三塔斜拉-自錨式懸索協(xié)作體系模型橋溫度效應(yīng)分析

蔡軍哲，司 龍

(1.西安公路研究院，陜西 西安 710065；2.陜西省長安區(qū)農(nóng)村公路管理站，陜西 西安 710100)

三塔斜拉-自錨式懸索協(xié)作體系模型橋溫度效應(yīng)分析

蔡軍哲1，司 龍2

(1.西安公路研究院，陜西 西安 710065；2.陜西省長安區(qū)農(nóng)村公路管理站，陜西 西安 710100)

為研究三塔斜拉-自錨式懸索協(xié)作體系橋溫度效應(yīng)下的受力機(jī)理和工作性能，以某在建橋梁為依托工程，制作了1∶20縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了橋梁整體溫差、索梁溫差、橋塔日照和橋面日照等4種工況下橋梁結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)及索力變化規(guī)律。結(jié)果表明：在這4種工況下，相鄰吊索索力變化呈現(xiàn)正負(fù)跳躍的特點(diǎn)，影響索力的均勻性；索梁溫差對(duì)主梁位移影響最大，對(duì)短索索力影響也較大；分纜索力變化值均較小。

橋梁工程；斜拉-自錨式懸索協(xié)作體系橋；模型試驗(yàn)；溫度效應(yīng)

0 引 言

橋梁結(jié)構(gòu)處于一定自然環(huán)境中，不可避免地受到自然環(huán)境因素的影響。橋梁所處的地理位置、結(jié)構(gòu)方位、幾何材料特性、環(huán)境溫度變化、陽光輻射等都使得結(jié)構(gòu)內(nèi)各部分的溫度發(fā)生變化。由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較小，在表面溫度急變的情況下，內(nèi)部溫度變化存在明顯的滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生非線性溫度梯度效應(yīng)。

溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度隨結(jié)構(gòu)體系不同而不同，雖然可以采用數(shù)值分析方法進(jìn)行精確地理論分析，但尚需與結(jié)構(gòu)實(shí)際效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比和分析。因此，實(shí)橋或模型橋的溫度效應(yīng)測(cè)試就顯得尤為重要。

筆者依托的工程為一座三塔斜拉-自錨式懸索協(xié)作體系橋。該橋型能夠充分發(fā)揮斜拉橋和自錨式懸索橋各自的優(yōu)點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)新穎、受力合理、景觀效果突出等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用于軟土地基、城市橋梁時(shí)尤能彰顯其特點(diǎn)[1-2]。

為校核依托工程橋梁設(shè)計(jì)及計(jì)算理論的準(zhǔn)確性、合理性，探索結(jié)構(gòu)在溫度作用下變形響應(yīng)及內(nèi)力變化規(guī)律，筆者以1∶20縮尺模型橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在整體溫差試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，研究了模型橋在整體溫差、索梁溫差、橋塔日照和橋面日照這4種工況下結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)及內(nèi)力變化規(guī)律。

1 溫度荷載基本理論

1.1 橋梁構(gòu)件溫度分布特點(diǎn)

橋梁構(gòu)件的構(gòu)造特征對(duì)溫度分布有明顯影響。在混凝土箱形截面梁中，沿箱梁頂板表面溫度分布比較均勻，但沿腹板表面的溫度分布則隨時(shí)間變化而較為復(fù)雜[3-9]。混凝土塔柱、墩柱結(jié)構(gòu)的垂直表面的溫度分布隨其朝向、太陽方位角的變化而變化。

1.2 溫度作用

混凝土橋梁構(gòu)件表面及內(nèi)部各點(diǎn)溫度隨時(shí)都在發(fā)生變化，但就自然環(huán)境條件變化所產(chǎn)生的溫度作用，一般可分為整體溫差作用和日照引起的梯度溫度作用。

TB 10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG D 60—2004《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》表明：在日照引起的升溫、降溫等因素作用下，箱梁沿橋長方向的溫度分布是基本一致的，而沿梁高方向和梁寬方向的溫差分布可簡(jiǎn)化為

T(y)=T0ye-cyy

(1)

T(x)=T0xe-cxx

(2)

式中：T0y為箱梁頂、底的溫差(一般取值約15 ℃)；T0x為箱梁兩外側(cè)腹板的溫差(一般取值約15 ℃);cy,cx分別為指數(shù)系數(shù)，一般取5；x，y分別為計(jì)算點(diǎn)離梁側(cè)、梁頂?shù)木嚯x。

