钢箱梁桥温度梯度模式研究与应用

董　浩，于丽波，朱　季

(1.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京　211156 ；2.南京航空航天大学 金城学院，江苏 南京　211156)



钢箱梁桥温度梯度模式研究与应用

董浩1，于丽波2，朱季1

(1.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京211156 ；2.南京航空航天大学 金城学院，江苏 南京211156)

摘要：文章针对运营阶段钢箱梁的结构特点，提出一种根据实测数据拟合温度梯度公式的方法，以此弥补仅按照规范计算温度梯度效应的不足，结果证明，此方法获得的温度梯度模式，在计算运营阶段刚箱梁的温度梯度作用时更为精准。

关键词：钢箱梁；温度作用；规范；温度梯度

1各国规范对温度梯度作用的规定

在计算温度梯度作用时一般首先参考规范对温度梯度的相关规定,目前国内常用的关于温度梯度规范主要包括中国公路规范、中国铁路规范、美国AASHTO规范以及英国规范(BS5400)等。

美国AASHTO规范与中国公路规范对温度梯度的规定基本相同,如图1所示。

(1) 当梁高H大于400 mm的混凝土上部结构时,A=300 mm。

(2) 当梁高H小于400 mm的混凝土上部结构时,A=H-300 mm。

(3) 对于带有混凝土桥面板的钢结构,A=300 mm。

图1　两国规范对温度梯度的规定

美国AASHTO规范考虑了太阳辐射区域的分布情况,因此,在对温度变化模式参数取值的规定比中国更为详尽。中国公路规范选择美国AASHTO规范中的2区位的参数取值,作为竖向日照正温差计算的温度基数[1-2]。具体参数取值见表1、表2所列。

表1　美国AASHTO规范温度变化模式参数取值　　　℃

表2　中国公路规范温度变化模式参数取值　　　　℃

如图2所示,英国规范(BS5400)对温度梯度作用的规定比上述2种规范更为详细,特别是对钢箱梁的温度荷载作用也做了相应的规定。

图2　英国规范(BS5400)对温度梯度的规定

英国规范(BS5400)除了在正负温差下的温度梯度曲线,也给出了不同铺装层厚度的结构温度参数取值[3]。中国公路规范温度变化参数取值见表3。

表3　中国公路规范温度变化模式参数取值　℃

根据文献[4]对温度梯度的规定,对于箱型梁结构沿梁截面的高度与宽度方向的温差分布,按照下式计算为

(1)

箱梁沿板厚方向的温差分布按照下式计算为

(2)

其中,Ty为目标点处的温度;T0为箱梁沿截面梁高或梁宽度方向的温差;y为目标点到箱梁最外表面的距离;α为温度参数。

2温度梯度实际应用优劣性对比

(1) 美国AASHTO规范根据其国内不同地区太阳辐射程度的差异划分不同作用区域,不同区域使用不同的温度变化模式参数。

(2) 中国公路桥涵规范借鉴了美国规范,但是没有进行区域划分,使用时有局限性。

(3) 美国AASHTO规范与中国公路桥涵规范对温度梯度变化趋势采用双折线的形式,对带有铺装层桥梁的竖向温度梯度予以规定,但是未给出无铺装层钢结构的温度梯度模式。

(4) 英国规范(BS5400)对温度梯度作用的规定更为详细,给出了正、负2种温差下的温度梯度参数,正温差变化曲线更为复杂,而且还对无铺装层钢箱梁温度梯度有详尽的规定。

(5) 中国铁路桥规对温度梯度采用公式的方式予以规定,计算时可以直接使用,较为方便。

一般情况下,国内公路与市政桥梁在计算温度梯度的作用时，应根据中国公路桥涵设计规范进行计算,但是,钢箱梁桥在施工过程中,钢箱梁实际上处于无铺装层状态[5-8],有必要参考英国规范计算施工过程中的温度梯度作用。中国公路规范温度梯度的规定存在不完善之处,主要集中在温度梯度参数取值的单一和温度曲线简单两方面。国内南北气候差异较大,上述的温度曲线与参数取值无法包括国内大部分桥梁结构实际的温度梯度分布状况,因此,在使用上具有较大局限性[9-11]。

综上所述,国内钢箱梁桥仅按照中国公路规范计算温度梯度作用是偏保守与不安全的,还需要参考其他规范计算。

3钢箱梁运营阶段温度梯度模式分析

除了在设计、施工阶段考虑温度梯度对钢箱梁结构的影响,钢箱梁桥成桥后运营阶段的温度梯度作用也不容忽视[12-13]。

对处于运营阶段的钢箱梁,研究其温度梯度作用影响时,首先使用我国规范对温度梯度的规定进行计算,建议再采用英国规范(BS5400)的规定进行计算,因为英国规范提供的温度梯度变化曲线更为复杂,也更为接近桥梁在实际运营状态下的温度分布情况。但是无论使用哪种规范计算温度梯度效应都有所欠缺,因为处于不同地区的钢箱梁结构,随着当地气候变化,其温度梯度也具备特有的变化特点,规范提供的温度梯度模式是无法完全包括的。

为研究某钢箱梁桥典型截面在某时间段内的温度梯度模式,首先在箱梁截面沿梁高和梁宽2个方向上布置一定数量的温度传感器,然后参考当地往年同期气温变化情况,并结合实时天气预报信息,选择天气变化较为稳定的日期进行48 h甚至更长时间的持续性温度数据收集工作,在收集大量的温度分布数据后,根据(1)式,对实测钢箱梁截面上温度变化情况进行实际温度梯度公式的拟合,并在其基础上进行修正,获得在该时间段内的修正温度梯度公式为

(3)

其中,T0为温度基数,取顶底板温度差值;T′为底板实测温度值;y为目标点到箱梁顶板的距离。

(3) 式在使用时,结合现场实测的温度曲线进行拟合计算获得温度参数α。

理论上,截面布置的温度传感器越多,对截面上的温度变化情况了解越精准,但实际操作过程中,在截面满布传感器是不现实的。因此,拟合公式的主要特点是根据梁截面上的少量测点提供的温度数据,获得全截面的温度梯度变化情况,可用于研究某一时段的温度梯度变化情况,也可以研究整个施工阶段或运营阶段的温度梯度变化规律。

一般认为桥梁结构在夏季(冬季)处于极端高(低)温下,而春、秋两季温度较为稳定,因此,可以通过收集夏、冬两季箱梁截面上温度数据,对该时间段内的温度梯度公式进行拟合,获得的拟合公式应包括最不利正温差温度梯度与最不利负温差温度梯度公式[14-15],这2种拟合公式基本能包括全年的温度梯度变化情况,可用此公式计算结构全年最不利温度梯度下的内力与变形。

4结束语

温度梯度作用对钢箱梁桥的作用显著,不仅体现在施工阶段,运营期的温度梯度作用也对其有较大影响。无论是施工阶段还是运营阶段,单纯地使用规范提供的温度梯度模式计算其作用效应是不够的,需要结合规范与现场实测的温度数据研究温度梯度的变化状况。

〔参考文献〕

[1]JTG D60-2015,公路桥涵设计通用规范[S].

[2]AASHTO LRFD Bridge Design Specifications[S].

[3]BS 5400-2-1978,Steel,concrete and composite bridge[S].

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[15]李全林.日照下混凝土箱梁温度场和温度应力研究[D].长沙:湖南大学,2004.

收稿日期：2016-03-10；修改日期：2016-03-25

作者简介：董浩(1983-)，男，江苏徐州人，硕士，江苏省交通规划设计院股份有限公司工程师．

中图分类号：U445.2

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0152-03