环境温度对斜拉桥拉索索力测量的影响

雒建强

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

斜拉桥的斜拉索是重要承重受力构件，斜拉索索力的大小与稳定性直接关乎斜拉索和桥梁的安全性。运行中的斜拉桥每年都需要开展一次全面的斜拉索索力测量，绘制索力变化趋势图，为判断斜拉桥的结构力学状态和评估桥梁安全性提供数据参考。但在实际的斜拉索索力测量工作中，因受环境因素、阻尼器、梁振动、测量方法等诸多因素的影响，测量计算出的斜拉索力往往存在一定误差，而误差的存在会影响结构安全评估的准确性。如何减少外界因素对斜拉索力测量工作的影响，切实提高斜拉桥的结构安全性评估的准确性成为亟需解决的问题之一。相较于其他影响因素，环境因素一直以来都没有得到重视，本文就同一基准条件下，针对环境温度变化对索力变化产生的影响展开研究。

1 工程概况

新建北京至沈阳铁路客运专线安匠跨承唐高速公路大桥，主桥为（115+95）m 斜拉桥，其余边跨实施现浇梁浇筑方式。墩塔梁固结，斜拉索呈扇形布置。主梁全长211.5m，计算跨度为（115+95）m，边支座中心线至梁端0.75m。

2 环境温度对斜拉索索力测量的影响

在斜拉桥的结构组成中，斜拉索属于不可或缺的承重受力构件，其将主梁重力及其他可变荷载传递至主塔，以维持受力的合理性，保证斜拉桥的整体稳定性。斜拉桥普遍为多次超静定结构，结构内力易受索力的影响，即便仅有单根索力发生变化，也会直接导致结构内力的改变，使结构实际受力状态偏离预期，对斜拉桥结构的稳定性造成影响，埋下安全隐患。桥梁运行期间，需要按照每年至少一次的频率对斜拉索索力进行检测，掌握索力在特定阶段的变化趋势，并以此为依据，判断结构的力学状态，在此基础上对结构的安全性作出客观评估。需要注意的是，斜拉索索力测量具有复杂性，现场环境因素、梁振动等均会对该项工作的开展造成不同程度的影响，如何有效剔除各项因素的影响至关重要。在各类影响因素中，以环境因素中的温度尤为关键，其对索力测量具有显著的影响，必须探明具体的影响机制，予以有效控制。

3 温度效应理论

3.1 温度荷载

当外部环境发生变化时，结构的温度也会随之改变，结构中的每一部分又会因为温度的改变而产生膨胀或收缩的情况。环境温度变化后，结构物会发生膨胀或收缩现象，但结构因受外在约束和内部结构间的相互约束，使得膨胀或收缩情况无法自由发展，这种因为环境温度变化而产生的应力称为温度应力。影响混凝土结构温度应力的主要影响因素是环境温度场，即桥位所处位置环境温度的变化。温度荷载是混凝土结构温度场变化的影响因素。从影响时间的长短来分析，环境温度场可以分为短期与长期两种，而这两种形成的温度荷载也存在差异。

3.2 确定日照温度场的重要性

受各种天气的影响，斜拉桥结构内部和表面会发生温度变化，环境温度场随之变化，产生温度荷载。在不同环境温度场下，斜拉桥的索、梁、塔等构件的温度应力有所不同，测量计算所得箱内温度应力值和位移值往往存在一定误差。为了提高温度应力和温度荷载计算的精确性，技术人员应基于“热弹性力学”原理，结合施工所在地的施工环境，采用最佳的计算模式，确定结构内部的温度应力，对太阳辐射下斜拉桥索、梁、塔温度数据进行观察和测量，获得真实有效的数据，进行专业分析，精准确定日照温度场。

3.3 日照温度场的形成与特点

在施工环境中，混凝土结构会以辐射、对流和传导等方式与外部环境进行热交换，因而整个结构物的温度分布并不一致，不同部位的温度差异较大。分析实际日照温度场形成可以发现，对桥梁结构日照温度变化影响最大的因素是太阳辐射、气温变化与风速，具有短时急变、分布不均、内外部差异大等特点。若不对温度应力进行控制，将极易引发裂缝病害的出现，影响混凝土结构的安全性和长期使用。短期的温度变化常因冷空气或寒潮引起，在考量日照温度场时主要分析气温变化和风速这两大影响因素。虽然短期温度变化会产生较大的温度应力，但可控性较大，不会超出温度荷载范围，对结构物的影响较为平衡。相较于短期温度变化来说，结构物位移影响最大的因素是年温变化。因而，应加强年温变化对结构物的影响，研究最高月平均温度、最低月平均温度及年平均温度下结构物的温度应力变化。

