CN102243671B - 大跨钢桥扁平钢箱梁的温度梯度效应分析方法 - Google Patents

Abstract

大跨钢桥扁平钢箱梁的温度梯度效应分析方法，钢箱梁结构为六角形扁平钢箱梁，分析钢箱梁的截面温度梯度分布，获取最大温度沿竖向分段线性变化的梯度曲线，进行温度影响钢箱梁的应力与变形分析。本发明适用于带人行道翼缘板的正交异性扁平钢箱梁和无人行道翼缘板的正交异性扁平钢箱梁。根据本发明方法获取的截面温度梯度分布、竖向梯度曲线及公式，与扁平钢箱梁结构在日照温差下截面温度的分布情况一致；按照本发明获取的加温度梯度分布，即可进行温度影响应力与变形分析。本发明的研究工作得到了国家科技支撑计划项目2009BAG15B03的资助。

Description

大跨钢桥扁平钢箱梁的温度梯度效应分析方法

技术领域

本发明属于桥梁工程中桥梁结构设计、结构分析与施工控制领域，特别涉及大跨钢桥扁平钢箱梁构造优化设计过程中的温度应力分析，为一种大跨钢桥扁平钢箱梁的温度梯度效应分析方法。

背景技术

在桥梁工程领域，流线型正交异性扁平钢箱梁结构具有梁高低、自重轻、截面抗扭刚度大、抗风稳定性好、制造与施工方便等优点。在大跨桥梁中，正交异性扁平钢箱梁得了到广泛的应用。但是，钢箱梁导热性能好，对环境温度变化比较敏感。在施工过程及成桥后的运营过程中，温度的作用不仅会引起大跨桥梁线形、高程的变化，还会引起较大的温度应力，其大小与恒、活载效应相当，甚至超出活载应力。因此，在大跨桥梁结构设计计算、上部结构施工控制以及结构安全评估分析时，必须计算钢箱梁结构温度梯度效应。

我国现行《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)是完全参照美国AASHTO规范修订的温度梯度曲线，计算桥梁结构由于梯度温度引起的效应时所采用的沿截面竖向温度分布梯度曲线，是针对钢筋混凝土箱粱、钢-混结合梁、钢桁梁、混凝土T梁等构造形式的，并不是针对正交异性扁平钢箱梁制定的。在目前大跨桥梁设计中，主要参照英国BS5400进行温度效应分析，而该规范是基于一种传统的钢箱梁构造制定，其钢箱梁截面为梯形，翼缘板遮挡住了腹板，使其能在一定程度上免遭阳光照射，从而使得腹板的温差特别明显。这与正交异性扁平钢箱梁在构造形式上是完全不同的，温度分布也是不同的。

由于大跨桥梁正交异性扁平钢箱梁的截面构造形式与国内外规范完全不同，而且钢箱梁和混凝土箱梁在材料、构造、力学行为等众多方面差异很大，因此各规范中通过钢筋混凝土箱梁温度研究出的温度分布模式并不能适用于大跨桥梁扁平钢箱梁。

发明内容

本发明要解决的间题是：目前国内桥梁规范中与大跨桥梁正交异性扁平钢箱梁的温度梯度不符合，需要寻找符合大跨钢桥正交异性扁平钢箱梁实际情况的温度分布模型，为大跨桥梁结构计算分析、施工控制分析提供依据。

本发明的技术方案为：大跨钢桥扁平钢箱梁的温度梯度效应分析方法，钢箱梁结构为六角形扁平钢箱梁，分析钢箱梁的截面温度梯度分布，获取最大温度沿竖向分段线性变化的梯度曲线，进行温度影响钢箱梁的应力与变形分析，包括以下步骤：

1)对钢箱梁的钢箱梁顶板(1)、上斜腹板(2)、下斜腹板(3)、底板(4)、横隔板(5)、纵向加劲肋(6)和人行道翼缘板(7)进行竖向温度梯度划分，得到竖向温度梯度曲线：

钢箱梁顶板(1)、上斜腹板(2)、人行道翼缘板(7)、与顶板(1)及上斜腹板(2)连接的纵向加劲肋(6)处、与钢箱梁顶板(1)及上斜腹板(2)连接的横隔板(5)处，温度为30℃；

其中，在垂直于钢箱梁顶板(1)、上斜腹板(2)、人行道翼缘板(7)的三个方向上，温度分别向下沿竖向分段线性变化：温度由T₁＝30℃均匀线性变为T₂＝10℃，此段高度为h₂＝0.2m；然后由T₂＝10℃均匀线性逐渐变为0℃，此段高度为h₃＝0.6m，在顺桥向温度梯度无变化；除以上区域钢箱梁其他部分温度都为基准温度0℃；

