斜拉桥温度问题研究综述

2020-01-09阳珊清

科学技术创新 2020年3期

阳珊清

(重庆交通大学土木工程学院，重庆400041)

桥梁结构处于自然环境中，受到太阳辐射以及季节性因数会使得结构中各个部分的温度发生变化[1]。斜拉桥为多次超静定结构，大多数斜拉桥的跨径范围一般在300m～1000m 范围，在温度作用下，引起桥梁结构的纵向以及竖向变形，并产生温度应力，影响桥梁的耐久性。随着跨径不同，斜拉桥的主梁形式分为混凝土箱梁、钢箱梁、钢桁梁、π 型梁等形式，不同形式的主梁刚度不一样，材料特性不一样，温度作用效应也有所不同[2]。当前斜拉桥的修建数量越来越多，斜拉桥在温度作用下的响应也越来越多的受到国内外学者的重视，从温度场的测试，再到温度作用下的就够响应。因此，总结现有斜拉桥温度作用的研究现状和面临的主要问题，对未来斜拉桥温度效应的研究具有重要的现实意义。

1 温度场的分布特性

在太阳照射下，斜拉桥主梁内部的温度场会随着外界环境（日照、气温以及风等）的变化而发生变化，受太阳辐射以及气温周期性变化规律的影响，斜拉桥的温度场在年和日两个时间维度上呈现出有规律的周期性变化。现有结果表明：以日为周期的温度时程曲线在采用正弦曲线进行拟合的时候可以得到结果，但是拟合的效果并不太理想。然而当利用傅里叶函数进行拟合的时候就更能精确的反映桥梁结构的温度的日变化规律。由于现场实测时，风速、遮挡等不利因素的影响，测点温度的真实值在拟合曲线的附近离散。

由于测点温度的变化并不及时，在相同时刻，斜拉桥在整个空间中的温度分布不均匀。斜拉桥跨度一般较大，沿纵向可以看作是细长构件，现有学者[3]已通过大量的实测表明沿桥梁纵向温度的分布模式可假定是均匀的，而不均匀的温度分布则主要是反映在桥梁的截面横向和竖直的两个方向。桥梁结构温度分布受日照和气温的影响显著。对于混凝土箱梁来说，当顶板或腹板在受到太阳的照射时，由于热量在混凝土中传递的滞后性，沿主梁的竖向及横向的温度分布显著不均匀。对于钢- 混凝土组合梁的斜拉桥，两种材料的导热性能差异非常的大，在钢- 混凝土的交界局部位置，温度分布的不均匀程度更加的显著。对于混凝土的主梁的斜拉桥来说，箱梁的内表面长期阴暗，不能吸收阳光，板厚方向就会形成外高内低的温度分布模式，此温度一般采用线性函数进行温度拟合，而钢梁由于其板件较薄，而且钢材的导热性能良好，故不考虑板厚方向的温差。

2 斜拉桥的温度作用

斜拉桥是拉索、主梁以及主塔组成的复杂的超静定结构体系，分度分布情况十分的复杂，结构的温度分布呈非线性特征，采用实际的温度场进行分计算十分复杂不便。在自然环境的条件变化下而产生的温度作用，一般可将其分为体系温差、索与塔梁温差、主梁温度梯度三个方面考虑。

2.1 体系温差

体系温差主要受桥梁结构所在地区的气候条件、构筑物材料等的影响，根据不同地区的年最高温度以及年最低温度来确定结构的体系温差。中国规范中根据当地气温、上部结构的形式、施工条件三个方式共同确定体系温差取值。

2.2 索与塔梁温差

拉索与主梁之间的温度差，主要是由于太阳照射下，拉索的材料不同、截面大小不同，导致拉索与主梁之间温度传递快慢不同，从而形成温度差。拉索一般为钢材，主梁的材质为混凝土活钢材，再综合当地气候条件以综合确定索与塔梁温差的取值。

2.3 温度梯度

主梁温度梯度是在太阳照射下，阳面与阴面受热不同，在梁截面的各个位置温度表现不同，梁截面温度梯度模式在各国规范中的规定有很大的不同。当梁截面为混凝土箱梁时，温度梯度是非线性的，当主梁截面为结合梁时，近似的认为混凝土板的温度均匀变化，式结合梁的混凝土与钢梁之间形成温度差。

3 温度作用效应分析

卜一之[4]等人主要研究了温度场对斜拉桥施工过程力学行为的影响，主要研究了温度对主梁位移的变化、主塔位移变化、斜拉索的索力变化等的影响。结果表明温度变化对索力的影响较小，在施工阶段中，随着主梁的伸长，温度效应使得结构的位移逐渐增大。

邓舒文[5]等人研究了大跨度钢桁梁斜拉桥的温度作用，研究表明：在随时间变化的温度载荷作用下，大跨度的钢桁梁斜拉桥将产生十分严重湿度效应。在使用期间也易于引起比较强烈的非线性热效应，从而导致非常严重的应力集中和变形，削弱斜拉桥的桥梁的使用功能，不能满足其适宜性和耐久性。

李洪学[6]等人研究了铁路预应力混凝土部分斜拉桥的温度效应，通过建立梁单元模型，分析结构在温度作用下的应力、位移分布规律以及对索力变化大的影响。

季德钧[7]等人对比了钢- 混凝土叠合梁斜拉桥主梁在不同温度场作用下的温度效应，并详细的分析了该类型的斜拉桥在索梁温差、主塔顺桥向温差等作用下的结构响应。

叶浪[8]等人研究了大跨度高低塔斜拉桥的温度效应。对比分析了在施工阶段和成桥后，高低塔斜拉桥在日照温差、温度梯度以及索梁温差作用下斜拉桥最不利截面的应力大小以及不同索力的变化情况。

李海岗[9]等人以一双塔混合梁斜拉桥为背景，建立梁单元有限元模型，分析成桥阶段下各种温度作用对含结合梁的斜拉桥受力行为的影响。叠合梁中混凝土面板会产生较大的拉应力。

对于斜拉桥而言，温度作用效应十分的复杂，现阶段各个研究学者在针对不同的斜拉桥桥型进行计算分析。各学者的研究都是在各项温度作用下，主梁的力学行为、主塔的力学行为以及斜拉索的索力变化上面。由于斜拉桥系统庞大，受限于计算机的计算能力，目前的主要用梁单元建模进行整体性分析，很少有建实体单元进行全仿真分析。但是，采用梁单元建立有限元模型对斜拉桥进行温度效应分析已经足够保证结构的安全。斜拉桥在温度作用下的响应是十分复杂的，要想完全进行数值模拟还有大量工作要做。