疊合梁斜拉橋施工階段溫度效應影響研究

王 祥

（四川公路橋梁建設集團有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

南溪長江公路大橋為斜拉橋為主跨是572m的半漂浮體系疊合混合斜拉橋，其跨徑分布為：280+572+(72.5+63+53.5)m，主橋為雙塔、密索、雙索面體系，橋塔采用花瓶形塔，普通鋼材均采用Q370qD。橋面板與混凝土主梁均采用C60高強混凝土。鋼主梁截面采用雙工字型截面，橫橋向兩個鋼主梁中心間距為29.5m，橋面板混凝土厚 26cm，鋼主梁頂部加厚 40cm。根據(jù)實際橋梁的信息，使用橋梁軟件Midas/Civil來建立全橋的3維桿系模型，全橋共有5853個單元和4016個節(jié)點。主梁采用C60混凝土，彈性模量為3.6×104MPa,索塔采用C50混凝土，彈性模量為3.45×104MPa，混凝土材料的泊松比為0.2，熱膨脹系數(shù)為1×10-5/℃，斜拉索采用Strand1860單元，彈性模量為1.95×105MPa，泊松比為0.3，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃。斜拉索與主梁采用彈性連接，其主梁截面形式與實橋的截面形式保持一致，其結構橋面板為預制拼裝，塔柱、混凝土主梁的邊界條件均為剛性連接。

1 計算結果分析

1.1 溫度效應的分解

斜拉橋的溫度場情況十分復雜，為了簡化溫度場的情況，將斜拉橋的溫度場分解為整體溫差、索梁溫差、主梁的非線性溫差、塔左右溫差、鋼主梁上下游溫差[7]。整體溫度效應指的是從合龍溫度開始算起，大氣溫度的改變所對應的橋梁所有結構整體溫度的改變；索梁溫差指的是從合龍溫度開始算起，因為主梁與斜拉索使用的材料的比熱容、導熱性等性質(zhì)不相同導致橋梁構件中斜拉索與主梁之間的溫度的差值，；主梁的非線性溫差指的是從合龍溫度開始算起，因為橋梁主梁上下表面受到的太陽輻射大小不一致所導致的橋梁主梁沿橋梁高度方向產(chǎn)生的溫度梯度；塔左右溫差指的是從合龍溫度開始算起，由于主塔左右側(cè)面受到的太陽輻射大小不一致所導致的主塔左右側(cè)存在的溫度梯度；鋼主梁上下游溫差指的是由于橋梁上游鋼主梁受到太陽輻射的影響所呈現(xiàn)出來的橋梁的鋼主梁之間的溫差。

1.2 溫度參數(shù)取值

1、根據(jù)橋梁設計文件取合龍溫度為18℃。

2、整體溫差：根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[84。4.3.12條得出，混凝土板整體升溫16℃，鋼主梁整體升溫21℃；混凝土板整體降溫21℃，鋼主梁整體降溫24℃。

3、主梁的非線性溫度溫差：根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[8]。4.3.12條得出，T1=25℃,T2=6.7℃，混凝土結構的豎向日照反溫差為正溫差乘以-0.5。

4、構件間溫差：根據(jù)《公路斜拉橋設計細則》（JTG D65-01-2007）[9]。5.2.5條得出，斜拉索與主梁索塔間的溫差為±10℃，索塔左右側(cè)溫差為±5℃。

5、鋼主梁上下游溫差：鋼主梁上下游溫差取±4℃。

1.3 結果分析

在各種溫度效應的作用下，在邊跨合龍前的施工階段的主梁的豎向撓度變化趨勢如圖～圖所示。圖～圖的橫坐標均表示橋梁的梁段號，從左往右是實際橋梁由北往南的順序，縱坐標均表示主梁各梁段相對于沒有添加各溫度荷載的豎向撓度。由于邊跨合龍前中跨施工進行到LZ19和JZ2，故主梁在LZ20～LZ22、JZ1處不連續(xù)。南岸邊跨為現(xiàn)澆混凝土段，與地面剛接，豎向撓度為零，故不在圖中展示。

圖1 整體溫差對主梁豎向變形的影響曲線的影響曲線

圖2 索梁溫差對主梁豎向變形

圖3 非線性溫差對主梁豎向變形的影響曲線變形的影響曲線

圖4 塔左右溫差對主梁豎向

根據(jù)圖中可以得出整體升降溫對主梁的豎向撓度的影響很小。施加了整體升降溫荷載之后靠近合龍口的豎向撓度只有-1.3mm，整個梁的變形呈現(xiàn)w型，且同一根梁的豎向變形的方向不一致，變化曲線規(guī)律性較差，筆者認為是由于施加了整體荷載后所有的構件都呈現(xiàn)出溫度的變化所以才會出現(xiàn)比較復雜的變形趨勢，但是各個構件的升降溫所帶來的變形相互抵消，導致的豎向撓度較小。

根據(jù) 圖可以得出索梁溫差對主梁的豎向變形影響很大。在索梁正溫差作用下，北岸整個梁呈現(xiàn)倒V字形，其中越遠離主塔的梁豎向變形越大，且變形趨勢均一致。當索梁溫差為正時，豎向變形為負，當索梁溫差為負時，豎向變形為正。其中邊跨合龍口的豎向變形達到了80mm。筆者認為，斜拉索會因為索梁正溫差溫度同時上升，從而導致主梁的豎向變形特征比較規(guī)律。

