王 偉，靳國(guó)勝，黃 博，張玉平

溫度效應(yīng)對(duì)既有大跨徑PC斜拉橋索力與線形的影響研究

王 偉1,2,3，靳國(guó)勝2，黃 博1，張玉平4

（1.重慶中檢工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，重慶400025；2.重慶中設(shè)工程設(shè)計(jì)股份有限公司，重慶400025；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；4.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410114）

斜拉橋是由索-梁-塔組成的超靜定空間結(jié)構(gòu)，其索力與線形的合理變化是橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的保障，對(duì)于明顯的差異性則須研究其成因。通過(guò)對(duì)西南地區(qū)某既有大跨徑PC斜拉橋的索力與線形的監(jiān)測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)存在較大差異性，而外觀調(diào)查未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)性病害。為研究探討其形成原因，首先運(yùn)用有限元理論知識(shí)建立了橋梁的三維空間仿真分析模型，然后考慮到監(jiān)測(cè)時(shí)間的溫度差異，針對(duì)性地進(jìn)行了整體升溫、索梁正溫差、主梁及主塔日照正溫差等4種溫度效應(yīng)的研究。研究結(jié)果表明：不同的溫度效應(yīng)對(duì)某一參數(shù)影響不同，同一種溫度效應(yīng)對(duì)不同的參數(shù)影響不同。就本橋而言，索梁正溫差與主梁日照正溫差是造成實(shí)測(cè)索力與線形差異性的主要原因，對(duì)既有大跨徑PC斜拉橋的安全性評(píng)估必須考慮溫度效應(yīng)的影響，需對(duì)實(shí)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修正，消除溫度效應(yīng)影響后的斜拉橋索力與線形差異性明顯減小，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

PC斜拉橋；索力；線形；溫度效應(yīng)；差異性

引言

斜拉橋因其跨越能力大、受力簡(jiǎn)約明了、施工方便、景觀效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到設(shè)計(jì)者的青睞。近幾十年來(lái)在我國(guó)得到了快速發(fā)展，我國(guó)已有2座主跨徑超千米級(jí)的斜拉橋（位于江蘇的蘇通大橋主跨1 088 m與香港的昂船洲大橋主跨1 018 m）竣工通車(chē)，標(biāo)志著我國(guó)已逐步由橋梁大國(guó)向橋梁強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)邁進(jìn)。為了保障橋梁在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全，需對(duì)斜拉橋進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，斜拉橋是由索-梁-塔組成的超靜定空間結(jié)構(gòu)，其索力與線形的合理變化是橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的保障。通過(guò)對(duì)西南地區(qū)某既有大跨徑PC斜拉橋的索力與線形的監(jiān)測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)存在較大差異性，而外觀調(diào)查未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)性病害，為研究探討其形成原因，考慮到監(jiān)測(cè)時(shí)間的溫度差異，針對(duì)性地進(jìn)行了整體升降溫、索梁正溫差、主梁及主塔日照正溫差等4種溫度效應(yīng)的研究[1-5]。

1 工程概況

西南地區(qū)某既有大跨徑PC斜拉橋是一座跨越長(zhǎng)江的特大型橋梁，大橋北岸與319國(guó)道相接，南岸與該地區(qū)江南規(guī)劃路相接，全長(zhǎng)1 446 m。主橋?yàn)椋?4+114+400+114+54）m雙塔雙索面半漂浮體系PC斜拉橋。主梁采用C60混凝土，分離式雙主肋截面，主梁全寬23.4 m，頂板厚0.32 m，每一節(jié)段設(shè)一道橫隔板，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段橫隔板厚0.28 m，斜拉索采用φ7.0 mm高強(qiáng)平行鋼絲，空間雙索面扇形布置，全橋共布置84對(duì)。索塔采用C50混凝土，花瓶型，高分別為164.6 m、171.5 m，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，人群2.5 kN/m2，該橋于2009年3月建成，同年竣工通車(chē)。橋型布置圖，見(jiàn)圖1所示。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

