Ｃｈｉｎａ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ 工程设计施工与管理 温度荷载对预应力箱梁影响的分析与研究 李云虎潘怡宏熊诚 （中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉４３００００） 【摘要ｌ由于预应力混凝土箱梁长期暴露在室外，所以内部会产生大量的非线性温度场。温度场由于其直接作用于混凝土预应力箱梁的材料 产生应变，所以直接影响到混凝土预应力箱梁的耐久性以及其可靠性。在施工中经常可以见到设计完美的一些桥梁由于温度应变导致梁板开裂，降低 功用。本文通过具体试验以及运用计算机拟舍实验数据分析在温度荷载条件下混凝土预应力箱梁的耐久性与可靠性。得到了以下几点结论：（１）在温 度荷栽条件下，混凝土预应力箱梁会受到哪几个方面的应力。（２）在温度荷载条件下，混凝土预应力箱梁会受到哪几个方向的位移。 【关键词】混凝土预应力箱梁温度荷载应力挠度 １概述 １．１研究背景及意义 进入２０世纪以后，大量的预应力构件快速发展。其中预应力混 凝土箱梁由于其独特的机构形式和良好的力学特性被广泛运用于 桥梁建设中。特别是近些年来，国内外跨度超过６ 的桥梁一般都采 用预应力混凝土箱型梁。比如武汉长江二桥与郑州黄河二桥均采用 的是混凝土预应力箱梁构造。但是，混凝土预应力箱型梁桥也存在 着一定的问题： （１）随着时间的推移，混凝土预应力箱型梁桥会产生较大的挠 度，并随着时间的增长产生变化； （２）｝昆凝土预应力箱型梁挠度较大。在使用过程中要远远大于设 计挠度值。 １．２研究现状 国外［１】自二十世纪五十年代便开始了关于温度荷载对混凝土预 应力箱型梁的影响的课题研究。随着一部分由于温度荷载导致的桥 梁损毁以及垮塌的事故的发生，国外学者开始大量研究温度荷载对 混凝土预应力箱梁影响的课题研究。 我国则是从上世纪八十年始进行这类研究的。近几十年来 由于此类事故大量发生，我国开始加紧对此类问题的研究。现今阶 段铁道部科学院 对此类问题研究成果较多。但是也是主要从具体 桥梁事故以及案例中分析原因与形成机理的。 ２混凝土预应力箱型梁温度荷载种类 昆凝土预应力箱型梁主要的温度荷载来自于长时间的阳光照 射，由于阳光直射导致箱型梁内部产生温度场，从而导致箱型梁产 生一部分温度荷载，最后产生位移以及挠度变化。温度应力由于其 形成方式不同与其结构形式不同最终会导致其产生不同的效应即 温度应力与温度次应力。当桥梁结构为超静定结构时，温度荷载会 使桥梁结构产生温度次应力，也称之为温度约束应力。一般静定结 构会使桥梁产生温度应力。 温度作用的类型主要分为三种：日照温度变化作用、年度温度 变化作用、气候骤变温度变化作用。由于混凝土预应力箱型梁内部 温度变化较为缓慢。所以，温度变化比较复杂［３】。对于混凝土预应力 箱型粱温度荷载的影响要从三个方面逐个分析。 ２．１日温度变化作用 日温度变化作用主要影响部位有：顶板、腹板。随着阳光照射， 混凝土预应力箱型梁顶板以及腹板温度有较为明显的升高，但是混 凝土预应力箱型梁内部温度基本保持恒定，变化较小。根据对武汉 长江二桥的实时监测，只有每小时一摄氏度的温度变化。这种变化 导致混凝土预应力箱型梁自身产生较大的温度梯度。而且随着外部 环境的不同变化，温度变化也较为复杂，并无法拟合成为函数曲线。 ２．２年温度变化作用 随着一年四季的变化，春夏秋冬周而复始，混凝土预应力箱型 梁的温度变化也呈现一种变化。这种变化比较缓慢，效果比较不明 显。所以这种变化模式是一种长期的、缓慢的变化。 ２．３气候骤变温度变化作用 随着当今气候污染严重，大量极端气候的出现。气候骤变温度 变化作用逐渐成为混凝土预应力箱型梁受到温度效应破坏的主要 作用之一。气候骤变温度变化效应虽然在温度变化上要小于日温度 变化作用，但由于其作用时间短，作用时间突然所以危害较大。 ３温度荷载对预应力箱梁影响分析 ３．１混凝土预应力箱型梁温度场选定及其效应分析 ３．