大跨度钢管混凝土拱桥温度效应研究.pdf

l 8 铁道 建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 1 8 3 大跨度钢管混凝土拱桥 温度效应研 究 李 自林 ， 刘明艳 ， 李 妲 ( 1 天津城市建设学院 土木工程 系， 天津3 0 0 3 8 4 ； 2 河海大学 港 口海岸 与近海工程学 院， 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘 要 ： 为得 到温 度 变化 对钢 管混凝 土 结构受 力的影 响 ， 通 过 对 结构施 加相 应 的 温度 荷 载 ， 与结 构 自重 作 用下对主 拱肋 的 内力 情况进 行 比较 ， 从 而得 出温度荷 载对 结构 的受力 影响情 况 ， 另外计 算横 梁与拱肋 由 于温度 不 同而在 连接 处的 内力情 况 ， 得 出温度荷 载 对结构 的影 响不能 忽略 ， 计 算 时应根据 结构 实 际环境 考虑相应的温度荷载。 关键 词 ： 温度荷 载钢 管混凝 土拱桥拱 肋 有限元 分析 中图分 类号 ： U 4 4 1 5 文献 标识码 ： A 大部分桥梁每天都要经过一定的温度变化 ， 这些 温度变化可能对桥梁受力引起相 当大的改变 ， 在 日温 差较 大 的季 节 此 种 影 响 尤 其 明 显 。钢 材 是 热 的 良导 体 ， 在强烈的 日光照射下温度快速升高 ， 在温度变化的 作用 下材料 的各种 性 能 可 能会 发 生某 些 变 化 ， 由此 而 产生 的 内力 对结构 的受 力可 能会产 生很 大的影 响 。对 钢管混凝土结构 ， 由于其组合截面的特性 ， 钢材与混凝 土有 着不 同的材料 性 能 ， 各 自的受力 特 点也不 相 同 ， 在 温度 变化 作 用 下 的受 力 情 况 应 做 重 点 研 究 。规 范 要求在计算结构温度效应时对不同材料应采取不同线 膨胀系数 ， 陈宝春 ， 徐爱 民等 提 出了计算合龙 温度 的概 念 ， 并 依据试 验结 果 得 出计 算 拱 的 温度 应 采 用 日 平 均温度 。 国内其 他研究 者关 于桥 梁温度 效应 的探究 一直 未 曾间断。朱爱华 ， 谭 万忠等 4 。 对 曲线梁桥 的温度效 应进行了分析 ， 赵毓成等 对钢管混凝土拱桥 的非线 性温度荷载分析做了相应的研究 ， 余明林等 由实测 温度数据对钢管混凝 土拱 桥在温度荷载 下的结构内 力 、 位移等 做 了相 应 的探讨 。 1 工程简介 以跨 度为 3 3 0 i n的淳 安南 浦 大 桥 为例 ， 桥位 所 属 区域位 于中亚热 带季 风气候 带北 缘 ， 四季分 明 ， 光 照充 足。年平均气温 1 7 o C， 1 月平均气温 5 ， 为最低 ， 极 端最低气温 一 7 6 o C， 7月平均气温 2 8 9 o C， 极端最高 气 温 4 1 8 o C。有调 查显示 ， 如此 大 的温差 变化在 桥梁 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 4 - 2 2 ； 修 回13期 ： 2 0 1 0 -05 - 2 0 作者简介 ： 李 自林 ( 1 9 5 3 一) ， 男 ， 河北成安人 ， 教授 ， 工学硕士。 建设 时不能 忽略 。 该桥 为钢管混 凝土 拱桥 ， 四肢桁 式拱 ， 拱肋直 径为 8 5 0 mm。 吊杆 为热挤 聚 乙烯 高 强钢 丝 拉索 ， 桥 面 为混 凝 土 T形梁。拱肋间 由横撑 和靠近拱脚处的横梁联 系 ， 位于桥面上的横撑有 十三道， 对称布置 ， 拱脚处在 桥 面 下设置 拱上横 梁 和桥 下 横 撑 ， 横 撑 和拱 上 横梁 分 别与 主 拱肋 连 接 ， 横 撑 截 面 为 空 心 钢管 ， 横 梁 为 T形 钢筋 混凝 土截面 。 