温度效应对混凝土斜拉桥支座作用的分析

彭 鹏，邓廷权，郝章喜，胡小明

（1.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007；2.广西桥梁监测及加固工程技术研究中心，广西 南宁530007）

0 引言

近年来随着高速公路、高速铁路的飞速发展，大跨度桥梁也日益增加，斜拉桥在跨越能力方面有其技术经济优势，在调查以往的桥梁服役过程中，发现支座使用不合理的破坏事故时有发生，因此支座的选用就显得意义重大。支座反力主要是由恒载决定的，活载也占30%左右，保证主梁、主塔受力最佳有一组最优成桥索力，与之对应的支座反力就是合理成桥状态下的支座反力，也是支座受力变化的基准值。在此基准值的基础上，温度作用对支座反力的影响尤其显著，综合考虑安全性以及经济性等因素选用合适的支座，对桥梁设计者来说意义重大，本文就温度效应的影响进行分析研究，为同类桥梁支座的选用提供参考。

1 工程背景

某大跨径PC斜拉桥是双塔双索面半漂浮体系预应力混凝土斜拉桥，其跨径布置为52m＋105m＋320m＋105m＋48m。主梁为双边主肋断面形式，主梁顶面设2%横坡，主梁中心梁高2.73m，边缘高2.5m，桥面宽26.9m。标准梁长为8m，顶板厚为32cm，主塔两侧梁段顶板加厚到40cm。主塔采用H型构造。斜拉索共152根，标准索距为8m，最长的斜拉索大约182.40m，最大单根重量132.83kN。主梁采用C55混凝土，索塔采用C50混凝土。某斜拉桥桥型布置图，如图1所示。

图1 某斜拉桥桥型布置图（单位：cm）

2 温度效应对支座作用的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用大型有限元通用计算软件MIDAS／CIVIL进行全桥模拟，如图2所示。主梁、索塔、辅助墩采用梁单元模拟，斜拉索用桁架单元模拟，全桥由1 117个节点和1 100个单元组成。

图2 某斜拉桥有限元模型图

2.2 关键工况下的支座反力

关键工况下的支座反力如表1所示，本文的计算结果都是在此前提下进行的。

表1 关键工况下的支座反力表

2.3 温度效应对支座反力的影响

2.3.1 体系温差

《公路斜拉桥设计细则》对体系温差的取值进行了规定，当地平均最高和最低气温值决定了混凝土结构的体系温差，气温变化值应该由桥梁合龙时的温度开始算起。该斜拉桥于2013年1月23日凌晨5点进行中跨合龙劲性骨架的锁定，实测温度为4.0℃，于2013年1月26日凌晨6点完成合龙段混凝土的浇筑，实测温度为6.1℃。夜间温度场稳定，取合龙温度为5℃。

根据该斜拉桥地区气象站网上公布的气象数据，该地日均最高气温为35℃，日均最低气温为3℃。《公路斜拉桥设计细则》规定自合龙起算体系温差的温度变化量。因此，该混凝土斜拉桥的体系温差取整体升温30℃、整体降温2℃进行分析。本文通过利用大型有限元计算程序Midas／Civil进行计算，拉压支座计算反力及相关结果见表2。

表2 体系温差对拉压支座的影响数值表

计算结果表明：体系温度升高1℃，1＃塔侧过渡墩支座反力增大6.1kN，1＃塔侧辅助墩支座反力增大8.4kN，2＃塔侧辅助墩支座反力增大13.4kN，2＃塔侧过渡墩支座反力增大4.4kN，基本呈线性增长趋势；从1＃塔侧往2＃塔侧各拉压支座上梁体纵向位移依次为：－3.2mm，－2.7mm，2.5mm，3.0mm，也是呈线性增长趋势。体系温差最不利的情况下，2＃塔侧辅助墩处支座反力增大400.7kN，主梁纵向位移的最大值为96.4mm，位于1＃塔侧过渡墩处。该斜拉桥辅助墩支座设计的极限拉力值为2 000kN，极限压力值为10 000kN，纵向滑移最大允许值为200mm，过渡墩支座设计的极限拉力值为1 200kN，极限压力值为3 000kN，纵向滑移量最大允许值为250mm。单从体系温差进行分析，在最不利状态下，支座拉力和主梁纵向滑移量的最大值不足以威胁支座的安全。然而，大桥在成桥运营阶段各项温度效应、车辆活载、收缩徐变等多种因素综合作用下，体系温差对支座反力和主梁纵向位移的影响需要重视。

