山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下懸索橋主纜溫度場規(guī)律研究

趙少杰， 段鴻杰， 徐海鷹

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙　410008；　2.中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 湖南 長沙　410075；3.中南公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙　410008；　4.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司， 湖北 武漢　430034)

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山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下懸索橋主纜溫度場規(guī)律研究

趙少杰1，2，3， 段鴻杰1，3， 徐海鷹4

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙410008；2.中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 湖南 長沙410075；3.中南公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙410008；4.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司， 湖北 武漢430034)

摘要：通過對山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下懸索橋主纜模型進(jìn)行溫度場試驗(yàn)測試，以及對山區(qū)實(shí)際懸索橋工程的主纜進(jìn)行實(shí)地溫度場長期監(jiān)測，結(jié)合理論計(jì)算分析，獲得了山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下懸索橋主纜溫度場的典型分布及變化規(guī)律，并通過一座懸索橋工程實(shí)例驗(yàn)證了該溫度場規(guī)律的準(zhǔn)確性和適用性。

關(guān)鍵詞：懸索橋； 溫度場； 模型試驗(yàn)； 主纜； 山區(qū)

大跨度懸索橋結(jié)構(gòu)的受力對溫度變化非常敏感，環(huán)境溫度的變化將會引起懸索橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的變化。特別是在懸索橋主纜架設(shè)過程當(dāng)中，溫度變化將導(dǎo)致主纜坐標(biāo)與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生較大偏差，從而影響到整個(gè)橋梁架設(shè)的精準(zhǔn)性。相關(guān)研究表明[1，2]，對主跨1 000 m，矢跨比1/10的懸索橋，中跨主纜平均溫度變化1 ℃，垂度變化可達(dá)30 mm。故在懸索橋施工中需要根據(jù)橋梁實(shí)際溫度進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)控制參數(shù)的修正，而在復(fù)雜山區(qū)環(huán)境下，影響懸索橋主纜溫度場的因素有太陽輻照量，環(huán)境溫度及風(fēng)速等，主纜溫度場的變化很復(fù)雜[3]，需要開展相關(guān)的模型試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，以準(zhǔn)確獲得主纜溫度場的變化規(guī)律及影響。

目前，國內(nèi)外在復(fù)雜環(huán)境下的大跨徑懸索橋主纜溫度場試驗(yàn)測試及理論分析方面的研究還很少。本文針對山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的主纜溫度場進(jìn)行了模型試驗(yàn)與分析研究，獲得的主纜溫度場變化規(guī)律可為類似工程結(jié)構(gòu)計(jì)算和施工控制提供借鑒參考。

1主纜溫度場模型試驗(yàn)測試研究

1.1模型試驗(yàn)簡介

模型試驗(yàn)主要模擬主纜結(jié)構(gòu)在山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的溫度場分布及變化，分析其分布及變化規(guī)律，以指導(dǎo)理論分析和現(xiàn)場工程施工。本模型試驗(yàn)在山區(qū)實(shí)際橋位處進(jìn)行，模型試驗(yàn)系統(tǒng)包括： ①懸索橋主纜模型系統(tǒng)。 ②溫度測試系統(tǒng)：高精度溫度傳感器、溫度巡檢儀及數(shù)據(jù)記錄處理系統(tǒng)。 ③太陽輻照度測試系統(tǒng)：太陽輻射傳感器和太陽輻射記錄儀及相應(yīng)采集分析軟件。模型試驗(yàn)現(xiàn)場見圖1所示。

圖1　現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y點(diǎn)布置

模型溫度測點(diǎn)布置在模型縱向1/4和1/2斷面處，測點(diǎn)布置圖如上所示。試驗(yàn)持續(xù)測試了1個(gè)多月，測試條件包括了主纜在晴天、陰天等多種情況。其中晴天最大日太陽輻射強(qiáng)度在950 W/m2左右，日最大太陽輻照量在0.54 MJ/m2左右。

1.2溫度場測試結(jié)果

1.2.1測點(diǎn)“溫度-時(shí)間”變化規(guī)律

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)繪制了各種典型天氣下主纜截面典型測點(diǎn)的溫度-時(shí)程曲線。晴天時(shí)溫度-時(shí)間時(shí)程變化曲線如圖2。

圖2　典型溫度-時(shí)間變化曲線(晴天)

