沿海季風(fēng)氣候下耐候鋼材質(zhì)非機(jī)動(dòng)車道橋的變形特性研究

【摘要】以鹽梅路鹽港東自行車道橋?yàn)閷?duì)象，采用邁達(dá)斯（MIDAS）軟件建模，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了耐候鋼材質(zhì)鋼箱梁橋在沿海季風(fēng)氣候下的變形特性。結(jié)果表明，耐候鋼橋梁在季風(fēng)氣候下具有顯著的抗變形能力，變形數(shù)值遠(yuǎn)低于安全閾值，驗(yàn)證了其安全性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】沿海季風(fēng)氣候; 耐候鋼; 數(shù)值模擬; 變形

【中圖分類號(hào)】U448.1A

0 引言

隨著我國(guó)沿海地區(qū)旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展，海濱棧道的建設(shè)需求日益增長(zhǎng)。這些棧道不僅為游客提供了親近自然的通道，也成為沿海城市景觀的重要組成部分。然而，棧道的建設(shè)和耐久性問題一直備受關(guān)注。耐候鋼作為一種能夠抵抗惡劣氣候影響的材料，在橋梁工程中應(yīng)用前景廣闊，但我國(guó)耐候鋼橋梁的發(fā)展相對(duì)較晚，目前仍處于起步階段，缺乏具體的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范。現(xiàn)有研究為理解耐候鋼的銹層保護(hù)機(jī)制及其在海洋環(huán)境中的應(yīng)用提供了理論支持［1］。本文以鹽梅路鹽港東自行車道橋?yàn)檠芯繉?duì)象，利用MIDAS軟件建立模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了耐候鋼材質(zhì)橋梁在沿海季風(fēng)氣候條件下的變形特性。結(jié)果表明，耐候鋼橋梁在季風(fēng)氣候下具有顯著的抗變形能力，驗(yàn)證了其安全性和可靠性。本文旨在為耐候鋼在橋梁工程中的廣泛應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，并為類似氣候條件下的橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

本研究依托鹽梅路鹽港東自行車道橋項(xiàng)目，項(xiàng)目位于深圳鹽田港東部海邊，該橋梁屬于非機(jī)動(dòng)車道橋，慢行道與主路分離，位于斜坡上，橋梁起點(diǎn)與擋墻接順，終點(diǎn)接現(xiàn)狀平臺(tái)。橋梁共分4聯(lián)，跨徑組合為（2×1000+3×1200+2×1000）m+（900+1000+3×1200）m+（5×1200）m+（3×1200+1080+141）m，橋梁全長(zhǎng)23.921 km，如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)橋梁寬度：0.25 m（欄桿）+2.75 m（自行車道）+1.75 m（人行道）+0.25 m（欄桿）=5.0 m，如圖2所示。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁，材質(zhì)為Q345qNHD；名義梁高0.8 m，設(shè)0.25 m寬踢腳，梁底水平，梁頂采用單向2%橫坡。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用V形鋼結(jié)構(gòu)柱式墩，基礎(chǔ)采用1000 mm人工挖孔樁。

1.2 水文環(huán)境

鹽梅路鹽港東自行車道橋位于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，這一地區(qū)以其漫長(zhǎng)的夏季、短暫的冬季、充足的日照和豐沛的雨量而著稱。這樣的氣候條件對(duì)橋梁材料的耐腐蝕性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。通過對(duì)該區(qū)域海水的取樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其pH值為7.55，礦化度為297.39，詳見表1。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步揭示了橋梁面臨的嚴(yán)峻腐蝕環(huán)境。

如圖3所示，橋梁位于海濱，平行于海岸線，距離不超過20 m，處于一條受歡迎的景觀道路上，人流量較大?？紤]到其大跨度和高橋墩及弧形設(shè)計(jì)，采用耐候鋼鋼箱梁進(jìn)行架設(shè)，鋼結(jié)構(gòu)暴露于含鹽海風(fēng)和潮濕空氣中。因此，深入分析橋梁的變形特性對(duì)于確保其結(jié)構(gòu)穩(wěn)固和安全尤為重要。

2 模型建立及結(jié)果分析

2.1 橋梁建模

為準(zhǔn)確捕捉橋梁結(jié)構(gòu)的變形特性和受力分布，選擇了線型最復(fù)雜的第二聯(lián)作為研究焦點(diǎn)。在MIDAS Civil軟件支持下，構(gòu)建了反映第二聯(lián)實(shí)際尺寸的幾何模型，跨度組合為（900+1000+3×1200） m，確保模擬準(zhǔn)確。模型中，固定支座置于第三跨與第四跨連接處，其余支座為滑動(dòng)支座，以真實(shí)反映橋梁在實(shí)際荷載作用下的行為和響應(yīng)，如圖4所示。

2.2 模擬工況

模擬參數(shù)取自于成橋之后2022年7月至2023年6月之間本橋附近的實(shí)測(cè)溫度、濕度、氣壓等環(huán)境，具體如表2所示。

2.3 變形數(shù)據(jù)

在鋼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域，王小剛等［2］學(xué)者已經(jīng)明確指出溫度、濕度和氣壓的變化會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)變形，其中溫度的影響尤為顯著。理解這些因素對(duì)橋梁行為的影響至關(guān)重要。本研究利用MIDAS Civil軟件建立的精細(xì)模型，模擬了不同環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，特別是在40 ℃高溫條件下。結(jié)果顯示，高溫下橋梁在X軸（縱向）和Y軸（橫向）上的最大變形均出現(xiàn)在第一跨端頭，而Z軸（豎向）上的最大變形位于第三跨跨中區(qū)域。具體變形數(shù)據(jù)詳見圖5。