2模型的建立 应用有 限元 软件 MI D A S C i v i l 建立 该 桥 的有 限元 模型 ， 吊杆采用桁架单元模拟， 其余单元均采用梁单 元 ， 拱 脚处拱 上横 梁 与桥 面 板 连接 处 将 实体 单 元 简化 为梁单元模拟， 实体单元与梁单元的连接较复杂， 为简 化计算 ， 按照受力体系将其简化为梁单元。共2 4 3 2 个 节点 ， 5 3 7 8 个单元 。 超静定结构在温度变化时， 会在拱 中产生附加内 力 ， 这 些 附加应 力有 时会 对 拱 结构 内力 产 生显 著 的 不 利影 响 。 在此仅考虑均匀升、 降温产生的附加 内力。拱桥 建成以后 ， 若气温与主拱合龙时的气温不 同， 则会在拱 内产 生 附加 内力 。设 温度 变化引 起跨径 方 向的变位 为 Z ， 根据变形 协 调 条 件 ， 必 须 在 弹 性 中心 施 加 一 个 水 平推 力 日 ， 温度 上 升 时 ， 日 为 正 ( 向 内作 用 ) ； 温 度 下 降时， 日 为负 ( 向外作 用) 。如 图 1所示。其 典型方 程 为 慧 蒜 2 0 1 0年第 8期 大跨度钢管混凝 土拱桥温度效应研 究 1 9 由于 的作用 ， 拱各 截 面产生 的温 度 内力 为 M =一H Y=一日 ( Y 0一Y 1 ) N = H c o s Q =H s i n 式中 材料的线膨胀系数 ； t 拱合 龙时 的温 度 ； 当地最高或最低月平均温度 ； E 考 虑混凝 土徐 变后 的 弹性模 量 ； 肛 泊 松 比。 ， ， 图 1 温度荷载下拱肋受力示意 3 数 据 分 析 对 钢管混 凝 土拱桥 在温 度荷 载下 的受 力情况 分 析 中， 分别考虑桥梁整体升温 、 整体降温 、 拱肋升温 、 拱肋 升温 +桥 面板 温度 梯度 荷载 ， 计算 构件 的 内力分 布 ， 与 结 构 自重作用 下 的 内力 相 比较 ， 对 比温 度 荷 载作 用 所 带来 的主拱肋 截 面 内力数 据 ， 从 而得 出温 度 变化 对 结 构 影 响的重要 程度 。 另 外 ， 考 虑到本 文所 选实 桥为 钢管 混凝 土拱桥 ， 其 拱 肋完 全暴露 在 日光下 ， 接受 完全 的 日照 ， 而拱脚 处 与 主拱肋 相连 的横梁 位 于桥 面板 的下 方 ， 并 不 能受 到 日 光直接照射 ， 两者的温度相差较大 ， 可能导致两者的变 形 差别悬 殊 ， 使 拱肋 与 横 撑 的 连接 处 可 能 因此 而 产 生 应 力集 中 ， 因此 本文 考 虑 应对 拱 肋 与 横 撑 的 连接 处 受 力 变化做 详细 考查 ， 防 止 由 于温 度 变 化 而 产生 严 重 的 破坏 性结 果 。 3 1温度 荷载 工况及 相应 内力 考虑 五种工 况 ： 工况 1为整 体 升 温 2 0 ； 工况 2 为整 体 降 温 2 0 ； 工 况 3为 拱 肋 升 温 1 5 o C； 工 况 4 为拱 肋升 温 1 5 +桥 面 温 度 梯 度 荷 载 ； 工 况 5为 结 构 自重及 预应 力 荷载 。获得 此五 种工 况下 结构 主拱肋 的轴力、 弯矩和扭矩情况 ， 将前四种不同温度荷载下二 分之一跨主拱肋产生的内力与结构在 自重作用下的内 力 相 比较 。从 拱脚 到拱 顶 ， 以 相 同水 平 问 距选 取 主拱 肋 节点 1 3 1 。图 2图 4分 别 表 示 主 拱 肋 Y 、 方 向 的弯矩 以及轴 力 ， 轴表 示 主 拱 肋 节点 号 ， Y轴 表 示 相 应 内力值 。 由图 2可 知 ， 前 四种 工 况 中 ， 工 况 1的数 值 最 大 ， 其对结构的影 响更显著 ， 在接近拱脚处甚至与工况 5 ( 结构的自重) 数值接近 ； 工况 2显示在拱脚处弯矩较 大 ， 但拱肋其余部分则数值较小 ； 而工况 3和工况 4在 整个二分之一跨处相对数值较小 ， 可酌情考虑其对结 构 受力 的影 响 。 l 5 0 l O 0 主 5 0 蟊 。 