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环境温度对连续箱梁的作用效应研究

更新时间:2009-03-28

1 概述

对于处于自然环境中的混凝土桥梁结构,其结构内部及表面的温度会随日照与气温而随时发生变化。外界自然环境所提供的热量通过传导、辐射、对流[1]等途径与混凝土桥梁结构内部的热量进行交换,因此混凝土桥梁结构无时无刻不处于一个复杂的换热过程中,但由于混凝土材料的导热系数小,外部环境的温度变化会在混凝土箱梁中形成可观的温度梯度[2][3]。混凝土桥梁结构的各个部位温度不同会产生较大的温度变形,当变形被约束时会出现较大的温度应力。

5) 利用防沸石消除含水层的突沸。研究表明,在储罐底部含水层中放置防沸颗粒,例如陶瓷晶体颗粒,水相汽化、油层鼓泡、火焰增高和油火喷溅等问题仍然存在,但沸溢喷溅的强度比未加防沸颗粒时有明显减弱。

规范[3]要求在桥梁设计过程中需要考虑季节温差作用和梯度温差作用,对于多跨混凝土连续箱梁结构而言,由于其属于多次超静定结构,温度作用产生的应力往往会超过一般作用[5],这会对该类桥梁结构的安全性和耐久性带来严重的影响。因此,探索环境温度对连续箱梁的作用效应非常必要。

本文以芜湖二桥西河特大桥南引桥作为依托工程,针对该连续箱梁桥其中的典型一联,基于温度作用效应理论计算了该桥的梯度温度效应与季节温度效应,并将温度作用效应与活载作用效应相比较,进而对温度作用效应进行分析与评价。

2 温度作用原理及工程概况

2.1 梯度温差效应

太阳辐射是温度作用的一种形式,桥梁不同于房屋结构,其纵向尺寸远大于横向与竖向尺寸,因此可以近似认为桥梁温度沿纵向不发生变化,这样桥梁结构所处的三维温度场可以简化为断面的二维温度场[6][7]。另外,由于公路桥梁箱型断面往往具有较长的悬臂,太阳辐射对其两侧腹板的影响较小,对梁底的影响更可以忽略不计,所以可以忽略横桥向的温度梯度,断面二维温度场可进一步简化为沿截面高度方向的一维温度场。基于该原理,目前大部分国家的桥梁设计规范均只考虑竖向的温度梯度。

若温度梯度为线性变化,梁结构在挠曲变形后会继续服从平截面假定。所以对于静定的梁结构,线性温度梯度不会在结构中产生温度次内力,但对于超静定梁,线性温度梯度不仅会发生挠曲变形,还会产生因挠曲变形被约束而形成的温度次内力。

若温度梯度为非线性变化,即便是静定梁结构也会产生温度自应力。一方面,结构在非线性温度梯度作用下产生挠曲变形的同时,梁截面要服从平截面假定,致使截面内各纵向纤维层变形不协调而相互约束,从而会在整个截面内产生一组自相平衡的应力。另一方面,对于超静定结构,还需要在温度自应力的基础上考虑温度次内力的影响。因此,超静定梁结构的温度总应力为温度自应力与温度次内力所产生的次应力之和:

 

上式中,为温度总应力;为温度自应力;为温度次应力

2.2 季节温差效应

季节温差是温度作用的另一种形式,是指常年气温变化会导致桥梁沿纵向发生均匀位移,当纵向位移受约束时会产生温度次内力。季节温差在截面上产生的温度分布为线性[8],因此不会产生温度自内力。

2.3 工程概况

本文的依托工程概况如下:芜湖二桥西河特大桥南引桥,共二十联,上部结构采用预应力混凝土箱梁,截面形式为等截面单箱单室,现选用该引桥的第十七联作为分析对象,该联跨径布置为 5×30m。

组织的硬度与组织的结构密切相关,组织结构在很大程度上取决于组织的分子构成以及这些分子构成的组织形式。然而,传统医学影像模式(包括超声、x-射线、计算机断层扫描、磁共振)都无法提供组织的硬度信息。因此,超声弹性成像(ultrasounic elastography,UE)这一可以提供组织硬度的新技术被Ophir等[1]人提出来后,得到了广泛关注并快速发展,已成为超声领域的一个研究热潮。

