技术创新

    广深沿江高速机场段特大桥上部结构为60 m跨径整体预制单箱双室斜腹板预应力混凝土箱梁，为先简支后连续结构体系。单幅桥面宽度为19.65 m，在国内的跨海大桥中首次采用单箱双室截面构造，空间受力特点突出。本文以该大桥5 跨一联先简支后连续箱梁为研究对象，建立考虑施工阶段影响的空间实体有限元模型，研究梯度温度对箱梁纵、横向受力性能的影响，同时比较新老规范在计算梯度温度影响时不同规定所产生的差别，为后续同类型桥梁的设计提供参考。
1·箱梁构造及梯度温度的规定
主桥为分离式双幅桥梁，单幅箱梁采用单箱双室截面，箱梁顶板宽19.65 m，底板宽10.35 m，梁高3.5 m。箱梁两侧悬臂长3.65 m，悬臂端部厚度20 cm，根部厚度50 cm，悬臂下缘在距离悬臂端1.55 m 处设有折点，折点位置悬臂厚25 cm。顺桥向跨中顶板厚28 cm，中墩支点两侧附近加厚至60 cm，边墩支点附近局部加厚至70 cm。顺桥向跨中底板厚25 cm，在支点附近局部加厚至65 cm。顶板横坡通过箱梁预制时顶板斜置形成，腹板设计为斜腹板，外侧斜度为1:2.876 5，内侧斜度1:3.123 5，跨中腹板厚40 cm，支点附近增加至70 cm。箱梁断面构造见图1。相邻跨的预制梁通过在墩顶设置湿接缝实现结构连续，墩顶湿接缝顶板处宽度为108 cm，底板处宽度为150 cm。

在新规范《公路桥涵设计通用规范》4.3.10 第3 条中规定，计算桥梁结构由于梯度温度引起的效应时，可采用如图2（a）所示的竖向温度梯度曲线，由于桥面采用100 mm 沥青混凝土铺装层，故桥面板表面的最高温度T1 取值为14 ℃，T2 取值为5.5 ℃。箱梁高度为3.5 m，因此在0~3.1 m 高度范围内，温度保持0 ℃ ；3.1~3.4 m，温度由0℃增至5.5 ℃ ；3.4~3.5 m，温度由5.5 ℃增至14 ℃。根据“混凝土上部结构和带混凝土桥面板的钢结构的竖向日照反温差为正温差乘以-0.5”，考虑梯度降温。图2（b）为老规范，即85 规范中关于梯度温度的规定。

2·有限元模型建立
以５跨一联先简支后连续箱梁为对象，采用大型通用有限元软件Ansys，建立考虑施工阶段影响的空间实体有限元模型，分析研究梯度温度对大跨径宽幅预应力混凝土箱梁纵、横向受力性能的影响。为实现梯度温度的施加，且不受单元划分的限制，先建立温度场再形成应力场，即基于温度场形成的应力场，将梯度温度作用于模型。混凝土采用实体单元模拟，预应力筋采用杆单元模拟，预应力的实现选用独立建模耦合法。采用单元生死技术及大变形技术，模拟施工阶段。
3·计算结果与分析
3.1　箱梁挠度及纵向应力变化
图3 为成桥连续状态受梯度温度影响时箱梁挠度变化，箱梁边跨跨中挠度较次边跨、中跨跨中挠度大，受梯度温度影响也较为明显。考虑梯度升温后，边跨跨中最大挠度值由27 mm 增大至约30 mm，增加约11% ；考虑梯度降温后，挠度值减小至约26 mm，减小约3.7%。
边跨跨中截面中心线位置纵桥向应力在梯度温度作用下的变化见图4，约在截面高度3.3 m 以下，梯度升温时，压应力值减小；梯度降温时，压应力值增大。截面高度约3.3~3.5 m 范围内，梯度升温时，纵向压应力增大，截面顶缘压应力值由约5 MPa 增至约9.7 MPa ；梯度降温时，纵向压应力减小，截面顶缘压应力值由约5 MPa 减小至约2.5 MPa。