根據(jù)測試結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：主纜溫度場在白天(11∶00～17∶00)太陽輻射下變化劇烈，在午夜至早上日出前(22∶00～08∶00)溫差較小且較穩(wěn)定；晴天時(shí)主纜截面最高溫度出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間下午14∶00左右，與環(huán)境最高溫度出現(xiàn)時(shí)刻基本一致，位置在迎陽面；此時(shí)截面溫差可達(dá)20 ℃以上。

1.2.2主纜截面溫度分布規(guī)律

根據(jù)不同時(shí)段的溫度實(shí)測值繪制得到的截面的溫度分布見圖3所示。

圖3　某晴天2個(gè)時(shí)間段主纜模型截面等溫線

可見，主纜溫度場在時(shí)空上呈現(xiàn)一定的規(guī)律分布。在14∶00時(shí)間段，整個(gè)截面溫差較大，最大溫差在晴天時(shí)可達(dá)到20 ℃以上，晚上截面溫差變化較小。

1.2.3主纜截面平均溫度變化規(guī)律

不同天氣下的主纜截面平均溫度變化曲線如圖4。

圖4　不同測點(diǎn)平均溫度變化

可見，主纜表面平均溫度與環(huán)境溫度變化基本一致，而內(nèi)部平均溫度變化比環(huán)境溫度滯后1～2 h，主纜軸心溫度滯后環(huán)境溫度10～12 h。全天主纜截面內(nèi)部溫差要小于其表面及環(huán)境溫差。在當(dāng)天18∶30～07∶30時(shí)間段，主纜表面的平均溫度比內(nèi)部平均溫度低3～5 ℃，而在07∶30～18∶30時(shí)間段，主纜表面的平均溫度比內(nèi)部溫度高，差值大小與太陽輻照量成正比，最大發(fā)生在中午12∶00～14∶00時(shí)間段，晴天可達(dá)到8 ℃左右；陰天情況下達(dá)到5 ℃。

1.2.4主纜截面溫差分布規(guī)律

截面溫差分為表面溫差與整個(gè)截面最大溫差，下面根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)繪制了主纜中間1/2截面的溫差圖，不同天氣下的最大溫差時(shí)程圖如圖5所示。

圖5　主纜測點(diǎn)之間最大溫差時(shí)程圖

可見，主纜截面平均溫度與環(huán)境溫度呈現(xiàn)穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系，差值隨著天氣和時(shí)間段不同略有不同，其中白天差值稍小。整個(gè)主纜截面溫差在12∶00～15∶00時(shí)間段差值最大，最大溫差在晴天可達(dá)20 ℃以上；主纜表面最大溫差與截面的最大溫差在白天基本趨勢一致，在晚上表面最大溫差比截面最大溫差小約5 ℃左右。

2懸索橋主纜溫度場實(shí)橋測試及工程應(yīng)用

2.1工程背景

某特大橋全長1 438 m，按雙向六車道高速公路特大橋標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)行車速度采用100 km/h。主橋?yàn)橹骺?16 m的單跨雙鉸簡支鋼箱梁懸索橋?？鐝讲贾脼?180+616+205)m。中跨垂跨比為1/10。主纜橫橋向中心間距34.8 m。大橋主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股。主纜外徑525 mm。加勁梁采用流線型全焊扁平封閉鋼箱梁，梁高3.0 m，寬36.8 m。橋梁立面布置如圖6所示。

圖6　橋梁立面布置(單位： cm)

大橋橋位處于四川盆地東部邊緣山區(qū)，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，為典型的西南山區(qū)環(huán)境。冬季最低氣溫達(dá)-8 ℃，夏季最高氣溫可達(dá)42 ℃。大氣環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境溫度場變化劇烈。

2.2架設(shè)階段基準(zhǔn)索溫度場測試

懸索橋基準(zhǔn)索股的架設(shè)精度直接影響到主纜施工線形[4]，故對其溫度規(guī)律的研究可為確定索股架設(shè)調(diào)索時(shí)間提供依據(jù)。實(shí)測數(shù)據(jù)較多，僅給出了索股典型測點(diǎn)每隔60 min的溫度變化曲線圖(圖7)。

