- 第 + 期刘梦莹等二维温度梯度效应下的曲线梁桥支座设计 $ $$ 7 $ 7 $ 随着城市道路与高速公路的快速发展曲线连续梁桥在现代交通中发挥着越来越重要的作用但是在运营过程中经常出现径向位移过大支座脱空和梁体翻转等病害严重威胁服役安全曲线桥梁由于具有独特的弯扭耦合力学表征使得

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浓易曹
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年月第卷第期 9 999- - 二维温度梯度效应下的曲线梁桥支座设计刘梦莹徐岳单巍巍长安大学公路学院陕西西安 9 江苏省交通规划设计院股份有限公司江苏南京摘要以现有连续梁桥横向温度梯度的研究成果为基础结合现行的公路桥涵设计通用规范所规定的温度梯度根据曲线梁桥的位置和走向构造了种二维温度梯度模式并借助有限元软件

1 年月第卷第期二维温度梯度效应下的曲线梁桥支座设计刘梦莹徐岳单巍巍长安大学公路学院陕西西安 9 江苏省交通规划设计院股份有限公司江苏南京摘要以现有连续梁桥横向温度梯度的研究成果为基础结合现行的公路桥涵设计通用规范所规定的温度梯度根据曲线梁桥的位置和走向构造了种二维温度梯度模式并借助有限元软件分别研究了曲线连续梁桥在规范温度梯度和二维温度梯度作用下的受力与变形情况通过计算结果的对比分析可知在种温度梯度模式作用下梁体整体向外或向内偏移二维温度梯度产生的梁体径向位移最大探讨了二维温度梯度效应与规范温度梯度效应的特点提出了基于二维温度梯度模式下的曲线连续梁桥全抗扭支撑体系的设计建议中墩设固定支座边墩设径向限位支座其余设双向活动支座能很好地限制二维温度梯度作用下梁体的径向位移且支座径向支反力分布最为合理关键词曲线连续梁桥桥梁工程二维温度梯度温度梯度效应支座布置中图分类号 - 文献标志码文章编号引文格式刘梦莹徐岳单巍巍二维温度梯度效应下的曲线梁桥支座设计江苏大学学报自然科学版 $ $$ $ = >= 9 $ $ : 7 $ $? $7 $ 7 $ : 7 $ $ $ $ 7 $ 7 $ 7 7 $ $ $ $ $ 7 $ 7 $ : 7 $? 7 $ 7 $ $ $ $77 $ $$7 7 : 7 $77 7 $77 7 :$ $ : 7 $ $ 收稿日期 - 基金项目国家留学基金委基金资助项目 - 作者简介刘梦莹女山东临沂人博士研究生主要从事桥梁结构理论研究徐岳 - 男陕西乾县人教授博士生导师 - 主要从事桥梁结构理论研究

2 - 第 + 期刘梦莹等二维温度梯度效应下的曲线梁桥支座设计 $ $$ 7 $ 7 $ 随着城市道路与高速公路的快速发展曲线连续梁桥在现代交通中发挥着越来越重要的作用但是在运营过程中经常出现径向位移过大支座脱空和梁体翻转等病害严重威胁服役安全曲线桥梁由于具有独特的弯扭耦合力学表征使得结构受力相当复杂其温度场和温度效应与直桥相比也有很大的不同近年来在直线桥梁温度梯度效应的基础上对曲线桥梁温度梯度效应的研究也取得了较多成果包括曲线桥温度效应计算理论曲线桥在温度梯度作用下的受力及变形特点和曲线桥位移应力的影响因素等对实际工程有很好的指导意义但在进行曲线连续梁桥设计时大多采用公路桥涵设计通用规范通规中的温度梯度作用即仅考虑竖向温度梯度作用在实际工程中梁体存在较大的横向温差且曲线桥比直线桥对温度更敏感进行曲线桥梁设计时能否采用通规中温度梯度没有定论本研究以现有连续桥梁横向温度梯度的研究成果为基础结合现行公路桥梁规范所规定的温度梯度根据曲线梁桥的位置和走向构造种二维温度梯度模式并借助有限元软件分别研究曲线连续梁桥在规范温度梯度和二维温度梯度作用下的受力与变形情况以探讨二维温度梯度效应与规范温度梯度效应的特点 - 模式由于桥梁温度场的分布受桥型的影响较小文献 - 中的横向温度梯度适用于处于相同位置的曲线连续梁桥故构造二维温度梯度模式的横向温度梯度按公式在箱梁左右腹板上进行对称加载即 - 式中 - 为计算点的温差值为梁宽方向的坐标即计算点距箱梁左腹板外表面的距离腹板加载范围为腹板最外侧向内至腹板内壁左右腹板的横向温差荷载关于截面竖向中心线对称两腹板最外侧的温度为 - K 向内至腹板内壁处的温度为模式中的竖向温度梯度采用通规中规定的温度梯度温度梯度效应计算工程概况某预应力混凝土曲线连续箱梁桥独柱桥墩均为双支座抗扭支承支座布置形式如图所示构造二维温度梯度模式模式根据 -- 9 德国建筑标准中规定及文献中的实际监测结果构造二维温度梯度模式中的横向梯度为外侧腹板整体升温 - K 内侧腹板温度不变模式中的竖向梯度采用通规中规定的温度梯度模式参照模式中的横向温差若将曲线连续梁桥反向弯曲使内侧腹板朝西则内侧腹板受太阳辐射温度较高外侧腹板温度较低因此构造二维温度梯度模式中的横向梯度为内侧腹板比外侧腹板整体高 - K 模式中的竖向梯度采用通规中规定的温度梯度图桥梁支撑布置 - 主梁横截面为单箱单室箱梁全宽横断面布置 - 防撞护栏 A 行车道 A- 防撞护栏箱梁顶板宽底板宽腹板向外倾斜角 - 两侧悬臂长梁高桥面铺装为厚沥青混凝土坐标系的选取分析模型的坐标系柱坐标系如图所示文中符号规定除已指明方向的单位外其他均以沿坐标系正方向为正反方向为负