3.2　截面顶缘位移及横向应力变化
图5 为梯度升降温引起的连续箱梁边跨跨中断面顶缘竖向位移变化，截面中心线位置处桥面板顶缘竖向位移变化明显，挑臂端部位移变化较小。
不考虑梯度温度时，截面中心线位置处桥面板顶缘竖向位移约为27.3 mm，梯度升温后，位移增大至约29.5 mm，增加约8% ；梯度降温后，位移减小至约26.1 mm，减少约4.4%。梯度升温使桥面板中间位置有上移的趋势，横桥向变形趋于平缓，梯度降温趋势相反。
图6 为连续箱梁横向跨中底缘横桥向应力受梯度温度影响，考虑到为对称结构，纵桥向选取１/2长度进行分析。梯度升温作用下，压应力减小，在距边墩中心线30 m 位置处，应力由约-4.2 MPa 减小至约-1.9 MPa，在距边墩中心线约90 m 位置处，应力由约-4.8 MPa 减小至约-2.3 MPa，压应力减小幅度50% 以上。梯度降温作用下，压应力增大，距边墩中心线30 m 位置处，应力由约-4.2 MPa 增大至约-5.4 MPa，距边墩中心线90 m 位置处，应力由约-4.8 MPa 增大至约-6.0 MPa，压应力增加幅度25% 以上。
中腹板位置桥面板顶缘横桥向应力在梯度温度作用下变化见图7，梯度升温作用下，横桥向压应力增大，在距边墩中心线30 m 位置处，应力由约-3.6 MPa 增大至约-7.6 MPa，压应力增加幅度约110%。梯度降温作用下，横桥向压应力减小，在距边墩中心线30m 位置处，应力由约-3.6 MPa 减小至约-1.6 MPa，压应力减小幅度约55%。

梯度温度对边腹板位置桥面板顶缘横桥向应力影响见图8，梯度升温作用下，横向压应力增大，在距边墩中心线30 m 位置处，压应力由约-3.6 MPa增大至约-7.2 MPa， 应力增加幅度约100%。梯度降温作用下，横向压应力减小，在距边墩中心线30 m 位置处，压应力由约-3.6 MPa 减小至约-1.6 MPa，应力减小幅度约55%。
3.3　新老规范比较
在恒载及预应力共同作用下，即成桥状态，将不考虑梯度升温、按85 规范计入梯度升温、按新规范计入梯度升温3 种情况的连续箱梁边跨跨中截面中心线位置处纵桥向应力变化进行比较，结果见图9。在距截面底缘0~2.7 m 高度范围内，新老规范引起的截面应力的基本一致，在3.1~3.5 m 高度范围内，按老规范计算的应力增加幅度约0.6 MPa，按新规范计算的应力随着距梁底高度的增加，增加幅度逐渐增大，在桥面板顶缘，应力增加最多，约4.7 MPa。在2.7~3.1 m 范围内，新老规范引起的应力变化逐渐产生差异。分析表明，按新规范计算，梯度温度对截面应力变化影响较老规范大。

图10 为连续箱梁横桥向跨中底缘横向应力在梯度升温作用下，新老规范引起的应力变化比较，按老规范计算，横向压应力在略微增加的情况下基本不变；按新规范计算，横向压应力有较大程度减小，减小幅度约为55%。分析表明，按新规范计入梯度温度后截面应力的变化，较老规范大。
４·结语
（1）梯度温度对箱梁挠度有影响，对于5 跨一联连续箱梁，梯度升温时，边跨及中跨挠度值增大，次边跨挠度值减小，梯度降温时，趋势相反。
（2）跨中截面不考虑梯度温度时，由截面底缘至顶缘压应力逐渐减小，变化较为平缓；梯度升温后，截面顶缘压应力增大，截面较小压应力位置转移至桥面板下缘与腹板连接处；梯度降温后，截面顶缘压应力减小。
（3）梯度升温使桥面板横向中间位置有上移的趋势，横桥向变形趋于平缓，梯度降温趋势相反。横向跨中底缘横桥向应力在梯度升温作用下，压应力减小约50%，在梯度降温作用下，压应力增大约25%。中腹板位置桥面板顶缘横桥向应力在梯度升温作用下，压应力增大约110%，梯度降温作用下，压应力减小约55%。边腹板位置桥面板顶缘横桥向应力在梯度升温作用下，压应力增大约100%，在梯度降温作用下，压应力减小约55%。
（4）新老规范对梯度温度有不同的规定，通过纵、横向应力变化的比较，新规范下应力受梯度温度影响较大，也更符合实际状况。