鐾 一 5 0 旧一1 0 0 1 5 0 2 O 0 也 5 A -l 图 2主拱肋弯矩 ( 面内) +工 况 l e -工况2 工况3 +工况4 一 工况5 由图 3可 知 ， 工 况 1和 工况 2在 拱肋 上 的 变化 数 值相近 ， 方 向相反 ， 在靠近拱脚处数值偏 大， 但其余部 分数值较小， 而工况 3和工况 4整体数值均较小， 总体 来说 ， 温度 荷 载下 主拱肋 的拱 脚处 受力 偏大 ， 与桥 梁 自 重相 比不 可忽 视 。 吕 Z 静 畚 喧 图 3主拱肋 弯矩 ( 面外 ) 十工 况1 士工况2 o _工况3 *工 况 4 工况5 节点号 图 4主 拱肋 轴力 工 况 1 工 况 2 十 工况3 + 工 况 4 e - 工况5 由图 4可看出： 结构整体升温下主拱肋的轴力 产生最明显的增大 ； 而整体降温工况下轴力变化 幅 度则相对较小 ， 且其 曲线平缓 ； 工况 3 、 4相差较小 ， 其曲线形状相近， 数值没有较大偏差， 说明考虑桥面温 度梯度荷载与否对主拱肋轴力的影 响不 大； 工况 1 与工况 4相 比较 ， 主拱 肋 的轴力 相差 较大 ， 则应 考虑 与 O 2 0 湖 姗 。 咖 至 、 暴 铁道建筑 实 际情 况相结 合选 取相应 工 况 。 3 2 考虑拱 肋与横 梁温 差计算 连接 处截 面 内力 该桥梁为钢管混凝土拱桥， 由于构造特点 ， 靠近拱 脚处设两道拱上横梁 ， 其截面采用空钢管， 两端与主拱 肋相 连 ， 位 于桥 面板 下方 ， 在 强 烈 日光 照射 下 ， 主拱肋 及横 撑等温 度升 高较 大 ， 但 位 于桥 面板 之 下 的横 梁 在 不 接受 日光 直接 照射 的情况 下 ， 主拱 肋 和 横梁 的温 度 差 较大 ， 拱 肋 与 横 梁 变 形 不 一 致 ， 可 能 会 产 生 应 力 集 中。本文考虑主拱肋与横梁的温差影响， 计算拱肋升 降温等作用下横撑与拱肋的连接处产生的内力 ， 将各 连接点 的 内力 列于表 1 ， 表 2 ， 表 3 。 表 1 拱 肋 与 横 梁 连 接 处 轴 力 k N 单 元 节 点 惹 组 合 8 8 9 I 2 0 9 6 一 2 1 1 0 2 7 4 6 2 2 5 5 8 9 1 5 1 2 6 7 0 4 5 3 1 2 由表 1和表 2可得， 整体升 、 降温 以及桥面升、 降 温荷载下各连接处轴力及扭矩偏大 ， 但拱肋升温 +桥 面温 度梯度 荷载 和拱肋 升温荷 载作 用下各 连接处 的轴 力和 扭矩相 对很 小 。说 明考虑 拱肋 和横梁 的温差 时二 者连 接处 的轴力会 很 大 ， 整 体温 度 的 变化 对 其 影 响更 显著 。 由表 3可得 ， 拱肋与横梁的连接处在整体升 、 降温 荷载 作用 下其两 个方 向的 弯矩 值 最 大 ， 且 升 温 与 降温 荷载所产生的弯矩值大小接近， 方向相反 ， 其次为桥面 升温 、 降温所产生的弯矩值较大 ， 拱肋升温 +桥面温度 梯度 荷载 和拱肋 升温荷 载下 弯矩值 偏小 。这 与表 1和 表 2所得 结果类 似 ， 即考 虑拱 肋 与横 梁 温 差对 其 内力 的影响较 大 ， 而 不考 虑两 者 温 差 的工 况 下 其 弯矩 相 对 很小。另外 ， 桥面升 、 降温荷载作用下拱肋和横梁之间 虽 没有 温差 ， 但 其 内力 仍 较 大 ， 不能 忽 视 ， 可 能 由于 桥 面板拱 肋共 同作用 的结果 。 