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标题 基于MIDAS仿真的T梁伸缩缝宽度与温度应力研究
范文 杨帆+伍衡山+李子龙



摘 要：以某预应力T型梁桥为例，采用有限元软件进行仿真，设定不同温度加载模式并分析预应力简支T梁的位移变化规律。结果表明：体系温差对于预应力简支T梁的梁体顺桥向位移影响很大，占设计伸缩缝宽度的13.85%～21.33%；非线性温度效应对梁体的顺桥向位移影响较小，占设计伸缩缝宽度的2.4%左右；在体系温差较小时，需要考虑非线性温度对于伸缩缝宽度的影响。
关键词：伸缩缝；温度效应；有限元仿真；预应力简支T梁
中图分类号：U443.31 文献标志码：B
文章编号：1000-033X（2017）02-0067-05
Abstract： Taking a prestressed T-beam bridge as an example， the finite element software was used for simulation， and different temperature loading modes were set， and the displacement variation of prestressed simply supported T-beam was analyzed. The results show that the temperature difference has a great influence on the displacement of the prestressed simply supported T-beam， which accounts for 13.85%-21.33% of the width of the designed expansion joint； nonlinear temperature effect has little influence on the displacement along the bridge， accounting for about 2.4% of the width of the designed expansion joint； when the temperature difference is small， the influence of nonlinear temperature effect needs to be considered.
Key words： expansion joint； temperature effect； finite element simulation； prestressed simply supported T-beam
0 引 言
考虑到桥梁在温度等因素影响下产生的纵向膨胀和收缩变形，需要在两梁端与桥台之间或者桥梁的铰接处设置伸缩缝。在桥梁设计和施工中，伸缩缝的小缺陷有可能引起桥梁的严重破坏，不但影响行车舒适度，而且加剧车辆荷载对桥面的冲击，加速桥面铺装层的破坏，直接影响桥梁的质量和行车安全[1-5]。近年来，在中国新建的桥梁中，由温度应力引起伸缩缝的损坏、脱落和松动现象十分常见。这是由于在设计中伸缩缝的计算量不准确，当桥梁受到荷载时，梁体变形与伸缩缝间距不协调，导致伸缩缝的变形破坏。
伸缩缝的问题已经引起了专家、学者的关注。据统计，伸缩缝的造价不到桥梁建造费用的1%，但是运营过程中16%的缺陷发生在伸缩缝，相关的维护费用占比超过20%，且不包括交通中断、车辆剧烈振动等造成的间接损失。因此，伸缩缝的设计、施工和维护问题，已经成为桥梁工程的重要课题[6-13]。李扬海、刘伟等人的研究表明，影响伸缩缝的因素是多方面的，而梁体温度效应是其中非常重要的一个因素。在桥梁结构设计中，温度变化会引起梁体的膨胀和收缩，从而对伸缩缝的结构和变形造成较大的影响[14-15]。目前，中国桥梁设计中，习惯上将桥梁结构产生的温度变化分为体系温度（线型温度）和温度梯度（非线性温度）。非线性温度变化引起的桥梁梁体变形较小，线性温度变化引起的桥梁结构伸缩量占全桥结构伸缩量的大部分。本文以某预应力T型桥梁为例，用Midas/Civil有限元软件建立仿真模型，对温度变化引起的梁体与伸缩缝宽度变形进行分析研究[16-19]。
1 工程背景与计算理论
目前，中国常见的桥梁结构型式有预应力简支梁桥、连续梁桥以及斜拉桥，其中预应力简支T型梁桥由于施工简单等特點而被广泛使用，但同时该桥型的伸缩缝破坏问题也日益严峻。本文以实际工程为依托对简支T型梁桥的温度应力与该伸缩缝宽度的关系进行研究。实际工程桥的上部结构为跨度30 m的预应力混凝土T梁，全桥总长为780 m，桥宽12.5 m；桥面双向均为1.5%的横坡，采用混凝土铺装；设计荷载为公路Ⅰ级；支座采用板式橡胶支座GYZ500×130。伸缩缝结构见图1。
2 模型的建立
结构采用空间杆系模型，在考虑系统温度变化的情况下，分析温度应力对于梁体变形的影响。表1为桥梁模型参数设计值。
2.1 材料特性