2 差異性分析

2.1 兩次監(jiān)測(cè)差異性

通過(guò)對(duì)背景橋梁的索力與線形監(jiān)測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2次實(shí)測(cè)結(jié)果存在較大的差異性，見(jiàn)圖2所示。

從圖2中可看出，2次實(shí)測(cè)主梁線形與拉索索力的結(jié)果存在較大的差異性，整體而言，主梁跨中的線形與索力的差異性較之邊跨要大一些。

然而，前期詳盡的外觀調(diào)查并未發(fā)現(xiàn)該橋梁有明顯的結(jié)構(gòu)性病害，考慮到前次監(jiān)測(cè)時(shí)間在12月份，溫度約為15℃，而此次監(jiān)測(cè)時(shí)間為8月，溫度約為35℃，鑒于監(jiān)測(cè)時(shí)間的溫度差異，針對(duì)性地考慮了整體升溫、索梁正溫差、主梁及主塔日照正溫差等4種溫度效應(yīng)來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異性進(jìn)行分析[6-9]。

圖2 2次實(shí)測(cè)主梁線形與拉索索力的差異性

2.2 整體升溫影響

空氣中的溫度變化是引起橋梁結(jié)構(gòu)整體溫差的主要原因，包括一天24 h溫度變化和四季溫度變化。此次分析取后者變化，整體升溫為20℃。整體升溫對(duì)斜拉橋索力與線形的影響，見(jiàn)圖3所示。由于結(jié)構(gòu)在跨中處對(duì)稱(chēng)，左右側(cè)受力相同，故圖示僅列出1/2跨，下同。

從圖3中可看出，整體升溫為20℃時(shí)，邊跨主梁豎向撓度升高、中跨降低，邊跨索力絕大部分變大，而中跨索力則減小。

圖3 整體升溫為20℃對(duì)主梁線形與拉索應(yīng)力的影響

2.3 索梁正溫差影響

對(duì)于PC斜拉橋而言，由于斜拉索是由鋼絞線制成，橫截面較小，溫度敏感程度較高，而主梁是混凝土結(jié)構(gòu)，溫度場(chǎng)分布復(fù)雜，橫截面較大以及混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較小，在日照溫度作用下，主梁溫度變化總是滯后于斜拉索的溫度變化，從而引起索梁溫差。此次考慮索梁正溫差10℃進(jìn)行計(jì)算[10-11]。索梁正溫差對(duì)斜拉橋索力與線形的影響，見(jiàn)圖4所示。

從圖4中可看出，索梁正溫差10℃時(shí)，邊跨線形基本不受影響，但是對(duì)中跨線形影響很大，且影響由索塔往跨中方向逐漸變大；對(duì)索塔附近的拉索索力影響很大，由于索力值影響變化量為負(fù)值，故實(shí)測(cè)索力會(huì)減小，對(duì)遠(yuǎn)離索塔的拉索影響相對(duì)較小，由于對(duì)邊跨與中跨的影響量正負(fù)相反使得邊跨遠(yuǎn)離索塔的拉索實(shí)測(cè)索力減小，中跨遠(yuǎn)離索塔的拉索索力增大，而在中跨跨中處索力減小。

圖4 索梁正溫差10℃對(duì)主梁線形與拉索應(yīng)力的影響

2.4 主梁日照正溫差影響

由于主梁梁頂和梁底的位置不同，致使日照作用下受光表面與構(gòu)件內(nèi)部呈現(xiàn)出較大的溫度梯度，從而引起主梁沿豎向的溫度梯度，一般假定溫度沿豎向呈線性變化。按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.10條的規(guī)定并結(jié)合本橋資料進(jìn)行取值[12]。主梁日照正溫差對(duì)斜拉橋索力與線形的影響，見(jiàn)圖5所示。

