混凝土连续箱梁施工中的温度效应分析.pdf

1 0 6 中 外 公路 第2 8 卷 第2 期 2 0 0 8年 4月 文章编号 ： 1 6 7 1 2 5 7 9 ( 2 0 0 8 ) 0 2 -0 1 0 6 -0 4 1 概 述 混凝土连续箱梁施工中的温度效应分析 肖勇刚 。陈海 兵 ，胡斯 亮。 ( 1 长沙理工 大学 ，湖南 长沙4 1 0 0 7 6 ；2 广西交通科学研究所) 摘 要 ： 通过对大跨径连续 梁桥 在各 种温 度场梯度模式作用下 的温度应力 计算 ， 结 合实 桥 的有限元仿真分析及桥梁施工过程 中关键截 面的温度 、 应力 、 挠度 的连续观测 。结 果显示 局部 的温度效应在施工 中对关键截面应力和梁端挠度有 较大影响， 在设计和施 工中应引起足 够重视 。 关键词 ： 混凝土箱梁 ； 温度梯度 ； 温度应力 ；温度效应 ；分析 混凝 土箱梁 已广泛 应 用 于桥 梁 结 构 ， 混 凝 土长 期 处 于大气 环绕 的空间 内且 是 不 善导 热 材 料 ， 在 日照或 寒潮的影响下， 由于桥梁结构 内部产生非均匀的温度 场 ， 致使梁体 内各部分产生不同的温度变形 。随着桥 梁跨 径的 不断增 加 ， 温 度效 应 对 桥 梁结 构 的危 害也 越 来越 大 ， 目前 对箱 梁温度场 已有许 多研究 成果 ， 而对 大 跨径连续梁桥施工过程 中局部温度 的影响并未重视。 本文 以一 座典 型 的三跨 连 续 梁桥 为 背 景 ， 通 过对 几 种 规 范所规定 的温度 梯度模 式的计 算和对 实桥 施工 过程 的有限元仿真分析， 并对实桥 的温度、 应力、 挠度进行 连续观测 ， 给出了有关连续梁桥施工 中温度效应对关 键 截面应力 和梁端 挠度影 响的建 议 和结论 。 2 混凝土箱梁温度 效应 的计算 2 1 温度应 力计算 方法 温度应力计算首先根据实测值确定了温度梯度模 式及温差最大值， 温度应力可按一般结构力 学或有限 元法进行计算。计算时假定 ： 沿梁长的温度分布是 均匀 的 ； 混 凝 土是弹性 均 质材 料 ； 梁变形 服 从 平 面假定； 竖 向温度应力 和横 向温度应 力可分 别计 收稿 日期 ： 2 0 0 7 一l 1 1 9 基金项 目： 湖南省 高校桥梁工程重点实验 室课题 作者简介 ： 肖勇刚， 男， 博 士， 教授 e ma i l ： x y g g 1 7 6 1 6 3 c o m 算 ， 最后叠 加 。 对于一般情况 ， 如图 1所示。设温度荷载沿梁高 按任意曲线 ( ) 分布， 取单位 梁长 d y一1的微分段 ， 当纵向纤维之间不受约束且 自由伸缩 ， 沿梁高的 自由 应 变 e ( ) 与温 度梯度 一致 ， 即 ： e ( y ) 一 c t ( y) ( 1 ) 由于纵向纤维之间的相互 约束 ， 梁截面应变符合 乎截面假定， 梁 截面上 的最终应变 e ， ( y ) 应为直线分 布 ， 即： e ， ( y ) 一e o + y ( 2 ) 式 中： e 。 为基轴 =0处的应变； 为截面变形曲率 ； y 为基轴以下任一点求应变的坐标 。 自由应变与最终应变之差 ， 即图 1 ( d ) 中 自应力应 变的阴影部分 ， 导致纤维之间的约束产生 ， 其值为 ： e ( y ) 一 a t ( y ) 一 ( e o + y ) 则 自应力 为 ： ( ) 一e c a t ( ) 一( e 。 + ) 全截面上轴力 n与弯矩 m 分别为： ne a i t ( y ) b ( y ) d y 一 0 i b ( y ) d y y b ( y ) d y ( 3 ) r r me c a it ( y ) 6 ( y ) ( y y ) d y e 。 i b ( y ) ( y 一 维普资讯 2期 混凝 土连 续 箱梁施 工 中的温度 效应 分析 1 0 7 ) d 一 ( y - y c ) ( ) d ( 4 ) 式中： e 为混凝土材料弹性模量 ； 6 ( ) 为 y处 的等效 宽度 ； a 为混凝土线性膨胀系数 。 ( a )截面 ( b )温度梯度 ( d )自应力应 变 ( c )平 面变形 图 1 计算截面及温度 变形 示意 图 对 于任何 截 面 ， n一0 ， m一0 ， 即 内力 总和 为 0 。则 式 ( 3 ) 、 ( 4 ) 可 改写 为 ： e 。 6 ( ) d a ( ) 6 ( ) d 一 6( ) d ( 5 ) e。