2.3.2 温度梯度

根据规范对于温度梯度的规定选取温度梯度的数值，选取Midas／Civil中梁截面温度的边（顶）作为参考位置，正温度梯度选取 H1＝0，T1＝14；H2＝0.1，T2＝5.5；H3＝0.1，T3＝5.5；H4＝0.4，T4＝0（高度单位为m，温度单位为℃）；负温度梯度选取H1＝0，T1＝－7；H2＝0.1，T2＝－2.75；H3＝0.1，T3＝－2.75；H4＝0.4，T4＝0（高度单位为m，温度单位为℃）；温度梯度对该斜拉桥拉压支座的影响见表3。

表3 温度梯度对拉压支座的影响数值表

由表3可知：在正温度梯度作用下，2＃塔侧辅助墩处支座反力影响最大，为230kN，1＃塔侧过渡墩处梁体纵向位移影响最大，为－8.8mm；在负温度梯度作用下，2＃塔侧辅助墩处支座反力最大，为－115kN，1＃塔侧过渡墩处梁体纵向位移最大，为4.4mm。

以上结果表明：在温度梯度作用下，辅助墩支座反力的影响大于过渡墩支座反力的影响，辅助墩与过渡墩支座的受力变化呈相反的状态，横向剪力的影响相对较小（表中未列出）；正、负温度梯度作用下，拉压支座反力与梁体纵向位移基本呈线性变化；再次证明多种因素综合作用下，温度梯度对支座反力和主梁纵向位移的影响应该引起重视。

2.3.3 索梁、索塔温差

由于斜拉索和主梁、主塔材料不同，并且截面面积相差很大，拉索的导热性能较混凝土大很多，拉索的温度变化幅度因此更大。《公路斜拉桥设计细则》规定斜拉索与混凝土主梁以及斜拉索与主塔的温差可采用±（10～15℃），本文取较不利的状态进行计算，索梁、索塔最大正温差取15℃，最大负温差取－10℃，计算结果见表4、表5。

表4 索梁温差对拉压支座的影响数值表

由表4可知：索梁正温差作用下，1＃塔侧辅助墩处支座反力影响最大，为139.3kN，1＃塔侧过渡墩处梁体纵向位移影响最大，为47.6mm；索梁负温差作用下支座反力和梁体纵向位移与索梁正温差时影响最大的位置一样，分别为－92.9kN和－31.7mm。

表5 索塔温差对拉压支座的影响数值表

由表5可知：索塔正温差作用下，1＃塔侧辅助墩处支座反力影响最大，为－254.9kN，1＃塔侧过渡墩处梁体纵向位移影响最大，为－0.8mm；索塔负温差作用下支座反力和梁体纵向位移与索梁正温差时影响最大的位置一样，分别为169.9kN和0.5mm。

以上结果表明：索梁温差引起的支座反力变化较索塔温差小，梁体纵向位移量较明显，而索塔温差的梁体纵向位移可以忽略；索梁正温差拉压支座处主梁均向跨中滑移，主塔向跨中偏，索梁负温差相反；辅助墩与过渡墩支座的受力变化呈相反的状态；多种因素综合作用下，索梁、索塔对支座反力的影响应该引起重视。