圖7　基準(zhǔn)索股溫度測試結(jié)果曲線

可見，實(shí)橋主纜索股溫度在23∶00～ 08∶00之間比較穩(wěn)定，在這個(gè)時(shí)間段溫差變化在0.5 ℃之內(nèi)；在08∶00～ 19∶30之間溫度變化較大，溫度變化與模型試驗(yàn)結(jié)果一致。實(shí)測基準(zhǔn)索股表面最高溫度為20.9 ℃、最低溫度為7.5 ℃。晝夜索股表面沿長度方向最大溫差為2.5 ℃、最小溫差為0.2 ℃?？梢娧厮鏖L方向的溫度變化較小且穩(wěn)定?？烧J(rèn)為在同一時(shí)刻，索股溫度沿長度方向呈均勻分布。

2.3加勁梁架設(shè)階段主纜表面溫度場測試

大橋加勁梁架設(shè)在夏季進(jìn)行，太陽輻射較強(qiáng)，主纜截面溫差較大?，F(xiàn)場將溫度傳感器直接沿主纜截面均勻布置。傳感器布設(shè)照片見圖8。

圖8　主纜測試截面測點(diǎn)現(xiàn)場布置

實(shí)測主纜各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律與上節(jié)模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致。其中主纜表面的溫度分布圖如圖9所示。

圖9　主纜截面實(shí)測溫度分布圖

可見，主纜表面溫度隨太陽輻射位置的不同而周期變化，表面溫差變化劇烈，其中最大溫差可達(dá)到20 ℃以上。這與模型試驗(yàn)測試結(jié)果是一致的。

對比模式試驗(yàn)結(jié)果，山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下實(shí)橋主纜溫度場還有以下幾個(gè)特點(diǎn)： ①由于受山區(qū)劇烈太陽輻射及空氣對流的影響，從08∶00至20∶00主纜表面溫度變化劇烈，且各測點(diǎn)溫度變化不同步。截面測點(diǎn)間最大溫差出現(xiàn)在午后至15∶00之間，在20∶00～次日08∶00間主纜溫度變化較平穩(wěn)，截面溫差值較小。在陰天等日照強(qiáng)度較弱時(shí)，主纜縱向溫差較穩(wěn)定，且差值也較小，這與索股架設(shè)期間的縱向溫度分布結(jié)論一致。故橋梁計(jì)算分析時(shí)主纜縱向可不考慮溫差變化?，F(xiàn)場溫度測試頻率需要根據(jù)溫度變化情況決定，建議在白天以0.5 h測試1次，夜間20∶00后可適當(dāng)降低測試頻率。

2.4主纜截面平均溫度與表面溫度關(guān)系

主纜截面平均溫度是橋梁施工控制的關(guān)鍵參數(shù)之一。一般施工控制中的平均溫度多采用其表面溫度均值[5]，但隨著主纜直徑的增加，其表面溫度均值與整個(gè)截面溫度均值的誤差會越來越大。為了準(zhǔn)確了解主纜表面溫度與截面平均溫度的關(guān)系，采用有限元方法結(jié)合傳熱學(xué)理論計(jì)算了本橋主纜(直徑0.525 m)在晴天時(shí)的溫度場變化情況[6]，獲得的主纜整個(gè)截面平均溫度與采用表面測點(diǎn)得到的主纜平均溫度值對比如表1所示。

可見，兩種算法獲得的溫度均值誤差在中午差值最大。對于本橋小直徑主纜最大誤差為6.6%。故當(dāng)主纜直徑較小時(shí)，可直接采用主纜表面溫度均值，其造成的誤差較小，但當(dāng)主纜直徑較大時(shí)，宜采用整個(gè)橫截面的溫度均值進(jìn)行控制更準(zhǔn)確。

表1 主纜平均溫度計(jì)算對比計(jì)算時(shí)間表面測點(diǎn)平均值/℃全截面平均值/℃誤差/%06∶0025.225.1-0.412∶0028.927.1-6.615∶0029.928.2-6.0

2.5實(shí)際工程建議及應(yīng)用結(jié)果

2.5.1工程建議

上述主纜模型試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)測的溫度場研究成果直接應(yīng)用于本依托工程的橋梁架設(shè)施工。根據(jù)溫度場測試結(jié)論，結(jié)合工程實(shí)際給出的施工建議主要有：

1) 施工控制仿真計(jì)算：由山區(qū)環(huán)境實(shí)測溫度結(jié)果，給出主纜架設(shè)期間計(jì)算溫度取值范圍為-5～35 ℃。由于溫度對主纜線形影響顯著，施工控制中給出每隔1℃的空纜狀態(tài)下主纜中心線坐標(biāo)。根據(jù)測試結(jié)果，計(jì)算時(shí)可忽略主纜縱橋向的溫度梯度變化。