j 6 ( ) ( 一 ) d + ( 一 ) ( ) d a i t ( ) 6 ( ) ( y ) d y ( 6 ) 令i b ( ) d ya ( 7 ) 则 有 ： y b ( y ) d y ay ( 8 ) 6 ( ) ( y - y , ) d i b - ) d ( 9 ) 式 中 ： a 为截 面面积 ； i b为 截 面 面积 对 基 轴 的惯 性矩 为 截面 面积 对 重 心轴 惯性 矩 ； ( ) ( y- y ) d 一 0 ( 对 重心轴 的静 面积矩 为 0 ) 。 将 式 ( 7 ) ( 9 ) 代入 式( 5 ) 、 ( 6 ) 可得 ： e。 一 j ) 6 ( ) d 一 ( 1 0 ) 声 一 j ) 6 ( ) ( 一 ) d y ( 1 1 ) 设在 坐标 y处 ， 截 面 内一 厚 度 为 i 的 微 小单 元 面 积 a 处温度 梯度值为 t ， 以 t 为常值代入式 ( 1 o ) 、 ( 1 1 ) ， 且令 y 一e ， 可得 ： e o 一 署 ( ) 6 ( 一 一 一 警 ( ) 6 ( ) (y - y 一 警 e 则 ： a s ( )一 e c 一 + 至 垒 一 e c a c t a y e y y f 1 g 再令 nd e , a t a ； md 一一a t a c e e 可得 自应力计算式 ： ) 一 一 + ( ) + t y a c e ( 1 3 ) g 2 2最大 悬臂状 态 施工过 程模 拟 通 过有 限元 软 件 ans y s仿 真 模 拟 桥 梁 施 工 过 程 ， 求 出在 不考虑 温度 效 应 下 的 最 大悬 臂 状 态 的结 构 受力情 况 ， 且与 实测 的关键 截 面应力 进行对 比 ， 得 出实 际的温度效应对关键截面的应力影响值并将此实测值 与上节局部温度应力计算结果进行对 比分析 。 该 桥横 向及 纵 向都是 对 称结构 ， 取其 2 主墩上 结 构的 1 4为计 算模 型， 建模 采用 大型通用 软件 an s y s， 此模 型 采用 实 体单 元 s ol i d 6 5模 拟混 凝 土， s ol i d6 5单元一般用于含钢筋或不含钢筋的三 维实 体模型， 在本模型中用单元的实体性能来模拟混凝土 ， 而用加 筋 性 能来 模 拟 钢 筋 的作 用 。l i nk8模 拟 预 应 力钢绞 线 ， 预应力 加载 采用 初应 变法 。用 s ol i d 6 5与 l i nk8结合 能很好 地模 拟 出该桥 的施 工过 程状态 。 本 次试验 所 采集数 据均 在最 大悬 臂状 态预应力 张 拉过 后 ， 施工挂 篮拆 除之 前 ， 所 以本 模 型只模 拟 到 1 3 梁段预应力张拉后的工况， 其整体应力 、 挠度云图见图 2 、 3 ， 各测点处的应力值详见实测数据与理论计算结果 综合 分 析部分 。 e i 正me n t s ol u 1 1 s 1 -e p = 6 l s ub= i 1 1 me = 6 l s z( n oav g) r s ys - 0 d mx =o 6 9 2 54 s mn = 一 5 o 6 e + o 8 _ 黼蛐鼢 拣潞 积崩 崩蹦鼢蕊 龇 二 警嚣 涮_ s m x _ 4 6 8 e + o 7 一 j 揽- 3 8 3 e一 + 0 8 - 2 6 0 e- -l+ 0989 - 1 3 8 e- -7+ 0 68 le- 1 4 7 e一 + 0 7e + 0 8 3 2 2 e + 0 8 e + 0 8 + 0 7 4 6 8 e 4 0 7 一 4 4 5 一 一 1 9 9 一 7 6 le 一 图 2 最大悬臂状态下应力计算云 图( 单位 ： p a ) n od al s o l ut i o n s m x 响9 o 8- m - o 0 7 1 7 5 0 2 2 3 5 8 0 3 7 5 4 1 0 5 2 7 2 4 0 6 7 9 o 8 图 3 最大悬臂状态下位移计算云图( 单位 ： ram) 维普资讯 1 o 8 中 外公路 2 8卷 3 数据 的实测与综合分析 3 1 测点 的断面选择 与测 点布置 该桥分左右双幅， 右幅桥先施工且该桥跨径对称 布置， 选取支点附近 1 1 截面作为温度应力测试断面 ( 图 4 ) ， 在悬臂施工过程中 1 1断面作为悬臂根部应 力始 终处 于最 大状态 ， 受温 度影 响也 最 明显 。在 1 1 断面布置 6个预埋式振弦式应变计及 8个混凝土内置 式温度传感器 ， 采用 j mz x 3 0 0振弦应变仪收集读数 ， 本次实测的最终 目的是分析关键截面温度、 应力及梁 端挠度的关系， 所 以没有 布置过多的温度测点具体测 试箱体温度场。