桥梁设计中考虑温度等可变作用下的效应组合
2021-06-04
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第22卷 第10期 V01.22 No.1O 重庆工学院学报(自然科学) Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science) 2008年10月 Oct.2008 桥梁设计中考虑温度等可变 作用下的效应组合 刘 寅 (同济大学土木工程学院,上海200092) On Combination for Action Effects Considering Temperature Action and other Alterable Actions in Bridge Designing UU Yin (School of Civil Engineering,Tong ̄i University,Sha,chai 200092,China) Abstract:Diferent from the COIIfnon combinati0n mode which calculates the temperature stress alone first and combines the stress witll other stresses to be checked thereafter in bridge designing calculating the tem— perature stress and other alterable actions(or loads)under serviceability limit states,the author proposes hatt the calculating process may proceed wiht actions(or loads)--the fundamentality hatt causes structural reaction.It combines the actions(or loads)of the sterss of temperature directly’vith other stresses to be checked and calculating the latter immediately,which is more acceptable in conception and lnore distinct in consecution. Key words:combination for action effect;permanent situation;temperature stress 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 计的过程中,设计人员也发现了一些具有普遍性 的问题.本研究尝试对其中的某些问题进行分析, 阐述笔者自己的理解和看法. 规范》( D62--2004)[ (以下简称《公预规》(JTG I ̄2--2004))从2004年6月发布以来,已历经4 年.在使用《公预规》(JTG D62--2004)进行桥涵设 收稿日期:2008—08~10 *作者简介:刘寅(1986一),男,重庆人,主要从事桥梁结构设计研究 刘 寅:桥梁设计中考虑温度等可变作用下的效应组合 29 预应力钢筋的最大拉应力 1提出问题 在对《公预规》(JTG 062-2004)”持久状况和 短暂状况构件的应力计算”一章的应用中,有关专 家曾经指出,按照规范,若加上温度应力或其他可 变作用效应组合,设计人员往往会发现得出的应 荷载组合工:对钢绞线、钢丝, ≤0.65R};对 冷拉粗钢筋: ≤0.8R . 荷载组合Ⅱ和Ⅲ:对钢绞线、钢丝, ≤ 0.7 :;对冷拉粗钢筋O'y≤o.85R},式中R 相当于 . 力状态会超过规定的应力限值.而按照《公路钢筋 混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(J I1G()23— 85)【 J(以下简称《公预规》(JTG 023—85),在满足 承载力条件下很少出现超过规定应力限值的情 况.的确,在《公预规》( 1362--2004)“持久状况 正常使用极限状态计算”和“持久状况和短暂状况 构件的应力计算”2章中所提出的混凝土法向应 力、预应力钢筋应力及混凝土主压、主拉应力等的 计算公式,都是针对预应力钢筋混凝土简支梁到 得出的,其计算只考虑了构件自重、恒重、车辆荷 载和人群荷载作用的最基本组合,如按作用(荷 载)短期效应组合计算的弯矩值、按荷载长期效应 组合计算的弯矩值等都是由这几种荷载计算所 得.实际上在设计工作当中,亦应考虑结构上可能 同时出现的作用或荷载,取对其最不利的效应组 合进行计算,并应考虑多种可变作用或荷载效应 组合的影响,即通常还要考虑温度作用、支座不均 匀沉降等多种可变作用效应组合.在大跨径预应 力混凝土箱形梁桥中,特别是超静定结构体系(例 如连续梁中),温度应力可以达到甚至超出恒、活 载应力,是预应力混凝土桥梁产生裂缝的主要原 因 l3 .当然,对于各项应力的计算,如温度应力、 风荷载应力等的计算是经过专家参考国内外相关 规范,反复研究、设计、修改而得出的,不会出现致 命的错误,因此,应多从其他方面探求原因. 