大跨长联公铁两用连续钢桁梁桥成桥阶段温度效应研究.pdf
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1、世界桥梁 年第 卷第期(总第 期)W o r l dB r i d g e s,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目();山东省企业技术创新项目()G e n e r a lP r o g r a mo fN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a();P r o j e c to fE n t e r p r i s eT e c h n o l o g yI n n o v a t i o no fS h a n d o
2、 n gP r o v i n c e()作者简介:孟令强(),男,高级工程师,年毕业于山东农业大学土木工程专业,工学学士,年毕业于石家庄铁道学院桥梁与隧道工程专业,工学硕士(E m a i l:q q c o m).D O I:/j i s s n 大跨长联公铁两用连续钢桁梁桥成桥阶段温度效应研究孟令强,郭传臣,姜永彪,(铁正检测科技有限公司,山东 济南 ;中铁十四局集团有限公司,山东 济南 )摘要:针对公铁两用连续钢桁梁桥成桥阶段由上层公路桥面板遮挡引起的日照温差问题,以某公铁两用连续钢桁梁桥为背景,沿墩顶梁截面竖向及横向布置温度测点实测桥梁温度场,采用分段函数拟合得到梁截面横、竖向温度梯
3、度,建立成桥阶段有限元模型,分析均匀温度作用与温度梯度作用对桥梁线形及应力的影响.结果表明:实测温度场的桥梁横、竖向温度梯度与太阳辐射强度、杆件所处位置以及照射时间有关;与温度梯度作用相比,均匀温度作用中整体降温对桥梁结构线形影响更为不利;与均匀温度作用相比,温度梯度作用对桥梁边跨墩顶附近边桁下弦杆局部应力影响更为不利;中跨墩顶附近中桁上弦杆受公路桥面板的遮挡,杆件温度较低,温度梯度作用影响较小.关键词:公路铁路两用桥;钢桁梁桥;成桥阶段;均匀温度作用;温度梯度作用;线形;应力;有限元法中图分类号:U ;U 文献标志码:A文章编号:()引言随着 新时代交通强国铁路先行规划纲要 的提出,到 年,
4、我 国 高 速 铁 路 运 营 里 程 要 达 到 k m,高速铁路建设将迎来快速发展.高速铁路网中桥梁占比较高,如已建成的京沪高铁桥梁占比约 .公铁两用连续钢桁梁桥具有强度大、经济性好等诸多优点,广泛应用于高铁桥梁建设中 .公铁两用连续钢桁梁桥主要材料为钢材,而钢材导热性能好,受环境温度影响显著,易形成较大温差.目前关于温度效应的研究大多集中在混凝土梁桥以及钢箱梁桥 ,对于公铁两用连续钢桁梁桥的温度效应研究较少.处于成桥阶段的公铁两用连续钢桁梁桥,其上层公路桥面板会对下层钢桁梁产生遮挡,进而形成不均匀温度场,影响桥梁受力性能.我国 铁路桥涵设计规范(T B )中,针对此类空间立体结构的温度荷
5、载,多考虑年温差变化(均匀温度作用),对于太阳辐射引起的日照温差(温度梯度作用)考虑较少.因此,本文以某公铁两用连续钢桁梁桥为背景,针对成桥阶段由上层公路桥面板遮挡引起的日照温差问题,通过对关键构件和部位进行温度监测,获取桥梁温度场的实测数据,拟合得到梁截面横、竖向温度梯度,采用有限元分析,以设计规范和现场实测数据为依据,研究公铁两用连续钢桁梁桥成桥阶段的温度效应.工程背景某公铁两用连续钢桁梁桥共分为跨,跨径布置为()m,桥梁分为上、下层,上层为双向车道高速公路,下层为线铁路(条高速铁路和条城际铁路).桥址处年平均气温 ,夏季最高气温 ,冬季最低气温 .此桥为南北走向,上午时太阳位于桥梁下游侧
6、,下游边桁完全被阳光照射,下午时太阳位于桥梁上游侧,上游边桁完全被阳光照射.全桥立面布置如图所示.图全桥立面布置F i g E l e v a t i o nv i e wo f f u l l b r i d g e世界桥梁 ,()钢桁梁采用华伦式桁架,横向布置片桁,桁间距()m,墩顶处边桁及中桁桁高分别为 、m.在号墩墩顶钢桁梁横断面处,分别沿梁截面竖向以及横向布置温度测点,具体布置如图所示.图号墩墩顶钢桁梁温度测点布置F i g T e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp o i n t so nt r u s s e so v e rp i