4 2 0 5 I 2 3 0 2 9 7 5 5 1 4 9 9 7 0 2 2 0 4 5 3 1 4 3 0 9 7 4 5 2 4 7 5 1 1 6 J 2 4 9 6 9 7 3 0 3 4 9 6 4 6 2 2 1 2 5 3 1 3 3 0 6 8 4 5 2 5 4 4结论 9 1 3 1 2 6 3 7 4 5 2 9 9 1 2 6 O 一1 1 0 4 0 3 9 7 0 1 2 6 0 1 1 O 3 7 3 9 8 9 8 8 9 I 2 0 9 6 7 1 8 7 0 6 5 7 3 0 1 3 6 8 1 5 1 5 1 9 2 8 0 4 2 0 5 I 2 3 0 2 5 0 8 0 2 7 2 2 7 41 8 6 81 2 0 1 4 4 1 2 5 1 1 6 J 2 4 9 6 一5 0 7 6 3 7 2 2 1 1 8 7 0 1 2 0 1 4 4 1 6 5 6 0 2 J 2 0 9 8 一7 1 6 9 9 6 5 4 5 11 3 5 91 5 1 61 9 3 0 7 6 2 O 7 7 2 3 9 3 2 2 3 9 3 2 6 2 0 7 5 5 6 2 5 J 2 0 9 9 一 5 8 2 4 1 3 9 5 0 6 9 8 91 1 9 81 2 4 5 3 5 7 3 5 8 8 8 9 I 2 0 9 6 9 7 8 8 5 9 6 5 2 9 3 2 1 2 5 O 4 9 1 71 6 54 1 7 5 4 2 0 5 I 2 3 0 2 一 8 0 0 0 9 9 9 2 6 8 3 1 6 79 8 8 1 2 5 1 5 4 8 8 8 1 5 1 1 6 J c 2 4 9 6 一8 9 9 0 6 9 9 1 1 6 3 1 7 2 9 8 9 1 2 5 2 7 4 8 8 8 4 5 6 0 2 J 2 0 9 8 9 7 9 O 1 9 6 4 3 5 3 2 1 3 - 5 0 4 9 1 7 1 8 8 4 1 7 3 7 5 6 1 5 I r 2 0 9 7一5 3 9 3 6 5 5 9 9 5 2 4 8 4 31 4 9 6 2 6 1 7 3 2 4 5 6 2 5 J 2 0 9 9 一5 3 7 3 6 5 5 7 9 52 4 7 6 3 1 5 06 3 3 1 7 3 3 7 1 ) 桥梁 整体 升 、 降 温荷 载 下对 主 拱肋 的 内力 影 响 很 大 ， 甚至 接近 于结构 自重产 生的 内力 ， 在 结构设 计 时 应对其 足够 重视 。 2 ) 考虑 日光 照 射 导 致 桥 面板 上 下 截 面温 度 不 一 致 ， 即产生温度梯度荷载， 在桥梁结构设计时应考虑拱 肋升 温和桥 面温 度梯度 荷载作 用下 主拱肋 的内力 。 3 ) 钢管 混 凝 土 拱 桥 拱 肋 与 桥 面 下 横 梁 由 于 两 者 温度相差较大 ， 可能会使两者的连接处产生较大的不 容忽视的内力 ， 建议设计 时考虑当地气温情况 ， 计算该 项 内 力。 参 考 文 献 1 中华人 民共和国交通部 J T G D 6 0 -2 0 0 4公路桥涵设计通 用规范 S 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 4 2 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 3 朱爱华 ， 浅谈 曲线 梁桥 温度荷 载效 应分析 J 中 国水运 ， 2 0 0 8( 1 )： 1 0 8 1 0 9 4 谭万忠 ， 张佐汉 ， 柯在 田， 平 面曲线梁 桥温度变 形与支承体 系布置探讨 J 铁道建筑 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 7 - 9 5 赵毓成 ， 王富强 ， 张文献 ， 等 钢管混凝土拱桥 的非线性 温度 应力影响因素的探 究 J 中国市政工程 ， 2 0 0 7 ( 1 O ) ： 2 9 3 1 6 余明林 ， 杨文鸣 ， 吴冬雁 ， 等 下承式刚性系杆拱桥的结构温 度效应研究 J 建筑技术， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 3 6 8 3 7 0 ( 责任 审编孟庆伶) 5 5 5 酾 7 一 一 舛 2 l 1 i 8 7 9 凹 2 2 2 儿 儿 2 5 5 矾 5 5 5