三塔斜拉-自锚式悬索协作体系模型桥温度效应分析

蔡军哲，司 龙

(1.西安公路研究院，陕西 西安 710065；2.陕西省长安区农村公路管理站，陕西 西安 710100)

三塔斜拉-自锚式悬索协作体系模型桥温度效应分析

蔡军哲1，司 龙2

(1.西安公路研究院，陕西 西安 710065；2.陕西省长安区农村公路管理站，陕西 西安 710100)

为研究三塔斜拉-自锚式悬索协作体系桥温度效应下的受力机理和工作性能，以某在建桥梁为依托工程，制作了1∶20缩尺试验模型，研究了桥梁整体温差、索梁温差、桥塔日照和桥面日照等4种工况下桥梁结构的变形响应及索力变化规律。结果表明：在这4种工况下，相邻吊索索力变化呈现正负跳跃的特点，影响索力的均匀性；索梁温差对主梁位移影响最大，对短索索力影响也较大；分缆索力变化值均较小。

桥梁工程；斜拉-自锚式悬索协作体系桥；模型试验；温度效应

0 引 言

桥梁结构处于一定自然环境中，不可避免地受到自然环境因素的影响。桥梁所处的地理位置、结构方位、几何材料特性、环境温度变化、阳光辐射等都使得结构内各部分的温度发生变化。由于混凝土导热系数较小，在表面温度急变的情况下，内部温度变化存在明显的滞后现象，导致在结构中产生非线性温度梯度效应。

温度效应对结构的影响程度随结构体系不同而不同，虽然可以采用数值分析方法进行精确地理论分析，但尚需与结构实际效应进行对比和分析。因此，实桥或模型桥的温度效应测试就显得尤为重要。

笔者依托的工程为一座三塔斜拉-自锚式悬索协作体系桥。该桥型能够充分发挥斜拉桥和自锚式悬索桥各自的优点，具有结构新颖、受力合理、景观效果突出等优点。应用于软土地基、城市桥梁时尤能彰显其特点[1-2]。

为校核依托工程桥梁设计及计算理论的准确性、合理性，探索结构在温度作用下变形响应及内力变化规律，笔者以1∶20缩尺模型桥为研究对象，在整体温差试验验证的基础上，研究了模型桥在整体温差、索梁温差、桥塔日照和桥面日照这4种工况下结构的变形响应及内力变化规律。

1 温度荷载基本理论

1.1 桥梁构件温度分布特点

桥梁构件的构造特征对温度分布有明显影响。在混凝土箱形截面梁中，沿箱梁顶板表面温度分布比较均匀，但沿腹板表面的温度分布则随时间变化而较为复杂[3-9]。混凝土塔柱、墩柱结构的垂直表面的温度分布随其朝向、太阳方位角的变化而变化。

1.2 温度作用

混凝土桥梁构件表面及内部各点温度随时都在发生变化，但就自然环境条件变化所产生的温度作用，一般可分为整体温差作用和日照引起的梯度温度作用。

TB 10002.3—2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》、JTG D 60—2004《公路桥梁设计通用规范》表明：在日照引起的升温、降温等因素作用下，箱梁沿桥长方向的温度分布是基本一致的，而沿梁高方向和梁宽方向的温差分布可简化为

T(y)=T0ye-cyy

(1)

T(x)=T0xe-cxx

(2)

式中：T0y为箱梁顶、底的温差(一般取值约15 ℃)；T0x为箱梁两外侧腹板的温差(一般取值约15 ℃);cy,cx分别为指数系数，一般取5；x，y分别为计算点离梁侧、梁顶的距离。

温差作用效应分析与结构体系特性关系密切。传统拱式桥梁中以年温差作用效应为主，梁拱组合体系桥则主要考虑各构件之间温差效应，斜拉桥则需考虑塔、梁和索各自的温差效应，索塔与梁的温差效应，塔柱两侧温差效应以及与主梁截面形式及组成材料相关的梯度温差效应。

2 工程背景

依托工程为三塔斜拉-自锚式悬索连续协作体系桥，跨径组合为：25 m+90 m+162.5 m+162.5 m+90 m+25 m=555 m，桥梁全宽40 m，其中机动车道宽23.5 m，双向六车道。桥面纵桥向设置双向1.5%纵坡，横向设置双向2%横坡。

由于该桥施工过程结构呈现高度非线性效应，且存在不同体系的组合受力和刚度匹配问题，受力极为复杂，国内外可借鉴的研究成果较少。因此，有必要对该桥进行缩尺模型试验。在综合考虑结构参数、模型材料、制作工艺以及实验室条件等因素的前提下，全桥模型试验的几何缩尺比确定为1∶20。主梁材料为铝合金，主塔为C50混凝土，副塔为钢-混凝土结构，斜拉索和背索为8 mm的65锰钢，主缆和分缆为3 mm平行钢丝，吊索为6 mm的65锰钢。