7、e rN o 温度梯度拟合选取月光照充足的天气,每天 h连续观测,连续观测d,经观测下午:左右,各桁的竖向温差达到了最大值.取连续d下午:温度实测平均值,采用分段函数拟合梁截面竖向以及横向温度梯度,分析片主桁间的横、竖向温差分布规律.上游边桁竖向温度梯度拟合上游边桁竖向各测点温度如表所示,由于公路桥面板对号温度测点产生遮挡,因此拟合线段时从 号测点开始.上游边桁竖向温度梯度拟合如图所示.由表、图可知:在公路桥面板遮挡下,号测点温度明显低于其它测点温度,除号测点外,上游边桁的竖向温度由上到下依次降低.表上游边桁竖向各测点温度T a b l e D a t ao b t a i n e da t
8、v e r t i c a l t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp o i n t so nu p s t r e a me d g e t r u s s e s测点编号距梁顶距离/m温度/图上游边桁竖向温度梯度拟合F i g V e r t i c a l t e m p e r a t u r e f i t t i n gf o ru p s t r e a me d g e t r u s s e s 中桁竖向温度梯度拟合中桁竖向各测点温度如表所示,上弦杆取号与号测点的平均温度代表此处温度,竖杆分别取 号与 号测点、号与 号测点的平
9、均温度代表对应高度处温度.中桁竖向温度梯度拟合如图所示.由表、图可知:在公路桥面板遮挡下,中桁的竖向温度由上到下依次升高.表中桁竖向各测点温度T a b l e D a t ao b t a i n e da t v e r t i c a l t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp o i n t so n i n t e r m e d i a t e t r u s s e s测点编号距梁顶距离/m温度/()()()下游边桁竖向温度梯度拟合下游边桁竖向各测点温度如表所示,温度梯度拟合如图所示.由表、图可知:在公路桥面板遮挡下,下游边桁竖向温
10、度由上到下先升高后降低.上平联横向温度梯度拟合上平联横向各测点温度如表所示,上弦杆取号与号测点的平均温度代表此处温度.上平联横向温度梯度拟合如图所示.由表、图可知:在公路桥面板遮挡下,上平联横向温度由左到右先降低后升高.大跨长联公铁两用连续钢桁梁桥成桥阶段温度效应研究孟令强,郭传臣,姜永彪图中桁竖向温度梯度拟合F i g V e r t i c a l t e m p e r a t u r e f i t t i n g f o r i n t e r m e d i a t e t r u s s e s表下游边桁竖向各测点温度T a b l e D a t ao b t a i n e
11、da t v e r t i c a l t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp o i n t so nd o w n s t r e a me d g e t r u s s e s测点编号距梁顶距离/m温度/综上所述,月下午:左右太阳辐射强度最高,此时上游边桁完全被太阳光照射.上游边桁的最高温度达 ,远高于中桁和下游边桁的最高温度(、).上游边桁的最大竖向温差表上平联横向各测点温度T a b l e D a t ao b t a i n e da t t r a n s v e r s e t e m p e r a t u r em e
12、a s u r e m e n tp o i n t so nt o p l a t e r a l b r a c i n g测点编号距下游边桁距离/m温度/()图上平联横向温度梯度拟合F i g T r a n s v e r s e t e m p e r a t u r e f i t t i n g f o r t o pl a t e r a l b r a c i n g为,远大于中桁和下游边桁的最大竖向温差(、).上平联最高温度为 ,最大横向温差为.温度沿梁截面分布较不均匀,桥梁横、竖向温度梯度与太阳辐射强度、杆件所处位置以及照射时间有关.图下游边桁竖向温度梯度拟合F i g