NF 第 C 卷规定的竖向温度梯度和构造的种二维温度梯度模式作用下的曲线连续梁桥梁体的径向位移 W 如 y 图所示 +/mm z$ 图 ;分析模型的坐标系 - - 该桥主梁采用 :@ 混凝土弹模为 k=@ L/ 泊松比 @ ;容重 ;@ 7+< 线膨胀系数 = @ k=@ - 计算参数 < $ $Ⅰ $Ⅱ $Ⅲ x L/ L/ L/ L/ -/ L/ 图种温度梯度下梁体径向位移由图

个有限元模型见图切向位移根据计算结果可绘制 ^ LMH@;@@ 规定的竖向温度梯度和构造的种二维温度梯度作用下的曲线连续梁桥内翼缘和外翼缘端部切向位移分布如图所示 $ $Ⅰ $Ⅱ $Ⅲ a $ b +/mm 图有限元模型建立的模型尺寸均与相应结构的实际尺寸一致各单元刚度由有限元软件自动计算在此不考虑普通通过限制节点自由度来模拟支座对桥梁在某方向的约束均为刚性约束根据图 =

3 NF 第 C 卷规定的竖向温度梯度和构造的种二维温度梯度模式作用下的曲线连续梁桥梁体的径向位移 W 如 y 图所示 +/mm z$ 图 ;分析模型的坐标系 - - 该桥主梁采用 :@ 混凝土弹模为 k=@ L/ ;容重 ;@ 7+< 线膨胀系数 k=@ - 计算参数 < $ $Ⅰ $Ⅱ $Ⅲ x L/ L/ L/ L/ -/ L/ 图种温度梯度下梁体径向位移由图可知$二维温度梯度与规范竖向温度 F几何模拟梯度曲线重合说明此两种温度梯度对连续曲线梁在结构分析时采用 > 节点三维实体等桥径向位移的影响相同二维温度梯度 / 和二维温参单元作为基本求解单元全桥这里指桥梁上度梯度引起的梁体径向位移与规范温度梯度有部结构按照设计图纸共划分实体单元 = 个很大不同越靠近梁端差别越大节点 ;@;? 个有限元模型见图切向位移根据计算结果可绘制 ^ LMH@;@@ 规定的竖向温度梯度和构造的种二维温度梯度作用下的曲线连续梁桥内翼缘和外翼缘端部切向位移分布如图所示 $ $Ⅰ $Ⅱ $Ⅲ a $ b +/mm 图有限元模型建立的模型尺寸均与相应结构的实际尺寸一致各单元刚度由有限元软件自动计算在此不考虑普通通过限制节点自由度来模拟支座对桥梁在某方向的约束均为刚性约束根据图 = 中桥梁支座布置为支座处节点施加限制位移方向上的约束 W 建模时均采用节点约束约束节点处产生的应力集中不在分析范围内 - -6 L/ L/ L/ -/ a 67 L/ 6 +/mm 钢筋及预应力钢筋孔道对桥梁刚度的影响 C边界条件 - $刚度模拟钢筋及预应力钢筋对桥梁温度效应的影响从而忽略 6 $ $Ⅰ $Ⅱ $Ⅲ L/ L/ L/ -/ b 67 L/ 图种温度梯度下箱梁切向位移由图可知$二维温度梯度 / 作用下箱梁内外温度梯度效应对比分析缘端部切向位移比规范温度有较大程度的增长外翼缘端在梁端处差别最大为 > ++二维温度梯位移度作用下外翼缘反向变形数值相差不大内翼径向位移在^ LMH@;@@ / 公路桥涵设计通用规范缘变形规律与规范温度梯度有很大不同二维温度梯度作用下箱梁内外翼缘端部切向位移与规范

