CN110807218A - 大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，包括如下步骤：将混凝土箱梁桥沿桥轴方向划分成若干个混凝土箱梁截面，把第i个混凝土箱梁截面分为顶板‑腹板区域和底板区域，分别获取顶板‑腹板区域和底板区域的竖向温度分布曲线；通过分析和拟合顶板‑腹板区域和底板区域的竖向温度分布曲线，获得第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式；分析第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式中的参数取值沿桥梁轴向的变化规律；对大跨径预应力混凝土箱梁桥进行温度梯度效应分析。本发明有效的考虑了截面尺寸沿桥轴方向变化的影响，为大跨径预应力混凝土箱梁桥的结构计算分析和施工控制分析提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁结构设计、结构分析与施工控制领域，特别涉及大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法。
背景技术
大跨径预应力混凝土箱梁桥因其良好的受力性能与优美的外观在各国的桥梁建设中得到了广泛应用。但由于混凝土的导热性能较差，在太阳辐射、大气温度和风速等环境因素作用下，桥梁结构内部将产生非线性温度分布，从而产生明显的温度效应。由温度作用引起的应力和变形，其大小可与恒载和活载的效应相当。因此，在大跨桥梁结构设计计算或结构安全评估分析时，必须计算大跨径预应力混凝土箱梁桥的温度梯度效应。
我国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)虽然对混凝土箱梁的竖向温度梯度曲线进行了规定，但并没有考虑温度梯度沿桥梁轴向的变化。大跨径预应力混凝土箱梁桥的截面尺寸沿桥轴方向是变化的，国内外调查显示：当预应力混凝土箱梁桥的跨度大于100m时，根部截面深度可达10m～15.68m，而跨中截面深度仅为2.5m～5m；根部截面腹板和底板厚度分别可达0.6m～1m和1m～1.8m，而跨中截面腹板和底板厚度分别仅为0.3m～0.5m和0.26m～0.4m。截面尺寸是影响混凝土箱梁温度梯度分布的一个重要因素，因此，大跨径混凝土箱梁桥的竖向温度梯度分布沿桥梁轴向也是变化的，规范规定的一维温度梯度曲线分布模式不能适用于大跨径预应力混凝土箱梁桥。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，能够考虑沿桥轴方向变化的竖向温度梯度分布模式，有效的考虑了截面尺寸沿桥轴方向变化的影响，为大跨径预应力混凝土箱梁桥的结构计算分析和施工控制分析提供依据。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，包括如下步骤：
将混凝土箱梁桥沿桥轴方向划分成若干个混凝土箱梁截面，把第i个混凝土箱梁截面分为顶板-腹板区域和底板区域，分别获取顶板-腹板区域和底板区域的竖向温度分布曲线；
通过分析和拟合顶板-腹板区域和底板区域的竖向温度分布曲线，获得第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式；分析第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式中的参数取值沿桥梁轴向的变化规律；
对大跨径预应力混凝土箱梁桥进行温度梯度效应分析。
进一步，第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式为：
式中，Ti(y)为第i个混凝土箱梁截面离顶板上表面距离为y处的温度，℃；Twi为第i个混凝土箱梁截面的顶板-腹板区域中的最小温度，℃；Tdi为第i个混凝土箱梁截面的顶板上表面的温度，℃；dgi为第i个混凝土箱梁截面的高度，m；dbi为第i个混凝土箱梁截面的底板厚度，m；Tbti为第i个混凝土箱梁截面的底板上表面温度，℃；Tbi为第i个混凝土箱梁截面的底板下表面温度，℃。
进一步，第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式中的参数取值沿桥梁轴向的变化规律具体为：
第i个混凝土箱梁截面的底板下表面温度Tbi沿桥轴方向不变；
第i个混凝土箱梁截面的顶板上表面的温度Tdi沿桥轴方向不变；
第i个混凝土箱梁截面的顶板-腹板区域中的最小温度Twi与腹板厚度呈线性关系；
第i个混凝土箱梁截面的底板上表面温度Tbti与底板厚度呈线性关系。
进一步，第i个混凝土箱梁截面的顶板-腹板区域中的最小温度Twi与腹板厚度的关系式如下：