13、V e r t i c a l t e m p e r a t u r e f i t t i n g f o rd o w n s t r e a me d g e t r u s s e s世界桥梁 ,()桥梁成桥阶段温度效应分析 成桥阶段有限元模型利用M I D A SC i v i l 软件建立钢桁梁桥空间有限元模型,主桁和公路桥面板采用梁单元模拟,联结系采用桁架单元模拟,铁路正交异性板采用带肋板单元模拟.纵梁、横梁、铁路桥面板及下弦杆之间采用刚性连接.钢结构主要采用Q q E钢,部分主桁杆件采用Q q E钢,公路混凝土桥面板采用C 混凝土,铁路混凝土桥面板采用C 混凝土.桥墩墩顶的支
14、座采用高度可调摩擦摆减隔震球型支座,中桁除中间桥墩(号墩)设置固定支座外,其余均为纵向活动支座;边桁除中间桥墩(号墩)设置横向活动支座外,其余均为多向活动支座.成桥阶段有限元模型如图所示.图成桥阶段有限元模型F i g F i n i t ee l e m e n tm o d e l o fa s b u i l tb r i d g e对于成桥阶段荷载,钢结构容重取 k N/m,混凝 土 容 重 取 k N/m,无 砟 轨 道 按 每 线 k N/m考虑,公路桥面铺装为 k N/m,公路桥面防撞护栏按每道 k N/m考虑,公路荷载按双向车道在最不利位置处承受 的汽车活载考虑,铁 路 荷 载
15、 分 别 取 高 速 铁 路 设 计 规 范(T B )中列车Z K、Z C活载,按线铁路在最不利位置处承受 的列车活载考虑.温度荷载分别考虑均匀温度作用(年温差变化)以及温度梯度作用(日照温差)影响,其中均匀温度作用考虑整体升、降温,温度梯度作用按第节拟合的温度梯度施加.温度效应对桥梁线形的影响高速铁路对桥梁线形要求较高,为保证列车运行平稳,铁路桥涵设计规范 中要求跨及以上一联的连续钢桁梁桥竖向位移L/(L为跨径).对于超静定结构体系,应考虑温度影响.均匀温度作用影响依据 铁路桥涵设计规范,均匀温度作用主要考虑种工况:工况,汽车列车;工况,汽车列车整体升温;工况,汽车列车整体降温.均匀温度作
16、用下边跨下弦杆竖向位移如表所示.由表可知:各工况最大竖向位移均出现在边跨跨中附近;在工况作用下,边桁与中桁下弦杆最大竖向位移分别为 、mm;在工况作用下,边 桁 与 中 桁 下 弦 杆 最 大 竖 向 位 移 分 别 为 、mm,比工况产生的竖向位移分别减小了、;在工况作用下,边桁与中桁下弦杆最大竖向位移分别为 、mm,比工况产生的竖向位移分别增大了、.整体升温作用会使桥梁边跨产生向上的位移趋势,整体降温作用会使桥梁边跨产生向下的位移趋势.表均匀温度作用下边跨下弦杆竖向位移T a b l e V e r t i c a l d i s p l a c e m e n t o f s i d e
17、 s p a nl o w e rc h o r d su n d e ru n i f o r mt h e r m a l e f f e c t顺桥向距离/m边桁竖向位移/mm中桁竖向位移/mm工况工况工况工况工况工况 注:位移正值为向上,负值为向下;边跨顺桥向距离为从号墩处开始计算.下同.均匀温度作用下中跨下弦杆竖向位移如表所示.由表可知:各工况最大竖向位移均出现在中跨跨中附近;在工况作用下,边桁与中桁下弦杆最大竖向位移分别为 、mm;在工况作用下,边 桁 与 中 桁 下 弦 杆 最 大 竖 向 位 移 分 别 为 、mm,比工况产生的竖向位移分别减小了、;在工况作用下,边桁与中桁下弦
18、杆最大竖向位移分别为 、mm,比工况产生的竖向位移分别增大了、.整体升温作用会使桥梁中跨产生向上的位移趋势,整体降温作用会使桥梁中跨产生向下的位移趋势.表均匀温度作用下中跨下弦杆竖向位移T a b l e V e r t i c a l d i s p l a c e m e n t o f i n t e r m e d i a t e s p a nl o w e rc h o r d su n d e ru n i f o r mt h e r m a l e f f e c t顺桥向距离/m边桁竖向位移/mm中桁竖向位移/mm工况工况工况工况工况工况 注:中跨顺桥向距离为从号墩处开始计
19、算.下同.综上所述,整体升温作用会使桥梁边、中跨产生向上的位移趋势,整体降温作用会使桥梁边、中跨产生向下的位移趋势,且中跨竖向位移大于边跨竖向位移,整体降温作用对桥梁线形的影响较为不利.整体升、降温作用使桥梁边、中跨产生向上或向下的位移趋势,同铁路桥面板与公路桥面板的材料属性大跨长联公铁两用连续钢桁梁桥成桥阶段温度效应研究孟令强,郭传臣,姜永彪及结构形式不同有关.整体降温作用下桥梁中桁变形如图所示.由图可知:整体降温作用下桥梁中跨竖向位移最大,从桥梁中跨向桥梁结构两端,竖向位移依次减小.图整体降温作用下桥梁中桁变形F i g I n t e r m e d i a t e t r u s sd
