温度效应对预应力π型梁斜拉桥受力性能的影响分析

黄俊强

【摘要：】文章以某预应力π型梁斜拉桥为研究对象，利用Midas Civil软件建立有限元模型，分别研究了整体温度变化和斜拉索局部温度变化下对预应力π型梁斜拉桥的主梁挠度、应力、主塔位移及索力变化的影响。研究结果表明：预应力π型梁斜拉桥整体温度变化对于斜拉索索力值、主梁竖向位移影响显著，对主梁应力的影响较小;温度效应作用下位于辅助墩、主塔及长主跨活载作用下的主梁最大弯矩处应力变化最为明显;斜拉索局部温度的变化对斜拉索索力值、主梁竖向位移、主塔水平位移、主梁应力的影响均要比斜拉桥整体温度变化时的影响大。

【关键词：】温度效应;预应力π型梁斜拉桥;有限元;挠度变化;索力变化

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0 引言

由于斜拉桥在造型、跨距、刚度、通航等方面具有比较优异的表现，故广泛应用于我国中小跨径桥梁工程的建设之中[1-2]。现阶段，国内大部分斜拉桥采用的主梁形式一般为闭合箱形截面主梁，该类型主梁具有横向受力能力好、抗弯刚度优的特点。但近年来斜拉桥的设计跨径逐渐增大，其主梁结构所承受的荷载在一定程度上也随之增加，为了控制主梁结构的自重，桥梁设计师们提出了一种新型的π型截面形式主梁，不仅可以有效地减轻结构自重，同时还便于悬臂施工且承载性能良好[3]。

本文以某预应力π型梁斜拉桥为研究背景，采用有限元软件Midas Civil建立实桥模型，针对整体温度变化和斜拉索局部温度变化下的预应力π型梁斜拉桥受力性能进行数值分析，以期为π型梁斜拉桥的设计工作提供参考与借鉴。

1 工程背景

该预应力π型梁独塔斜拉桥全长610.6 m，主桥跨径组合为（39.9+89.1+151）m，为采用“H”型独塔双索面PC梁斜拉桥，桥面双向2.0%的横坡，设计荷载为城-A级。主桥共有18对斜拉索，斜拉索布置在主梁边缘0.6 m处。主梁及主塔的混凝土标号为C50，辅助墩的混凝土标号为C40。预应力钢束采用Φs15.2 mm的低松弛高强预应力钢绞线，弹性模量为1.95×105 MPa，标准强度为1 860 MPa。该预应力π型梁斜拉桥主桥桥型布置如图1所示。

2 有限元模型建立

采用大型桥梁结构分析软件Midas Civil建立预应力π型梁斜拉桥的有限元模型，主梁和主塔采用平面梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。本次建立的有限元模型共有473个节点，389个单元。

斜拉桥固结体系通过主梁与主塔共用节点方式模拟，辅助墩与主梁、斜拉索与主梁及主塔均采用刚性连接模拟。实桥有限元模型如图2所示。

3 温度效应影響分析

温度效应对预应力π型梁斜拉桥的受力性能影响可分为整体温度变化的影响和局部温度变化的影响。整体温度变化一般认为是由季节性温度变化引起的，有限元分析中可调整各结构内部温度的变化进行模拟分析。而局部温差是由于日照变化而引起的部分结构内部温度发生的非线性变化[4]。

3.1 整体温度变化的影响分析

整体温度的变化对预应力π型梁斜拉桥的影响是考虑桥梁结构中所有构件在同时升温或降温时对桥梁结构内力及线形的影响。本文在参考相关文献的基础上，分别模拟整体温度在升温10 ℃、30 ℃和降温10 ℃、30 ℃时对预应力π型梁斜拉桥结构内力及线形的影响[5-6]。计算及分析结果如图3～7所示。

整体温度对于π型梁斜拉桥的影响，具体数值分析计算结果如下：

（1）由图3可以得出：预应力π型梁斜拉桥的索力值在整体温度变化时波动较大。除Z5～Z11斜拉索外，整体升温时其余斜拉索索力值会降低，整体降温时其余斜拉索索力值会增大。Z18斜拉索索力值在整体升温或降温时变化值均最大，其最大变化值分别为65.6 kN、132.1 kN。整体升温或降温的幅度越大，斜拉索索力值的变化幅度也越为明显。

（2）由图4可以得出：预应力π型梁斜拉桥的长主跨竖向位移在整体温度变化时的位移值变化较大，竖向位移最大变化值为12.09 mm。主梁竖向位移的变化同整体温度的变化呈线性变化趋势，当整体温度变化越大时，主梁竖向位移变化也越大。

（3）由图5可以得出：预应力π型梁斜拉桥的主塔水平位移增减趋势同整体温度变化呈线性相关，当温度变化不断增大时，水平位移变化值也随之增大。从图5的变化曲线来看，整体温度变化10 ℃时对应主塔最大水平位移变化值为1.87 mm，整体温度变化30 ℃时对应主塔最大水平位移变化值为3.69 mm，基本呈线性关系。

（4）由图6可以得出：预应力π型梁斜拉桥的主梁上缘应力在整体温度变化时对其影响较小，主要对辅助墩、主塔及长主跨在活载作用下最大弯矩处的应力影响显著。当整体温度不断升高时，主梁上缘应力变化幅度逐渐减小;当整体温度不断降低时，主梁上缘应力变化幅度逐渐增大。

