温度变化对双箱单室矮塔斜拉桥主梁受力性能影响研究

1、温度变化对双箱单室矮塔斜拉桥主梁受力性能影响研究【摘要】以承德北路盐河大桥为工程背景，通过对 双箱单室矮塔斜拉桥建立有限元模型的仿真分析，得出桥梁 结构在温度荷载作用下的内力响应，分析了桥梁结构的受力 性能。从最不利荷载工况组合看出，温度变化作用在进行结 构分析时需要着重考虑。【关键词】双箱单室；矮塔斜拉桥；仿真分析；荷载工 况前言矮塔斜拉桥也称部分斜拉桥，是近些年来在斜拉桥基础 上发展起来的一种新型的桥梁结构形式。就其结构特性而 言，矮塔斜拉桥是介于连续梁桥与斜拉桥之间的一种新桥 型，它采用了体外预应力束的思想，把梁体内的一部分预应 力移到桥塔上。如果把连续梁桥归类于刚性桥型，把斜拉桥 归类

2、于柔性桥型，则矮塔斜拉桥为一种刚柔相济的新桥型。 它具有美观性、跨径布置灵活、施工简便以及经济性等特点。 对于此种桥型，有限元仿真分析是一种必不可少的技术手 段。本文针对承德北路盐河大桥运用midas/civ订桥梁专业 建模软件，对全桥结构进行了计算分析模拟。1工程概况承德北路盐河大桥主桥设计为60 m+105 m+60m=225m矮 塔斜拉桥。桥塔手型结构，造型独特美观，塔梁固接，墩梁 分离。桥宽32.5m,桥塔主塔结构高18m。主梁采用预应力 双箱单室截面。端部梁高2.8m,根部梁高3.8m。斜拉索按 扇形布置，梁上水平间距6m,塔上竖直间距0.75iii。桥型布 置如图1所示。图1桥型总

3、体布置图（单位：cm）2仿真分析的建模根据各部分结构特点，承德北路盐河大桥主体结构可分 为3部分：混凝土主梁，主塔，斜拉索。混凝土主梁、主塔 采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。主梁和斜拉索 节点采用刚性连接，主塔和斜拉索采用共节点。针对此双箱 单室结构，建立混凝土主梁梁格模型，2片单箱模拟为2片 虚拟纵梁，虚拟纵梁之间按布设虚拟横梁，虚拟横梁厚度取 桥面板厚，并在实际横梁处建立横梁结构。图2为空间梁格 有限元模型图2空间梁格有限元模型3温度变化对主梁内力及应力影响分析对于矮塔斜拉桥，温度变化对全桥结构的影响非常复 杂，且温度的变化会引起结构的附加内力，这对矮塔斜拉桥 结构内力及应力影响很

4、大。其主要原因有以下两点：一是选 用不同材料、不同形状、不同部位处的构件对温度变化的反 应程度不同；二是温度变化对结构产生的影响不是独立作 用，而是伴随混凝土的收缩、徐变作用，它们之间相互影响。 在应用有限元软件midas/civil程序计算混凝土结构的桥 梁，采用简化的方法，即考虑由温度变化产生的附加内力对 结构的影响。本文中的依托工程承德北路盐河大桥所处位置的年平 均气温为12°c,实际气温变化范围为391-8°co根据实 际情况，所建模型中的合龙温度取其年平均气温，系统升降 温均取25°c,斜拉索的升降温取为10°co对于矮塔斜拉桥结构因温度变化引

5、起的温度效应，主要 包括系统整体升温与降温作用、斜拉索的升温与降温作用以 及主梁正负温度梯度作用。通过该矮塔斜拉桥有限元模型的 计算结果分析，对温度效应进行内力响应对比分析。3.1系统温度变化对主梁的影响根据承德北路盐河大桥有限元模型计算结果，得到该桥 在系统温度变化作用下成桥状态的内力图，如图38所示:图3系统升温作用下弯矩图图4系统升温作用下应力图图5系统降温作用下弯矩图图6系统降温作用下应力图从图3、5以可以看出，系统升温作用下主梁最大正弯 矩出现在中跨跨中截面，弯矩值为2135. 4kn.m,最大负弯矩 出现在支座处截面，弯矩为-3581.8 kn.mo主塔塔底截面出 现负弯矩，且随着

6、高度的增加弯矩逐渐减小，主梁截面的最 大负弯矩为主塔截面最大负弯矩的32倍，可见温度的变化 对主塔内力影响很小。相比系统降温25£而言，对结构（主 梁+主塔）产生的弯矩、应力大小与系统升温相同，且最大 值出现位置亦相同，但符号相反。从图4、6可以看出，系统升温作用下主梁最大拉应力 出现在中跨跨中，其值为417 kn/ m2,最大压应力出现在靠 近主塔无索区内，其值为316. 2kn/ m2o主塔产生拉应力， 靠近主梁处的无索区内拉应力逐渐减小，减小幅度不大，而 主塔上的拉索区段拉应力由下往上急剧减小，直至塔顶无索 区拉应力为零。与系统升温相比，系统降温作用下主梁和主 塔的最大拉应力和