2.4 支座安装温度影响分析

桥梁的建设处于四季不断变化的温度场中，支座的安装温度对支座后续工况的受力是有影响的，当较低温度情况下安装时，成桥后桥梁大部分时间处于高于安装温度的状态，由于斜拉索的导热性能较混凝土大很多，拉索的温度变化幅度更大，升温使斜拉索长度伸长，支座的压力会因此变大。当处于较高的温度情况安装时反之。对于拉压支座来说，压力增大会使支座处于更保险的受力状态，各种不利工况组合的条件下，支座应尽量处于受压状态，受拉也不能超过支座的承受极限，否则影响桥梁的安全。桥梁设计温度为20℃，以下通过使用大型有限元程序Midas／Civil计算比较不同安装温度时，支座受力的变化情况，结果见表6。

表6 不同安装温度对拉压支座的影响数值表

由表6可知：当安装温度为35℃时，1＃塔侧过渡墩处支座反力受升温影响最大，压力增大125.8kN；当安装温度为5℃时，1＃塔侧过渡墩处支座反力受降温影响最大，压力减小60.2kN；高温安装时支座反力的影响要大于低温安装，尽量选择低温安装以减小对支座反力的影响，且低温安装相对有利。

2.5 合龙温度影响分析

与安装温度一样，合龙温度对支座受力的影响也是呈同样的趋势，当较低温度情况下合龙时，成桥运营阶段桥梁大部分时间处于高于合龙温度的状态，由于斜拉索的导热性能较混凝土大很多，拉索的温度变化幅度更大，升温使斜拉索长度伸长，支座的压力会因此变大。当处于较高的温度情况安装时反之。我们应该选择温度较低且温度场稳定的情况下合龙，这样能使成桥运营阶段支座更多地处于压力增大的状态，支座受力更合理。以下通过模型计算比较在不同合龙温度条件下，支座受力的变化情况，结果见表7。

表7 不同合龙温度对拉压支座的影响数值表

由表7可知：当合龙温度为35℃时，1＃塔侧辅助墩处支座反力受升温影响最大，压力增大211.3kN；当合龙温度为5℃时，1＃塔侧辅助墩处支座反力受降温影响最大，压力减小214.9kN；尽量选择低温、温度场稳定的情况下合龙，这样能减小温度变化对合龙段混凝土扰动的影响，也能使支座在成桥运营阶段温度更多地处于压力增大的状态，支座受力更合理。

3 结语

（1）影响该斜拉桥拉压支座受力最不利温度荷载组合是体系最大降温温差、索塔负温差、主梁正温度梯度，这种温度荷载组合下拉压支座的拉力影响将近20%，影响该斜拉桥主梁最不利纵向位移的组合是体系最大升温温差、索量负温差、主梁正温度梯度，该温度荷载组合下支座处主梁纵向位移占到支座允许值的近50%。

（2）体系温差、索梁温差、索塔温差、主梁温度梯度是影响拉压支座受力的主要因素。通过有限元模型的计算结果可见，体系整体升温对拉压支座受力、支座处主梁的纵向位移影响最大；辅助墩支座反力的影响顺序依次是索塔温差、主梁温度梯度、索梁温差；过渡墩支座反力的影响顺序依次是主梁温度梯度、索塔温差、索梁温差；主梁纵向位移的影响顺序是索梁温差、主梁温度梯度，索塔温差的影响几乎为0。在桥梁运营过程中，温度效应、车辆活载、收缩徐变等各种因素综合作用下，温度效应对支座的影响应该引起重视。

（3）高温安装时支座反力的影响要大于低温安装，尽量选择低温安装以减小温度对支座反力的影响；尽量选择低温、温度场稳定的情况下合龙，这样能减小温度变化对合龙段混凝土扰动的影响，也能使支座在成桥运营阶段温度更多地处于压力增大的状态，支座受力更合理。

［1］JTG／TD65－01－2007，公路斜拉桥设计细则［S］.

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