式中：dwp为最大的混凝土箱梁截面的腹板厚度，m；dwm为最小的混凝土箱梁截面的腹板厚度，m；dwi为第i个混凝土箱梁截面的腹板厚度，m。
进一步，第i个混凝土箱梁截面的底板上表面温度Tbti与底板厚度呈线性关系式如下：
式中，dbp为最大的混凝土箱梁截面的底板厚度，m；dbm为最小的混凝土箱梁截面的底板厚度，m；dbi为第i个混凝土箱梁截面的底板厚度，m。
进一步，当混凝土箱梁桥的桥面铺装层厚度为0-10cm厚沥青混凝土时，第i个混凝土箱梁截面的顶板上表面的温度Tdi的取值为19-25℃；第i个混凝土箱梁截面的底板下表面温度Tbi的取值为5℃。
进一步，对大跨径预应力混凝土箱梁桥进行温度梯度效应分析具体为：
用最大尺寸的混凝土箱梁截面中腹板的最低温度代替第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式中的第i个混凝土箱梁截面的顶板-腹板区域中的最小温度Twi；可获得混凝土箱梁竖向温度梯度沿竖向和桥梁轴向的分布情况，将其加入混凝土箱梁桥的有限元模型中，计算温度作用引起温度应力和变形。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，多年健康监测系统的海量数据和有限元仿真分析结果的分析研究而提出的。经过多次实测数据验证，根据本发明方法获取的竖向温度梯度分布，与大跨径预应力混凝土箱梁桥在日照作用下的竖向温度梯度分布情况一致。在进行大跨径预应力混凝土梁桥的温度应力与变形分析时，对顶板-腹板和底板分别施加竖向温度梯度即可进行温度应力和变形的分析。
2.本发明所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，考虑了混凝土箱梁截面尺寸对其竖向温度梯度的影响，提出了沿桥轴方向变化的竖向温度梯度分布模式，该模式更能反映大跨径预应力混凝土箱梁竖向温度梯度分布的实际情况。而现有的国内外规范中的一维竖向温度梯度未能考虑竖向温度梯度沿桥轴方向的差异，因而不能准确反映大跨径预应力混凝土箱梁竖向温度梯度分布的实际情况。
3.本发明所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，根据本发明的竖向温度梯度分布模式，计算出来的应变和变形更接近实测值。与本发明的竖向温度梯度模式相比，按照中国公路桥涵设计通用规范中温度梯度模式计算出来的主跨跨中挠度和主跨跨中底板拉应力均偏小，说明按照现有的公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2015)提出的竖向温度梯度模式来计算大跨径预应力混凝土箱梁桥的温度应力和变形与本发明相比偏不安全。
附图说明
图1为本发明所述的混凝土箱梁截面。
图2为本发明所述的顶板-腹板和底板两个区域的竖向温度划分位置。
图3为本发明所述的混凝土箱梁截面竖向温度梯度曲线。
图4为本发明实施例中大跨径预应力混凝土箱梁桥的上部结构示意图，图(a)为桥梁立面示意图，图(b)为最大混凝土箱梁截面示意图，图(c)为最小混凝土箱梁截面示意图。
图5为本发明实施例中大跨径预应力混凝土箱梁桥加载得到的温度场。
图6为本发明实施例中大跨径预应力混凝土箱梁桥的顶板加载得到的温度场。
图7为本发明实施例中大跨径预应力混凝土箱梁桥的腹板加载得到的温度场。
图8为本发明实施例中大跨径预应力混凝土箱梁桥的底板加载得到的温度场。
图9为本发明实施例中大跨径预应力混凝土箱梁桥的最大混凝土箱梁截面加载得到的温度场。
图10为本发明实施例中大跨径预应力混凝土箱梁桥的最小混凝土箱梁截面加载得到的温度场。
图11为本发明的方法与现有的测量方法及实测值的比较图。
图中：
1-顶板；2-腹板；3-底板。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明对多座大跨径预应力混凝土箱梁桥健康监测系统的温度监测数据进行了大量分析，并在实测数据验证的基础上，对多座大跨径预应力混凝土箱梁桥的温度场进行了仿真分析，适用于单箱单室大跨径预应力混凝土箱梁桥。本发明所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，包括如下步骤：
将混凝土箱梁桥沿桥轴方向划分成若干个混凝土箱梁截面，如图1所示，混凝土箱梁截面包括顶板1、腹板2和底板3。把第i个混凝土箱梁截面分为顶板1-腹板2区域和底板3区域，分别获取顶板1-腹板2区域和底板3区域的竖向温度分布曲线；具体为：以顶板1-腹板2区域的竖向温度划分位置为腹板的中心线，温度为各腹板中心线位置处的平均温度；以底板3区域竖向温度划分位置为底板中心线，温度为底板中心线位置处的温度。
通过分析和拟合顶板1-腹板2区域和底板3区域的竖向温度分布曲线，获得第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式；