１．１温度场的选定 随着大跨径桥梁的发展，温度应力逐渐得到重视。但是对于温 度应力的研究取决于温度场的选定。由于温度场形式多样，变化形 式不同所以选定温度场极其关键。通过对湖北武汉长江二桥进行监 测，我们可以选定相应的温度场，也就是混凝土预应力箱型梁随温 度变化自身温度实际变化形式。 ３．１．２混凝土预应力箱型梁横向温度致应 根据选定的温度场我们对混凝土预应力箱型梁横向温度效应 进行研究得到了以下结论： 随着温度不断增加，混凝土预应力箱型梁顶板的温度会不停的 增加。顶板中点以及翼板温度增加最快。腹板上方顶板温度增加较 慢。从而导致横向温差的产生，并随着温度的增加逐渐增加。 ３．１．３混凝土预应力箱型梁温度故应结论 通过运用多光点人工控制的方法调整光源照射角度以及光点 工作功率的方法对试验梁进行温度场模拟，使之与选定的温度场 呈现相同的变化趋势。在形成温度场的过程中对试验梁各个截面 的挠度进行实时测量，并通过附着式应变片测定试验梁的横向应 变大小。 通过具体检测数据以及实际施工中经验总结我们可以得到发现： （１）随着温度的增加，混凝土预应力箱型梁跨中以及支座处截面 会随着温度的变化加速上挠。这种变形会直接导致混凝土预应力箱 型梁变形增大。 （２）混凝土预应力箱型梁产生较大了较大的横向压应变。 ３．２温差重复作用对混凝土预应力箱型梁效应研究 在箱梁浇筑结束后３１天内开始施加预应力，待预应力筋张拉结 束后对混凝土预应力箱型梁进行现场测定。测定结果显示，混凝土 预应力箱型梁整体截面呈现受拉状态。预应力施加结束后，运用多 光点光源对混凝土预应力箱型梁进行直接照射。通过光照模拟日照 对｝昆凝土预应力箱型梁温度变化作用。通过半小时升温，半小时降 温的措施模拟温差重复作用。每天七次，进行周期为一个月。并对每 次升温至最高温度时混凝土预应力箱型梁的应变以及位移进行测 定。试验结束后对测定的数据运用数据分析软件进行拟合。 通过与软件模拟 的结果对比，结果基本一致。由此对混凝土 预应力箱型梁再重复温度作用下的效果，我们可以得到以下几点 结论： （１）随着温度差的不断变化混凝土预应力箱型梁除了支座处以 ……下转第９５页 ２０１４年１１月下第２２期总￥２０２￣ ９３ ｜薯 搬 誊 ｜ Ｃｈｉｎａ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ 工程设计施工与管理 高过渡应平顺缓和，不产生扭曲突变；一般以正线边线不动并作为 ５结语 匝道超高的旋转轴，沿超高缓和段逐渐变化，直至达到圆曲线内的 我国对互通式立交桥的设计还不是很成熟，存在着许多问题。 全超高。 方面，我们要在已破损的立交桥中吸取教训；另一方面我们要向 一４匝道平面线形设计注意事项 自建立以来就没有发生任何事故的成功立交桥吸取经验，并进行积 际情况进行对比和确认，严格按照标准及规范进行设计，在设计后， 要设计一条感觉舒适不长不短，行驶时间适中的匝道，线性不仅合 还要进行仔细的检查，弥补设计中的不足。使之建成之后，不仅满足 理还要有美感。对于反向曲线的ｓ型曲线要利用匝道周围的困枷道 服务功能、遵循行业规范标准，而且同时应尽量做到风格独特，成为 来调整。 公路上的一道亮丽的风景。 累，为以后的立交桥的发展做基础。想要一座稳固适用的立交桥，在 ４．１线性布设应满足行车舒适、安全要求 设计初，要细心认真考虑各种影响因素，在设计时，更要对数据及实 互通匝道平面线形设计应该为汽车中的司机和其他乘客考虑， ４．２线形布设应注意环圈流出要求 Ｂ型单喇叭互通式立交，减速车道直接与环圈匝道相连，由于自 参考文献： 对互通式立交设计几个问题的探讨团．中外公路，２００４，６． 身的缺陷在设计时常被合弃，这也正说明了出口匝道的重要性。环 ［１］朱宗余．２］孙家驹，朱晓兵．道路设计资料集６交叉设计四．北京：人民交通出 圈匝道是互通中设计车速最低，平纵线形最差的一条匝道，减速车 ［道连接正线，流出车辆车速较高，容易导致驾驶员仓促减速。在设计 版社，２００３． ３］乔翔，蔺惠如．