根據(jù)圖得出非線性溫差對主梁的豎向變形影響很大。在非線性正溫差作用下，北岸整個梁呈現(xiàn)U字形，在略靠近合龍口的位置時豎向撓度達到最大后隨即有了小幅度的下降，北岸邊跨合龍口的豎向撓度達到了317mm，南岸邊跨合龍口位置處的豎向撓度352mm，變形趨勢正好與索梁溫差的變形趨勢相反。

根據(jù)圖3非線性溫差對主梁豎向變形的影響曲線 圖得出塔左右溫差對豎向撓度變化不明顯，在北岸靠近主塔處有個突變之后基本豎向變形基本穩(wěn)定在8mm左右，在南岸邊跨處合龍口的豎向撓度達到了18mm。

圖5 鋼主梁上下游溫差對鋼主梁上下游豎向變形的影響曲線

根據(jù)圖得出在上游鋼主梁施加了4℃的溫度荷載之后，北岸上游鋼主梁的變形呈現(xiàn)凵字形，即靠近主塔時變化不明顯，從LB15～LZ10梁段豎向撓度一直穩(wěn)定在3mm以內(nèi)，隨后在靠近合龍口處有較快的提升，在北岸邊跨合龍口處的豎向撓度達到了21mm。由于溫度效應導致的次應力較小，導致北岸下游鋼主梁整體變形較小，基本穩(wěn)定在5mm以內(nèi)。

綜上得出結論：在五種溫度效應中，對邊跨合龍口的豎向撓度的變化的貢獻大小的排序依次是：梁非線性溫差、索梁溫差、鋼主梁上下游溫差、塔左右溫差、整體溫差。而梁非線性溫差與索梁溫差對邊跨合龍口處的豎向撓度的變化的影響尤為顯著，分別達到了317mm和80mm。

2 實測數(shù)據(jù)驗證

2.1 實測數(shù)據(jù)展示

為了探討斜拉橋梁隨溫度的變化規(guī)律，對主跨為572m的疊合混合斜拉橋在邊跨合龍前進行24小時斜拉橋邊跨合龍口的豎向撓度(測試時間為2018年10月，晴天)，觀測結果和同一天的氣溫變化曲線如圖所示，根據(jù)圖可以得出結論：

圖6 實測變形與大氣溫度

1、在一天中的23：00到第二天中的10：00中，由于氣溫始終穩(wěn)定在16℃，邊跨合龍口處的豎向撓度始終穩(wěn)定在5mm以內(nèi)，而且在這個時間段，整座橋梁只受到整體溫差的影響，當氣溫穩(wěn)定在合龍溫度附近時，豎向撓度也穩(wěn)定在0附近，與整體溫差的計算結果吻合。

2、從一天中的 10點開始，溫度開始出現(xiàn)飆升狀態(tài)，導致該橋向陽一側(cè)的鋼主梁受熱，向陽一側(cè)的豎向撓度出現(xiàn)了較大的抬升，峰值在14：00處為19.1mm；而背陽的一側(cè)的豎向撓度有了較小幅度的下降。整個橋面在光照作用下呈現(xiàn)一種扭轉(zhuǎn)的變形。

2.2 擬合結果分析

為了擬合在邊跨合龍前橋梁在全天最高溫度（14：00）所處的溫度場，根據(jù)實測的氣溫變化曲線，采用以下的溫度場：

1、認為此時大氣溫度等同于橋梁的整體溫度。故取整體溫差為大氣溫度減去合龍溫度為5℃。

2、由于橋梁上游受日照照射效應明顯，導致上游鋼主梁受熱，采用上游鋼主梁均勻升溫4度。

所處的工況，計算結果如下。

1、在邊跨合龍口處，在溫度效應的作用下，上游豎向計算位移最大差值為21.0mm，與實際上游豎向撓度最大差值 19.1mm吻合較為良好，且上游豎向撓度隨時間的變化曲線與實際測量得到的豎向撓度曲線較為接近。

2、在邊跨合龍口處，在上述溫度效應的作用下，下游豎向計算位移最大差值為3.2m，與實際下游的豎向最大位移差值3.9mm吻合較為良好。

綜上所述，以上通過實測的氣溫變化曲線所擬合出來的溫度場可近似代替實際橋梁所處的溫度場來進行橋梁溫度效應的主梁標高計算，且溫度效應作用下所導致的主梁撓度的誤差很小。

3 結論

1.在各種溫度效應的作用下，梁的非線性溫差和索梁溫差對合龍口處的豎向撓度影響很大，屬于敏感因素，而整體溫差、塔左右溫差和鋼主梁上下游溫差對合龍口處的豎向撓度影響不明顯，但是鋼主梁上下游溫差對主梁上下游會產(chǎn)生較大的變形不協(xié)調(diào)，同樣值得關注。

2.通過實測的氣溫變化曲線所擬合出來的溫度場可近似代替實際橋梁所處的溫度場來進行橋梁溫度效應對主梁豎向撓度的計算，且溫度效應作用下所導致的主梁標高的變化的誤差很小。

3.由于梁的非線性溫差、索梁溫差和鋼主梁溫差均屬于日照溫差，且對主梁標高影響很大，建議在今后的此類型橋梁合龍中應該多避免這些因素的影響而選擇在夜間合龍。