溫差作用效應(yīng)分析與結(jié)構(gòu)體系特性關(guān)系密切。傳統(tǒng)拱式橋梁中以年溫差作用效應(yīng)為主，梁拱組合體系橋則主要考慮各構(gòu)件之間溫差效應(yīng)，斜拉橋則需考慮塔、梁和索各自的溫差效應(yīng)，索塔與梁的溫差效應(yīng)，塔柱兩側(cè)溫差效應(yīng)以及與主梁截面形式及組成材料相關(guān)的梯度溫差效應(yīng)。

2 工程背景

依托工程為三塔斜拉-自錨式懸索連續(xù)協(xié)作體系橋，跨徑組合為：25 m+90 m+162.5 m+162.5 m+90 m+25 m=555 m，橋梁全寬40 m，其中機(jī)動(dòng)車道寬23.5 m，雙向六車道。橋面縱橋向設(shè)置雙向1.5%縱坡，橫向設(shè)置雙向2%橫坡。

由于該橋施工過程結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高度非線性效應(yīng)，且存在不同體系的組合受力和剛度匹配問題，受力極為復(fù)雜，國內(nèi)外可借鑒的研究成果較少。因此，有必要對(duì)該橋進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)。在綜合考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)、模型材料、制作工藝以及實(shí)驗(yàn)室條件等因素的前提下，全橋模型試驗(yàn)的幾何縮尺比確定為1∶20。主梁材料為鋁合金，主塔為C50混凝土，副塔為鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，斜拉索和背索為8 mm的65錳鋼，主纜和分纜為3 mm平行鋼絲，吊索為6 mm的65錳鋼。

筆者以模型橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在體系溫差測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，開展不同溫度工況下模型橋的變形響應(yīng)和內(nèi)力變化分析。

3 計(jì)算模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算及兼顧動(dòng)力分析需要，模型橋離散為由空間梁?jiǎn)卧?、索單元組成的“魚骨”式有限元模型。主要材料參數(shù)如表1，模型橋與實(shí)橋相似關(guān)系如表2。

表1 主要材料參數(shù)

注：取值綜合考慮模型橋材料、所處位置、季節(jié)等因素。

表2 幾何及力學(xué)相似關(guān)系

計(jì)算模型如圖1，斜拉索、背索、吊索及懸索分纜索編號(hào)如圖2。

圖1 全橋計(jì)算模型Fig.1 Full bridge calculation model

4 溫度效應(yīng)分析

4.1 溫度工況

工況1：整體溫差效應(yīng)。分別取整體升溫5，10，15 ℃，降溫10，15 ℃進(jìn)行計(jì)算及對(duì)比分析。

工況2：索梁溫差效應(yīng)。索梁溫差分別取3，5，7，9，11 ℃。

工況3：橋塔日照效應(yīng)。采用線性溫度梯度模式，塔身左右側(cè)溫差分別取2，3，4，5，6 ℃，溫度梯度分布如圖3(a)。

工況4：橋面日照效應(yīng)。采用橋面板升降溫模式，主梁頂板與腹板、底板溫差取1，2，3，4，5 ℃，溫度梯度分布如圖3(b)。

圖2 計(jì)算索力編號(hào)示意Fig.2 Calculation cable force numbering schematic

圖3 橋塔及主梁溫度梯度示意Fig.3 Bridge tower and beam temperature gradient schematics

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4為試驗(yàn)測(cè)試過程主梁位移增量、斜拉索索力增量、吊索索力增量的變化特征及規(guī)律。

圖4 實(shí)測(cè)的主梁位移、斜拉索索力、吊索索力增量Fig.4 Measured displacement increment of beam, tension force increment of stay-cables and sling

4.3 理論計(jì)算結(jié)果

由于實(shí)際橋梁測(cè)試中無法準(zhǔn)確模擬多種溫度工況，以下給出4種溫度工況下的理論計(jì)算結(jié)果。

4.3.1 工況1

整體溫差作用下主梁位移增量、斜拉索索力增量、吊索索力增量、背索索力增量、懸索分纜索力增量的變化規(guī)律如圖5。

在整體溫差工況下，從模型橋?qū)崪y(cè)和計(jì)算結(jié)果(圖5)，可以得到如下結(jié)論：

1)實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果規(guī)律性一致。實(shí)測(cè)撓度較計(jì)算值略大，索力較計(jì)算值略小，這與模型橋各部件間的連接關(guān)系、邊界條件差異、配重系統(tǒng)等有一定關(guān)系。