笔者以模型桥为研究对象，在体系温差测试结果的基础上，开展不同温度工况下模型桥的变形响应和内力变化分析。

3 计算模型

为简化计算及兼顾动力分析需要，模型桥离散为由空间梁单元、索单元组成的“鱼骨”式有限元模型。主要材料参数如表1，模型桥与实桥相似关系如表2。

表1 主要材料参数

注：取值综合考虑模型桥材料、所处位置、季节等因素。

表2 几何及力学相似关系

计算模型如图1，斜拉索、背索、吊索及悬索分缆索编号如图2。

图1 全桥计算模型Fig.1 Full bridge calculation model

4 温度效应分析

4.1 温度工况

工况1：整体温差效应。分别取整体升温5，10，15 ℃，降温10，15 ℃进行计算及对比分析。

工况2：索梁温差效应。索梁温差分别取3，5，7，9，11 ℃。

工况3：桥塔日照效应。采用线性温度梯度模式，塔身左右侧温差分别取2，3，4，5，6 ℃，温度梯度分布如图3(a)。

工况4：桥面日照效应。采用桥面板升降温模式，主梁顶板与腹板、底板温差取1，2，3，4，5 ℃，温度梯度分布如图3(b)。

图2 计算索力编号示意Fig.2 Calculation cable force numbering schematic

图3 桥塔及主梁温度梯度示意Fig.3 Bridge tower and beam temperature gradient schematics

4.2 试验结果

图4为试验测试过程主梁位移增量、斜拉索索力增量、吊索索力增量的变化特征及规律。

图4 实测的主梁位移、斜拉索索力、吊索索力增量Fig.4 Measured displacement increment of beam, tension force increment of stay-cables and sling

4.3 理论计算结果

由于实际桥梁测试中无法准确模拟多种温度工况，以下给出4种温度工况下的理论计算结果。

4.3.1 工况1

整体温差作用下主梁位移增量、斜拉索索力增量、吊索索力增量、背索索力增量、悬索分缆索力增量的变化规律如图5。

在整体温差工况下，从模型桥实测和计算结果(图5)，可以得到如下结论：

1)实测与计算结果规律性一致。实测挠度较计算值略大，索力较计算值略小，这与模型桥各部件间的连接关系、边界条件差异、配重系统等有一定关系。

2)主塔两侧的变形量呈对称关系。桥墩及桥塔的变形很小，升降温分别使缆索伸长与缩短，跨中主梁发生下挠和上挠。温差越大，主梁整体竖向位移变化量越大。

3)随着温度变化，斜拉索索力发生变化，温度升高，索力增大，温度降低，索力减小；温差越大，索力变化量越大；塔根部短索索力变化速度明显快于跨中附近长索。

4)随着温度的变化，左右吊索索力增量呈相反变化趋势，即相交于同一主缆结点的一对吊索，左侧吊索索力增大，右侧吊索索力减小。因此，同一温度工况下自第1根吊索(4号索)开始，索力变化则呈现正负跳跃的特点。从悬索跨吊索索力变化规律的整体分布特点来看，温度变化对短吊索影响要大于长吊索，对刚性直吊索影响较小。

5)背索索力也发生相应变化，温度升高，索力增大，温度降低，索力减小；各根背索索力变化快慢不同，靠近跨中第1根长背索索力变化明显大于其他4根背索。

6)悬索分缆索力变化规律基本一致，温度升高，索力增大，温度降低，索力减小。

4.3.2 工况2

索梁温差作用下的主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、悬索分缆索力增量的变化规律如图6。

图6 工况2下：主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、悬索分缆索力增量Fig.6 Displacement increment of beam, tension force increment of sling, stay-cables,backstay cable, and cable strand under loading case 2

从索梁温差工况计算结果(图6)可以得到如下结论：

1)主缆由于升温而伸长，使得主缆的垂度增加，增大了中跨主梁下挠，缆索升温越大，中跨主梁下挠也就越大。

2)由于斜拉索升温发生的伸长量抵消了主梁下降的影响量，使得悬臂端部斜拉索索力减小，塔区短索索力减小速度较快。但是，由主塔向跨中索力并非始终递减，而是5号拉索附近索力变化最小。

3)与整体温差工况类似，吊索的变化也呈现左右正负跳跃的特点，从悬索跨吊索索力变化规律的整体分布特点来看，温度变化对短吊索影响要大于长吊索，对刚性直吊索影响较小。

4)背索和分缆缆力变化规律基本一致。随着缆索系统的温度升高，背索和分缆力均呈现减小的趋势。短背索索力变化大于长背索，悬索分缆索力变化基本一致。

4.3.3 工况3

桥塔日照工况下主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、悬索分缆索力增量的变化规律如图7。

图7 工况3下：主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、悬索分缆索力增量规律Fig.7 Displacement increment of beam, tension force increment of sling, stay-cables ,backstay cable, and cable strand under loading case 3

