鋼箱梁日照溫差作用效應(yīng)分析

鋼箱梁由于重量輕、強(qiáng)度高、工廠化施工、外形美觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，在橋梁工程中得到廣泛的使用。然而鋼材不同與混凝土材料，同時(shí)，夏季炎熱地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)橋梁自身溫度遠(yuǎn)超于體感溫度，在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，季節(jié)的交替、炎熱夏季的晝夜溫差等溫度作用使鋼箱梁橋受到各種溫度荷載的影響，結(jié)構(gòu)在溫度作用下會(huì)引起結(jié)構(gòu)變形等，影響結(jié)構(gòu)的施工。但實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)所處的溫度場(chǎng)并非是單一的溫度作用，往往是受到多種溫度作用的耦合，而在橋梁工程設(shè)計(jì)時(shí)難以將其全部考慮而對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁所處的溫度場(chǎng)產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行分析。季節(jié)交替、晝夜日照溫差等所產(chǎn)生的是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的溫度場(chǎng)，炎熱地區(qū)夏季的日照作用下，鋼橋頂板受日照作用影響，溫度升高很迅速，但鋼橋內(nèi)部溫度升高相對(duì)緩慢，這就影響著鋼橋在溫度梯度作用下產(chǎn)生變形甚至附加應(yīng)力。

通常情況下，日照溫差效應(yīng)會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力不可以忽視，諸多學(xué)者的研究表明，甚至?xí)?/span>溫度應(yīng)力大于活載應(yīng)力的情況發(fā)生。應(yīng)力過(guò)大會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用甚至使用壽命，故溫度作用對(duì)鋼橋的影響還是要引起足夠重視。

一、研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)混凝土箱梁的溫度場(chǎng)、溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究，但針對(duì)鋼橋的溫度場(chǎng)研究較少。由于溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)于鋼橋的溫度場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)研究。

孫國(guó)晨為研究不同溫度分布下橋梁結(jié)構(gòu)的受力，利用ANSYS有限元模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)計(jì)算方法及我國(guó)規(guī)范中橋梁橫截面溫度的合理性進(jìn)行了論證。諸熠楚對(duì)超長(zhǎng)高層鋼框架結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究，建立MIDAS模型分析溫度作用效應(yīng)。對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)變形規(guī)律、梁柱受力特點(diǎn)和樓板應(yīng)力分布情況與溫度作用參與的最不利荷載組合工況下結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力和穩(wěn)定性。高婧基于溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合ANSYS模擬，分析扁平鋼箱梁溫度、溫差分布特征。結(jié)果表明，在最不利溫度場(chǎng)分布梯度工況下，頂板溫度應(yīng)力最大值與設(shè)計(jì)車輛荷載作用下的應(yīng)力非常接近，扁平鋼箱梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r考慮日照溫度效應(yīng)的影響。朱穎建立熱力耦合模型，對(duì)大跨度鋼桁懸索橋在日照溫度場(chǎng)的作用效應(yīng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在橋梁的施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中日照溫度場(chǎng)是不可忽視的溫度作用。宋毅為研究溫度場(chǎng)特征利用鋼-混凝土組合梁縮尺模型進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，相比驟然降溫變化，日照輻射對(duì)鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)溫度影響更大；基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了混凝土橋面板與鋼梁的最不利豎向正、負(fù)溫度梯度二次拋物線擬合模型，具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性。

目前針對(duì)鋼箱梁橋的溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)的研究還相對(duì)較少。有學(xué)者對(duì)鋼箱梁在日照作用下的溫度場(chǎng)分布作了有限元模擬，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)基本符合實(shí)際。本文通過(guò)Midas/civil建立的有限元模型，對(duì)鋼箱梁受溫度作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力位移進(jìn)行分析。

二、有限元模型

（一）模型概況

本文利用Midas/civil建立3×30m連續(xù)梁模型，鋼箱梁為單箱單室箱型主梁，主梁截面如圖1所示，橋面寬8m（翼緣板1.808m×2），高2.303m，頂?shù)装搴?/span>16cm，腹板厚16cm。頂板有I型，U型加勁肋。

（二）結(jié)果分析

對(duì)鋼箱梁所受的日照溫差進(jìn)行模擬，現(xiàn)將鋼箱梁模型進(jìn)行整體升溫30℃，整體降溫10℃，頂?shù)装鍦夭顬?/span>10℃，20℃，30℃的溫度荷載作用下的變形進(jìn)行分析。鋼箱梁在溫差作用下變形及縱向、豎向在不同溫差下的位移值。

鋼箱梁在溫度作用下，頂?shù)装?/span>溫差越大，其縱向和豎向的變形越明顯。30℃的最大溫差下，橋梁縱向最大的節(jié)點(diǎn)位移值為2.6mm，遠(yuǎn)小于容許誤差值，故頂?shù)装鍦夭畹拇嬖?/span>對(duì)橋梁縱向的變形影響非常小，故橋梁工程施工中縱橋向不考慮日照溫差帶來(lái)的影響。30℃的最大溫差下，橋梁豎向最大的節(jié)點(diǎn)位移值為8mm，已經(jīng)超出容許誤差值，在施工中往往小于容許誤差才能保證橋梁的質(zhì)量和安全。故鋼箱梁橋的頂?shù)装?/span>溫度差值越明顯，結(jié)構(gòu)的豎向變形越大，溫度梯度是不可忽視的影響因素。

三、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Midas/civil建立的有限元模型對(duì)鋼箱梁受溫度作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力位移進(jìn)行了分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）鋼箱梁在日照溫差效應(yīng)作用下，橋梁縱向的位移值較小，在容許誤差的范圍內(nèi)加以忽略，故橋梁工程施工中縱橋向不考慮日照溫差帶來(lái)的影響。

（2）30℃的頂底板溫差下，結(jié)構(gòu)縱向伸縮最大為2.6mm，而豎向變形的最大值達(dá)到了 8mm。橋梁結(jié)構(gòu)在日照溫差作用效應(yīng)下，主要產(chǎn)生豎向變形。鋼橋進(jìn)行節(jié)段焊接施工時(shí)，選擇溫度場(chǎng)均勻時(shí)進(jìn)行施工，應(yīng)避免在溫度梯度下進(jìn)行施工而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的豎向變形。

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