钢管混凝土拱桥环境温度引起的应力挠度分析

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1、铁道建筑2016年第2期RailwayEngineering39文章编号：1003—1995(2016)02—0039—04钢管混凝土拱桥环境温度引起的应力挠度分析王新泽(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山063000)摘要：分析了钢管混凝土拱的挠度和拱趾处应力随环境温度改变而产生的变化。结果表明：环境温度引起的轴向应力和拱肋自重引起的轴向应力绝对值均不超过100MPa；拱肋截面应力变化并非同步，而是存在一个弯曲效应，环境温度每变化5℃引起拱顶竖向位移变化17mm；由当地最高温度引起的拱顶挠度变化为向上55．6mm，

2、由当地最低温度引起的拱顶挠度变化为向下135．6mm；由环境温度变化引起的竖向高差不均匀是高速列车行驶的安全隐患，不可忽略。关键词：钢管混凝土拱桥环境温度挠度温度应力西溪河大桥中图分类号：U448．222文献标识码：ADOI：10．3969／i．issn．1003—1995．2016．02．09钢管混凝土拱桥广泛地应用于铁路、公路桥梁中，土；拱趾起拱两端各53．0m范围内用两块钢板连接，特别是随着高速铁路的快速发展，对钢管混凝土拱桥内填充C50混凝土构成箱形截面，其余部分用H型钢提出了许多新的要求。连接成格构段。图1为西溪

3、河大桥布置示意。钢管混凝土拱桥结构形式多样，其温度研究尚不充分，距离指导设计施工还有较大距离¨。文献[3—7]研究了拱的温度应力，但是并没有关注温度引起的拱的挠度变化。而文献[8．9]对有效合龙温度的理论进行了研究。文献[10—11]则对拱圈在日照辐射温度场的温度传导进行了研究。图1西溪河大桥布置(单位：em)由于高速铁路对挠度要求很高，钢管混凝土拱桥随环境温度变化所引起的沿桥纵向挠度的变化，将引桥址区属亚热带季风气候区，据附近大方县气象起桥面不均匀高差变化，对列车的安全行驶存在重大资料，该地区多年平均气温l5．7℃，极端

4、最高气温隐患。目前针对环境温度引起的钢管混凝土拱桥的挠39．4℃，极端最低气温一14．2℃。1．2有限元模型介绍度变化研究较少，本文分析了钢管混凝土拱肋(以成贵高速铁路西溪河大桥为例)的挠度和拱趾处应力随钢管混凝土目前有3种计算理论：将钢管混凝环境温度改变而产生的变化。土视为一种特殊的材料；将钢管或者混凝土折算为另外一种材料；将钢管和混凝土视为两种不同材料并考1有限元模型虑二者的黏结。本文采用独立建模方式，将Q345qd1．1成贵高速铁路西溪河铁路大桥简介钢材和C50混凝土分别建立模型，视钢材和混凝土同新建高速铁路成都至贵

5、阳线乐山至贵阳段西溪河步变形，不考虑二者的滑移效应。特大桥主桥采用240m跨的上承式钢管混凝土提篮拱建模采用ANSYS有限元软件，桁架拱杆件采用空桥，计算跨度240m，矢高55m，拱轴系数2．2，矢跨比间梁单元Beam188，盖板采用Shell181单元，混凝土采1／4．364。拱肋全长范围为等截面，由两肢Q345qd钢用Solid45单元，不同单元采用共节点方式以实现变形管和其间的两块钢板焊接成哑铃型，内填充C50混凝协调。西溪河大桥主桥拱桁采用Q345钢管，钢桁架弹性模量E=2．1×10MPa，泊松比=0．3，拱桁内收

6、稿日期：2015—06—05；修回日期：2015-10—26部分灌注C50混凝土，弹性模量E=3．5×10MPa。基金项目：住建部科学技术项目(2015一K3—021)；天津市自然科学基金泊松比=0．2。模型如图2所示。项目(13JCYBJC19600)；天津市交通运输委员会科技项目(2014—23)Q345qd钢材热膨胀系数取1．2×10／℃，弹性作者简介：王新泽(1984一)，男，工程师。模量取210GPa，泊松比取0．3；C50混凝土热膨胀系铁道建筑23．31℃。图4为由温度引起的轴向应力，图5为温度和自重共同作用下

7、的轴向应力。图2有限元模型数取8×10／℃，弹性模量取34．5GPa，泊松比取0．167。2有限元结果分析图4温度引起的轴向应力2．1合龙温度和温度荷载的确定合龙时的环境温度并不能作为计算温度荷载的基准温度，因为合龙后混凝土凝固放出的水化热会在混凝土中产生残余温度。文献[8]中通过试验和理论分析的方法指出，在没有实际测量的基础上，可近似认最翅为：温降计算可取当月平均温度加4～5℃作为基准温-叵恭度，温升计算取当月平均温度作为基准温度。西溪河大桥合龙施工处于7月份，该月份大桥所在地区平均气温为23．31℃。本文取23．31c

8、c作为计算环境温度的基准温度。图5温度和自重共同作用下的轴向应力2．2拱趾处温度引起的应力分析将拱趾处拱肋截面4个钢管混凝土拱圈命名为由图4、图5可以看出，当温度高于基准温度时，A，B，c，D，如图3所示。计算自重工况下每个拱圈的拱趾处的应力为压应力；当温度低于基准温度时，拱趾轴向应力，结果见表1。处的