六塔公铁两用斜拉桥钢桁梁温度场的长期监测与分析

2017-01-09王蔓亚丁幼亮赵瀚玮岳青吴来义

铁道建筑 2016年12期

王蔓亚，丁幼亮，2，赵瀚玮，岳青，吴来义

(1．东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏南京210096;2河北省大型结构健康诊断与控制实验室，河北石家庄050043;3．中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司，江苏南京210032)

王蔓亚1，丁幼亮1，2，赵瀚玮1，岳青3，吴来义3

基于郑州黄河公铁两用桥连续钢桁梁温度场的长期监测数据，利用极值分析方法对结构竖向、纵向、横向温差以及关键构件截面的内部温差进行了计算和分析，得到六塔公铁两用斜拉桥钢桁梁的温差分布特性。研究结果表明:部分结构温差如边桁与中桁构件间温差、边桁下弦杆箱形截面温差超过10℃，甚至高达21.92℃，明显超过最大温差设计值;结构整体竖向温差和部分截面温差最高达7℃。建议在此类桥梁结构设计时充分考虑温度效应。

钢桁梁桥;温度场;极值分析;温差分布特性;结构健康监测

桥梁结构尤其是大跨度桥梁结构受日照辐射等因素影响会出现温度效应［1］，并在结构中产生变形［2］、温度应力、附加应力等［3］，从而改变结构的受力特性，影响桥梁的服役性能［4］，因此研究桥梁环境温度场对结构设计和施工的影响有重要意义。现行桥梁规范对结构温度效应进行了规定，但规定的温度梯度模式与实际情况存在一定差异［5］。目前国内外对于桥梁上部结构温度场的研究，以钢筋混凝土箱梁桥、钢-混组合梁桥、钢箱梁桥等结构形式居多。例如对混凝土箱梁桥的温度场进行模拟和分析、研究波形钢腹板组合桥梁的温度梯度模式以及用实测数据研究钢箱梁桥的温度场［6-9］，但针对连续钢桁梁桥结构温度场特性［10］的研究较少。本文基于2015年郑州黄河公铁两用桥钢桁梁温度场的健康监测数据，利用极值分析方法对结构竖向、纵向、横向温差以及关键部位构件截面温差进行计算和分析，得到其温差分布特性，并与实际设计取值进行了对比。

1 监测断面及传感器布置

郑州黄河公铁两用桥是石郑铁路客运专线及中原黄河公路大桥跨越黄河的共用桥梁，是世界上首次采用2片边主桁倾斜的3片主桁结构桥梁。主桥的六塔连续斜拉桥部分的上部结构为(120+5×168+120)m连续钢桁梁，主桥立面如图1所示，图中截面位置均布有健康监测采集装置。以桥梁中部截面11为例，介绍桥梁温度传感器的布置情况，如图2所示。该断面边桁、中桁的上弦杆，横梁翼板和混凝土桥面板处均布有温度传感器，采样频率为1 Hz。

图1 郑州黄河公铁两用桥主桥立面(单位:m)

图2 截面11传感器布置

2 长期监测结果分析

2.1 结构竖向温差

选取中间桁架的上弦杆、腹杆和下弦杆之间的竖向温差来描述钢主桁整体竖向温差分布特性。每个监测位置在上下游均布有温度传感器，以同一时刻两侧温度平均值代表该处整体温度，并将不同弦杆间的整体温度值相减得到结构竖向温差。3个结构竖向温差样本中下弦杆与腹杆温差较小，主要在±2.5℃之间波动，最大温差绝对值为3.48℃。上弦杆与下弦杆、腹杆间温差波动范围则大一些，最大温差绝对值分别为4.89℃和5.17℃。上弦杆与腹杆间温差时程变化曲线，见图3。