2)将步骤1)获得的温度竖向梯度曲线加入温度场，计算温度作用引起的温度应力，对钢箱梁进行温度梯度效应分析。

进一步提出简化分析方法，应用大型结构分析程序ANSYS建立钢箱梁结构空间有限元模型，进行温度梯度分布下扁平钢箱梁控制段的应力分析研究，步骤1)获取温度梯度曲线在有限元模型中进行简化，把钢箱梁截面分为两个区，分别为顶板区及上斜腹板区、下斜腹板及底板区，温度在横桥向和顺桥向无变化，仅竖向变化，整个钢箱梁的横向与竖向温度梯度曲线为：

竖向 $T_y=\left\{\begin{array}{cc}{T}_1& (0\≤y\≤h_1)\\ T_1-\frac{(T_1-T_2)(y-h_1)}{h_2}& (h_1\≤y\≤h_1+h_2)\\ T_2(1-\frac{y-h_1-h_2}{h_3})& (h_1+h_2\≤y\≤h_1+h_2+h_3)\\ 0& (h_1+h_2+h_3\≤y\≤h)\end{array}\right.$

横向   T_x＝T_y

其中，顶板及上斜腹板区对应定值温度T₁、下斜腹板及底板区根据高度对应其他梯度变化部分，按照竖向坐标划分，h₁为上斜腹板的垂直高度，h为扁平钢箱梁的总的垂直高度，T₁＝30℃，T₂＝10℃，h₂＝0.2m，h₃＝0.6m。

本发明适用于带人行道翼缘板的正交异性扁平钢箱梁和无人行道翼缘板的正交异性扁平钢箱梁。

本发明的优点如下：

(1)本发明是根据多年数十次现场测试并结合大跨钢桥健康监测系统的海量数据分析研究而提出的。经过多次验证，根据本发明方法获取的截面温度梯度分布、竖向梯度曲线及公式，与扁平钢箱梁结构在日照温差下截面温度的分布情况一致。而现有的各国规范中的钢箱梁温度梯度不管从温差大小还是梯度变化方面都与实际情况有较大差别。

(2)本发明对应有限元软件分析，提供了简化分析方法，温度梯度分布与梯度曲线为分段线性模式，简单，便于在工程中应用。在进行扁平钢箱梁温度效应分析时，根据顶板、上斜腹板、下斜腹板及底板，按照施加温度梯度分布即可进行温度影响应力与变形分析。

(3)按本发明温度曲线模式，在顶底板温差30℃时，钢箱梁顶板应力普遍达到70Mpa以上(Q345钢材屈服强度345Mpa)，不小于车辆荷载效应，可见温度应力有可能控制钢箱梁设计(不计锚箱部分)。而按照中国公路桥涵规范、英国BS5400规范中的温度梯度模式计算求得的温度应力偏小，可见各规范中的温度梯度模式不能适用在扁平钢箱梁上，按现有的公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)与英国桥规(BS-5400)提出的钢箱梁温度梯度模式来计算钢箱梁的温度应力与本发明的分析方法相比偏不安全。

本发明对于大跨桥梁正交异性扁平钢箱梁构造优化设计与分析、扁平钢箱梁吊装施工控制具有重要的作用，填补了现有技术没有合适的大跨钢桥扁平钢箱梁温度效应分析方法的空白。本发明的研究工作得到了国家科技支撑计划项目(2009BAG15B03)的资助。

附图说明

图1为正交异性扁平钢箱梁标准截面。

图2为带人行道翼缘的正交异性扁平钢箱梁标准截面。

图3为本发明基本方法的正交异性扁平钢箱梁截面温度梯度曲线，图(a)为无人行道翼缘，图(b)为有人行道翼缘。

图4为本发明简化分析方法中正交异性扁平钢箱梁截面温度竖向梯度曲线，无人行道翼缘。

图5为带人行道翼缘的扁平钢箱梁按照本发明基本分析温度梯度方法加载得到的温度场。

图6为带人行道翼缘的扁平钢箱梁按照本发明简化分析温度梯度方法加载得到的温度场。

具体实施方式

本发明经过多年数十次现场温度测试分析，并对于多座国内大跨钢桥健康监测系统的温度监测数据进行了大量深入分析，适用于带人行道翼缘板的正交异性扁平钢箱梁和无人行道翼缘板的正交异性扁平钢箱梁。