20、 e f o r m a t i o no fb r i d g eu n d e ro v e r a l l t e m p e r a t u r e f a l l i n ge f f e c t 温度梯度作用影响温度梯度作用主要考虑种工况:工况,汽车列车;工况,汽车列车温度梯度作用.温度梯度作用下边跨下弦杆竖向位移如表所示.由表可知:各工况最大竖向位移均出现在边跨跨中附近;在工况作用下,边桁与中桁下弦杆最大竖向位移分别为 、mm,比工况产生的竖向位移(、mm)均减小.温度 梯 度 作 用 会 使 桥 梁 边 跨 产 生 向 上 的 位 移趋势.表温度梯度作用下边跨下弦杆竖向位移T
21、a b l e V e r t i c a l d i s p l a c e m e n t o f s i d e s p a nl o w e rc h o r d su n d e r t e m p e r a t u r eg r a d i e n t s顺桥向距离/m边桁竖向位移/mm中桁竖向位移/mm工况工况工况工况 温度梯度作用下中跨下弦杆竖向位移如表所示.由表可知:各工况最大竖向位移均出现在中跨跨中附近;在工况作用下,边桁与中桁下弦杆最大竖向位移分别为 、mm,比工况产生的竖向位移(、mm)分别减小了、.温度梯度作用会使桥梁中跨产生向上的位移趋势.综上所述,温度梯度作用会
22、使桥梁边、中跨产生向上的位移趋势,且中跨竖向位移大于边跨竖向位移,温度梯度作用对结构线形的影响较为有利.温度效应对桥梁应力的影响 均匀温度作用影响依据 铁路桥涵设计规范,均匀温度作用主要考虑种工况:工况,自重汽车列车;工况,自重汽车列车整体升温;工况,自重汽车列车整体降温.表温度梯度作用下中跨下弦杆竖向位移T a b l e V e r t i c a l d i s p l a c e m e n t o f i n t e r m e d i a t e s p a nl o w e rc h o r d su n d e r t e m p e r a t u r eg r a d i
23、e n t s顺桥向距离/m边桁竖向位移/mm中桁竖向位移/mm工况工况工况工况 均匀温度作用下边跨下弦杆应力如表所示.由表可知:在工况作用下,边跨墩顶附近边桁与中桁下弦杆最大应力分别为 、M P a;在工况作用下,边跨墩顶附近边桁与中桁下弦杆最大应力分别为 、MP a,比工况产生的应力分别增大了、;在工况作用下,边跨墩顶附近边桁与中桁下弦杆最大应力分别为 、MP a,比工况产生的应力分别减小了、.整体升温作用会使边跨墩顶附近下弦杆应力增大,整体降温作用会使边跨墩顶附近下弦杆应力减小.表均匀温度作用下边跨下弦杆应力T a b l e S t r e s s e s i ns i d e s p
24、 a n l o w e rc h o r d su n d e ru n i f o r mt h e r m a l e f f e c t顺桥向距离/m边桁应力/MP a中桁应力/MP a工况工况工况工况工况工况 注:应力正值为拉应力,负值为压应力.下同.均匀温度作用下中跨上弦杆应力如表 所示.由表 可知:在工况作用下,中跨墩顶附近边桁与中桁上弦杆最大应力分别为 、MP a;在工况作用下,中跨墩顶附近边桁与中桁上弦杆最大应力分别为 、MP a,比工况产生的应力分别减小了、;在工况作用下,中跨墩顶附近边桁与中桁上弦杆最大应力分别为 、MP a,比工况产生的应力分别增加了、.整体升温作用会使
25、中跨墩顶附近上弦杆应力减小,整体降温作用会使中跨墩顶附近上弦杆应力增大.综上所述,整体升温作用会使边跨墩顶附近下弦杆应力增大、中跨墩顶附近上弦杆应力减小,整体世界桥梁 ,()表 均匀温度作用下中跨上弦杆应力T a b l e S t r e s s e s i n i n t e r m e d i a t e s p a nu p p e rc h o r d su n d e ru n i f o r mt h e r m a l e f f e c t顺桥向距离/m边桁应力/MP a中桁应力/MP a工况工况工况工况工况工况 升温作用对边跨下弦杆局部应力影响较为不利;整体降温作用会使边跨
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