公路立交规划与设计实务皿｝北京：人民交通出版社， 时，宜将减速车道作为平行式，这样对于正线上跨的Ｂ型单喇叭互 ［通，跨线桥在平行式减速车道上，有利于设计和施工。 ２００］． ……上接第９３页 度。并且随着温度的上升，混凝土预应力箱型梁跨中部位的挠度变 化速度逐渐大于其他部位。在腹板中部会产生最大纵向拉应力。 外，各个截面均产生了巨大的变化。各个截面的挠度不断大量地增 加，跨中截面挠度变化最为明显。 混凝土预应力箱型梁各个板面的温度变化不同，产生的应变也不一 （２）温度变化趋势越大，｝昆凝土预应力箱型梁挠度变化也越大。 致。长期的温度效应反复作用会导致｝昆凝土预应力箱型梁底板的不 温度变化趋势越小，无论温度高低，混凝土预应力箱型梁挠度变化 均匀收缩，促使混凝土预应力箱型梁的挠度增大。 趋势较小。 参考文献： （３）由于温度变化的不均等性，混凝土预应力箱型梁会产生一定 ［１］Ｊａｍａ１ Ａ．Ａｌｍｕｄａｉｈｅｅｍ，Ｗｉ１］Ｈａｓｅｅｎ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ Ｓｉｚｅ 的差应变。 ａｎｄ Ｓｈａｐｅ ｏｎ Ｄｒｙｉｎｇ Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．ＡＣＩＭａ２ ｔｅｒｉａｌｓ （３）日照温度产生的温度差不断作用在混凝土预应力箱型梁上， ４结论以及发展趋势 几点结论： Ｊｏｕｒｎａ１。１ ９８７。（２）：１ ３０－１ ３５． 本文通过对长江二桥的具体检测与运用软件分析得到了以下 ［２］谢峻。王国亮，郑晓华．大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题 的研究现状［Ｊ］．公路交通科技，２００７，１（１）：４７—５Ｏ． （１）日照温度变化对长江二桥混凝土预应力箱型梁的影响主要 ［３］盛洪飞．混凝土箱形截面桥梁日照温度应力简化计算［Ｊ］．哈尔滨 特性。即温差沿着混凝土预应力箱型梁腹板自上而下产生非线性变 建筑工程学院学报。１ ９９２，２５（１）：３２—３９． 化。当以最低温度为基准点时，实测温差变化曲线与我国规范规定 ［４］邵旭东。李立峰，鲍卫刚．砼箱形梁横向温度应力计算分析［Ｊ］．重庆 值基本一致。 交通学院学报，２０００（４）． （２）混凝土预应力箱型梁在温度上升过程中，会产生向上的挠 双线１６．７９６ｋｍ，厂区３ｋｉｎ。轨道配置为：钢轨５０ｋｇ／ｍ，轨枕１６００根／ ｋｍ。按现行价格计算，每ｋｍ钢轨６１．８ｌ万元，枕木２４万元，联接零件 定，在两端各４０ｍ原直线段范围内外侧增加道床宽度ｌｏｏｍ，路肓宽 及胶垫等７．５２万元。 度２０ｃｍ。 通过改造、技术标准升级后，长大坡道钢轨使用周期可由１２年 （４）实施步骤：道床加宽采用石碴，路基加宽用人工就近取土并 延长至２５年，枕木使用周期可由３０年延长至４０年，联接零件及胶垫 夯实。 使用周期可增加一倍以上。 ３．３充分利旧、增强长大坡道轨道整体强度 直接创效：１１０万元／年。 轨道爬行造成轨缝不均、钢轨断裂、联接零件拉断、轨枕伤损等 间接效益：极大地消除了安全隐患，铁路线路状态稳定，确保了 现象，对轨道的破坏性很大。国铁通常采用增加安装防爬器来解决 行车安全。 问题，效果较好，但投资较大。为减少投资或不投资，利用其它旧料 参考文献： 来提高轨道的整体强度：①用废旧枕木制做防爬撑，安放在轨枕之 线路［Ｋ］．北京：中国铁道出版社． 间，增强轨枕的整体性，②将废旧钢轨裁切后埋于曲线上股轨枕头 ［１］铁路工程设计技术手册：・…・・上接第９２页 荣佑范．铁路线路维修与大修［Ｍ］ 北京：中国铁道出版社． 部，增加轨道的横向稳定性，③修复站场改造换型淘汰的电路绝缘 ［２］轨距杆，安装在长大坡道轨道上，增强钢轨的整体性。 ４经济效益 承钢现有长大坡道总长２８．８２４ｋｍ，其中张滦区间９．０３４ｋｉｎ，双 ２０１ ４年１１月下第２２期总第２Ｄ２期 ９５