4 监测系统数据分析

随着温度的变化，斜拉索会发生伸长或缩短，但从斜拉索的布置情况来看，其两端均得到锚固处理，即便温度发生大幅度的波动，斜拉索也无法自由伸缩，导致斜拉索需承受温差产生的附加内力，即温度荷载。

温度对斜拉索状态的影响具有多重性，需要分情况考虑，主要有季节性温差和日温差两类。相比之下，季节性温差的变化较为平缓，几乎不存在忽然性的温度改变，对斜拉索索力的影响相对较弱。然而，不同斜拉桥建设材料的热传导系数不尽相同，即便在气温变化趋势相同的条件下，各材料的温差表现仍不尽相同，以索、梁、塔三大结构为例，由于各自温差的差异化，导致其温度变形步调不同，存在较强的结构附加内力。

为了了解斜拉桥各结构的温度，可引入桥梁健康监测系统，测定桥梁结构升降温和各温差的量级，然后利用有限元计算模型对相关数据展开分析，判断各温度对索力的影响机制。斜拉索材料普遍具有截面积小、温度导热快等特点，从这一角度来看，斜拉索的温度与环境温度基本一致。以8 月的某一周为例（该阶段北方温度变化较明显），获取具体的温度监测数据，发现桥塔温度虽然有所变化但较为平缓，几乎达到恒温状态；相比之下，现浇梁和斜拉索两者的温度有较大幅度的波动。在确定各部分的温度后，用现浇梁温度、斜拉索温度分别减去索塔温度，可获得两条温差曲线图。现浇梁、斜拉索两者与桥塔的最大温差分别为13.8℃和7℃，且温差并非始终一致，具有随昼夜日出日落而变化的特点。此外，不同构件的温差效应较为明显，需要加强分析，明确温差对结构的影响。

5 结构计算分析

以桥梁图纸为基准，根据其中的信息构建全桥杆系有限元模型，具体考虑3种工况：全桥整体升温10℃、斜拉索有10℃的正温差、现浇梁有10℃的正温差。建模结果如图1所示。3种工况下索力的具体情况如表1所示。

图1 整体计算模型示意图

表1 Z6塔两侧短索在各温度工况下的索力变化结果

可以得知，随着温度的改变，各处斜拉索的索力均有所变化且程度不尽相同。以Z6 塔边跨侧左幅内侧最短索为例，分析此时的正温差索力影响比例，对于斜拉索而言该值最大达到：-4.6%×7/10=-3.22%；对于现浇梁而言，该值最大达到-3.2×13.8/10=-4.42%。由此进一步得知，合计温差影响比例为7.64%。

索力变化在达到10%以上时，认为索力存在显著波动的情况，需要加强分析与控制。在测量索力后，基于测定结果，用监测系统以精细化的方式完成温度修正工作，切实提高索力测试精度。

依然以Z6 塔边跨侧左幅内侧最短索为例，完成对该部分索力的温差修正操作，具体公式如下：

式（1）～式（4）中：F为修正后的索力；Fc为实测索力值；ΔT1为根据监测系统查得的斜拉索相当于索塔的温差；ΔT2为根据监测系统查得的斜拉索相当于索塔的温差；ΔT3为根据监测系统查询计算得到的日平均温度相对于索力对比基准温度的温差（T基准一般取20℃）。

6 相关建议

（1）拉索、现浇梁及索塔三大结构存在较大的温差效应，会直接对斜拉索的索力造成影响，而索力的改变将威胁到全桥的稳定性与安全性，因此必须加大索力测量和分析力度。

（2）将测量的索力换算至统一的温度基准下，以便更为准确地分析，保证索力对比分析结果有足够的参考价值。

（3）环境温度对斜拉索的索力有显著影响，因此需要将其作为重点分析对象；阻尼器参数、梁振动程度等多项因素也会对斜拉索索力带来不同程度的影响，因此在后续分析中，需要兼顾各项因素，以便更为精准地分析及控制索力，保证斜拉索和斜拉桥的稳定性。

（4）合理应用桥梁健康监测系统具有一定的必要性，应全天候监测，及时掌握桥梁结构的受力特性，获取相关监测数据，并据此采取适当的养护措施。除此之外，完整记录和保存各项桥梁健康监测数据，确保后续存在需求时可及时调取。

7 结语

综上所述，受环境温度的影响，斜拉桥的斜拉索索力易发生变化，进而产生应力作用，影响斜拉索甚至全桥的正常使用。本文围绕环境温度对斜拉索索力测量的影响进行了深入探析，并提出若干建议，供类似工程参考。