如图1和图2，图1为正交异性扁平钢箱梁标准截面，包括钢箱梁顶板1、上斜腹板2、下斜腹板3、底板4、横隔板5和纵向加劲肋6，图2为带人行道翼缘的正交异性扁平钢箱梁标准截面，相比图1，增加了人行道翼缘板7。

本发明的基本分析方法为，首先分析钢箱梁的截面温度梯度分布，获取最大温度沿竖向分段线性变化的梯度曲线，进行温度影响钢箱梁的应力与变形分析，梯度曲线的获取如下所述：

(1)正交异性扁平钢箱梁截面的最低温度区是钢箱梁底板4，以此作为温度梯度分布及竖向温度梯度曲线的基准，设为0℃；

(2)钢箱梁顶板1、上斜腹板2、人行道翼缘板7、与钢箱梁顶板1及上斜腹板2连接的纵向加劲肋6处、与钢箱梁顶板1及上斜腹板2连接的横隔板5处，所有温度为30℃；如图3所示。

(3)钢箱梁顶板1及其与之连接的纵向加劲肋6和横隔板5，温度梯度分布沿竖向分段线性变化：温度由T₁＝30℃逐渐变为T₂＝10℃，此段高度为h₂＝0.2m，对所有钢箱梁都是该高度；然后由T₂＝10℃逐渐变为0℃，此段高度h₃＝0.6m，如图3所示。

(4)上斜腹板2及其与之连接的纵向加强肋6和横隔板5及下斜腹板3，温度梯度分布沿垂直于上斜腹板2向内分段线性变化，变化规律与(3)一致。T₁＝30℃，T₂＝10℃，h₂＝0.2m，h₃＝0.6m；如图3所示。

(5)如有人行道翼缘7，自上斜腹板2与人行道翼缘7上面板交接处向下，温度梯度分布沿竖向分段线性变化，变化规律与(3)一致，T₁＝30℃，T₂＝10℃，h₂＝0.2m，h₃＝0.6m；如图3中右图所示。

(6)除(3)、(4)、(5)中区域钢箱梁其他部分温度都为基准温度0℃，如图3所示。

上述基本分析方法中，顺桥向温度梯度无变化，横桥向按照上述温度梯度分析方法有所变化。

进一步的，由于上述基本分析方法对于一般有限元软件过于复杂，本发明在上述方法的基础上，提出一种简化梯度曲线，把钢箱梁截面分为两个区，分别为顶板区及上斜腹板区、下斜腹板及底板区，温度在横桥向无变化，仅竖向变化，简化方法中整个钢箱梁的竖向温度梯度曲线用数学表达式表示为：

竖向 $T_y=\left\{\begin{array}{cc}{T}_1& (0\≤y\≤h_1)\\ T_1-\frac{(T_1-T_2)(y-h_1)}{h_2}& (h_1\≤y\≤h_1+h_2)\\ T_2(1-\frac{y-h_1-h_2}{h_3})& (h_1+h_2\≤y\≤h_1+h_2+h_3)\\ 0& (h_1+h_2+h_3\≤y\≤h)\end{array}\right.$

横向   T_x＝T_y

其中顶板及上斜腹板区对应定值温度T₁、下斜腹板及底板区对应其他梯度变化部分，按照竖向坐标划分，h₁为上斜腹板的垂直高度，h为扁平钢箱梁的总的垂直高度。T₁＝30℃，T₂＝10℃，h₂＝0.2m，h₃＝0.6m。该曲线中，钢箱梁截面温度高的地方都位于上斜腹板根部以上的部位。同时，由于钢箱梁是扁平形状，在水平宽度上接受外界热量基本恒定，在钢箱梁全宽范围内沿横向温度分布不变，如图4所示为其截面温度竖向梯度曲线。

下面结合实施例，进一步说明本发明。

如附图2是一个大跨悬索桥的正交异性扁平钢箱梁的标准截面图。应用大型结构分析程序ANSYS建立钢箱梁结构空间有限元模型，进行温度梯度分布下扁平钢箱梁控制段的应力分析研究。

为了消除边界效应选取三个钢箱梁标准节段建立模型。为了真实的反映结构形态和受力，反映出在温度荷载作用下结构细部的效应，例如顶板纵向加劲肋等，按正交异性扁平钢箱梁的实际构造用板壳单元模拟各块钢板。单元shell63，每个节点6自由度，板壳单元的厚度即为该处钢板的实际厚度。模型节点总数158278，单元总数179832。该钢桥所用钢材为Q345钢，屈服强度345Mpa，钢材热膨胀系数1.2E-05，弹性模量2.1E05MPa。