4 N$ 刘梦莹等二维温度梯度效应下的曲线梁桥支座设计 - F/kN $ $Ⅰ $Ⅱ $Ⅲ - - L/ F/kN - - L/ - 由图可知$箱梁在规范规定的温度模式下即箱梁仅受竖向温度梯度时梁体的竖向变形最大图种温度梯度下箱梁底板竖向位移 - L/ L/ L/ L/ -/ b 7 $ $Ⅰ $Ⅱ $Ⅲ L/ +- b / $ $Ⅰ $Ⅱ $Ⅲ +/mm - L/ L/ L/ L/ -/ a 67 L/ +/mm $ $Ⅰ $Ⅱ $Ⅲ - +- a - $ $Ⅰ $Ⅱ $Ⅲ 竖向位移曲线连续梁桥在温度梯度荷载下会发生外侧扭转变形造成箱梁内外侧竖向变形相差较大在此给出了公路桥涵设计规范规定的竖向温度梯度和构造的种二维温度梯度作用下箱梁底板内外的竖向位移如图所示 F/kN 温度梯度作用下的规律相同数值上比规范温度梯第C 期 +- c $ 图 W 种温度梯度下支反力分布因为在其他二维温度模式中腹板温度增大使箱梁上下部温差缩小箱梁竖向变形减小 F全抗扭支承体系支座布置支反力对比支座竖向支反力径向支反力和切向支反力在通过对实际连续曲线梁桥在种温度梯度模式公路桥梁设计规范规定的竖向温度梯度和构造的下位移的分析对比可以发现曲线梁桥在二维温度梯种二维温度梯度作用下的支反力分布比较图 > <? 如 = ++而在规度模式作用下径向位移最大可达 =? 范温度梯度作用下径向位移最大仅 ; ++即内外由图 W可知$工路桥涵规范中规定的竖向温度腹板整体温差和竖向温度梯度组合作用引起的曲线梯度模式引起的各支座竖向支反力绝对值均比二维连续梁桥径向位移比竖向温度梯度单独作用下的径温度梯度模式引起的竖向支反力大即横向温度梯度向位移大很多因此在连续梁桥涵支座设计时需要可以减小梁体扭转对曲线梁桥支座受力起到正面作对曲线梁径向进行适当限位以减小梁体径向位移一用其中二维温度模式对内侧支座拉力的减小幅度最大般曲线连续梁桥设计中会将中墩墩梁固结或在中墩由图 W 和图 W可知$单侧腹板温度升高可以针对图 > 中种抗扭支承支座布置形式分析减小中墩支座的径向和切向支反力而内外侧腹板连续曲线梁桥在二维温度梯度作用下的变形与施加对称温度梯度二维温度模式使中墩支座支反力计算结果如图? 和表 = 所示径向位移以向径向支反力与切向支反力增大其中径向支反力增曲线外侧为正切向位移以沿轴正方向为正径向大了近 ; 倍支反力以沿轴正方向为正图 W 所示上设置固定支座其他桥墩上支座设置如图 > 所示