2新旧规范的一致性 《公预规》(J1IG 023—85)规定的阶段应力限值 是按不同荷载分布情况分别列出的. 受压区混凝土最大压应力 荷载组合工: 。≤0.5尺 ; 荷载组合Ⅱ和11I: ≤0.6R ,式中尺 相当 于 . 可见,对于不同荷载组合,其限值有不同程度 增加. 在《公预规》(JTG D62-2004)中,并没有采用 《公预规》(JTG 023—85)中荷载I、荷载Ⅱ和荷载 Ⅲ这3类组合,但是却对不同组合的限值采用了 相同的数值.在进行预应力混凝土使用阶段应力 验算时,如何考虑多种可变作用(或荷载)效应组 合的影响,在《公预规》(JTG D62--2004)中没有明 确说明.因此,在《公预规》(邢D62--2004)刚开始 使用时,一些设计人员往往直接将温度应力加在 混凝土法向应力、预应力钢筋应力及混凝土主压、 主拉应力等需验算的应力上面,造成其验算值大 于规定限值. 事实上,在《公预规》(JTG D62--20(O)6.1.1 节中明确提到:“温度作用等其他可变作用引起的 效应,应作为作用(或荷载)短期效应组合或长期 效应组合的一部分,按《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60)的规定,取其频遇值系数或准永久值系 数.”而笔者在查阅了一些资料后发现,部分关于 规范学习的书籍提出如下建议l4]336:在使用阶段 应力验算中,引入效应组合系数 ,考虑多种可 变作用(或荷载)效应组合的影响.作用(或荷载) 效应组合系数 ,可参照《公路桥涵设计通用规 范》( I)60)给出的承载能力极限状态计算的基 本组合中的规定取值.这样,用于使用阶段应力验 算时,作用(或荷载)效应组合标准值可表达为下 列形式: = SGiK+SoIK+ SqjK 式中:SK为使用阶段作用基本组合的效应组合标 准值;.sG 为第i个永久作用效应标准值;SQ1K为汽 车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)的标准值; SQjK为在作用效应组合中,除汽车荷载效应(含汽 车冲击力、离心力)外的其他第 个可变作用效应 30 重庆工学院学报 的标准值. 为在作用效应组合中,除汽车荷载 效应(含汽车冲击力、离心力)外的其他可变作用 效应的组合系数.当永久作用与汽车荷载和人群 荷载(或其他一种可变作用)组合时,人群荷载(或 其他一种可变作用)的组合系数取 =0.8;当除 汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)外尚有2 种其他可变作用参与组合时,其组合系数取 = 0.7;尚有3种其他可变作用参与组合时,其组合 系数取 =0.6;尚有4种及多于4种的可变作用 参与组合时,取 =0.5. 这样一来,就同《公预规》(JTG o23~85)中验 算各种组合应力的处理方法近似了. 如今在实际设计中,也的确是采用的上述提 出的引入效应组合系数的方法进行计算,而且也 取得了令人满意的结果. 3作用(或荷载)组合方式 但是,应力验算值超标仅仅是因为没有考虑 组合系数的原因吗?抱着这个想法,笔者尝试运 用以下方法重新定义正常使用状态下各应力值的 计算方法. 现在的桥梁设计中,使用阶段应力验算若考 虑温度应力等多种可变作用时,往往是在预应力 混凝土某项需验算应力值算出来以后,将温度应 力乘以组合系数 再加到该应力值上,最后与规 范要求的应力限值进行比较,也即应力相加.比 如,按《公预规》(JTG I362—2004)6.3.1节,全预应 力混凝土构件在作用(或荷载)短期效应组合下, 预制构件要满足 一0.85% ≤0,其中的口 实际 上不仅仅是按照《公预规》(JTG D62--2004)6.3.2 —1节所计算出来在作用(或荷载)短期效应组合 下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力,而且 是与温度应力 的组合 +0.8a .事实上,按照 《公预规》(J rG 1)62--2004)中提供的公式,作用(或 荷载)短期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土 法向拉应力 、荷载长期效应组合下构件抗裂验 算边缘混凝土法向拉应力 等等,都是由弯矩值 计算出来的.那么为什么不能将由温度等可变 作用产生的效应(如弯矩、轴力等)一并计入产生 , n等应力的弯矩(或其他效应)里,然后一步到 位计算出 lfit等各应力值呢? 先来看看规范是怎么计算温度应力的.由《公 预规》(JTG D62--2004)附录B,简支梁正温度应力 计算公式为 0"t: + +__“ cY 也c ㈩ … 其中Ⅳf和 分别为梁式桥因为桥面和腹板的温 差而产生的轴向力和弯矩.由式(1)可以看出,温 差不仅使梁内产生弯矩 ,同时还产生轴力 , 因此 由温差产生的轴力和弯矩两部分作用共同 组成.而正如前面所述, 等各项混凝土应力 验算值均只是由弯矩 控制产生,因此无法将由 弯矩和轴力共同控制的温度应力,与只由弯矩控 制的各正常使用极限状态下的混凝土应力限值从 产生他们的作用(或荷载)上进行简单的线性计 算.也就是说, 可以理所当然地组合并入M,那 么Ⅳ,应该怎么办呢?于是,通常所采用的各应力 相加的方法也是完全可以理解的. 但是这样分别相加的方法是不是足够准确 呢?毕竟,能够不先计算出应力再相加,而是通过 对产生应力的作用(或荷载),也就是对弯矩进行 直接的加减是更能令技术人员理解和接受的. 