3 梯度温差作用效应分析

3.1 梯度温度自应力计算

上式中,δ 1 1为基本结构中单位赘余力在其方向上引起的变形,Δ T为梯度温度在赘余力方向上引起的变形。易知在该结构中,中间支座两边截面相对转角相等,即进而根据材料力学知识,即可求得梯度温度次应力为:

 

同理可以得到梯度降温时的结构各部位应力与弯矩,梯度降温时次中跨跨中截面上缘最大拉应力为1.58MPa。限于篇幅,本文不再给出其应力与弯矩图。

考虑到箱梁截面服从平截面假定,因此高度y处的应变分布实际为线性:

旅游地产的发展要考虑到旅游地的基础服务设施和生态自然环境条件,这与旅游者对旅游地的体验和感受密切相关,所以旅游地产的发展要考虑到农村生态环境的建设,改善农村人居环境和基础设施环境,保护和展示大陆村的生态自然资源,推进大陆村的旅游地产的建设。

 

线性温度梯度函数T(y)如下:

无纵向约束时的应变与实际应变之差即温度自应变,如下式所示:

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根据截面内力平衡条件可进一步得到的求解公式:

 

根据温度自应力与应变关系即可求得温度自应力:

 

弯矩图如图9所示。

  

图1 跨中截面图(cm)

梁段截面宽度为随截面高度变化的函数:

 

上式中,y为从梁底起算的竖向高度 (m);考虑到梁顶面0.4m以下部位的温度梯度为0,故不再列出该部分的宽度变化规律。

上式中,ε 0 为梁底缘应变值,θ 为截面变形曲率。

 

可以算出梯度温差产生的截面曲率与梁底缘应变值分别为:

 

进一步可得该箱梁跨中截面各高度处的温度自应变与自应力,本文截面应力以拉为正,以压为负,跨中截面温度自应变计算过程及温度自应力如图2所示。

  

图2 截面温度自应变( μ ε)与自应力(MPa)

3.2 梯度温度次应力计算

当结构超静定时,其多余约束会限制结构温度作用下的变形从而产生温度次应力。以两跨连续梁为例,取两跨简支梁作为其基本结构,中间支座处由于变形协调会产生赘余弯矩X1,如图3所示。

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图3 梯度温度作用下两跨连续梁的次内力

其他截面均采用相同的计算方法,得到整个结构在梯度温度作用下的应力如图8所示。

 

梯度温度自应力与外界约束无关,主要由温差分布和截面特性决定。对于箱型截面,非线性温度梯度可用函数T(y)来表示,假想箱梁沿梁顶分割为无数个水平纤维层,这些纤维层在无纵向约束时产生的纵向应变可用下式表示:

 

基于该原理,运用MIDAS/CIVIL建立该工程5×30m连续箱梁结构模型,计算得到梯度温度在结构上产生的次弯矩如图5所示。

  

图4 MIDAS/CIVIL有限元模型

  

图5 温度梯度产生的次弯矩(kN·m)

同样以跨中截面为例,给出其温度梯度次应力如图6所示。

  

图6 跨中截面温度次应力(MPa)

3.3 梯度温度总应力

将温度自应力与次应力叠加即可得到温度总应力,如图7所示。

  

图7 跨中截面温度总应力(MPa)

列出该结构力法方程如下:

  

图8 梯度温度作用下的应力图(MPa)

基于该原理并结合规范,计算芜湖二桥西河特大桥南引桥第十七联5×30m连续箱梁中跨跨中截面在梯度升温工况时的温度自应力,截面如图1所示。

  

图9 梯度温度作用下的弯矩图(kN?m)

可以看出,梯度温差在边跨两端所产生的应力和弯矩均相对较小,但在其余部位,梯度温差的影响不容忽视。需要指出的是,对于桥墩墩顶处的主梁截面,其结构构造与桥墩对主梁的支撑会改善主梁截面的受力与变形情况,而对于各跨跨中处主梁截面,由于其截面抵抗矩小且缺乏有效约束,梯度温差所带来的影响必须加以重视,尤其是次中跨跨中,其最大拉应力达到1.55MPa,需要特别注意。

