溫度對混凝土橋梁的影響

張春來

摘 要：在橋梁設計中，設計人員往往會忽略溫度對橋跨結(jié)構(gòu)的影響，然而在鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，溫度對于橋梁應會產(chǎn)生很大的影響，尤其是溫度梯度對橋梁的影響，甚至超過了自重和活載對梁單元的影響。筆者結(jié)合工程實際設計案例，更形象地給出溫度對橋梁受力的影響，希望能對讀者起到一定的借鑒參考作用。

關鍵詞：箱梁；整體升溫；整體降溫；溫度梯度；應力

中圖分類號：U441 文獻標志碼：A

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，交通建設的腳步也在不斷地加快。一座座橋梁，像一個個巨人般，托起一條條通途大路，跨越江河湖海。橋梁作為一個工作在自然環(huán)境中的構(gòu)造物，自然會受到各種自然環(huán)境的影響，如：風、雪、雨、水、溫度等。

對于混凝土結(jié)構(gòu)橋梁來說，影響最大的是水和溫度。在橋梁一般設計中，很多設計人員都會注重環(huán)境類別，注重水對橋梁的影響。但是在日常的設計中，很容易忽略溫度對橋梁的影響，從而影響橋梁的使用安全和壽命。

對于橋梁產(chǎn)生影響的溫度分為整體升降溫和溫度梯度。在我國早期的橋梁設計中，對于環(huán)境溫度的影響不夠重視，在89規(guī)范中橋梁各部構(gòu)件一般只考慮受溫度變化而引起的作用，只在必要時考慮日照引起的影響。在04、15規(guī)范中參考國外規(guī)范和實際工程實例的基礎上對溫度作用作了較大調(diào)整，除明確規(guī)定了溫度變化引起的作用外，還規(guī)定了不同混凝土鋪裝層溫度梯度變化值對于橋梁的影響。

1 整體溫度作用及設計措施

整體溫度作用對于簡支結(jié)構(gòu)及連續(xù)鋼構(gòu)橋梁影響較小，在合理設置支座及伸縮縫的前提下可以消除整體溫度作用對于橋梁內(nèi)部應力的影響。

對于連續(xù)鋼構(gòu)橋梁，由于不能通過支座變形抵消橋梁內(nèi)部應力，從而導致橋梁在墩梁結(jié)合處產(chǎn)生較大應力，影響橋梁的受力性能和使用安全。對此設計者一般將上部跨越結(jié)構(gòu)做成變截面梁橋，此設計一是可以減小橋梁本身自重增大跨越能力，同時變截面梁橋在墩梁結(jié)合處增大梁高可以取得更好的抗剪能力，更可以減小整體溫度應力對于橋梁內(nèi)部應力的影響。在增大梁高的同時，設計者在設計橋梁下部結(jié)構(gòu)時，通常會將橋墩做成柔性墩，通過柔性墩的變形來抵消整體溫度作用對梁橋內(nèi)部應力的影響。

2 溫度梯度作用及設計措施

整體溫度對橋梁產(chǎn)生的應力效應，可以通過結(jié)構(gòu)的合理設置進行減小和消除。而由于日照溫度的豎向梯度變化，對橋梁產(chǎn)生的溫度應力效應，由于橋梁結(jié)構(gòu)本身的自我約束，是無法通過橋梁外部結(jié)構(gòu)的特殊設計進行減小或是消除。只能通過針對性的設計措施來抵抗溫度應力效應。

以下通過一工程實例，來更加直觀的了解整體溫度效應及溫度梯度效應對混凝土梁單元的影響。如何通過合理的設計措施，消除整體溫度作用產(chǎn)生的溫度應力，以及怎樣通過針對性設計抵抗溫度梯度應力效應。

本工程為一城市跨河橋梁，根據(jù)規(guī)劃需要及現(xiàn)場條件限制，本橋位于直線上，橋梁寬度為13.5m，橋梁跨徑為20m+22m+22m+20m鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁橋，梁高1.4m，設計荷載為城—A級車道荷載。

通過MIDAS CIVIL建立全橋模型，升溫溫度為35°，降溫溫度為20°，溫度梯度根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）表4.3.12-3溫度基數(shù)計算，如圖1所示。

（1）墩柱與主梁之間支座均設為固定支座，經(jīng)分析計算，整體溫度產(chǎn)生的梁結(jié)構(gòu)應力（單位：MPa）為：

整體升溫梁單元上下緣應力最大分別為：-0.05 MPa、

-0.05 MPa；整體降溫梁單元上下緣應力最大分別為：0.03 MPa、0.03MPa。

溫度梯度產(chǎn)生的梁結(jié)構(gòu)應力（單位：MPa）為：

升溫梯度梁單元上下緣應力最大分別為：-4.36 MPa、0.91 MPa；降溫梯度梁單元上下緣應力最大分別為：2.08MPa、-0.64MPa。

（2）中間墩柱與主梁之間支座縱向設固定支座，其他支座縱向為滑動支座，經(jīng)分析計算，整體溫度產(chǎn)生的梁結(jié)構(gòu)應力（單位：MPa）為：

整體升溫梁單元上下緣應力均為：0.00MPa；整體降溫梁單元上下緣應力均為：0.00MPa。

溫度梯度產(chǎn)生的梁結(jié)構(gòu)應力（單位：MPa）為：

升溫梯度梁單元上下緣應力最大分別為：-4.36 MPa、0.91 MPa；降溫梯度梁單元上下緣應力最大分別為：2.08MPa、-0.64MPa。

（3）由支座的全約束及縱向部分約束計算結(jié)果對比可以看出，整體溫度在通過結(jié)構(gòu)調(diào)整后可以消除其對梁單元應力的影響，溫度梯度對梁單元應力無法抵消或消除。

最不利組合產(chǎn)生梁單元應力圖如圖2和圖3所示（單位：MPa）。

由最不利組合應力圖可知，梁單元上緣最大應力為：-9.3MPa，3.9MPa；梁單元下緣最大應力為：3.49MPa，-2.6MPa。

由以上結(jié)果可知溫度梯度引起的梁單元應力占最不利組合應力的百分比為：17.1%～47.9%。

因此在鋼筋混凝土設計過程中，應通過設置受力主鋼筋來提高梁單元應力抵抗能力，《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62—2004）9.3.10條規(guī)定，鋼筋混凝土支點處，應至少有兩根且不少于總數(shù)1/5的下層受拉主鋼筋通過。隱晦地提出了鋼筋混凝土梁在支點處應設置受力主筋來抵抗溫度梯度對梁體產(chǎn)生的內(nèi)力。而預應力混凝土梁橋由于設置了預應力鋼筋，已經(jīng)通過預應力鋼筋施加的預應力來抵抗溫度梯度對梁體產(chǎn)生的內(nèi)力。

結(jié)論

由于一般在進行鋼筋混凝土和預應力混凝土橋梁設計中，大家不自覺地會忽略溫度的作用，而溫度的作用對橋梁的影響產(chǎn)生的影響是不可忽略的，溫度梯度對梁單元受力的影響，甚至超過了自重和活載對梁單元的影響。所以在混凝土橋梁設計中，應重視溫度的作用，通過合理設置結(jié)構(gòu)形式消除整體溫度作用，通過合理配筋抵抗溫度梯度作用。

參考文獻

[1] JTG D60—2015，公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[2] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].endprint