沥青摊铺对正交异性钢桥面箱梁的温度效应及对结构的影响分析

摘要

城市中小跨径钢桥普遍采用沥青混凝土铺装，沥青高温摊铺所产生的温度效应将使钢箱梁桥产生位移与变形，在位移受约束时会产生相应的次内力，这种温度效应对大跨度桥梁的影响有限，但对于约束相对较强且刚度相对较大的中小跨度的桥梁来说不可忽视。为全面分析不同类型桥梁结构在沥青混凝土摊铺时的结构响应，本文采用有限元仿真技术对沥青混凝土高温摊铺时的温度效应进行分析，并对不同结构类型桥梁在沥青高温摊铺时的力学响应进行了分析。 论文从传热有限元基本理论入手，确定了温度场定解条件所需的几何条件、物理条件、初始条件及边界条件。采用ANSYS建立了双箱单室钢箱梁及扁平钢箱梁节段瞬态传热模型，采用生死单元技术模拟沥青摊铺过程，对浇筑式沥青混凝土摊铺过程中钢箱梁温度场的时空分布特征进行分析。研究结果表明：沥青摊铺侧对非摊铺侧温度影响较小，顶板温度分布特征主要与沥青混凝土摊铺先后顺序、顶板和空气的接触状态有关，同时也受到与顶板直接焊接的加劲板影响，对于各加劲板件，箱内顶板U肋温度下降速率最慢，且箱内顶板U肋达到的温度峰值最大。 为更加方便对不同类型桥梁结构的响应进行分析，根据钢箱梁温度场的时空分布规律，以顶板及顶板U肋腹板温度对钢箱梁的温度场进行数学描述，进而建立了两类钢箱梁在沥青混凝土摊铺过程中的温度梯度计算模式。利用热-结构耦合模型对温度梯度计算模式在梁单元模型中的适用性进行讨论。结果表明：梁单元模型对双箱单室钢箱梁支座纵向位移、竖向反力及梁体竖向位移的计算误差在 10%以内，对支座竖弯转角的计算误差较大；梁单元模型可较准确反映扁平钢箱梁桥摊铺侧支座的结构响应的变化趋势，对支座位移及力学响应的计算误差大于10%。热-结构耦合模型可用于分析不同截面形式的桥梁，在各类环境下，采用不同施工方法进行沥青混凝土摊铺时的温度场及温度效应；文中所提出的双箱单室钢箱梁温度梯度计算模式可用于分析类似截面形式的钢箱梁桥在沥青摊铺时桥梁结构的响应，扁平钢箱梁温度梯度计算模式可用于粗略分析沥青摊铺时桥梁结构响应。 为对不同结构类型桥梁在沥青摊铺时所产生的力学响应进行分析，分别建立简支、连续梁桥及自锚式悬索桥空间杆系模型，利用温度梯度计算模式分析沥青混凝土摊铺对桥梁结构的影响。结果表明：简支梁桥的支座纵向位移及竖弯转角与跨度成正比，且各响应峰值出现在沥青摊铺完成之前，其中支座竖弯转角为控制因素；连续梁桥在同跨数情况下，支座纵向位移及竖弯转角与跨径成正比，竖向支反力增量与跨径成反比，3跨连续梁桥的支座最大纵向位移为2跨连续梁桥支座最大纵向位移的2.2倍以上，且发生于梁端支座，其中支座纵向位移及支座反力为控制因素；自锚式悬索桥桥塔处的摊铺侧支座在沥青混凝土摊铺过程中会产生较大拉力，支座拉力为控制因素。不同类型桥梁在沥青混凝土摊铺时产生的力学响应不同，控制因素不同；沥青混凝土摊铺会对桥梁结构产生不利影响，在施工时应给予重视。

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