2)主塔兩側(cè)的變形量呈對(duì)稱關(guān)系。橋墩及橋塔的變形很小，升降溫分別使纜索伸長與縮短，跨中主梁發(fā)生下?lián)虾蜕蠐?。溫差越大，主梁整體豎向位移變化量越大。

3)隨著溫度變化，斜拉索索力發(fā)生變化，溫度升高，索力增大，溫度降低，索力減?。粶夭钤酱?，索力變化量越大；塔根部短索索力變化速度明顯快于跨中附近長索。

4)隨著溫度的變化，左右吊索索力增量呈相反變化趨勢(shì)，即相交于同一主纜結(jié)點(diǎn)的一對(duì)吊索，左側(cè)吊索索力增大，右側(cè)吊索索力減小。因此，同一溫度工況下自第1根吊索(4號(hào)索)開始，索力變化則呈現(xiàn)正負(fù)跳躍的特點(diǎn)。從懸索跨吊索索力變化規(guī)律的整體分布特點(diǎn)來看，溫度變化對(duì)短吊索影響要大于長吊索，對(duì)剛性直吊索影響較小。

5)背索索力也發(fā)生相應(yīng)變化，溫度升高，索力增大，溫度降低，索力減??；各根背索索力變化快慢不同，靠近跨中第1根長背索索力變化明顯大于其他4根背索。

6)懸索分纜索力變化規(guī)律基本一致，溫度升高，索力增大，溫度降低，索力減小。

4.3.2 工況2

索梁溫差作用下的主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、懸索分纜索力增量的變化規(guī)律如圖6。

圖6 工況2下：主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、懸索分纜索力增量Fig.6 Displacement increment of beam, tension force increment of sling, stay-cables,backstay cable, and cable strand under loading case 2

從索梁溫差工況計(jì)算結(jié)果(圖6)可以得到如下結(jié)論：

1)主纜由于升溫而伸長，使得主纜的垂度增加，增大了中跨主梁下?lián)希|索升溫越大，中跨主梁下?lián)弦簿驮酱蟆?/p>

2)由于斜拉索升溫發(fā)生的伸長量抵消了主梁下降的影響量，使得懸臂端部斜拉索索力減小，塔區(qū)短索索力減小速度較快。但是，由主塔向跨中索力并非始終遞減，而是5號(hào)拉索附近索力變化最小。

3)與整體溫差工況類似，吊索的變化也呈現(xiàn)左右正負(fù)跳躍的特點(diǎn)，從懸索跨吊索索力變化規(guī)律的整體分布特點(diǎn)來看，溫度變化對(duì)短吊索影響要大于長吊索，對(duì)剛性直吊索影響較小。

4)背索和分纜纜力變化規(guī)律基本一致。隨著纜索系統(tǒng)的溫度升高，背索和分纜力均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。短背索索力變化大于長背索，懸索分纜索力變化基本一致。

4.3.3 工況3

橋塔日照工況下主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、懸索分纜索力增量的變化規(guī)律如圖7。

圖7 工況3下：主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、懸索分纜索力增量規(guī)律Fig.7 Displacement increment of beam, tension force increment of sling, stay-cables ,backstay cable, and cable strand under loading case 3

從橋面日照工況計(jì)算結(jié)果(圖7)可以得到如下結(jié)論：

1)索塔兩側(cè)混凝土纖維伸長量不一致使索塔向一側(cè)發(fā)生偏位，主梁也隨之向一側(cè)移動(dòng)，同時(shí)主梁亦隨著索塔的偏位而發(fā)生一個(gè)類似扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2)索塔左右溫差對(duì)斜拉索索力有一定影響，近主塔處短索索力增量較大，遠(yuǎn)主塔處長索索力影響逐漸減小。

3)吊索的變化依然呈現(xiàn)相鄰吊索索力變化正負(fù)跳躍的特點(diǎn)，從懸索跨吊索索力變化規(guī)律的整體分布特點(diǎn)來看，溫度變化對(duì)不同吊索影響程度基本相同；對(duì)剛性直吊索影響較小。