图3 上弦杆与腹杆间温差时程变化曲线

2.2 结构纵向温差

结构纵向温差由桥梁纵向不同截面处的相同构件间温度差值计算而得，选取下游边桁上弦杆、边桁下弦杆以及中桁上弦杆3处温差样本来表征钢主桁整体纵向温差分布特性。经计算，3个温差样本均包含一定幅值的正温差和负温差，边桁上弦杆纵向温差以正温差为主，边桁下弦杆和中桁上弦杆纵向温差以负温差为主。其中边桁上弦杆的纵向正温差最大可达到10.7℃，中桁上弦杆纵向温差相对较小，在－3～2℃波动，边桁下弦杆纵向温差在三者之中最小，以负温差为主，最大负温差为－2.59℃。边桁上弦杆温差时程变化曲线，见图4。

图4 边桁上弦杆温差时程变化曲线

2.3 结构横向温差

结构横向温差主要分为公路桥面板横向温差和钢主桁架横向温差。选取混凝土公路桥面板、边桁上弦杆和横梁翼板3处温差来描述结构整体横向温差分布特性。混凝土桥面板横向温差即为同一截面不同位置处整体温度的差值，同理可得混凝土公路桥面板、边桁上弦杆和横梁翼板的横向温差。经计算得到混凝土桥面板、边桁上弦杆和横梁翼板横向正温差和负温差均较小，横梁翼板横向温差最小只有2.02℃。而混凝土桥面板横向温差最大为2.88℃，边桁上弦杆横向温差最大达到3.15℃。总体来说，桥梁结构横向温差数值较小，结构设计中可不考虑温度变化的影响。

2.4 结构构件内部温差

2.4.1 弦杆箱型横截面温差

钢桁主梁的弦杆大部分采用箱型截面形式，以截面11边桁上弦杆和中桁腹杆为例，温度传感器布置如图5所示。为进一步研究弦杆箱型截面的横向温差大小以及分布特性，选取截面11的边桁上弦杆、中桁腹杆，截面9的中桁下弦杆以及截面12的边桁下弦杆4个箱型横截面，将截面两侧的温度传感器在同一时刻的温度值相减得到相应截面的横向温差。分析可得:①边桁下弦杆箱型截面温差最大，以正温差为主，最高正温差达21.92℃;②中桁下弦杆箱型截面温差在－8～4℃波动，最大负温差达－7.33℃;③边桁上弦杆与中桁腹杆截面温差较小，在±4℃之间波动，最大温差达3.88℃。中桁下弦杆和边桁下弦杆的截面温差时程变化曲线，见图6。

图5 钢桁梁弦杆截面形式及传感器布置

2.4.2 腹杆工字型截面温差

钢桁梁部分腹杆选用工字型截面，截面温度传感器布置在工字钢两侧，以截面8边桁腹杆工字型截面为例，温差时程变化曲线如图7所示。边桁腹杆工字型截面的横向温差主要在－4～6.1℃波动，最大温差达6.06℃，构件截面温差数值较大，应在结构设计中考虑温度效应。

2.5 实测值与设计值对比

基于以上郑州黄河公铁两用斜拉桥的温差分析结果，得到实测温差分布特性如表1所示。

图6 弦杆箱型截面温差时程变化曲线

图7 边桁腹杆温差时程变化曲线

表1 郑州黄河大桥的温差分布特性℃

对钢主桁和桥面系温差样本结果与规范设计值进行对比分析，得到以下结论:

1)上、下两弦杆间和上、下弦杆与腹杆间最大温差绝对值较大，约为5℃;边桁构件与中桁构件间温差高达14.58℃，而规范规定最大温差设计值仅为±10℃，明显偏小。

2)边桁杆件温差较中桁杆件温差普遍偏大，尤其是边桁下弦杆温差高达21.92℃，是其他构件内部温差的4～10倍。

3)横梁翼板和混凝土桥面板温差较小，最大温差绝对值均小于3℃。但主桁架结构的边桁和中桁构件内部温差较大，且受构件位置影响，在结构温度场内分布存在不均匀性。

3 结论

1)现行设计规范仅考虑了边桁与中桁构件间温差，且设计值为±10℃，与实测连续钢桁梁桥结构温差分布特性存在明显差异。

2)边桁与中桁构件间温差和边桁上弦杆的纵向温差分别为14.58℃和10.7℃，边桁下弦杆箱型截面温差高达21.92℃。这些部位的构件温差均十分明显，在连续钢桁拱结构的温度作用设计时应予以充分考虑。

