混凝土箱形截面梁桥温度梯度分析
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摘要：《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）（以下简称JTG D60-2004）对《公路桥涵设计通用规范》（JTG 021-89）进行了修订，其中温度梯度的规定变化较大，JTG D60-2004中的温度梯度曲线是在美国AASHTO 规范的基础上加以适当修改而得（JTG D60-2004条文说明第4.3.10条）。AASHTO 规定，根据经验，开口截面和多室钢箱梁可不考虑温度梯度的作用。以下仅就混凝土箱形截面梁在AASHTO 的基础上就新规范的温度梯度加以分析。
关键词：JTG D60-2004 梯度温度 混凝土箱形截面梁
I 概述
JTG D60-2004中温度梯度变化曲线参照AASHTO 中2区的温度梯度基数变化而得，在AASHTO 中规定T1为沥青和桥面之间界面处的温差（AASHTO 第3.12.3条），JTG D60-2004中未作特别说明，故以下T1的位置以AASHTO 为准。
AASHTO 中把温度梯度效应分为内应力、轴向伸长和弯曲变形，各效应的计算公式为：轴向伸长：εu =α(T UG +T U ) 、弯曲变形：ϕ=a
I C ∫∫T G zd w d z 、内应力：
σE =E (αT G −αT UG −ϕz ) ，其中轴向伸长和弯曲变形需在超静定结构中才会产生内力，也有资料中把二者的作用产生的内力通称为温度梯度次内力。
在一般情况下混凝土箱梁的铺装包括混凝土层铺装及沥青层铺装两个部分。在常规的设计计算中，不考虑这两部分铺装在结构受力中的贡献，而仅考虑其重量。在前文中提到，T1为沥青底层界面的温差，即混凝土铺装顶层的温度，通常在设计中近似把T1设置在不考虑铺装的箱梁的顶缘上，或者通过混凝土铺装层对温度进行折减，前者会使箱梁顶缘的内应力偏大；后者会使结构的次内力偏小。差异在大跨径连续梁中尤为突出，以下以一大跨径连续梁为例来定量分析各计算模式之间计算结果的差异。
计算模型的总体布置见图1所示：
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图1 计算模型总体布置
该薄壁墩连续梁的跨径布置为78m+126m+78m＝282m ，主梁截面为单箱双室箱梁，中墩墩顶截面高6.6m ，中跨跨中及边墩墩顶截面高2.7m 。沥青铺装层厚10cm ，混凝土铺装层8cm 。温度梯度升温计算参数：T1=14度，T2=5.5度；温度梯度降温计算参数：T1=-7度，T2=-2.75度。
计算假定1：T1作用位置设置于不计铺装层的箱梁顶缘，并且不进行折减；计算假定2：T1作用位置设置于混凝土铺装层顶缘，但不计混凝土铺装层的作用即通过混凝土铺装层对温度进行折减；计算假定3：T1作用位置设置于混凝土铺装层顶缘，同时考虑混凝土铺装层的受力，混凝土铺装层的激活及受力设定于成桥前。计算程序采用TDV Technische Datenverarbeitung 进行计算，版本号为V9.23.05。
在该分析中，分别考虑温度梯度次内力、箱梁顶缘及混凝土铺装层顶缘内应力在三种计算假定中的差异。
II 温度梯度次内力
三种计算假定下正、负温差的温度梯度次内力（弯矩）见图2、3所示：
图2 正温差次内力分布
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图3 负温差次内力分布
图2、图3中显示计算假定一与计算假定三在正负温差作用下次内力分布曲线基本重合，计算假定二的次内力的值大致是前两者的50％～60％左右，即是否考虑混凝土铺装层的受力作用对次内力的结果影响基本可以忽略。
考虑混凝土铺装层与否对截面特性影响不大，考虑到轴向应变及弯曲应变的计算公式：εu =α(T UG +T U ) 、ϕ=a