4)對(duì)長背索影響明顯大于短背索，這與同樣主跨內(nèi)的斜拉索變化規(guī)律正好相反。

5)懸索分纜索力變化規(guī)律不同，3號(hào)分纜索力變化最小，兩側(cè)分纜索力增量變化逐漸增大。

4.3.4 工況4

橋面日照工況下主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、懸索分纜索力增量的變化規(guī)律如圖8。

圖8 工況4下：主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、懸索分纜索力增量規(guī)律Fig.8 Displacement increment of beam, tension force increment of sling, stay-cables,backstay cable, and cable strand under loading case 4

從橋面日照工況計(jì)算結(jié)果(圖8)可以得到如下結(jié)論：

1)主梁梁頂纖維伸長量大于梁底伸長量而發(fā)生屈曲位移，增加了邊跨跨中的下?lián)现?。溫差越大，邊跨跨中的下?lián)现稻驮酱蟆?/p>

2)隨著橋面板升溫，X8-A號(hào)斜拉索索力增幅最大，向兩側(cè)索力影響逐漸減小。背索索力變化也有相似的特征，即靠近副塔處索力增加，靠近跨中處索力減小。說明主跨背索與斜拉索對(duì)主梁提供的豎向剛度不同，導(dǎo)致索力變化不勻。

3)吊索的變化依然呈現(xiàn)相鄰吊索索力變化正負(fù)跳躍的特點(diǎn)，由錨跨到副塔側(cè)吊索索力變化呈逐漸增大趨勢(shì)；溫度變化對(duì)剛性直吊索影響較小。

4)懸索分纜索力變化基本一致。

5 結(jié) 論

以三塔斜拉-自錨式懸索協(xié)作體系模型橋?yàn)檠芯繉?duì)象，研究了模型橋在整體溫差、索梁溫差、橋塔日照和橋面日照這4種工況下結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)及內(nèi)力變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1)索梁溫差工況對(duì)主梁下?lián)嫌绊懽畲?，按?∶20相似關(guān)系，每1 ℃溫差約造成實(shí)橋橋面2 mm的最大豎向變形。依次是橋面日照、整體溫差和橋塔日照。

2)各溫度工況下，相鄰吊索索力變化呈現(xiàn)正負(fù)跳躍的特點(diǎn)，這是該橋采用吊索后受力的重要特點(diǎn)。由體系升降引起的吊索索力變化絕對(duì)值并考慮1∶197的吊索力相似關(guān)系，則索力變化可達(dá)14 kN/℃，因此，必須重視成橋階段吊索索力的均勻性，這是保證吊索及索梁錨固區(qū)安全的重要前提。

3)從各工況下背索與斜拉橋索力分布來看，索力變化規(guī)律性較強(qiáng)，與一般斜拉橋索力分布特點(diǎn)類似。在索梁溫差作用下，短索索力變化較大，依據(jù)相似關(guān)系換算到實(shí)橋索力，其影響值可達(dá)到20 kN/℃。

4)不同溫度工況下懸索分纜索力變化基本一致，表明溫度變化對(duì)該橋主纜的構(gòu)造型式影響很小。只要保證成橋階段懸索分纜索力的均勻性，即可保證纜索體系的安全運(yùn)營。

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(責(zé)任編輯 田文玉)

Analysis of Temperature Effect on Cable-Stayed Self-Anchored Suspension Composed Model Bridge with Three Towers

CAI Junzhe1，SI Long2

(1. Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, P.R.China；2.Chang’an Erea County Road Management Station, Xi’an 710100, Shaanxi, P.R.China)

In order to study the mechanical performance of the cable-stayed self-anchored suspension composed bridge with three towers under temperature effect, a model bridge with 1∶20 reduced scale was made, and it’s deformation performances were studied under four conditions, which were uniform temperature change, temperature difference between cables and girder, sunshine temperature difference on tower and sunshine temperature difference on girder. The results show that there are the same change trends of adjacent hanger tension in suspension section, one hanger tension increase and another descend, which has greatly influenced the uniform distribution of hanger tension. Under the condition of temperature difference between stayed cables and girder, the degree of the girder deformation changes and of the tensions changes of short stayed cable are probably significant.Key words: bridge engineering; cable-stayed self-anchored suspension composed bridge; model test; temperature effect

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.01.01

2015-12-28；

2016-04-27

蔡軍哲(1982—)，男，陜西寶雞人，工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)理論分析方面的研究。E-mail：153068642@qq.com。

U441+.5

A

1674-0696(2017)01-001-08