圖5 主梁日照正溫差對(duì)主梁線形與拉索應(yīng)力的影響

從圖5中可看出，主梁日照正溫差對(duì)主梁線形的影響與索梁正溫差的影響的趨勢(shì)一致，但是影響量卻是一個(gè)為正，一個(gè)為負(fù)，即主梁日照正溫差會(huì)使得主梁豎向?qū)崪y(cè)標(biāo)高增大，而索梁正溫差則會(huì)使得主梁豎向標(biāo)高降低；對(duì)于拉索索力的影響則是使得邊跨索力整體增大，中跨則是靠近索塔處與跨中處索力增大而其他部位實(shí)測(cè)索力會(huì)變小。

2.5 索塔日照正溫差影響

由于橋塔截面多是采用矩形截面，橋塔在縱橋向的前后兩個(gè)側(cè)面以及橫橋向的左右兩個(gè)側(cè)面的位置不同，導(dǎo)致索塔所受日照的陽(yáng)光強(qiáng)度不同，具有不同的溫度變化量，便產(chǎn)生了橋塔沿縱橋向與橫橋向2個(gè)溫度梯度，一般假定溫度呈線性變化。由于索塔橫橋向日照溫差對(duì)主梁線形的影響很小，故此處僅考慮索塔順橋向日照溫差的影響，依據(jù)本橋資料進(jìn)行取值計(jì)算。索塔日照正溫差對(duì)斜拉橋索力與線形的影響，見(jiàn)圖6所示。

圖6 索塔日照正溫差對(duì)主梁線形與拉索應(yīng)力的影響

從圖6中可看出，索塔日照正溫差對(duì)主梁線形的影響與整體升溫的影響基本一致，只是在中跨跨中部位影響不同，索塔日照正溫差會(huì)使得主梁線形在跨中處標(biāo)高變大，而整體升溫則是減?。粚?duì)索力的影響則是邊跨長(zhǎng)索索力減小，短索索力增大，中跨則恰好相反。

需要指出的是，橋梁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是以上4種溫度效應(yīng)綜合影響的結(jié)果，僅就某一影響因素來(lái)看，整體升溫與索塔日照溫差對(duì)實(shí)測(cè)索力與線形的影響相對(duì)較小，索梁正溫差與主梁日照正溫差是造成實(shí)測(cè)索力與線形差異性的主要原因。

2.6 消除溫度影響后的差異性

根據(jù)上述分析，消除溫度影響后的2次監(jiān)測(cè)主梁線形與拉索索力的差異性，見(jiàn)圖7所示。

圖7 消除溫度影響后主梁線形與拉索索力的差異性

從圖7中可看出，消除溫度效應(yīng)影響后的斜拉橋主梁線形與拉索索力差異性明顯減小，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，因此，必須對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以消除溫度效應(yīng)的影響才能夠?qū)扔写罂鐝絇C斜拉橋的狀態(tài)做出準(zhǔn)確與科學(xué)的評(píng)估。

3 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用有限元理論知識(shí)建立了橋梁的三維空間仿真分析模型來(lái)探討既有大跨徑PC斜拉橋的監(jiān)測(cè)索力與線形的差異性的形成原因，考慮到監(jiān)測(cè)時(shí)間的溫度差異，針對(duì)性地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體升溫、索梁正溫差、主梁及主塔日照正溫差等4種溫度效應(yīng)的研究，得出了不同的溫度效應(yīng)對(duì)某一參數(shù)影響不同。同一種溫度效應(yīng)對(duì)不同的參數(shù)影響不同，就本橋而言，索梁正溫差與主梁日照正溫差是造成實(shí)測(cè)索力與線形差異性的主要原因，對(duì)既有大跨徑PC斜拉橋的安全性評(píng)估需對(duì)實(shí)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修正以消除溫度效應(yīng)的影響，考慮溫度效應(yīng)的影響后的斜拉橋索力與線形差異性明顯減小，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

[1]Xu Z D,Wu Z．Simulation of the effect of temperature variation on damage detection in al ong-spancable-stayedbridge[J]．Structural Health Monitoring, 2007，6(3):177-189．