I C ∫∫T G zd w d z 可以看出，假定1与假定3由于温度梯度引起的
应变应比较接近；同时假定2由于对温度进行认为的折减，应变及次内力相较于假定1与假定3为小。
III 内应力
三种计算假定下箱梁顶缘及混凝土铺装顶缘的内应力（混凝土铺装顶缘近对于计算假定
三）分布见图4～5所示：
图4 正温差箱梁顶缘内应力分布
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图5负温差箱梁顶缘内应力分布
图4、图5显示，在正负温差下，箱梁顶缘正应力满足以下关系式假定1>假定2
内应力的计算公式σE =E (αT G −αT UG −ϕz ) 中包括三个分项变量，T G 、T UG 、ϕ，对于T G ，有以下关系式：假定2＝假定3假定2>假定3，正负温差下箱梁顶缘正应力基本满足假定1≈假定3+αET ' （T ’为混凝土铺装层上下缘温差）。 IV 总结
理想状态下若箱梁顶缘与混凝土铺装层完全无粘结，则温度梯度下结构受力模式应与计算假定2相同，若两者粘结非常紧密，则结构受力模式与计算假定3相同。故温度梯度下，结构实际受力情况应介于两者之间。
以上的算例分析显示，在考虑温度梯度时：不考虑混凝土铺装层的受力，而仅考虑其重量时，箱梁的次内力与实际比较接近，但内应力偏大；通过混凝土铺装层对温度梯度进行折减，箱梁内应力与实际相差不大，但次内应力偏小。现今常用的结构杆系分析一般使用的是前者，使结构设计一般由顶缘的压应力控制（特别是大跨径连续梁），为了降低温度梯度带来的设计难度，常用的方法是增加沥青铺装层的厚度或者降低预应力结构的等级。
通过以上的分析，建议：1、在采用假定1分析温度梯度时，可以相应于混凝土铺装层的厚度对温度梯度的内应力进行相应的折减，建议可以考虑采用σ=E αT ' 进行近似折减；
2、在计算静定结构（如简支梁）时，可以考虑采用假定2。
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混凝土箱形截面梁桥温度梯度分析
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摘要：《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）（以下简称JTG D60-2004）对《公路桥涵设计通用规范》（JTG 021-89）进行了修订，其中温度梯度的规定变化较大，JTG D60-2004中的温度梯度曲线是在美国AASHTO 规范的基础上加以适当修改而得（JTG D60-2004条文说明第4.3.10条）。AASHTO 规定，根据经验，开口截面和多室钢箱梁可不考虑温度梯度的作用。以下仅就混凝土箱形截面梁在AASHTO 的基础上就新规范的温度梯度加以分析。
关键词：JTG D60-2004 梯度温度 混凝土箱形截面梁
I 概述
JTG D60-2004中温度梯度变化曲线参照AASHTO 中2区的温度梯度基数变化而得，在AASHTO 中规定T1为沥青和桥面之间界面处的温差（AASHTO 第3.12.3条），JTG D60-2004中未作特别说明，故以下T1的位置以AASHTO 为准。
AASHTO 中把温度梯度效应分为内应力、轴向伸长和弯曲变形，各效应的计算公式为：轴向伸长：εu =α(T UG +T U ) 、弯曲变形：ϕ=a
I C ∫∫T G zd w d z 、内应力：
σE =E (αT G −αT UG −ϕz ) ，其中轴向伸长和弯曲变形需在超静定结构中才会产生内力，也有资料中把二者的作用产生的内力通称为温度梯度次内力。
在一般情况下混凝土箱梁的铺装包括混凝土层铺装及沥青层铺装两个部分。在常规的设计计算中，不考虑这两部分铺装在结构受力中的贡献，而仅考虑其重量。在前文中提到，T1为沥青底层界面的温差，即混凝土铺装顶层的温度，通常在设计中近似把T1设置在不考虑铺装的箱梁的顶缘上，或者通过混凝土铺装层对温度进行折减，前者会使箱梁顶缘的内应力偏大；后者会使结构的次内力偏小。差异在大跨径连续梁中尤为突出，以下以一大跨径连续梁为例来定量分析各计算模式之间计算结果的差异。