7、压应力出现的位置正好相反。3. 2拉索温度变化对主梁的影响由于拉索与混凝土主梁的材料、形状、传热性不同等原 因，拉索在日常的温度变化下，产生的温差与混凝土的截然 不同，本文考虑斜拉索的升降温为10°co矮塔斜拉桥的拉索 升温或降温定会引起相应结构内力的变化，通过计算分析发 现，斜拉索升温作用和降温作用对结构内力和应力的影响规 律与系统整体升降温作用下的相同，下面仅对斜拉索升温作 用下产生的内力及应力进行分析，然后与系统整体升降温作 用对结构产生的影响进行对比。拉索升温作用引起的结构内 力及应力图如图78所示。图7拉索升温作用下弯矩图图8拉索升温作用下应力图从图78可以看出，拉索升温作

8、用与系统升温作用下 产生的内力及应力图的变化趋势相同。拉索升温作用下主梁 的最大正弯矩出现在中跨跨中截面处，弯矩值为 4908. 8kn. m ,最大负弯矩出现在支座处的梁截面为 8110.5kn.ru。主梁上的最大拉应力出现在中跨跨中合龙段 处，拉应力为962.2 kn/ m2,最大压应力出现在主梁上靠近 主塔的无索区内，压应力为713. 9kn/ m2。主塔上均产生的 是拉应力，靠近主梁处的无索区内拉应力逐渐减小，但变化 不大，而主塔上的拉索区段拉应力随着塔高度的增加而急剧 减小，直至塔顶无索区起应力值变为零。根据该矮塔斜拉桥的有限元模型计算结果分析，拉索升 温作用与系统整体升温作用产生的

9、内力及应力影响是一致 的，但是两者对结构的影响程度是不同的，以下是系统升温 与拉索升温对主梁弯矩和应力的影响对比图。图9主梁弯矩影响对比图图10主梁应力影响对比图从图9、10看出，拉索升温作用下主梁内力响应程度比 系统升温大很多。拉索升温作用下产生的主梁弯矩大约为系 统升温作用下的2倍，其中支座处的梁截面的弯矩大约为系 统升温作用下该处梁截面弯矩的2. 3倍。对于梁截面的应力, 拉索升温时产生的应力大于相应的系统升温作用下产生的 应力。由此可见，拉索升温作用下引起的结构内力大于系统升 温。在矮塔斜拉桥进行结构内力计算时，往往会忽略拉索温 度变化对结构内力的影响，但根据该模型的计算结果发现斜 拉

10、索的温度变化对结构内力的影响很大，因此，在结构受力 分析时，应充分重视拉索温度变化对结构内力的影响。3. 3温度梯度对主梁的影响在日照温差的影响下，矮塔斜拉桥上部结构的箱梁会产 生自应力和次应力，并且箱梁结构的外部和内部的热传导是 非常复杂的三维热传导问题，对结构内力的影响很大。模型中的正负温度梯度指的是沿箱梁高度方向的竖向 温度变化。按照通规(jtgd60-2004)规定进行加载来分 析日照温差作用下对结构内力的影响。正温度梯度取值为 (14°c5. 5°c0°c)；降温温度梯度取t/2*正温度梯度。图11正温差作用下弯矩图图12正温差作用下应力图从图1112看

11、出，正温差作用下主梁各截面均产生正 弯矩，最大正弯矩在中支座截面，其值为11499 kn. m,中跨 各截面弯矩值相差不大，中跨跨中截面弯矩最小约为中支座 截面的69%o从中支座截面向边支座弯矩急剧减小，直至为 零。正温差作用下主梁各截面最大压应力均在4mpa左右。 负温差作用下的弯矩和应力响应与正温差一致，其值为正温 差的一半，符号相反。3.4温度变化对主梁影响对比分析根据计算结果和以上温度变化对结构影响的分析，绘出 温度变化作用下内力影响对比图，如图1314所示。图13主梁弯矩影响对比图图14主梁应力影响对比图从图1314可以看出，系统升温、拉索升温以及正温 度梯度中温度梯度作用对主梁内力

12、及应力最大，对结构受力 影响最大，拉索升降温次之，系统整体升降温最小。温度梯 度作用下产生的内力大小约为系统整体升降温作用的3. 8 倍，应力大约为5倍；拉索升降温作用下产生的内力和应力 大约为系统整体升降温作用下的2. 3倍。图15最不利短期组合主梁上缘应力图从短期效应最不利组合结果来看，主梁上缘全截面受 压，最小压应力为1. 56mpa,荷载组合为：恒载+汽车荷载+ 人群+拉索降温+负温度梯度。可见，对于矮塔斜拉桥结构，温度变化对其内力影响很 大，特别是温度梯度和拉索升降温，在进行结构受力分析时 应着重考虑。4结语通过对全桥结构仿真分析计算，可以得出以下结论：(1) 承德北路盐河大桥主桥在温度变化作用下的内力 响应，温度梯度影响最大，拉索升降温次之，系统整体升降 温最小。温度梯度作用下产生的内力大小约为系统整体升降 温作用的3. 8倍，应力大约为5倍；拉索升降温作用下产生 的内力和应力大约为系统整体升降温作用下的2. 3倍。(2) 从最不利短期效应组合看出，可变荷载中，温度 作用影响很大，因此在结构分析时应着重考虑。参考文献：1 刘士林，梁智涛，侯金龙，孟凡超.主编斜拉桥m. 北京：人民交通出版社，2002.2 郑一峰，黄侨，孙永明.部分斜拉桥合理成桥