5 + 第 -+ 卷 a A b c C d 图曲线梁桥全抗扭支承支座布置形式支座 /mm /mm 位置 6 - L/ L/ L/ - - a A C L/ L/ L/ A C - L/ L/ L/ L/ L/ L/ b 图种全抗扭支承布置下梁体位移表梁体在二维温度下径向支反力全抗扭支承全抗扭支承? 全抗扭支承原抗扭支承外侧 - 9 内侧 - - 外侧内侧 - - 外侧 - 内侧由图和表的计算结果可以看出增加了径向限位的抗扭支承能够较大地减小梁体的径向位移抗扭支承即仅在边中墩上设置径向限位支座可将最大径向位移降到抗扭支承? 即仅在边墩上设置径向限位支座时梁体向曲线内侧移动径向位移控制在内抗扭支承即在所有墩上均设置径向限位支座可以将梁体的径向变形控制在内最大程度地降低了梁体径向位移设置径向限位支座即人为地改变了梁体的位移方向减小了径向位移却增加了切向位移由图可知随着径向位移减小切向变形由向跨中收缩变为向两端延伸且径向位移越小切向位移越大最大切向位移为支座限制了梁体的径向位移梁体势必会在支座上产生径向支反力由表可知采用抗扭支承时产生的径向支反力最大达到采用抗扭支承? 时支座的径向支反力较小且同一桥墩上内外支座的支反力相差不大在进行支座设计时可以统一设计采用抗扭支承时墩上内外侧支座的径向支反力相差 9 对支座设计造成困难且边墩支座承受半跨梁的重量中墩支座承受一整跨梁的重力边墩支座竖向设计承载力约是中墩支座的一半按照中第 - 条规定固定支座在各方向和单向活动支座非滑移方向的水平力标准值不得大于该标准设计承载力的边墩支座径向设计承载力也是中墩支座的一半而实际受力中边墩支座径向支反力是中墩倍因此可能会造成边墩支座径向支反力超过其承载能力结论二维温度梯度产生的梁体竖向位移绝对值均比规范温度梯度效应小内外侧腹板的整体温差对梁体径向与切向位移有很大影响建议在曲线梁桥设计时考虑内外侧腹板的整体横向温度梯度温差值根据桥梁地理位置和走向来确定在种温度梯度模式作用下梁体均产生较大扭矩使外侧支座受压内侧支座受拉横向温差可以减小梁体扭矩使内外侧支座拉压力同时降低种温度梯度作用下支座的径向支反力和切向支反力都比较小基于二维温度梯度效应提出了曲线连续梁

6 第C 期刘梦莹等二维温度梯度效应下的曲线梁桥支座设计桥全抗扭支撑体系的设计方法即中墩设固定支座边墩设径向限位支座其余设双向活动支座 NN + [ - - U + ^ $F$ $ ;@== ; $ <W : 参考文献 G9 > 9 9 :6 9? = 龙佩恒陈惟珍温度应力对既有混凝土连续箱梁桥开裂的影响分析 ^ 公路交通科技 ;@@W; $ > <W / : G C A +U 6 - [ 6 6 [ 7 + ; $FH M < Z 7 ^ ;@@W ; $ > <W H : K < G : ; 彭友松朱晓文强士中混凝土箱梁温度应力三维铁道学报 ;@@? = $== <=;= 分析 ^ i 6 Y6 b V j I C L + + [ + ; / F ^ 7 ;@@? = $== <=;= : c FA AL + - ^ 7 + ; + +$ $ =?? ==?> $;= <;= 谭万忠张佐汉柯在田平面曲线梁桥温度变形与铁道建筑 ;@@ $ W <? 支承体系布置探讨 ^ L G C Y Y6 `Y L +U 6 + U 6O - + +^ F$ Z $ ;@@ $ W <? : 李小国沈典栋王解军等大跨连续刚构桥箱梁王新敏AIiI 结构分析单元与应用北京$ 人民交通出版社 ;@== W 吴怡唐岚基于有限元的发动机受热零件温度江苏大学学报$ 自然科学版 ;@=; 场分析 ^ $> <; L / L +U 6 G6 i 7 +Z U + + ^ ;7 $ + K + H ;@=; $> <; : > 张元海李乔桥梁结构日照温差二次力及温度应中国公路学报;@@=W = $ 力计算方法研究 ^? <; Y i6 /j I ^ / 7 + ; $Z FH M < ;@@ =W = $? <; :? 何翔方诗圣方飞等不同梯度温度作用下曲线桥梁的温度效应分析 ^ 合肥工业大学学报$ 自然科学版 ;@=; > $=@>> <=@?; Pb F I F F A +U 6 6O 6 - +U 6 ^ 7 + ; ; K + H ;@=; > $ ;M $ =@>> <=@?; : 横向温度效应分析 ^ 公路工程 ;@== ; $ <W /b 6 I H G b Z 6 L 责任编辑赵鸥$

解放军理工大学学报自然科学版

解放军理工大学学报自然科学版第卷第期解放军理工大学学报自然科学版年月温差和荷载引起的钢组合梁界面剪应力分析朱坤宁万水为了解钢组合梁桥的连接界面受力特性分析外荷载对桥面板与钢纵梁连接界面的剪应力分布的影响利用接触面层间纵向伸长相等条