叠合梁斜拉桥施工阶段温度效应影响研究

王 祥

（四川公路桥梁建设集团有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

南溪长江公路大桥为斜拉桥为主跨是572m的半漂浮体系叠合混合斜拉桥，其跨径分布为：280+572+(72.5+63+53.5)m，主桥为双塔、密索、双索面体系，桥塔采用花瓶形塔，普通钢材均采用Q370qD。桥面板与混凝土主梁均采用C60高强混凝土。钢主梁截面采用双工字型截面，横桥向两个钢主梁中心间距为29.5m，桥面板混凝土厚 26cm，钢主梁顶部加厚 40cm。根据实际桥梁的信息，使用桥梁软件Midas/Civil来建立全桥的3维杆系模型，全桥共有5853个单元和4016个节点。主梁采用C60混凝土，弹性模量为3.6×104MPa,索塔采用C50混凝土，弹性模量为3.45×104MPa，混凝土材料的泊松比为0.2，热膨胀系数为1×10-5/℃，斜拉索采用Strand1860单元，弹性模量为1.95×105MPa，泊松比为0.3，热膨胀系数为1.2×10-5/℃。斜拉索与主梁采用弹性连接，其主梁截面形式与实桥的截面形式保持一致，其结构桥面板为预制拼装，塔柱、混凝土主梁的边界条件均为刚性连接。

1 计算结果分析

1.1 温度效应的分解

斜拉桥的温度场情况十分复杂，为了简化温度场的情况，将斜拉桥的温度场分解为整体温差、索梁温差、主梁的非线性温差、塔左右温差、钢主梁上下游温差[7]。整体温度效应指的是从合龙温度开始算起，大气温度的改变所对应的桥梁所有结构整体温度的改变；索梁温差指的是从合龙温度开始算起，因为主梁与斜拉索使用的材料的比热容、导热性等性质不相同导致桥梁构件中斜拉索与主梁之间的温度的差值，；主梁的非线性温差指的是从合龙温度开始算起，因为桥梁主梁上下表面受到的太阳辐射大小不一致所导致的桥梁主梁沿桥梁高度方向产生的温度梯度；塔左右温差指的是从合龙温度开始算起，由于主塔左右侧面受到的太阳辐射大小不一致所导致的主塔左右侧存在的温度梯度；钢主梁上下游温差指的是由于桥梁上游钢主梁受到太阳辐射的影响所呈现出来的桥梁的钢主梁之间的温差。

1.2 温度参数取值

1、根据桥梁设计文件取合龙温度为18℃。

2、整体温差：根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）[84。4.3.12条得出，混凝土板整体升温16℃，钢主梁整体升温21℃；混凝土板整体降温21℃，钢主梁整体降温24℃。

3、主梁的非线性温度温差：根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）[8]。4.3.12条得出，T1=25℃,T2=6.7℃，混凝土结构的竖向日照反温差为正温差乘以-0.5。

4、构件间温差：根据《公路斜拉桥设计细则》（JTG D65-01-2007）[9]。5.2.5条得出，斜拉索与主梁索塔间的温差为±10℃，索塔左右侧温差为±5℃。

5、钢主梁上下游温差：钢主梁上下游温差取±4℃。

1.3 结果分析

在各种温度效应的作用下，在边跨合龙前的施工阶段的主梁的竖向挠度变化趋势如图～图所示。图～图的横坐标均表示桥梁的梁段号，从左往右是实际桥梁由北往南的顺序，纵坐标均表示主梁各梁段相对于没有添加各温度荷载的竖向挠度。由于边跨合龙前中跨施工进行到LZ19和JZ2，故主梁在LZ20～LZ22、JZ1处不连续。南岸边跨为现浇混凝土段，与地面刚接，竖向挠度为零，故不在图中展示。

图1 整体温差对主梁竖向变形的影响曲线的影响曲线

图2 索梁温差对主梁竖向变形

图3 非线性温差对主梁竖向变形的影响曲线变形的影响曲线

图4 塔左右温差对主梁竖向

根据图中可以得出整体升降温对主梁的竖向挠度的影响很小。施加了整体升降温荷载之后靠近合龙口的竖向挠度只有-1.3mm，整个梁的变形呈现w型，且同一根梁的竖向变形的方向不一致，变化曲线规律性较差，笔者认为是由于施加了整体荷载后所有的构件都呈现出温度的变化所以才会出现比较复杂的变形趋势，但是各个构件的升降温所带来的变形相互抵消，导致的竖向挠度较小。

根据 图可以得出索梁温差对主梁的竖向变形影响很大。在索梁正温差作用下，北岸整个梁呈现倒V字形，其中越远离主塔的梁竖向变形越大，且变形趋势均一致。当索梁温差为正时，竖向变形为负，当索梁温差为负时，竖向变形为正。其中边跨合龙口的竖向变形达到了80mm。笔者认为，斜拉索会因为索梁正温差温度同时上升，从而导致主梁的竖向变形特征比较规律。