在进行温度梯度效应分析时，根据本发明定义的两种温度梯度分布方法加入温度场，加入温度场属于普通温度效应计算，一般规范中都有涉及，加载温度梯度曲线如附图3和图4所示，一般规范中说明温度场的图就是图3和4的形式，图5和6是有限元模型中显示的温度加载云图。然后，计算温度作用引起的温度应力。

计算结果表明，按照本发明的温度梯度分布及竖向梯度曲线模式，进行温度应力计算，钢箱梁顶板应力普遍接近70Mpa，与实测结果吻合。可见温度应力对于扁平的钢箱梁构造设计、施工控制影响较大。

比较本发明与中国公路桥涵规范(JTGD60-2004)、英国BS5400规范的温度梯度模式，并对于附图2进行钢箱梁应力分布的影响分析。结果表明中国公路桥涵规范、英国BS5400规范中的温度梯度模式的最大值普遍偏小，求得的温度应力也偏小，与测试结果差异较大。

因此，目前各规范中温度梯度模式不能适用在扁平钢箱梁，本发明的分析方法符合扁平钢箱梁的实际情况。

Claims (2)

1.大跨钢桥扁平钢箱梁的温度梯度效应分析方法，钢箱梁结构为六角形扁平钢箱梁，其特征是分析钢箱梁的截面温度梯度分布，获取最大温度沿竖向分段线性变化的梯度曲线，进行温度影响钢箱梁的应力与变形分析，包括以下步骤：

1）对钢箱梁的钢箱梁顶板（1）、上斜腹板（2）、下斜腹板（3）、底板（4）、横隔板（5）、纵向加劲肋（6）和人行道翼缘板（7）进行竖向温度梯度划分，得到竖向温度梯度曲线：

钢箱梁顶板（1）、上斜腹板（2）、人行道翼缘板（7）、与顶板（1）及上斜腹板（2）连接的纵向加劲肋（6）处、与钢箱梁顶板（1）及上斜腹板（2）连接的横隔板（5）处，温度为30℃；

其中，在垂直于钢箱梁顶板（1）、上斜腹板（2）、人行道翼缘板（7）的三个方向上，温度分别向下沿竖向分段线性变化：温度由T₁＝30℃均匀线性变为T₂＝10℃，此段高度为h₂＝0.2m；然后由T₂＝10℃均匀线性逐渐变为0℃，此段高度为h₃＝0.6m，在顺桥向温度梯度无变化；

除钢箱梁顶板（1）、上斜腹板（2）、下斜腹板（3）、横隔板（5）、纵向加劲肋（6）和人行道翼缘板（7）所在区域，钢箱梁其他部分温度都为基准温度0℃；

2）将步骤1）获得的温度竖向梯度曲线加入温度场，计算温度作用引起的温度应力，对钢箱梁进行温度梯度效应分析。

2.根据权利要求1所述的大跨钢桥扁平钢箱梁的温度梯度效应分析方法，其特征是应用大型结构分析程序ANSYS建立钢箱梁结构空间有限元模型，进行温度梯度分布下扁平钢箱梁控制段的应力分析研究，步骤1）获取温度梯度曲线在有限元模型中进行简化，把钢箱梁截面分为两个区，分别为顶板及上斜腹板区、下斜腹板及底板区，温度在横桥向和顺桥向无变化，仅竖向变化，整个钢箱梁的横向与竖向温度梯度曲线为：

竖向 $T_y=\left\{\begin{array}{cc}{T}_1& (0\≤y\≤h_1)\\ T_1-\frac{(T_1-T_2)(y-h_1)}{h_2}& (h_1\≤y\≤h_1+h_2)\\ T_2(1-\frac{y-h_1-h_2}{h_3})& (h_1+h_2\≤y\≤h_1+h_2+h_3)\\ 0& (h_1+h_2+h_3\≤y\≤h)\end{array}\right.$

横向T_x＝T_y

其中，顶板及上斜腹板区对应定值温度T₁、下斜腹板及底板区根据高度对应其他梯度变化部分，按照竖向坐标划分，h₁为上斜腹板的垂直高度，h为扁平钢箱梁的总的垂直高度，T₁＝30℃，T₂＝10℃，h₂＝0.2m，h₃＝0.6m。

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