上式中,a为混凝土的线膨胀系数。

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为了更直观的评价梯度温差对多跨连续箱梁桥的影响,可将温度作用效应与活载作用效应进行比较,其中活载下的应力包络图如图10所示。

  

图10 活载作用下的应力图(MPa)

分别针对次中跨跨中主梁截面的上下缘,比较其在梯度温度和活载作用下的最大拉应力,结果如表1所示。

 

表1 梯度温差与活荷载最大拉应力比较

  

位置 梯度温差(MPa) 活荷载(MPa) 梯度温差/活荷载截面上缘 1.58 0.92 1.72截面下缘 1.55 2.03 0.76

由表1可看出,对于多跨连续箱梁桥而言,梯度降温时梁体控制截面上缘产生的拉应力数值可达到活载所产生拉应力的1.72倍,无疑这会对结构带来较大的不利影响。梯度升温时梁体控制截面下缘产生的拉应力数值相比上缘来说偏小,可达到活载所产生拉应力值的0.76倍。相比上部结构,梯度温差对多跨连续箱梁桥桥墩的影响较小。

4 季节温差作用效应分析

参照安徽地区取年均温差为30℃,且仅考虑升温,计算得到其温度内力如图11所示。

  

图11 整体升温引起的弯矩图(kN·m)

可以看出,对于连续箱梁桥,由于固定支座靠近中跨,可以有效的将季节温差带来的纵桥向伸缩均摊到两边,桥梁变形得以释放。因此季节温差对连续箱梁桥的影响较小。

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5 结论

5.1 环境温度作用对多跨连续箱梁桥具有不可忽视的影响,其中由太阳辐射引起的梯度温差效应对多跨连续箱梁桥的影响较大。由于多跨连续箱梁桥在纵向无多余约束,因此季节温差对该类桥梁的影响较小。

5.2 梯度温差作用在上部结构产生的最大拉应力能达到活载所产生拉应力值的1.72倍,这对多跨连续箱梁桥的各跨中受力非常不利,但梯度温差对连续箱梁桥墩的影响甚小。因此在设计和施工中,需要尤其重视梯度温差对上部结构的受力影响。

东北方言中ABAB式形容词包括:忽悠忽悠、乌央乌央等。此类多为AB的重叠,而AB多为“词根+词缀”构成的复合词。上述例词中的AB大多可以单独成词,只有“乌央乌央”中的AB“乌央”无法单独使用。如:

5.3 季节温差作用对多跨连续箱梁桥的上部结构和桥墩均影响较小,但前提是该连续箱梁需要合理的支座布置,使得桥梁在整体温度升降时沿纵桥向的变形不受约束,从而减小附加内力的产生。

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参考文献

[1]顾颖,李亚东,姚昌荣.太阳辐射下混凝土箱梁温度场研究[J].公路交通科技,2016,33(2):46-52.

[2]叶见曙,贾琳.混凝土箱梁温度分布观测与研究[J].东南大学学报,2002,32(5):788-793.

[3]JTG D60-2004.公路桥涵设计通用规范[S].

[4]周剑.南京四桥节段预制拼装连续刚构静力及抗震性能研究[D].南京:东南大学,2010.

[5]Barsotti R,Froli M.Statistical analysis of thermal actions on a concrete segmentalbox-girderBridge [J].Journalofthe International Association for Bridge and Structural Engineering,2000,10(1):111-116.

[6]刘钊.桥梁概念设计与分析理论[M].北京:人民交通出版社,2010.

[7]冯航.考虑温度影响的连续钢桁梁桥结构分析及施工监控研究[D].青岛:青岛理工大学,2017.

[8]张建东,张元文,邢世玲,朱俊鹏.混凝土曲线梁桥的温度作用效应研究[J].世界桥梁,2014(3):47-52.

 
李亚枫
《科学技术创新》 2018年第16期
《科学技术创新》2018年第16期文献

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