挠度测点布置在悬臂端部的截面 2 2上 ， 每个截 面有 3 个 测 点 。 0 i l i i i l l ( l l l l l0i ( a )实测截面布置图 ( b )1 - 1 断面 ( c ) 2 - 2 断面 注： 为温度测点； 0一 为应变测点 图 4测试断面选择及测点布置 3 2实 测数据 与理论值 比较 分析 在该 桥截 面张拉 后 对 关 键 截面 的温度 、 应 力 及 梁端的挠度 进行 了同步 的 2 4 h联测 ， 通过 实测值 及 计 算 理论值 比较 ， 可 以得 出温 度 对 梁端 挠 度 的影 响及 温 度对关键截面的应力的影响。温度及挠度实测数据见 表 1 、 2 。 表 1 1 1截面的温度测试 结果 从表 1 、 2可 以看 出 ， 箱 梁顶 板 因为直 接受 到 日晒 温度 变化也最 明显 ， 两边 的腹板 温度 变化稍有 区别 ， 可 能是 因为该桥为双幅独立施 工， 有一侧腹板受 到另一 幅桥的影响。箱梁内部测点温度变化 比较平缓， 各测 维普资讯 2期 混凝 土连 续箱 梁g g z 中的温度 效应分 析 1 0 9 点基本是在 1 7 ： 0 0 左右达到温度峰值 。由于施工到最 大悬臂状态时已经错过温差最 大的季节 ， 本次实测数 据只能在当前工况下选择天气情况较理想时采集 ， 可 能会导致其峰值到达时间与以往资料有些出入。表 2 中给 出了跟温度 同步测量 的悬 臂端挠 度， 其 峰值 在 1 7 ： 0 0 1 9 ： 0 0 ， 稍滞后于温度的变化， 在温差达到峰值 1 1 时梁端最 大挠 度达到 1 2 mm， 可见 温度 效应 在最 大 悬臂状 态下对 挠度 的影响 比较大 。 表 3给出了部分特征点的实测值 及通过 ans y s 仿真计算出来的在最大悬臂状态下的关键截面各测点 的理论值 。从表中数据可看出在箱梁顶底板 中轴线上 的实测值跟理论值更为接近， 底板的温度、 应力变化均 比较 缓 。在腹板 位置 可能受 到预 应力 的影 响 以及 混凝 土本身的离散性而略偏离理论值 ， 实测值与初始值 的 差值也是在 1 7 ： 0 0左右 出现峰值 ， 跟温度的变化趋势 基本一致 。表 3还 给出在各种温度梯度模 式下按式 ( 1 3 ) 计人温度效应后计算的应变测试截面上下缘应力 结 果 。 表 3 1 1截面的应力计算值及 实测值 测点仿 值 不同时间的应力实测值 mp a 初值 1 3 ： o 0 1 7 ： 0 0 1 ： 0 0 按 式( 1 3 ) 计入温度效应计算值 mp a 中国 美 国 澳大利亚 新西 兰 规范 规范 规范 规范 1 8 5 33 1 8 3 02 1 7 8 87 1 7 8 6 2 17 79 3 1 7 821 1 8 9 98 、 综合考虑表 1 3的数据可知 ， 温度在连续梁桥施 工到最大悬臂状态时对梁端挠度及支点处关键截面应 力的影 响 比较 大 ， 本 次 试 验 中挠 度最 大值 达 到 1 2 mm， 对桥 的线 形会 产 生不 利影 响 ， 在 浇 注合 龙 段 时 如 果没有引起足够重视， 温度效应影响将会影响成桥后 的桥梁整体受力。温度效应是非常复杂的 ， 本文主要 分 析 了沿 梁高方 向上 的温度 效应 。在 连续梁 桥 的施工 过 程 中温 度效应 应得 到重视 特别是 在 大悬臂 状态 下 。 4 结 论 通 过计 算和 实测及综 合分 析 ， 可 以得 出如 下结论 ： ( 1 )温 度应 力 、 温 度 变形 是 大 跨 度 混 凝 土 箱 形 桥 梁设计 和施工 时 不可 忽略 的 因素 ， 设计 及施 工 时 对 温 度的影响考虑不周 ， 会引起箱梁在施工 过程 中发生裂 缝 ， 造成箱梁线形不畅甚至合龙困难。 ( 2 )根据实际测量结果 显示 ， 箱梁在最 大悬臂状 态 下梁端 的挠度 受 温度 效 应 比较 明显 ， 在 施 工 中应 足 够重视， 在合龙过程中必须考虑这部分的影响。 ( 3 )梯度温差引起的主梁上下缘应力主要 由顶底 板温差及截面面积决定 ， 而变形则主要 由温度值及截 面面积 决定 。因此 ， 在 实 际计 算 中应 根 据桥 梁 所 处 的 环境选取适当的温度梯度模式进行计算 ， 必要时须通 过试验来确定其特征值 ， 如果温度梯度模式选用不当， 即使增大温度效应设计值 ， 也不能保证施工过程 中结 构不 出现裂缝 。 参考 文献 ： 1 苗丰 田， 许智 勇 ， 刘志敏 混凝 土连续 箱梁 局部温 度 的效 应