梁体结构采用C50混凝土，重度为26 kN·m-3；预应力钢绞线标准强度为1 860 MPa，锚下张拉控制应力为1 395 MPa。
2.2 荷载工况
荷载工况包括自重、二期荷载（桥面铺装）、预应力荷载、汽车荷载、系统温度（桥梁建设在温热地区，根据规范取-3 ℃～34 ℃）、收缩徐变、温度梯度（混凝土桥梁根据规范取6.7 ℃～25 ℃）等。
2.3 计算模型
采用有限元软件对30 m简支T梁进行仿真分析。主梁采用梁单元，支座处采用一般支承，支座与桥梁的连接为弹性连接，湿接缝采用空间梁单元模型。图3为建立的简支T梁结构模型。
3 计算结果及分析
3.1 简支T梁位移分析
根据桥梁设计规范对模型进行结构分析。为了验证模型的正确性，首先对桥梁恒重状态下的竖直方向位移进行检验，以确定模型是否符合要求。图4为简支梁桥在恒重作用下竖直方向位移云图。
在统计30 m简支T梁的X（顺桥）方向位移时，只需要查看梁体两端节点的位移，就可以确定梁体在温度作用下的整体变形。表2～4分别表示模型组在系统升温、温度梯度和系统降温作用下，每片梁的梁端节点在X方向的位移。图5、6分别表示A、B两组模型梁体在X方向上的位移和系统温度的关系。
由表2可知，在A组模型中，系统升温（34 ℃）荷载作用使得整个梁体伸长均值为10.179 mm；由表3可知，A、B组模型中，温度梯度（6.7 ℃～25 ℃）作用引起整个梁体伸长均值为1.909 mm；由表4可知，在B组模型中，系统降温（-3 ℃）作用下，梁体收缩值为0.899 mm；由图5、6可见，梁体在系统温降作用下，主梁收缩产生的位移随温度大致呈线性变化；梁体在系统升温作用下，主梁膨胀位移与温度呈较明显的线性关系。
通过计算结果分析可知，对A组模型只施加温度荷载时，系统降温造成A1～A6组模型梁体顺桥向位移所占的比例由38.2%降为6.9%，而温度梯度引起的梁体顺桥向位移所占比例由9.8%上升为15.8%；对B组模型只施加温度荷载时，系统升温造成B1～B6模型中梁体顺桥向位移所占比例由78.9%下降为51.6%，温度梯度引起的顺桥向位移所占比例由14.4%上升为32.9%。这说明在预应力简支T梁模型中，系统温度荷载对梁体顺桥向位移影响很大。同时，当体系温差较小时，温度梯度作用在影响梁体位移的因素中占有较大比例。
3.2 理论模型计算与规范公式计算对比分析
根据规范资料，伸缩缝安装时的温度一般居于最高有效温度Tmax和最低有效温度Tmin之间，在温度影响下，温度变化引起梁体总的伸缩量
式中：Tmax、Tmin分别为当地最高、最低有效气温值，缺乏实际调查资料时，按《公路桥涵通用设计规范》（JTG D60—2004）取值；Tu、Tl分别为预设安装温度的上限值和下限值；l为计算一个伸缩缝装置伸缩量采用的梁的长度，视桥梁长度的分段及支座布置情况而定。
表6是在体系温度作用下有限元模型与规范计算结果的比较。由表6可知，有限元仿真模型的计算结果和规范计算结果十分接近，可信度较高，误差控制在一定范围内。
在《公路桥梁通用图集》中，单跨30 m的T梁在设计过程中一般采用80型伸缩缝。根据规范要求，在湿热（-3 ℃～34 ℃）条件下，模型中由体系温差引起的梁体位移为11.08 mm，占80型伸缩缝长度的13.85%；在寒冷（-10 ℃～34 ℃）条件下，模型中由体系温差引起的梁体位移为13.17 mm，占80型伸缩缝长度的16.47%；在严寒条件下，模型中由体系温差引起的梁体位移为17.06 mm，占伸缩缝长度的21.33%；同时，在模型计算结果中，温度梯度引起的顺桥向位移为1.91 mm，占伸缩缝长度的2.4%。
4 结 语
（1）通过数据对比可知，用Midas/Civil建立的有限元模型计算温度应力引起的梁体位移结果与规范公式计算结果十分接近，误差绝对值控制在0.035～0.005 mm，可信度较高，说明该建模方法可以运用于实际工程。
（2）在预应力T梁中，梁体顺桥向位移和系统温度的变化呈正比，且系统升温作用下梁体位移比例为1.498，系统降温作用下梁体位移比例为1.368，两者较为接近，升温比例略大于降温比例。这一结论有利于在桥梁设计时对温度应力影响下的梁体纵向位移进行估算，从而更好地确定伸缩缝宽度。
（3）由分析结果可见，体系温差作用下的预应力简支T梁顺桥向位移较大。在规范规定的有效温度作用下，其位移量占施工常用的80型伸缩缝宽度的13.85%～21.33%，所以在桥梁设计和施工时必须对体系温差作用予以重视。
（4）温度梯度作用下梁体会产生一定的位移。根据模型计算结果，在体系温差较小的情况下，温度梯度引起的梁体顺桥向位移所占比例增大。在这种情况下，设计同类型桥梁伸缩缝宽度时必须对温度梯度的作用予以适当考虑。
以上结论可以为其他桥型温度应力与伸缩缝宽度的关系研究奠定基础，同时也可为同类型桥梁的伸缩缝设计和施工提供参考。
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[责任编辑：高 甜]
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