（5）由图7可以得出：预应力π型梁斜拉桥的主梁下缘应力在整体温度变化方面对其影响较小，主梁下缘应力变化幅度趋势与整体升、降温变化趋势相同，即整体升温或降温幅度越大，对主梁下缘应力影响越大。主梁下缘应力的变化趋势同主梁上缘应力变化趋势基本一致。

3.2 斜拉索局部温度变化的影响分析

斜拉索作为斜拉桥中的重要受力构件，在桥梁实际运营中也会出现温度上的变化。通过查阅相关参考文献，认为斜拉索的温度变化也会引起斜拉桥内力及线形的变化[7]。本文通过模拟斜拉索温度分别上升10 ℃、30 ℃和下降10 ℃、30 ℃时，对预应力π型梁斜拉桥的内力及线形的变化进行相关分析讨论，如图8～12所示。

（1）由图8可以得出：预应力π型梁斜拉桥斜拉索索力值的大小受斜拉索局部温度变化的影响较大。在斜拉索局部升温的情况下，大部分斜拉索索力值在一定程度上减小，仅局部斜拉索索力值出现增加的情况，而局部降温对结构受力影响趋势与局部升温相反。斜拉索局部升温、降温对B18及Z18两侧长斜拉索影响最为显著，索力最大变化值分别可达到456.8 kN、962.8 kN。

（2）由图9可以得出：预应力π型梁斜拉桥在斜拉索局部温度发生变化时，主梁竖向位移变化较为明显。主梁竖向位移变化趋势同斜拉索局部温度变化趋势相反，即局部温度上升引起主梁竖向位移减小，局部温度下降引起主梁竖向位移增加。而且斜拉索局部温度变化对辅助跨及短主跨主梁竖向位移的影响远小于对长主跨的影响，短主跨主梁竖向位移变化最大值仅为9.58 mm，而长主跨主梁竖向位移变化最大值发生在活载作用下主梁最大弯矩处，最大值可达104.12 mm。

（3）由图10可以得出：当斜拉索局部温度发生变化时，预应力π型梁斜拉桥主塔水平位移的变化趋势同斜拉索局部温度变化趋势相同，即局部温度上升引起主塔水平位移增加，局部温度下降引起主塔水平位移减小。在局部温度变化30 ℃情况下，主塔塔顶水平位移变化值最大可达25.12 mm。

（4）由图11可以得出：随着斜拉索局部温度的变化，预应力π型梁斜拉桥主梁上缘应力也出现较大的波动。变化最大位置处于辅助墩、主塔及长主跨活载作用下主梁最大弯矩处，应力变化最大值分别为1.39 MPa、2.87 MPa、2.59 MPa。辅助墩及主塔附近处主梁上缘应力变化趋势同斜拉索局部温度变化趋势相同，即斜拉索局部温度上升引起主梁上缘应力增加，但长主跨最大弯矩处附近主梁应力变化趋势同斜拉索局部温度变化趋势相反，即斜拉索局部温度上升引起主梁上缘应力减小。

（5）由图12可以得出：随着斜拉索局部温度的不断变化，预应力π型梁斜拉桥主梁下缘应力的变化也非常显著。影响趋势与主梁上缘应力相反，长主跨最大弯矩处主梁下缘应力变化峰值远大于辅助墩及主塔处主梁下缘应力变化峰值，最大应力变化值为4.65 MPa。

4 结语

本文通过对预应力π型梁斜拉桥整体温度及斜拉索局部温度变化对桥梁的内力及线形的影响进行了相关分析，得到以下主要结论：

（1）预应力π型梁斜拉桥整体温度变化对于预应力π型梁斜拉桥的索力值、主梁竖向位移影响显著，对主梁应力的影响较小。

（2）预应力π型梁斜拉桥在温度效应作用下位于辅助墩、主塔及长主跨活载作用下主梁最大弯矩处应力变化最为明显。

（3）预应力π型梁斜拉桥斜拉索局部温度的变化对斜拉索索力值、主梁竖向位移、主塔水平位移、主梁应力的影响均要比斜拉桥整体温度变化时的影响大。

参考文献：

[1]王亚洲.预应力混凝土π型梁斜拉桥施工控制[D].哈尔滨：东北林业大学，2017.

[2]秦 龙.矮塔斜拉桥参数敏感性分析及拉索损伤研究[D].西安：长安大学，2014.

[3]张永健，刘旭政，饶文真.双肢人字形独塔斜拉桥整体温度效应影响研究[J].公路，2017，62（2）：65-70.

[4]顏东煌，陈常松，涂光亚.混凝土斜拉桥施工控制温度影响及其现场修正[J].中国公路学报，2006（4）：71-76.

[5]杨永清，叶 浪，吴德宝.高低塔斜拉桥在温度作用下的静力特性研究[J].世界桥梁，2017，45（5）：26-32.

[6]刘国坤，颜东煌，涂光亚.混凝土斜拉桥施工控制中温度对主梁标高的影响[J].长安大学学报（自然科学版），2017，37（6）：63-69，77.

[7]张国建，郭广礼，于承新，等.快速摄影测量系统在观测桥梁震动变形中的应用[J].公路，2017，62（9）：193-197.