3)结构整体竖向温差即上、下弦杆与腹杆的温差，中桁弦杆箱型截面、边桁上弦杆箱型截面及边桁腹杆箱型截面两侧温差较大，在5～7℃波动，设计时宜考虑连续钢桁梁的温度作用。

4)混凝土桥面板、横梁翼板、弦杆等部位的结构横向温差很小，在±2℃内波动，在连续钢桁梁的温度作用设计中可不予考虑。

［1］IM C K，CHANG S P．Estimation Extreme Thermal Loads in Composite Bridge Using Long-term Measurement Data［J］．Steel Structure，2004，1(4):25-31．

［2］SUBRAMANIAM K V，KUNIN J，CURTIS R，STREETER D．Influence of Early Temperature Rise on Movements and Stress Development in Concrete Decks［J］．Journal of Bridge Engineering，2010，15(1):108-116．

［3］张玉，卢鑫宇，梁壮壮，等．大跨结构温度和应力的监测分析［J］．交通科技与经济，2015，17(6):97-101．

［4］DING Y L，LI A Q．Temperature-induced Variations of Measured Modal Frequencies of Steel Box Girder for a Long-span Suspension Bridge［J］．International Journal of Steel Structures，2001，11(2):145-155．

［5］陈彦江，王力波，李勇．钢-混凝土组合梁桥温度场及温度效应研究［J］．公路交通科技，2014，31(11):85-90．

［6］LI D N，MAES M A，DILGER W H．Thermal Design Criteria for Deep Prestressed Concrete Girders Based on Data fromConfederation Bridge［J］．Canadian Journal Civil Engineering，2004，31(5):813-825．

［7］汪剑，方志．混凝土箱梁桥的温度场分析［J］．湖南大学学报，2008，35(4):23-28．

［8］强俊涛，姚晨，张峰，等．波形钢腹板组合桥梁温度效应研究［J］．公路，2016(3):54-57．

［9］DING Y L，WANG G X．Estimating Extreme Temperature Differences in Steel Box Girder Using Long-term Measurement Data［J］．Journal of Southeast University，2013，20:2537-2545．

［10］汪水清．三主桁钢桁梁铁路桥温度场研究［J］．安徽建筑，2014(2):98-99．

Long-term Monitoring and Analysis of Temperature Field in Steel Truss Girder of Rail-cum-Road Cable-stayed Bridge with Six Towers

WANG Manya1，DING Youliang1，2，ZHAO Hanwei1，YUE Qing3，WU Laiyi3
(1．Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China;2．Key Laboratory for Health Monitoring and Control of Large Structures，Shijiazhuang Hebei 050043，China; 3．China Railway Major Bridge(Nanjing)Bridge and Tunnel Inspect＆Retrofit Co．，Ltd．，Nanjing Jiangsu 210032，China)

Based on the long-term monitoring data of temperature field in steel truss girder of Zhengzhou Yellow River rail-cum-road bridge，the vertical，longitudinal，transverse temperature difference and internal temperature difference in key sections of structure were calculated and analyzed by using extreme value analysis method．T hen the temperature difference distribution in rail-cum-road cable-stayed bridge with six towers was concluded．T he results show that part of the structural temperature differences like the one between side girder and middle girder and box section temperature difference in side girder bottom chord are more than 10℃and even up to21.92℃，which are obvious higher thanthe designvalue．Structural vertical temperature difference andsome member-sectional temperature differences are up to 7℃．It is suggested that the temperature effect should be fully considered in the design of this kind of bridge structure．

Steel truss bridge;T emperature field;Analysis of extreme value;Distribution of temperature difference; Structural health monitoring

U448．12+1

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．02

1003-1995(2016)12-0005-04

(责任审编郑冰)

2016-06-15;

2016-10-30

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015CB060000);河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室开放课题(201502);中国铁路总公司科技研究开发计划(2014G004-B)

王蔓亚(1994—)，女，博士研究生。

丁幼亮(1979—)，男，研究员，博士。