从桥面日照工况计算结果(图7)可以得到如下结论：

1)索塔两侧混凝土纤维伸长量不一致使索塔向一侧发生偏位，主梁也随之向一侧移动，同时主梁亦随着索塔的偏位而发生一个类似扭转效应。

2)索塔左右温差对斜拉索索力有一定影响，近主塔处短索索力增量较大，远主塔处长索索力影响逐渐减小。

3)吊索的变化依然呈现相邻吊索索力变化正负跳跃的特点，从悬索跨吊索索力变化规律的整体分布特点来看，温度变化对不同吊索影响程度基本相同；对刚性直吊索影响较小。

4)对长背索影响明显大于短背索，这与同样主跨内的斜拉索变化规律正好相反。

5)悬索分缆索力变化规律不同，3号分缆索力变化最小，两侧分缆索力增量变化逐渐增大。

4.3.4 工况4

桥面日照工况下主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、悬索分缆索力增量的变化规律如图8。

图8 工况4下：主梁位移增量、吊索索力增量、斜拉索索力增量、背索索力增量、悬索分缆索力增量规律Fig.8 Displacement increment of beam, tension force increment of sling, stay-cables,backstay cable, and cable strand under loading case 4

从桥面日照工况计算结果(图8)可以得到如下结论：

1)主梁梁顶纤维伸长量大于梁底伸长量而发生屈曲位移，增加了边跨跨中的下挠值。温差越大，边跨跨中的下挠值就越大。

2)随着桥面板升温，X8-A号斜拉索索力增幅最大，向两侧索力影响逐渐减小。背索索力变化也有相似的特征，即靠近副塔处索力增加，靠近跨中处索力减小。说明主跨背索与斜拉索对主梁提供的竖向刚度不同，导致索力变化不匀。

3)吊索的变化依然呈现相邻吊索索力变化正负跳跃的特点，由锚跨到副塔侧吊索索力变化呈逐渐增大趋势；温度变化对刚性直吊索影响较小。

4)悬索分缆索力变化基本一致。

5 结 论

以三塔斜拉-自锚式悬索协作体系模型桥为研究对象，研究了模型桥在整体温差、索梁温差、桥塔日照和桥面日照这4种工况下结构的变形响应及内力变化规律，得到如下结论：

1)索梁温差工况对主梁下挠影响最大，按照1∶20相似关系，每1 ℃温差约造成实桥桥面2 mm的最大竖向变形。依次是桥面日照、整体温差和桥塔日照。

2)各温度工况下，相邻吊索索力变化呈现正负跳跃的特点，这是该桥采用吊索后受力的重要特点。由体系升降引起的吊索索力变化绝对值并考虑1∶197的吊索力相似关系，则索力变化可达14 kN/℃，因此，必须重视成桥阶段吊索索力的均匀性，这是保证吊索及索梁锚固区安全的重要前提。

3)从各工况下背索与斜拉桥索力分布来看，索力变化规律性较强，与一般斜拉桥索力分布特点类似。在索梁温差作用下，短索索力变化较大，依据相似关系换算到实桥索力，其影响值可达到20 kN/℃。

4)不同温度工况下悬索分缆索力变化基本一致，表明温度变化对该桥主缆的构造型式影响很小。只要保证成桥阶段悬索分缆索力的均匀性，即可保证缆索体系的安全运营。

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(责任编辑 田文玉)

Analysis of Temperature Effect on Cable-Stayed Self-Anchored Suspension Composed Model Bridge with Three Towers

CAI Junzhe1，SI Long2

(1. Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, P.R.China；2.Chang’an Erea County Road Management Station, Xi’an 710100, Shaanxi, P.R.China)

In order to study the mechanical performance of the cable-stayed self-anchored suspension composed bridge with three towers under temperature effect, a model bridge with 1∶20 reduced scale was made, and it’s deformation performances were studied under four conditions, which were uniform temperature change, temperature difference between cables and girder, sunshine temperature difference on tower and sunshine temperature difference on girder. The results show that there are the same change trends of adjacent hanger tension in suspension section, one hanger tension increase and another descend, which has greatly influenced the uniform distribution of hanger tension. Under the condition of temperature difference between stayed cables and girder, the degree of the girder deformation changes and of the tensions changes of short stayed cable are probably significant.Key words: bridge engineering; cable-stayed self-anchored suspension composed bridge; model test; temperature effect

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.01.01

2015-12-28；

2016-04-27

蔡军哲(1982—)，男，陕西宝鸡人，工程师，主要从事桥梁结构理论分析方面的研究。E-mail：153068642@qq.com。

U441+.5

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1674-0696(2017)01-001-08