鐵路與公路于超： 沿海季風(fēng)氣候下耐候鋼材質(zhì)非機(jī)動(dòng)車道橋的變形特性研究——以鹽梅路鹽港東自行車道橋?yàn)槔?/p>

選取本聯(lián)變形控制最關(guān)鍵的位置進(jìn)行重點(diǎn)分析。提取了在溫度荷載工況下的模擬數(shù)據(jù)，包括橋梁在橫向、縱向和豎向的形變。將其轉(zhuǎn)化為圖表形式，如圖6所示。圖6展示了橋梁在不同方向上的變形數(shù)據(jù)，包括最大變形值、變形分布和變形趨勢(shì)。圖6揭示了隨著溫度升高，橋梁變形程度增加，特別是在高溫條件下，變形量顯著增加，表明溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要影響。在橫向、縱向和豎向變形中，X軸（縱向）變形最為顯著，Y軸（橫向）和Z軸（豎向）變形相對(duì)較

圖6 溫度荷載工況變化下位移變化曲線小。當(dāng)溫度為16.74 ℃時(shí)，橋梁在X軸、Y軸、Z軸上的變形分別為8.992 mm、1.653 mm和1.603 mm；當(dāng)溫度升至35.14 ℃時(shí)，變形量分別增至18.8 mm、3.443 mm和1.592 mm。這表明溫度升高顯著增加橋梁的縱向變形，而橫向和豎向變形增幅較小。

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及對(duì)比分析

為了驗(yàn)證模擬分析結(jié)果的可靠性，在橋梁上設(shè)置了兩個(gè)專門的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于第一跨的端頭，而第二個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)則布置在第三跨的跨中位置，布置細(xì)節(jié)見圖4。

在變形監(jiān)測(cè)過程中，嚴(yán)格遵守了“五定”原則［3］，確保數(shù)據(jù)可靠性?！拔宥ā卑ǎ夯鶞?zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性、觀測(cè)點(diǎn)位的穩(wěn)定性、儀器設(shè)備的穩(wěn)定性、觀測(cè)人員的穩(wěn)定性及觀測(cè)環(huán)境條件的穩(wěn)定性。這些原則確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。實(shí)際操作中，橋梁變形監(jiān)測(cè)采用大地測(cè)量法、物探法、GPS技術(shù)和INSAR技術(shù)，通過綜合應(yīng)用這些方法提升了監(jiān)測(cè)質(zhì)量和精度?？紤]到本項(xiàng)目橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用全站儀跟蹤監(jiān)測(cè)法［4］，提供高精度的三維變形數(shù)據(jù)，有助于深入理解橋梁在實(shí)際使用條件下的結(jié)構(gòu)行為和變形特性。

對(duì)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了匯總，如表8所示。為了直觀地比較模擬分析與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將兩者置于同一圖表中進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。

圖7顯示了模擬變形曲線與實(shí)際監(jiān)測(cè)變形曲線的走勢(shì)和數(shù)值。通過對(duì)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)比較分析，得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)一（第一跨端頭）的X軸數(shù)據(jù)表明，橋梁縱向變形與溫度變化密切相關(guān)，溫度從16.74 ℃升高至35.14 ℃時(shí)，縱向變形量從9.53 mm增加到20.73 mm。盡管在35.15 ℃時(shí)實(shí)測(cè)值與模擬值差異最大為1.93 mm，但整體趨勢(shì)一致。

（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)一的Y軸數(shù)據(jù)（橫向變形）與X軸相似，溫度變化范圍內(nèi)，橫向變形從1.79 mm增至4.12 mm。在30.9 ℃時(shí)，實(shí)測(cè)值與模擬值差異最大為0.74 mm，表明模擬分析較好地預(yù)測(cè)了橫向變形。

（3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)二（第三跨跨中）的Z軸數(shù)據(jù)（豎向變形）相對(duì)穩(wěn)定，溫度變化范圍內(nèi)，豎向變形從1.76 mm增至2.04 mm。在16.74 ℃時(shí)，實(shí)測(cè)值與模擬值差異最大為0.44 mm，反映橋梁豎向剛性較好，受溫度影響較小。

整體上，實(shí)測(cè)值與模擬值趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，為橋梁設(shè)計(jì)和施工提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)鹽梅路鹽港東自行車道橋項(xiàng)目的一年監(jiān)測(cè)，分析了耐候鋼箱梁橋在沿海季風(fēng)氣候下的變形特性。結(jié)果顯示，溫度變化顯著影響鋼箱梁的變形，尤其在溫度超過30 ℃時(shí)縱向變形最為明顯。數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高度一致，證明了模型的有效性，揭示了沿海季風(fēng)氣候?qū)δ秃蜾摌蜃冃蔚挠绊?，為類似環(huán)境下的橋梁設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王春生， 張靜雯， 段蘭， 等. 長(zhǎng)壽命高性能耐候鋼橋研究進(jìn)展與工程應(yīng)用［J］. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)， 2020， 20（1）： 1-26.

［2］ 王小剛， 王曉峰， 趙根立. 溫度與濕度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)變形的影響［J］. 科技風(fēng)， 2011（18）： 246-247

［3］ 朱興志.變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)科學(xué)探險(xiǎn)，2022（2）：113-115.

［4］ 張興龍.全站儀在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.決策探索（中），2020（7）：62-63.