第i个混凝土箱梁截面的顶板1上表面处温度为Tdi，温度沿竖向向下呈指数衰减，一直衰减到底板3上表面高度处。第i个混凝土箱梁截面的底板3下表面处温度为Tbi，温度沿竖向向上呈幂函数衰减，一直递减到底板3上表面高度处，第i个混凝土箱梁截面的底板3上表面温度为Tbti。第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式为：
式中，Ti(y)为第i个混凝土箱梁截面离顶板上表面距离为y处的温度，℃；Twi为第i个混凝土箱梁截面的顶板1-腹板2区域中的最小温度，℃；Tdi为第i个混凝土箱梁截面的顶板1上表面的温度，℃；dgi为第i个混凝土箱梁截面的高度，m；dbi为第i个混凝土箱梁截面的底板3厚度，m；Tbti为第i个混凝土箱梁截面的底板3上表面温度，℃；Tbi为第i个混凝土箱梁截面的底板3下表面温度，℃。
分析第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式中的参数取值沿桥梁轴向的变化规律；Tdi和Tbi均与混凝土箱梁尺寸无关，即第i个混凝土箱梁截面的底板3下表面温度Tbi沿桥轴方向不变；第i个混凝土箱梁截面的顶板1上表面的温度Tdi沿桥轴方向不变；也就是Tbi＝Tbi+1，Tdi＝Tdi+1。
当桥面铺装层厚度为0和10cm厚沥青混凝土时，Tdi的取值分别为25℃和19℃；Tbi取值建议为5℃；Twi与腹板2厚度呈线性关系；Tbti与底板3厚度呈线性关系。Twi和Tbti的取值建议分别为
式中，dwp为最大混凝土箱梁截面的腹板2厚度，m；dwm为最小混凝土箱梁截面的腹板2厚度，m；dbp为最大混凝土箱梁截面的底板3厚度，m；dbm为最小混凝土箱梁截面的底板3厚度，m；dwi和dbi分别为i截面的腹板2厚度和底板3厚度，m。
对大跨径预应力混凝土箱梁桥进行温度梯度效应分析，具体为：用最大尺寸的混凝土箱梁截面中腹板2的最低温度代替第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式中的第i个混凝土箱梁截面的顶板1-腹板2区域中的最小温度Twi；可获得混凝土箱梁竖向温度梯度沿竖向和桥梁轴向的分布情况，将其加入混凝土箱梁桥的有限元模型中，计算温度作用引起温度应力和变形。
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图4是本发明所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的上部结构示意图。应用大型结构分析程序ANSYS建立大跨径预应力混凝土箱梁桥空间有限元模型，进行竖向温度梯度作用下的应力和变形分析研究。有限元模型采用SOLID186单元来模拟顶板、腹板和底板，模型节点总数173554，单元总数34024。
在进行温度梯度效应分析时，将本发明定义的竖向温度梯度分布加入温度场，图5为有限元模型显示的大跨径预应力混凝土箱梁桥的温度加载云图，图6、图7和图8分别为有限元模型显示的大跨径预应力混凝土箱梁桥顶板、腹板和底板的温度加载云图，图9和图10分别为有限元模型显示的大跨径预应力混凝土箱梁桥最大混凝土箱梁截面和最小混凝土箱梁截面的温度加载云图。
如图11所示，按照本发明的竖向温度梯度分布模式，计算出来结果更接近实测值。与本发明的竖向温度梯度模式相比，按照中国公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2015)中温度梯度模式计算出来的主跨跨中挠度和主跨跨中底板拉应力均偏小，说明按照现有的公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2015)提出的竖向温度梯度模式来计算大跨径预应力混凝土箱梁桥的温度应力和变形与本发明相比偏不安全。如图11所示，尤其在主跨位置处的形变，通用规范(JTG D60-2015)计算的误差较大，而本发明所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法更为精确，图中的距主跨跨中距离为11m的实测点的纵向形变曲率为-10με/m，而通用规范(JTG D60-2015)计算相同位置的纵向形变曲率为-5.5με/m，误差接近45％。而本发明所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法计算相同位置的纵向形变曲率为-10.4με/m。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
将混凝土箱梁桥沿桥轴方向划分成若干个混凝土箱梁截面，把第i个混凝土箱梁截面分为顶板(1)-腹板(2)区域和底板(3)区域，分别获取顶板(1)-腹板(2)区域和底板(3)区域的竖向温度分布曲线；
