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日照温差对圬工拱桥应力的影响模拟分析 苏 鹏 ( 山西省交通科学研究院，太原 030006) 摘 要:日照温差对桥梁结构的内力有重大影响。对圬工拱桥主拱圈进行空间有限元分析，通过对主拱圈施 加局部温度作用 ， 计算和比较结构在温度梯度和局部整体升温的状态下的应力分布特征 ， 得出相应规律 ， 并解释部 分拱圈病害的形成机理 ， 为今后相关桥梁的设计养护提供一定参考 。 关键词:圬工拱桥;日照温差;应力分析 中图分类号: U441 + ． 5 文献标识码: B 文章编号: 1673 － 6052( 2012) 12 － 0096 － 03 桥梁结构不可避免地受到环境因素的影响，其 中温度变化对结构的影响最为常见，温度应力和变 形直接关系到桥梁的耐久性和安全性。对于圬工拱 桥，依照现有设计计算方法很难模拟日照温度和陡 然降温对桥梁的作用; 此外，由于计算中对结构的局 部应力分析不够详细，导致在运营过程中经常出现 由于温度荷载而产生病害。近年来对圬工拱桥的外 观检查显示，大量桥梁拱顶位置和 L /4 位置处出现 横向裂缝，除设计、超负荷运营等因数外，温度荷载 作用对主拱圈的影响尤为明显。传统的设计方法存 在一定缺陷，从而忽略了温度应力对结构的巨大影 响。 美国相关研究显示，混凝土板的顶部和底部的 温差在夏天最大可达到 22℃。鉴于温度对结构的 严重影响，国内外对相关问题做了长期的研究并取 得一定进展。对于大跨径桥梁，由于温度作用对结 构内力的影响尤为明显，因此该型桥梁的设计工作 中能够较为充分地考虑各种形式的温度作用; 但对 于中、小跨径桥梁，温度作用相对不明显，因此在设 计计算中有可能忽略部分局部温度作用对结构的影 响，这是不安全的。本文就日照温度对圬工拱桥的 作用进行探讨，对结构进行三维有限元分析，总结日 照作用对主拱圈内力影响的特点，为该类型桥梁的 设计养护提供一定参考依据。 1 局部温度梯度作用分析 温度的整体升降对拱桥的影响已得到广泛的认 可，如今已有成熟的计算分析方法。日照造成的局 部温度应力同样会对结构产生巨大影响，但我国相 关规范涉及到的日照温差局部作用计算并不能涵盖 不同条件下的情况。事实上，处于不同位置的拱桥 一天中所受到的日照温度作用是不同的，该作用受 地理环境的影响较大。如我国西南山区的桥梁，地 势的特征可能导致桥梁的某一个车道或局部位置受 到强烈的日晒，而其余结构由于受山体的遮挡或山 体渗水的作用而结构温度较低; 对于空腹式拱桥，桥 面板的遮挡作用可导致主拱圈局部位置长期处于日 照区。对于主拱圈来说，日照造成主拱圈局部升温， 可能导致结构病害发生。为保证桥梁的耐久性和安 全性，对处于特定环境下的拱桥做相应日照温差分 析是有必要的。 本文采用对主拱圈施局部温度梯度荷载和局部 温度荷载来考查结构的日照应力特征，归纳总结一 定条件下结构的日照温度应力分布规律和部分由局 部温度作用引起的主拱圈开裂机理。本文依托某石 拱桥进行计算和分析，该桥为跨径 15m、矢高 6m 的 空腹式拱，拱轴线为抛物线，主拱圈厚 70cm，如图 1 所示。主拱圈材料为 MU60 砂浆石料，线膨胀系数 为 8 × 10 －6 /℃，弹性模量 E =7300MPa。 图 1 拱桥大样图 采用 Sap2000 有限元软件对该桥梁进行空间有 限元分析; 由于本文的研究重点为主拱圈应力，因此 仅对主拱圈进行数值计算和分析。为有效计算局部 温差作用对结构的影响，主拱圈采用壳单元模拟，如 ·69· 北 方 交 通 2012 图 2 所示。 图 2 Sap2000 有限元模型 图 3 工况 1 下跨中拱背局部坐标 1 方向应力 图 4 工况 1 下跨中拱腹局部坐标 1 方向应力 图 5 工况 2 下 1 /4 跨拱背局部坐标 1 方向应力 局部温度梯度应力计算分为两个工况进行: 工 况 1 为拱顶单元局部坐标 3 轴( 垂直于壳) 温度梯 度; 工况 2 为 1 /4 跨单元局部坐标 3 轴温度梯度。 温差设定为 25℃，因此温度梯度为 35． 7℃ /m。根 图 6 工况 2 下 1 /4 跨拱腹局部坐标 1 方向应力 据对拱桥的外观检查，主拱圈在跨中、L /4 处的病害 以横向裂缝为主，因此以下仅列出局部 1 方向( 纵 向) 的应力。应力分析结果见图 3 ～ 图 6。 从计算所得云图中可看出，局部温度梯度作用 使结构产生了温度应力。拱顶处各计算控制点布置 如图 7 所示，各点计算结果见表 1。 图 7 温度梯度荷载计算控制点 表 1 温度梯度作用下各控制点应力计算值 控制点 1 方向应力( MPa) 拱背 拱腹 1 － 6． 8 5． 9 2 － 2． 2 2． 7 3 － 1． 7 2 4 － 5． 5 5． 2 5 － 3 2． 9 6 － 1