怒江特大桥钢桁拱合龙前空间位置温度影响分析

2021-09-17田波

铁道建筑技术 2021年8期

田波

（中铁十八局集团第二工程有限公司河北唐山 063000）

1 工程概况

大瑞铁路怒江特大桥为四线铁路桥，桥上设怒江车站，线路线间距5 m。桥梁全长1 024.2 m。主桥为14×37.2 m连续钢箱梁（拱上结构），大理岸引桥为7×41 m连续钢混结合梁，瑞丽岸引桥为5×41 m连续钢混结合梁。全桥用钢量4.8万t，总体布置如图1所示。

图1 怒江特大桥立面布置

怒江特大桥主跨为490 m提篮式上承钢桁拱桥，矢高109.5 m，拱轴线采用悬链线，拱轴系数2.0，拱肋内倾角3.657 8°，拱脚处拱肋间距为32 m，拱顶处间距为18 m。钢桁拱设计为4片桁，其中上、下弦杆截面高、宽均为2.0 m，每两片桁构成一片肋，每肋的两片桁间距为3.4 m，通过横杆连接。主桁桁高采用变高度设计，拱顶处高度为11.0 m，拱脚处高度为16.0 m。弦杆均采用箱型带肋截面，腹杆截面采用H型截面，两片主桁采用K型横向联接系连接。拱圈主要材料为Q370qE。全桥拱肋总重约27 800 t。主拱布置如图2所示。

图2 怒江特大桥钢桁拱布置

2 钢桁拱施工方案

钢桁拱采用缆索起重机单根吊装平联及横联、斜拉扣挂悬臂拼装的施工方案。

大理、瑞丽两侧各两个扣塔，交界墩墩顶架设钢塔架，6＃（大理侧）、9＃（瑞丽侧）墩身作为扣塔。大理侧采用14组扣锚索，瑞丽侧采用13组扣锚索，每组扣锚索由四对扣锚索构成，分别连接在四片主桁节点上，合龙段设定在瑞丽侧拱顶A19-A20段。为减轻扣塔荷载，将1＃～4＃扣锚索分别布置在邻近的两个桥墩上。节间杆件在工厂加工制造，汽车转运至现场，利用缆索起重机吊装杆件节间。采用先内桁架，后外桁架的吊装顺序安装。钢桁拱吊装布置如图3所示。

图3 钢桁拱吊装示意

3 温度荷载分类及特点

桥梁结构长期处于自然环境中，承受周围环境不断变化的影响，实时与周围环境发生热交换，使得桥梁结构表面及内部温度始终处于不断变化的状态。其主要影响因素有：桥梁结构所在地理位置、所处方位、地形地貌、太阳辐射强度、天空云量、大气洁净程度以及各种特殊天气（雨、雪、雾）等。由于这些影响因素随机变化，且不同因素对桥梁结构的影响程度也各不相同，导致桥梁结构内部温度场复杂多变。温度分布的非均匀性使得桥梁结构各部位产生的热胀冷缩效应也存在差异，从而使桥梁结构变形，在超静定结构中当温度产生的变形被多余约束所限制，结构便产生了温度应力。

在桥梁结构分析中，时域温度曲线的时间间隔可以分多种。以间隔1年为一种，所测年平均温度往往表现为均匀分布，桥梁设计温度常采用此值，与该值产生的温差相当于结构的整体升降温；以间隔1 h为一种，所测温度变化为昼夜温度变化。所测以时为单位的平均温度为非均匀分布，这种分布模式会引起结构的多向变形和较大的温度应力。

4 温度应力与温度应变分析

桥梁结构温度应变主要根据材料的热胀冷缩特性进行计算，核心公式：

式中：α为材料线膨胀系数；T为温差。

对于静定桥梁结构，整体变温作用只产生位移而应力很小；对于超静定桥梁结构，在整体变温作用下，由于多余约束限制，不仅会产生温度位移还会有较大的温度应力存在，通常利用有限元法计算温度应力。

利用有限元法计算温度应力首先将结构离散成微小单元，然后建立各单元位移函数基本方程，最终通过求解基本方程组的解求得温度应力［1－3］。

有限元法结合虚功原理计算温度应力，其几何方程和物理方程如式（2）和式（3）所示：

有限元法离散化后的结构内单元各节点的位移可表示为：

式中：d为单元e中之一节点的位移列阵；N为形函数矩阵；δe为单元e节点位移列阵。

由材料力学原理，结构内某点的应变可表达为：

式中：S为应变微分算子。

将（4）代入式（5）可得：

式中：B为应变矩阵；ε为单元实际应变；εt为温度产生的应变；εσ为应力产生的应变。

将式（10）计算的单元节点力代入节点平衡方程，可得单元节点位移：

最后将求得的节点位移代入式（3），即可求出温度应力。

5 现场温度监测

采用无线气象站监测桥址处温度变化，设定每半小时自动监测一次。图4为合龙阶段温度变化曲线。由图4可知：最高温度出现在12月10日14：28，最大值为33.1℃，最低温度出现在12月11日7：58，最小值为7.5℃。图5为合龙阶段每天的气温变化曲线，由图5可知：一般在14：30左右达到最高温度，7：00左右温度最低。

图4 合龙时间段温度变化曲线

图5 合龙阶段日气温变化曲线

钢拱桥选择在凌晨0：00～3：00之间进行合龙连接，图6为合龙时间段内与12月4日对应时间的温差变化。由图6可知：合龙时间段内的温度差值均在4℃以内，其中12月7日比12月4日气温高，最大升温幅度为3.4℃；12月5日比12月4日温度低，最大降温幅度为1.1℃。

图6 合龙段与4日气温差值曲线

由合龙段温度监测数据可知，合龙时间段内最大升温幅度为3.4℃，最大降温幅度为1.1℃。

6 合龙前最后阶段温度荷载对位置的影响

如前所述，本文以钢桁拱合龙施工为研究对象，鉴于合龙施工在短时期内即可完成，作用在桥梁结构上的温度荷载是由太阳辐射引起的以日为变化周期的昼夜温差所形成，故本文主要计算以日为变化周期的昼夜温度变化对结构的影响。

郝超［4］等对扁平钢箱梁进行了现场温度监测，结果如图7所示。扁平钢箱梁温度监测结果表明：在晚上22：00至次日6：00时间段内，由于没有太阳辐射的作用，桥梁结构只与周围空气进行热交换，结构温度与桥址处环境温度十分接近。此外，结合以往的温度监测结果可知，只要在特定时间段内进行合龙施工，便可以不计温度梯度的影响，而整体变温下桥梁分析软件则可以模拟得相当准确［5－8］。