这里笔者假设温度应力完全是由弯矩 产 生,通过式(1)反向计算出产生温度应力的弯矩 = ,并乘以分项系数 后与由恒载及活 Y 载求出的各状态下的弯矩进行组合,然后直接计 算出所需验算的应力值. 4计算示例 一预应力钢筋混凝土简直梁桥的计算数据如 下:计算跨径24.00 m,主梁间距2.1 m,8片主梁、横 梁间距6 m,4车道,桥宽16.8 m,公路为一级荷载, 栏杆集度7.5 kN/m,混凝土采用C50级,预应力钢 筋采用ASTM270级 l5.24低松弛钢绞线,每股6 束.该桥梁为全预应力构件,单片主梁横截面截面 尺寸见图1.若无特殊说明,本研究中长度单位均为 mlTl,应力单位均为MPa,弯矩单位均为N・III1TI. 刘 寅:桥梁设计中考虑温度等可变作用下的效应组合 3l (或荷载)标准组合.按照前面笔者的观点,应该与 随 l InI 组合成为新的 k.和 ,然后计算得出 和 均为线性,故其计算 但由于在公式中 和 I I 结果与Gs +0.8 或 k+0.8ap。没有任何区别. 事实上对线弹性结构,理论上采用“作用(荷 载)叠加”、“内力叠加”和“应力叠加”对同一结构 所得结果应该是一致的.但是,仅从某些公式上来 跨中断面 1 600 随 0 0 量l I 0 } 鱼QQ I 端点断面 图1单片主梁横截面尺寸 各截面构件自重、恒重、车辆荷载和人群荷载 作用产生的弯矩值如表l(其计算过程本文中不作 阐述). 表1各截面构件自重、恒重、车辆荷载 和人群荷载作用产生的弯矩值 由《公预规》(J rG I)62--2004)[116.3.1和7.1.5 节可知,对于短期效应组合下构件抗裂验算边缘 混凝土法向拉应力 和混凝土法向拉应力 幻,其 计算公式分别为 + + 其中: 为作用(或荷载)短期效应组合; 为作用 看,情况或许就不太一样了.比如《公预规》(JTG D62--2004)7.1.6节规定,混凝土主拉应力 计 算公式为 r■———————— 。 ——一 印=半+√( )‘+rz (2) 在没有竖向预应力钢筋的情况下,其 2 + (3) 显然,这里的帆河 在 。的计算公式中并不呈 线性,故令M :Mk+0.8M 代入式(3)和式(2), 所得到的结果与 = 印+0.8a 得到的结果显 然是不可能相等的.同时由于决定 的因素中随 计算截面而变化的量较多,如 和 ,因此从纯 公式上较难推导出两者的关系.笔者这里用实际 数据进行计算并比较.主拉应力计算各纤维位置 如图2所示. 跨中断面 l I 端点断面 图2主拉应力计算各纤维位置 32 重庆工学院学报 计算结果见表2. 表2主拉应力计算各纤维 计算温度应力,其中混凝土线膨胀系数a 按 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60)[51 取 0.000 01. 跨中a—a截面正温度应力为 一N + y+ = 一825 246.9 —417 738 351 一 一一 ■+ 而丽×365+ 5 X 0.000 01 X 3.45×lO4=一0.41 MPa 其他截面正温度应力计算同上,负温度应力 乘以一0.5.结果见表3. 表3其他截面负温度应力计算结果 故由表2、表3可得主拉应力O'cp与温度应力 组合,结果见表4. 表4‰与q组合计算结果 以上,就是按现在普遍采用的考虑温度应力 时的计算方法得出的混凝土验算应力. 按照笔者提出的方法,接下来应由表3的结 ,一 果按公式 = 计算其对应的弯矩值.结果见 表5. 表5按公式 = 鱼的计算结果 Y当然,从表5可以看出,由温度应力逆向计算 出的弯矩值在n—n处显然是不合理的,其绝对值 均在10 000 kN・m左右,远远大于由构件自重、恒 重、车辆荷载和人群荷载作用产生的弯矩值(参见 表1,跨中截面的弯矩标准组合值才4 000 kN・m出 刘 寅:桥梁设计中考虑温度等可变作用下的效应组合 33 头).造成这种状况的原因首先是温度应力本身就 较大,和 相当;另一方面由于n一凡纤维距离换 , 限状态短期效应组合公式,结合表1和表5可得表 6.将 、 代入式(3),可得表7.再由公式(2) 算截面型心距离Y0小,因此运用式 = 来的 也必然很大. 算出 可得到由笔者建议的方法计算出的考虑温度作用 下的持久状况下混凝土主拉应力 ,见表8. 比较表4和表8,不难看出,由2种方法计算 出来的考虑温度应力影响的主拉应力 。 在数值 上相差很小.特别是在主拉应力最大的a—a截面 也就是说,这种直接将轴力、弯矩计算出来的 温度应力逆向返回为单纯的弯矩,从实际上来说 是不能成立的.但这里,为了探讨这种方法的可行 上,几乎是一模一样,与按照常规方法计算的结果 性,笔者认为这种弯矩在计算中是存在的. 能够很好吻合. 按照《公路桥涵设计规范》4.1.7节正常使用极 表6按《公路桥涵设计规范》4.1.7节的计算结果 出了与通常计算方法(即应力组合)不同的组合方 5结束语 式,将引起温度应力的作用(或荷载)直接与引起 需验算应力的作用(或荷载)进行组合(即作用组 本研究就桥梁设计中正常使用状态下考虑温 合)后,直接计算出需验算应力. 度应力与其他可变作用(或荷载)的情况下,应怎 1)桥梁设计中温度效应及组合计算仍是值得 样进行作用(或荷载)的组合进行了探讨.笔者提 探讨的问题. 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