根据图得出非线性温差对主梁的竖向变形影响很大。在非线性正温差作用下，北岸整个梁呈现U字形，在略靠近合龙口的位置时竖向挠度达到最大后随即有了小幅度的下降，北岸边跨合龙口的竖向挠度达到了317mm，南岸边跨合龙口位置处的竖向挠度352mm，变形趋势正好与索梁温差的变形趋势相反。

根据图3非线性温差对主梁竖向变形的影响曲线 图得出塔左右温差对竖向挠度变化不明显，在北岸靠近主塔处有个突变之后基本竖向变形基本稳定在8mm左右，在南岸边跨处合龙口的竖向挠度达到了18mm。

图5 钢主梁上下游温差对钢主梁上下游竖向变形的影响曲线

根据图得出在上游钢主梁施加了4℃的温度荷载之后，北岸上游钢主梁的变形呈现凵字形，即靠近主塔时变化不明显，从LB15～LZ10梁段竖向挠度一直稳定在3mm以内，随后在靠近合龙口处有较快的提升，在北岸边跨合龙口处的竖向挠度达到了21mm。由于温度效应导致的次应力较小，导致北岸下游钢主梁整体变形较小，基本稳定在5mm以内。

综上得出结论：在五种温度效应中，对边跨合龙口的竖向挠度的变化的贡献大小的排序依次是：梁非线性温差、索梁温差、钢主梁上下游温差、塔左右温差、整体温差。而梁非线性温差与索梁温差对边跨合龙口处的竖向挠度的变化的影响尤为显著，分别达到了317mm和80mm。

2 实测数据验证

2.1 实测数据展示

为了探讨斜拉桥梁随温度的变化规律，对主跨为572m的叠合混合斜拉桥在边跨合龙前进行24小时斜拉桥边跨合龙口的竖向挠度(测试时间为2018年10月，晴天)，观测结果和同一天的气温变化曲线如图所示，根据图可以得出结论：

图6 实测变形与大气温度

1、在一天中的23：00到第二天中的10：00中，由于气温始终稳定在16℃，边跨合龙口处的竖向挠度始终稳定在5mm以内，而且在这个时间段，整座桥梁只受到整体温差的影响，当气温稳定在合龙温度附近时，竖向挠度也稳定在0附近，与整体温差的计算结果吻合。

2、从一天中的 10点开始，温度开始出现飙升状态，导致该桥向阳一侧的钢主梁受热，向阳一侧的竖向挠度出现了较大的抬升，峰值在14：00处为19.1mm；而背阳的一侧的竖向挠度有了较小幅度的下降。整个桥面在光照作用下呈现一种扭转的变形。

2.2 拟合结果分析

为了拟合在边跨合龙前桥梁在全天最高温度（14：00）所处的温度场，根据实测的气温变化曲线，采用以下的温度场：

1、认为此时大气温度等同于桥梁的整体温度。故取整体温差为大气温度减去合龙温度为5℃。

2、由于桥梁上游受日照照射效应明显，导致上游钢主梁受热，采用上游钢主梁均匀升温4度。

所处的工况，计算结果如下。

1、在边跨合龙口处，在温度效应的作用下，上游竖向计算位移最大差值为21.0mm，与实际上游竖向挠度最大差值 19.1mm吻合较为良好，且上游竖向挠度随时间的变化曲线与实际测量得到的竖向挠度曲线较为接近。

2、在边跨合龙口处，在上述温度效应的作用下，下游竖向计算位移最大差值为3.2m，与实际下游的竖向最大位移差值3.9mm吻合较为良好。

综上所述，以上通过实测的气温变化曲线所拟合出来的温度场可近似代替实际桥梁所处的温度场来进行桥梁温度效应的主梁标高计算，且温度效应作用下所导致的主梁挠度的误差很小。

3 结论

1.在各种温度效应的作用下，梁的非线性温差和索梁温差对合龙口处的竖向挠度影响很大，属于敏感因素，而整体温差、塔左右温差和钢主梁上下游温差对合龙口处的竖向挠度影响不明显，但是钢主梁上下游温差对主梁上下游会产生较大的变形不协调，同样值得关注。

2.通过实测的气温变化曲线所拟合出来的温度场可近似代替实际桥梁所处的温度场来进行桥梁温度效应对主梁竖向挠度的计算，且温度效应作用下所导致的主梁标高的变化的误差很小。

3.由于梁的非线性温差、索梁温差和钢主梁温差均属于日照温差，且对主梁标高影响很大，建议在今后的此类型桥梁合龙中应该多避免这些因素的影响而选择在夜间合龙。