁截面外 、 内温差， 并假定箱梁板件温度按线性分布， 采用 平面杆系程序计算箱梁温度应力。 采用桥梁博士平面杆系程序，按箱梁板件实际尺寸建 D D D D D D 3 o 口 d 善R翅 7 0 低温建筑技术 2 0 1 2年第 8期 ( 总第 1 7 0期 ) 高层建 筑在 S A T WE中的比值控制 李光新 ， 赵锐 ( 黑龙江省寒地建筑科学研究院 哈尔滨1 5 0 0 8 0 ) 【 摘 要】 近年来 ， 随着城市建设步伐的加快， 高层建筑已越来越多的矗立在我国的大中城市当中。对于结 构设计人员来说 ， 高层建筑的设计已成为了必不可少的业务能力。本文依据刚刚颁布实施不久的 J G J 3 2 0 1 0 ( 高 层建筑混凝土结构技术规程， 结合具体工程和结构计算软件 S A T WE， 对高层建筑设计中周期比、 位移比等几个关 键比值的控制进行了阐述， 以供读者参考。 【 关键词】 高层设计； S A T W E ； 比值控制 【 中图分类号】 T U 9 7 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 7 0 0 3 对高层结构设计模型进行正确分析和判断需要在结构 计算软件 S A T WE的计算数据中查看一些重要计算结果。 而这些计算结果往往是通过数据 比值来控制的， 如周期 比、 位移比、 轴压比等。在这些比值 中， 有些不是通过图形文件 显示的。因此作为设计者应对计算数据进行查阅和分析， 判断结构设计模型的合理性， 保证结构安全使用。 1 工程概况 某高层住宅楼平 面呈矩形， 长 3 5 6 m， 宽 1 6 7 m 。该建 筑地下 一层 ， 地 上 2 9层 ， 地 下 1层层高 6 6 m， 1层层 高 4 5 0 m， 2层层高3 9 m， 3层层高 4 4 5 m， 4 2 8层层高均为 3 0 m， 1 9层 层高 4 O m， 顶 层层 高 3 3 m， 建 筑 总高 度为 9 8 7 m， 属于 A级高度的高层建筑。该建筑主楼为钢筋混凝 土剪力墙结构。剪力墙的抗震等级为三级 ， 抗震设防类别 为丙类， 其结构力学模型如图 1 所示。本地区自然条件： 抗 震设防烈度为基本地震加速度值为 0 0 5 g ， 设计地震分组为 第一 组 ； 基 本 风 压 值 为 0 7 5 k N m ， 基 本 雪 压 值 为 0 6 5 k N m。 。 2 结构计算 S A T WE中比值的控制 O oo 0o oo 0o oo o 0 0o 0 0 0o 00 o0 o o 00 0o o0 0o oo o0 oo 0o o0 00 o0 o0 o0 o0 o o 0口 oo o0 00 0o 00 o0 o o oo 0O o o oo 0口 0o 0 o 00 0o o o o 皇 倒 1 5 1 O 0 5 0 O -0 5 2 O l _O O0 謇 一 1 0 壹 一 2 0 a0 - 4 O - 5 0 距外侧距离， m 图6 腹板内侧温度应力 距外侧距离， m 图7 腹板外侧温度应力 注：图6 、图7 中 一工况2 一工况3 一工况1 模， 箱粱外、 内温差分别考虑 5 C、 8 及 1 0 C， 计算箱 梁横向温度应力。按拉应力基本相同的原则 ， 可以确定实用 计算时箱 外、 内温差 如下： 施工 阶段 箱外、 内温差 为 + 1 I 3 、 一 8 8 ， 运营阶段箱外、 内温差为 +7 、 一8 8 C。 7结语 ( 1 ) 桥面铺装可以显著削弱箱梁顶板温差 ， 减小顶板 横向温度应力。因此， 对大跨混凝土箱粱来说， 运营阶段横 向温度应力要小于施工阶段。 ( 2 ) 在阳光直射外腹板情况下， 虽然内、 外腹板板件 温差相差较大， 但内、 外腹板竖 向拉应力基本相同。 ( 3 ) 箱梁顶板下缘横向拉应力 可达到 3 5 M P a ， 底板 下缘横向拉应力可达到 1 8 MP a ， 腹板外缘竖向拉应力可达 1 6 MP a ， 相对来说， 顶板受力更为不利。 ( 4 ) 实际设计计算过程中， 可假设温度沿板厚线性分 布， 并按下面温差计算箱梁横向温度应力 ： 施工阶段箱外、 内 温差为 +1 1 3 C、 一8 8 ， 运营阶段箱外、 内温差为 +7 、 一8 8 C。 参考文献 1 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京： 中国 电力出版社。 1 9 9 9 2 杨世铭 传热学 M 北京： 高等教育出版社， 1 9 8 0 3 T G D 6 0- 2 0 0 4 ， 公路桥涵设计通用规范 s 4 刘兴发 混凝土结构的温度应力分析 M 北京： 人民交通出 版社 。 1 9 9 1 【 收稿日期】 2 0 1 2 0 3 1 9 作者简介】 聂玉东( 1 9 6 8一 ) ， 男， 黑龙江省桦南人 ， 高级工程 师 ， 博士 ， 从事公路桥梁设计工作 。