混凝土箱形梁桥的温度梯度分析

混凝土箱形梁桥的温度梯度分析

摘要：最新修订的《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）对之前的规范内容（JTG 021-89）给予了适当修订，其中，有关温度梯度内容的规定发生了较大变化；在JTG D60-2015当中的温度梯度曲线，实为基于美国AASHTO规范，结合我国实际并进行适当修改所得。从AASHTO的相关规定可知，依据既往经验，多室钢箱梁与开口截面可以不讲温度梯度的影响、作用考虑在内。本文就混凝土箱形梁桥的温度梯度作一探讨与分析。

关键词：混凝土箱形梁桥；温度梯度；《公路桥涵设计通用规范》

随着我国基础设施建设项目的持续稳定增长，桥梁建筑也得到了迅猛发展，箱型截面梁桥以其良好的截面受力特点，在桥梁建筑发挥着重要作用。然而在自然环境中的混凝土箱型梁桥不断发生因为温度应力而导致的裂损事故，引起了工程界对混凝土桥梁结构温度分布情况和温度应力的广泛关注和重视。本文探讨与分析了混凝土箱形梁桥的温度梯度。

1.混凝土箱梁结构温度作用类型

混凝土结构会产生随时间变化的温度场是因为受到自然环境中太阳辐射、大气温度骤然降低或升高的影响，从而带来结构复杂的热量交换，引起混凝土箱梁内外各点热量的不平衡。尽管影响混凝土结构的温度场是复杂的，但是根据影响温度作用的复杂程度，将其分为三种不同类型。第一种情况是最简单的年温温度变化情况，这种情况下的温度作用对混凝土结构产生长期的影响，结构产生的温度分布情况是均匀分布的，并且结构会发生影响较大的位移变化。对于年温温度变化作用的大小，我国桥梁设计规范已经给出了相关数据。第二种是温度作用较复杂的情况，是由强冷空气引起的大气温度短时变化，这种情况产生了较均匀的温度分布，能引起结构较大的温度应力。强冷空气引起的温度作用使得结构整体都受到其影响。第三种情况是指结构受到最复杂的温度作用，这种温度作用的主要影响因素是太阳辐射强度，其次还有大气温度和风速，发生在受日照温度影响的混凝土结构中，与上面两种情况不同，这种情况下的温度作用特点是会改变结构局部的温度大小，当混凝土结构某些部位不受日照作用影响时，温度大小的改变并不明显，因此太阳辐射作用会引起混凝土结构的温度分布不均，造成结构局部温度应力过大，使得结构发生破坏。本文重点研究第三种温度作用下混凝土箱梁结构的温度分布情况。

2.混凝土箱形梁桥的温度梯度理论概述

针对《公路桥涵设计通用规范》当中所规定的温度梯度变化曲线而言，其所参照的是美国AASHTO规范当中2区的温度梯度基数的实际变化而得到；而在AASHTO当中，桥面与沥青间处于接触状态的温差为T1，而在《公路桥涵设计通用规范》当中，没有对此进行详细阐述，因此，可以将T1的位置当作AASHTO的标准。

需要指出的是，在整个AASHTO规范当中，可以将温度梯度效应划分为三部分，其一为弯曲变形，其二是轴向伸长，其三则为内应力；其中，针对弯曲变形与轴向伸长来讲，其在整个超静定结构体系当中，会形成持续性的内力，也有报道将两者之间的作用力称之为温度梯度次内力。通常情况下，针对混凝土箱梁的铺装来讲，其主要包含两部分，其二为沥青层铺装，其二是混凝土层铺装。如果进行的是常规形式的设计计算，那么在此过程中，可以不讲上述两铺装在结构受力当中的贡献考虑在内，仅需将其重量考虑在内。另外，由于沥青底层界面的温

差是T1，也就是混凝土铺装顶层所存在的实际温度，通常情况下，在实际设计中，可以在设置T1时，将其设置于箱梁的顶缘上（不考虑铺装），或借助于混凝土

铺装层，折减温度；对于前者而言，会一定程度增加箱梁顶缘的内应力，而对于

后者来讲，则会减小使结构的次内力。在大跨径连续梁当中，二者之间的差异更

为明显，现在以大跨径连续梁为例，对各个计算模式间所得结算结果之间的差异

进行系统化分析。

该连续梁的跨径布置为282m，针对其主梁截面而言，即单箱双室的箱梁；而对于中墩来讲，其墩顶的截面高度为6.5m，边墩墩顶截面的高度是2.6m，而中

跨跨中墩顶截面高度同样是2.6m。整个沥青铺装的总体厚度为10cm，而混凝土

铺装层的总体厚度为8cm。用于计算温度梯度的降温参数为T2=-2.75°，T1=-7°；

而用于计算温度梯度升温的参数为T2=5.5°，T1=14°。

在计算过成中，假设1：不计铺装层的箱梁顶缘为T1作用的为转移，不折减；假设2：混凝土铺装层顶缘为T1作用的具体位置，但排除混凝土铺装层所参与的

结构受力，仅将混凝土铺装层折减温度考虑在内；假设3：混凝土铺装层顶缘为

T1的主要作用位置，与此同时，将混凝土铺装层在结构受力中的实际参与情况考

虑在内。将TDV作为计算程序，开展相关计算。通过开展上述分析，在3种计算

假设当中，考虑混凝土铺装层顶缘内应力、箱梁顶缘及温度梯度次内力在其中的

差异考虑在内。

3.关于温度梯度次内力、内应力分析

3.1温度梯度的次内力计算

基于3种计算假设，可以得出正温差与负温差的温度梯度次内力。经相关分

析得知，在正负温差作用下，计算假设1与3的下次内力分布曲呈现重合状态，

而对于计算假设2来讲，其次内力值相比计算假设1和2，仅为其50~60%，也就

是说，可以忽略虑混凝土铺装层受力作用对最终次内力结果所造成的影响。由于

混凝土铺装层不会较大程度影响到截面特性，因此，可结合轴向应变的计算公式

及弯曲应变的计算公式，假设1与3因温度梯度所造成的应变较为接近；此外，

假设2因对温度存在折减情况，所以，相比假设1与3，其应变力与次内力相对

较小。

3.2内应力

内应力的计算公式为，其中，有3个分项变量，分别为TG、TUG与，

假设2＝假设3＜假设1，通过计算显示对于TG、有以下关系式：假设2＜假

设3≈假设1，故内应力计算结果的关系式为：假设1>假设2>假设3，正负温差下

箱梁顶缘正应力基本满足假设1≈假设3+αET（T’为混凝土铺装层上下缘温差）。

4.结论

理想状态下若箱梁顶缘与混凝土铺装层完全无粘结，则温度梯度下结构受力

模式应与计算假设2相同，若两者粘结非常紧密，则结构受力模式与计算假设3

相同。故温度梯度下，结构实际受力情况应介于两者之间。以上的算例分析显示，在考虑温度梯度时：不考虑混凝土铺装层的受力，而仅考虑其重量时，箱梁的次

内力与实际比较接近，但内应力偏大；通过混凝土铺装层对温度梯度进行折减，

箱梁内应力与实际相差不大，但次内应力偏小。现今常用的结构杆系分析一般使

用的是前者，使结构设计一般由顶缘的压应力控制（特别是大跨径连续梁），为

了降低温度梯度带来的设计难度，常用的方法是增加沥青铺装层的厚度或者降低

预应力结构的等级。通过以上的分析，建议：①在采用假设1分析温度梯度时，可以相应于混凝土铺装层的厚度对温度梯度的内应力进行相应的折减，建议可以