通过分析和拟合顶板(1)-腹板(2)区域和底板(3)区域的竖向温度分布曲线，获得第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式；分析第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式中的参数取值沿桥梁轴向的变化规律；
对大跨径预应力混凝土箱梁桥进行温度梯度效应分析。
2.根据权利要求1所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，其特征在于，第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式为：
式中，Ti(y)为第i个混凝土箱梁截面离顶板上表面距离为y处的温度，℃；Twi为第i个混凝土箱梁截面的顶板(1)-腹板(2)区域中的最小温度，℃；Tdi为第i个混凝土箱梁截面的顶板(1)上表面的温度，℃；dgi为第i个混凝土箱梁截面的高度，m；dbi为第i个混凝土箱梁截面的底板(3)厚度，m；Tbti为第i个混凝土箱梁截面的底板(3)上表面温度，℃；Tbi为第i个混凝土箱梁截面的底板(3)下表面温度，℃。
3.根据权利要求2所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，其特征在于，第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式中的参数取值沿桥梁轴向的变化规律具体为：
第i个混凝土箱梁截面的底板(3)下表面温度Tbi沿桥轴方向不变；
第i个混凝土箱梁截面的顶板(1)上表面的温度Tdi沿桥轴方向不变；
第i个混凝土箱梁截面的顶板(1)-腹板(2)区域中的最小温度Twi与腹板(2)厚度呈线性关系；
第i个混凝土箱梁截面的底板(3)上表面温度Tbti与底板(3)厚度呈线性关系。
4.根据权利要求3所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，其特征在于，第i个混凝土箱梁截面的顶板(1)-腹板(2)区域中的最小温度Twi与腹板(2)厚度的关系式如下：
式中：dwp为最大的混凝土箱梁截面的腹板(2)厚度，m；dwm为最小的混凝土箱梁截面的腹板(2)厚度，m；dwi为第i个混凝土箱梁截面的腹板(2)厚度，m。
5.根据权利要求3所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，其特征在于，第i个混凝土箱梁截面的底板(3)上表面温度Tbti与底板(3)厚度呈线性关系式如下：
式中，dbp为最大的混凝土箱梁截面的底板(3)厚度，m；dbm为最小的混凝土箱梁截面的底板(3)厚度，m；dbi为第i个混凝土箱梁截面的底板(3)厚度，m。
6.根据权利要求3所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，其特征在于，当混凝土箱梁桥的桥面铺装层厚度为0-10cm厚沥青混凝土时，第i个混凝土箱梁截面的顶板(1)上表面的温度Tdi的取值为19-25℃；第i个混凝土箱梁截面的底板(3)下表面温度Tbi的取值为5℃。
7.根据权利要求2所述的大跨径预应力混凝土箱梁桥的竖向温度梯度效应分析方法，其特征在于，对大跨径预应力混凝土箱梁桥进行温度梯度效应分析具体为：
用最大尺寸的混凝土箱梁截面中腹板(2)的最低温度代替第i个混凝土箱梁截面的竖向温度分布模式中的第i个混凝土箱梁截面的顶板(1)-腹板(2)区域中的最小温度Twi；可获得混凝土箱梁竖向温度梯度沿竖向和桥梁轴向的分布情况，将其加入混凝土箱梁桥的有限元模型中，计算温度作用引起温度应力和变形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Gu Bin Inventor after: Bian Xiao Inventor after: Xie Fuzhe Inventor after: Lei Liheng Inventor after: Gao Wang Inventor after: Zhou Fengyi Inventor before: Gu Bin Inventor before: Bian Xiao Inventor before: Xie Fuzhe Inventor before: Lei Liheng Inventor before: Gao Wang Inventor before: Zhou Fengyi |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |