高原高寒地区钢混凝土组合梁斜拉桥温度效应分析

季德钧+刘江+张瑑芳+刘永健

摘要：对比了当前各国规范对钢混凝土组合梁竖向温度梯度形式及温度基数取值的相关规定，其中英国规范和欧洲规范最为详尽合理。在英国规范的基础上，通过桥位处太阳辐射强度的计算结果对温度基数的取值进行修正。以青海黄南地区哇加滩黄河特大桥为背景，建立全桥有限元杆系模型，对比分析了修正的英国规范温度梯度模式和中国规范的温度梯度模式作用下主梁的应力分布，以及斜拉桥在整体温差、索梁（塔）温差、主梁竖向温度梯度和主塔顺桥向温差作用下的温度效应及各构件的温度敏感性。结果表明：在青海高原高寒地区，进行桥梁设计时采用考虑地理位置修正的英国规范主梁竖向温度梯度模式进行计算并指导设计更偏于安全；对于主桥的某些构件，温度作用已经成为仅次于恒载的第二大控制作用，所得出的全桥各构件温度敏感性分析结果可为高原高寒地区同类桥梁的设计、计算提供参考和依据。

关键词：钢混凝土组合梁斜拉桥；高原高寒地区；温度效应；竖向温度梯度；敏感性

中图分类号：U442.5文献标志码：A

Temperature Effect Analysis of Steelconcrete Composite Girder

Cablestayed Bridge in Arcticalpine RegionJI Dejun1， LIU Jiang2， ZHANG Zhuanfang2， LIU Yongjian2

（1. Qinghai Provincial Authority of Highgrade Highway Construction Management， Xining 810008，

Qinghai， China； 2. School of Highway， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China）Abstract： Authors compared vertical temperature gradient and its basis in composite girder of current codes of different countries， in which British standard and Eurocode were the most detailed. Based on British standard， temperature basis was revised by calculating the solar radiation of bridge position. With engineering background of Wajiatan Yellow River Bridge in Huangnan， Qinghai， the finite element model of a whole bridge was established to calculate the stress of the girder at vertical temperature gradient of revised British code and Chinese code. Meanwhile， the temperature effects and sensitivity of each structural member under different temperature loads of entire temperature difference， cablegirder （pylon） temperature difference， vertical temperature gradient of girder and alongspan temperature gradient of pylon were analyzed. The results show that in Qinghai arcticalpine region， design of composite girder cablestayed bridge with vertical temperature curve of Chinese code is insecure； for some structural members， temperature effect plays the most important role except the dead load. The obtained sensitivity analysis results of different structural members in a whole bridge can provide references for the design and calculation of similar bridges.

Key words： concretesteel composite cablestayed bridge； arcticalpine region； temperature effect； vertical temperature gradient； sensitivity

0引言

桥梁结构是暴露于自然环境中的结构物，在日照、气温和寒潮等气象因素的作用下，结构会产生非线性的温度分布[12]，这种非线性温差会在结构中产生较大的温度应力和变形，往往会超过荷载所产生的效应，从而造成结构的破坏。如加拿大西部曾发生某钢混凝土组合梁桥垮塌事故，温度应力和变形是导致桥梁垮塌的主要原因之一[3]。

钢混凝土组合梁中钢材的导热系数约为混凝土的10倍，由于2种材料导热性能的巨大差别，会使钢梁和混凝土桥面板之间存在很大的温差，即存在较大的竖向温度梯度[4]，对于高原高寒地区，结构整体温度低，昼夜温差大，太阳辐射强，其作用尤为严重。然而，中国现行规范对钢混凝土组合梁竖向温度梯度规定中温度基数的取值并未考虑桥位所在地理位置的影响，是否适用于高原高寒地区的钢混凝土组合梁值得商榷。钢混凝土组合梁斜拉桥为多次超静定结构，在复杂的应力场下温度对于索塔偏位、主梁变形、桥塔应力以及斜拉索索力的影响都比较显著[56]。由于高原高寒地区的气候条件较一般平原地区更为恶劣，温度效应也更为显著；同时中国在高原高寒地区修建组合梁斜拉桥的经验相对较少。因此，在高原高寒地区进行钢混凝土组合梁斜拉桥建设，更应全面分析结构的温度效应。

本文针对各国规范的不同规定，在英国规范的基础上，通过桥位处太阳辐射强度的计算对温度基数的取值进行修正。同时以青海黄南地区哇加滩黄河特大桥为背景，建立全桥杆系有限元模型，分析温度作用对桥梁结构的影响，研究主桥各构件对不同温度作用的敏感性，为今后同类桥梁的设计、计算提供参考和依据。

1考虑地理位置修正的钢混凝土组合梁竖向温度梯度1.1各国规范的规定

不同国家地理位置不同，日照辐射强度不同，常用桥梁结构形式不同，因此各国规范对于钢混凝土组合梁竖向温度梯度的规定也不尽相同，现对中国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[7]、美国AASHTO规范[8]、英国BS 5400规范[9]及欧洲EN 199115：2003规范[10]4个规范规定的钢混凝土组合梁竖向温度梯度进行对比，如图1所示，其中，t，h，h1，h2均为混凝土桥面板厚度，T1，T2，T3，T′1，T′2，ΔT1，ΔT′1均为进行温差计算的温度基数，H为结构上部高度。图1各国规范钢混凝土组合梁竖向温度梯度曲线

Fig.1Vertical Temperature Gradient Curves of Composite Girder in Different Specifications表1给出了各规范确定钢混凝土组合梁竖向温度梯度的考虑因素。由表1可以看出，不同规范的区别在于温度曲线的形式不同和温度基数取值所考虑的因素不同。影响钢混凝土组合梁竖向温度分布的主要因素有材料属性、桥面板厚度、太阳辐射强度、环境温度及桥面铺装的类型与厚度等，其中太阳辐射强度与环境温度主要由桥位所在地理位置确定。《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）温度基数的取值不考虑桥面板厚度和桥位地理位置；美国AASHTO规范不考虑桥面板厚度和桥面铺装；欧洲规范分为常规与简化2种计算模式，其常规计算与英国规范相同；英国规范与欧洲常规计算确定温度基数时考虑因素最为全面，但并未考虑地理位置对温度基数取值的影响。表1各规范钢混凝土组合梁竖向温度梯度曲线形式及温度基数取值因素

Tab.1Forms of Vertical Temperature Gradient Curves and Factors of Temperature Basis Evaluation of

Steelconcrete Composite Girder in Different Specifications规范温度梯度曲线形式温度基数取值因素桥面板厚度地理位置铺装类型铺装厚度中国规范“3”折线没有考虑没有考虑考虑考虑美国AASHTO规范“3”折线没有考虑考虑没有考虑没有考虑英国BS 5400规范升温“2”折线，降温“1+2”折线考虑没有考虑考虑考虑欧洲规范（常规计算）升温“2”折线，降温“1+2”折线考虑没有考虑考虑考虑欧洲规范（简化计算）竖线没有考虑没有考虑没有考虑没有考虑1.2竖向温度梯度

基于第1.1节对各规范的对比分析，现以英国规范为基础，考虑桥位地理位置与规范的差异进行温度基数的修正。纬度和海拔的差异决定了两地太阳辐射强度的不同，采用以下公式[3]计算，即

Ib=0.9tuKasin（θ）Gsc（1）

式中：Ib为到达地球表面的太阳直接辐射强度；Gsc为太阳常量；tu为林克氏浑浊度系数；Ka为相对大气压，与海拔有关；θ为太阳高度角。

现有研究表明，主梁竖向正温度梯度主要由太阳辐射引起，当混凝土箱梁顶板太阳辐射变化±100 W·m-2时，顶板上缘竖向正温差变化±2 ℃，而环境温度对于正温度梯度的影响较小[11]。任意时刻到达顶板的太阳辐射Ibh为

Ibh=sin（θ）Ib（2）

以英国伦敦为适用BS 5400规范的代表地区，可求得伦敦地区夏季主梁顶面最大太阳辐射强度为658.5 W·m-2，则太阳辐射对顶板温度基数的修正ΔT为

ΔT=Ibh-658.550（3）

修正后的顶板温度基数取值为T1+ΔT。正温差梯度各温度基数按顶板温度基数修正的相同倍数进行修正，负温差梯度则按正温差梯度的-0.5倍选取，即可得到考虑地理位置修正的钢混凝土组合梁竖向温度梯度模式，如图2所示。

图2修正后的竖向温度梯度曲线

Fig.2Revised Vertical Temperature Gradient Curves2温度效应分析

本文以青海黄南地区哇加滩黄河特大桥为背景，建立全桥杆系有限元模型，分析温度作用对桥梁结构的影响，研究主桥各构件对不同温度作用的敏感性。

2.1主桥概况

哇加滩黄河特大桥位于青海黄南地区，为青藏高原特殊型气候区；气温垂直分布差异明显，昼夜温差大，日照时间长，太阳辐射强，年际变化及季节分布不均匀。

主桥全长1 000 m，为104 m+116 m+560 m+116 m+104 m的双塔双索面钢混凝土组合梁半漂浮体系斜拉桥，桥总体布置如图3所示。桥面全宽28.0 m，桥塔采用H型主塔，主梁采用双边“上”字形边主梁结合桥面板的整体断面，主梁断面如图4所示。“上”字形边主梁、横梁、小纵梁通过摩擦型高强螺栓连接形成钢梁段，架设预制桥面板，现浇混凝土湿接缝，通过焊于钢梁顶面的抗剪栓钉形成组合梁体系，斜拉索梁上采用锚拉板锚固。混凝土桥面板厚为280 mm，分为预制和现浇部分，均采用C60混凝土。桥面铺装采用9 cm厚沥青混凝土。

2.2修正竖向温度梯度与中国规范的比较

采用第1.2节中给出的方法计算哇加滩黄河特大桥主梁竖向温度梯度。桥位处纬度为35°N，海拔为2 158 m，可求得桥位处夏季主梁顶面最大太阳辐射强度为1 030.5 W·m-2，则对顶板温度基数的修正ΔT=7.4 ℃，从而得到主梁竖向温度梯度曲线，与中国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）规定的温度曲线对比如图5所示。

采用MIDAS/Civil软件建立哇加滩特大桥全桥杆系模型，采用实际桥梁的边界条件，计算考虑地理位置修正的英国规范温度梯度模式和中国规范的温度梯度模式作用下主梁的应力分布，结果如图6所示。由图6可以看出：修正的英国规范温度梯度图3哇加滩黄河特大桥总体布置（单位：m）

Fig.3Overall Arrangement of Wajiatan Yellow River Bridge （Unit：m）图4主梁断面（单位：cm）

Fig.4Cross Section of Girder （Unit：cm）图5竖向温度梯度曲线对比

Fig.5Comparison of Vertical Temperature Gradient Curves图6主梁应力对比

Fig.6Comparisons of Stresses in Girder模式在主梁产生的应力较大，对于钢主梁，正、负温差作用下均较中国规范计算结果大54.3%；对于混凝土桥面板，较中国规范计算结果大29.9%。可见，对于青海高原高寒地区的组合梁斜拉桥，采用考虑地理位置修正的英国规范主梁温度梯度模式进行计算并指导设计是偏于安全的。

2.3温度效应

针对高原高寒地区组合梁斜拉桥的温度效应，为了便于分析，将斜拉桥温度作用分为整体温差、索梁（塔）温差、主梁竖向温度梯度（主梁温差）及主塔顺桥向温差等方面来计算。主梁竖向温度梯度按本文方法选取，其他温度作用按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）和《公路斜拉桥设计细则》（JTG/T D6501—2007）[12]中的规定选取，结构整体升温28 ℃，整体降温23 ℃；索梁（塔）温差取±10 ℃；索塔顺桥向温差取±5 ℃。

2.3.1温度作用引起的结构内力

各温度作用下结构会产生较大的弯矩效应，温度作用下主梁弯矩计算结果如图7所示。由图7可以看出：竖向温度梯度直接作用在主梁上，因此对主梁产生的弯矩最大；主梁整体升温和降温受到边界条件的约束，索梁（塔）温差由于拉索变形也在主梁上产生弯矩，但两者较主梁竖向温度梯度产生的弯矩小；主塔温差对主梁产生的弯矩可以忽略。

图7温度作用下主梁弯矩分布

Fig.7Bending Moment Distributions of

Girder Under Temperature Actions图8给出了混凝土桥面板在温度和活载作用下的最大应力分布。由图8可以看出：主梁正温差梯度下，在跨中和辅助墩位置产生的混凝土压应力为-5.3 MPa和-7.8 MPa，分别为活载的2.1倍和1.8倍；主梁负温差梯度下，在跨中和辅助墩位置产生的混凝土拉应力为2.6 MPa和3.8 MPa，分别为活载的3.2倍和1.4倍。可见，对于青海高寒地区的钢混凝土组合斜拉桥，主梁竖向温度梯度作用对混凝土桥面板应力的影响已超过活载作用，因此，在进行设计计算时，不能忽略温度对结构的影响。

图8温度作用下混凝土桥面板应力分布

Fig.8Stress Distributions of Concrete Deck

Under Temperature Actions图9为温度作用下主塔应力分布。由图9可以看出，温度作用引起的主塔应力由塔顶至塔底逐渐变大，其中整体温度变化引起的应力最大，其次为主塔温差、主梁竖向温度梯度、索梁（塔）温差，各温度作用引起的主塔最大应力均可以与活载达到同一数量级。

2.3.2温度作用引起的结构位移

温度变化引起的斜拉桥结构变形主要包括主梁的竖向挠度、梁端水平位移以及塔顶侧向位移。表2给出了各温度作用下上述结构位移的变化情况及在合计中所占的比例。由表2可知，在各温度作用下索梁（塔）温差对主梁跨中挠度影响最大，整体温差对主塔塔顶水平位移和主梁梁端水平位移影响最大；温度作用对结构位移影响明显，相对于恒载位移的比例较大，其中温度作用合计对于主梁梁端水平位移作用最明显，升温和降温作用均已超过了活载作用产生的位移。

2.3.3温度作用引起的索力变化

哇加滩黄河特大桥为纵桥向不对称的双塔双索面斜拉桥，但其索力相差不大，现取半跨斜拉索进行温度效应分析。图10给出了主桥半跨斜拉索在各温度作用下的索力变化。由图10可以看出：在各温度作用下整体温差和主梁竖向温度梯度对靠近边墩图9温度作用下主塔应力分布

Fig.9Stress Distributions of Pylon Under

Temperature Actions图10温度作用下索力变化

Fig.10Variations of Forces of Cables

Under Temperature Actions和辅助墩的斜拉索索力影响最大；索梁（塔）温差对靠近桥塔的斜拉索索力影响最大；主塔温差对边墩表2温度作用下结构位移

Tab.2Displacements of Structures Under Temperature Actions温度作用主梁跨中主塔塔顶主梁梁端竖向挠度/cm占总效应比例/%水平位移/cm占总效应比例/%水平位移/cm占总效应比例/%升温整体升温2.5-52.0-11.087.3-16.679.4主梁正温差5.8-120.8-3.628.5-4.220.1索梁正温差-13.1272.93.1-24.6-0.10.4主塔正温差0.00.0-1.18.70.00.0合计-4.828.5-12.6-112.5-20.9-200.9降温整体降温-2.0-24.39.1102.213.686.0主梁负温差-2.9-35.31.820.22.113.2索梁负温差13.1159.7-3.1-34.80.10.6主塔负温差0.00.01.112.30.00.0合计8.2-48.88.979.415.8151.9活载最大4.8-28.67.163.48.177.9活载最小-42.4252.4-17.4-155.4-9.3-89.4恒载-16.8100.011.2100.010.4100.0注：合计、活载及恒载后比例为项目占恒载的比例。处斜拉索索力影响较大。拉索S7在合计温度作用下索力变化占恒载的比例最大，升温和降温作用下分别达到5.47%和4.13%，索力变化值为153.4 kN和-115.8 kN。

2.3.4温度作用敏感性分析

根据上述的计算分析可以发现：无论是对于主梁、主塔还是斜拉索，整体温差始终影响着其内力和位移的变化；相应的主梁竖向温度梯度对主梁影响最大，对于主塔和斜拉索影响均较小；主塔顺桥向温差对主塔内力影响最大，对于主梁和斜拉索影响均较小；索梁（塔）温差则主要影响结构跨中的挠度和斜拉索索力。表3给出了结构各部位的温度作用敏表3哇加滩黄河特大桥各构件温度作用敏感性

Tab.3Sensibility of Components to Temperature Actions in Wajiatan Yellow River Bridge温度作用主梁主塔弯矩应力挠度水平位移弯矩应力水平位移索力整体温差一般敏感一般敏感一般敏感敏感敏感敏感敏感敏感主梁温度梯度敏感敏感一般敏感一般敏感一般敏感一般敏感一般敏感一般敏感索梁（塔）温差一般敏感一般敏感敏感不敏感敏感敏感一般敏感敏感主塔温差不敏感不敏感不敏感不敏感一般敏感一般敏感一般敏感一般敏感感性。3结语

（1）英国规范和欧洲规范对钢混凝土组合梁温度梯度的规定最为详尽，建议在高原高寒地区钢混凝土组合梁温度梯度在英国规范的基础上，正温差根据太阳辐射强度对温度基数进行修正，负温差取正温差的-0.5倍进行计算。

（2）在青海高原高寒地区，采用考虑地理位置修正的英国规范主梁竖向温度梯度模式进行计算并指导设计更偏于安全。

（3）对于高原高寒地区大跨径组合梁斜拉桥，温度作用不可忽视，在桥梁结构的某些位置其引起的结构内力和变形甚至超过活载，成为仅次于恒载作用的第二大控制作用，因此在设计阶段就应给予重视。对全桥进行温度敏感性分析，有利于从整体把握大桥温度效应，为相似组合梁斜拉桥的温度效应分析提供借鉴。参考文献：

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