[2]姚昌榮，李亞?wèn)|．大跨度橋梁健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中的溫度影響研究[J]．華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25 (2):25-28．

[3]李宏江．用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)判別的PC斜拉橋溫度效應(yīng)[J]．土木建筑與環(huán)境工程，2009，31(5)：81-85，105．

[4]Yao C R,Li Y D．Research on Temperature Influences in Cable-Stayed Bridges'Health Monitoring[J]．Applied Mechanics and Materials.2012，188：162-167．

[5]王偉．壽命期內(nèi)大跨徑PC斜拉橋承載能力評(píng)定研究[J]．廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，14(3)：19-22.

[6]李建華．斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的溫度效應(yīng)影響分析[D]．上海：同濟(jì)大學(xué)，2006．

[7]Wang X Y,Lei W L,Yang Y,et al.The Correlative Analysis of Temperature and Stress Based on Monitoring Data on the Cable-Stayed Bridge[J]．Applied Mechanics and Materials.2013，256：1509-1514．

[8]Wang X Y,Chen M S,Sun H X,et al.Relationship of Cable Tension and Temperature Based on Long-Term Monitoring Data on the Cable-Stayed Bridge[J]．Applied Mechanics and Materials.2013，405：1716-1721．

[9]董惠雷．大跨徑斜拉橋環(huán)境溫度影響分析[D]．南京：東南大學(xué)，2014．

[10]JTG/TD65-01-2007公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則[S]．北京：人民交通出版社，2007．

[11]任遠(yuǎn)，劉小玲，黃僑．斜拉橋恒載索力長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析與評(píng)估[J]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，47 (6)：103-108．

[12]JTGD60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2004．

Study of Temperature Effect on Cable Force and Alignment of the Existing Long-span PC Cable-stayed Bridge

WANG Wei1,2,3,JIN Guo-sheng2,HUANG Bo1,ZHANG Yu-ping4

(1.Chongqing Zhongjian Construction Engineering Quality Testing Co.Ltd.,Chongqing 400025, China;2.Chongqing Zhongshe Engineering Design Co.Ltd.,Chongqing 400025,China; 3.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 4.School of Civil Engineering andArchitecture,Changsha University of Science＆Technology,Changsha 410114,China)

Cable-stayed bridge,being composed of cable-beam-tower,is a statically indeterminate spatial structure. The reasonable change of cable force and alignment is the safe indemnification of the bridge structure,However,an obvious change should be surveyed to find out the causes.As a large difference exists in two monitoring of the cable force and alignment of the PC cable-stayed bridge in southwest China,an investigation is taken.In the survey,a three-dimensional simulation model of the bridge is built with the finite element theory,which is employed to study the 4 temperature effects including the range of whole temperature,cable-beam temperature,girder and tower sunshine temperature difference to eliminate the difference of monitoring time.The results show that different temperature effects have different impacts on one parameter,and one kind temperature effect may have different impacts on different parameters.As cable-beam temperature and girder sunshine temperature difference are the main difference causes of measured able force and alignment in a bridge,it is necessary to take temperature effects into account when assessing the security of PC cable-stayed bridge,to correct the measured data,and to eliminate the temperature effect for reducing cable force and alignment differences significantly,which lays the structure in a safe state.

PC cable-stayed bridge;cable force;alignment;temperature effect;difference

U448.2

A

1671-8496-(2016)-04-0029-06

2016-04-26

王偉(1988-)，男，工程師，工程碩士

研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)與承載能力評(píng)定以及大跨度橋梁抗震減震研究

科技部973項(xiàng)目“特大跨橋梁安全性設(shè)計(jì)與評(píng)定的基礎(chǔ)理論研究”(項(xiàng)目編號(hào)：2015CB057702)；長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程優(yōu)勢(shì)特色重點(diǎn)學(xué)科創(chuàng)新新項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：15ZDXK02)