2) 溫度測試時(shí)間和頻率：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，懸索橋溫度測試時(shí)間頻率為：每天12∶00至18∶00為每30 min 1次，其余時(shí)間段為每2 h 1次，可滿足施工控制精度要求。

3) 主纜平均溫度確定：根據(jù)實(shí)測及計(jì)算，對本橋小直徑主纜，采用主纜表面測點(diǎn)溫度均值作為施工控制值。

4) 施工時(shí)間安排：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在晴天太陽輻射較大的時(shí)間段(12∶00～15∶00)，為了控制結(jié)構(gòu)變形和受力，在該時(shí)間段盡量停止與主纜結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的施工，以保證橋梁施工質(zhì)量和安全。

2.5.2工程應(yīng)用結(jié)果

主纜溫度場研究成果為大橋基準(zhǔn)索股架設(shè)、主纜索股安裝、索夾定位安裝和鋼箱梁吊裝等提供了有力的技術(shù)保障。在應(yīng)用了上述溫度場研究成果后，本懸索橋施工工程基準(zhǔn)索股線形控制準(zhǔn)確，整個(gè)主纜架設(shè)過程中未出現(xiàn)絞絲、鼓絲或斷絲等現(xiàn)象。懸索橋主纜實(shí)測孔隙率在16%～18%之間，滿足設(shè)計(jì)要求。大橋架設(shè)完成后主纜和橋面線形均

很理想，其中中跨主纜上下游高差在10 mm以內(nèi)，與設(shè)計(jì)控制線形吻合良好。

3結(jié)論

通過對懸索橋主纜結(jié)構(gòu)開展溫度場模型試驗(yàn)測試和現(xiàn)場實(shí)橋監(jiān)測，結(jié)合理論分析獲得得山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下懸索橋主纜溫度場的分布及變化規(guī)律總結(jié)如下。

1) 主纜溫度場在時(shí)空上呈現(xiàn)一定的規(guī)律分布：在白天太陽輻射下變化劇烈，在午夜至早上日出前溫差較小且較穩(wěn)定。晴天時(shí)主纜截面最高溫度一般出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間下午14∶00左右。整個(gè)主纜截面溫差在12∶00～15∶00時(shí)間段差值最大，最大溫差在晴天時(shí)可達(dá)20 ℃以上。

2) 主纜截面平均溫度與環(huán)境溫度呈現(xiàn)穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系，差值隨著天氣和時(shí)間段的不同而不同，白天差值稍小。主纜表面平均溫度與環(huán)境溫度變化基本一致，而內(nèi)部平均溫度變化比環(huán)境溫度滯后1～2 h，軸心溫度變化滯后環(huán)境溫度10～12 h。

3) 在同一時(shí)刻，主纜索股溫度沿其長度方向的變化不大，在主纜溫度場計(jì)算時(shí)可忽略其縱橋向溫差的變化。

4) 施工控制中的現(xiàn)場溫度測試頻率取決于溫度場的變化快慢，建議在白天溫度變化劇烈時(shí)每0.5 h測試1次，夜間20∶00后則可適當(dāng)降低測試頻率。

5) 對小直徑主纜可直接采用主纜表面溫度均值作為整個(gè)斷面的溫度均值。當(dāng)主纜直徑較大時(shí)，宜采用整個(gè)橫截面的溫度均值進(jìn)行控制更準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘永仁.懸索橋結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 段瑞芳，杜善朋，李彩霞.大跨度懸索橋主纜線形影響參數(shù)分析[J].公路交通科技，2015(8)：43-46.

[3] 俞明德.懸索橋主纜溫度場及對主纜影響的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[4] 張永水，羅紅，王祖華.溫度對懸索橋空纜線形的影響分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(6)：77-82.

[5] 譚紅梅.懸索橋施工監(jiān)控仿真計(jì)算關(guān)鍵問題研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[6] 徐海鷹，趙少杰.懸索橋主纜溫度場計(jì)算[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(1)：45-50.

文章編號：1008-844X(2016)02-0151-04

收稿日期:2016-04-25

作者簡介:趙少杰( 1982-) ，男，工程師( 博士生) ，從事橋梁結(jié)構(gòu)可靠度及安全評估等研究。

中圖分類號：U 446

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A