计算模型的总体布置见图1所示：
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图1 计算模型总体布置
该薄壁墩连续梁的跨径布置为78m+126m+78m＝282m ，主梁截面为单箱双室箱梁，中墩墩顶截面高6.6m ，中跨跨中及边墩墩顶截面高2.7m 。沥青铺装层厚10cm ，混凝土铺装层8cm 。温度梯度升温计算参数：T1=14度，T2=5.5度；温度梯度降温计算参数：T1=-7度，T2=-2.75度。
计算假定1：T1作用位置设置于不计铺装层的箱梁顶缘，并且不进行折减；计算假定2：T1作用位置设置于混凝土铺装层顶缘，但不计混凝土铺装层的作用即通过混凝土铺装层对温度进行折减；计算假定3：T1作用位置设置于混凝土铺装层顶缘，同时考虑混凝土铺装层的受力，混凝土铺装层的激活及受力设定于成桥前。计算程序采用TDV Technische Datenverarbeitung 进行计算，版本号为V9.23.05。
在该分析中，分别考虑温度梯度次内力、箱梁顶缘及混凝土铺装层顶缘内应力在三种计算假定中的差异。
II 温度梯度次内力
三种计算假定下正、负温差的温度梯度次内力（弯矩）见图2、3所示：
图2 正温差次内力分布
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图3 负温差次内力分布
图2、图3中显示计算假定一与计算假定三在正负温差作用下次内力分布曲线基本重合，计算假定二的次内力的值大致是前两者的50％～60％左右，即是否考虑混凝土铺装层的受力作用对次内力的结果影响基本可以忽略。
考虑混凝土铺装层与否对截面特性影响不大，考虑到轴向应变及弯曲应变的计算公式：εu =α(T UG +T U ) 、ϕ=a
I C ∫∫T G zd w d z 可以看出，假定1与假定3由于温度梯度引起的
应变应比较接近；同时假定2由于对温度进行认为的折减，应变及次内力相较于假定1与假定3为小。
III 内应力
三种计算假定下箱梁顶缘及混凝土铺装顶缘的内应力（混凝土铺装顶缘近对于计算假定
三）分布见图4～5所示：
图4 正温差箱梁顶缘内应力分布
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图5负温差箱梁顶缘内应力分布
图4、图5显示，在正负温差下，箱梁顶缘正应力满足以下关系式假定1>假定2
内应力的计算公式σE =E (αT G −αT UG −ϕz ) 中包括三个分项变量，T G 、T UG 、ϕ，对于T G ，有以下关系式：假定2＝假定3假定2>假定3，正负温差下箱梁顶缘正应力基本满足假定1≈假定3+αET ' （T ’为混凝土铺装层上下缘温差）。 IV 总结
理想状态下若箱梁顶缘与混凝土铺装层完全无粘结，则温度梯度下结构受力模式应与计算假定2相同，若两者粘结非常紧密，则结构受力模式与计算假定3相同。故温度梯度下，结构实际受力情况应介于两者之间。
以上的算例分析显示，在考虑温度梯度时：不考虑混凝土铺装层的受力，而仅考虑其重量时，箱梁的次内力与实际比较接近，但内应力偏大；通过混凝土铺装层对温度梯度进行折减，箱梁内应力与实际相差不大，但次内应力偏小。现今常用的结构杆系分析一般使用的是前者，使结构设计一般由顶缘的压应力控制（特别是大跨径连续梁），为了降低温度梯度带来的设计难度，常用的方法是增加沥青铺装层的厚度或者降低预应力结构的等级。
通过以上的分析，建议：1、在采用假定1分析温度梯度时，可以相应于混凝土铺装层的厚度对温度梯度的内应力进行相应的折减，建议可以考虑采用σ=E αT ' 进行近似折减；
2、在计算静定结构（如简支梁）时，可以考虑采用假定2。
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