非對稱斜拉橋溫度效應(yīng)對索力影響分析

陳自能

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

非對稱斜拉橋溫度效應(yīng)對索力影響分析

陳自能

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

以延安市吳起縣某斜拉橋為工程背景，建立空間桿系有限元模型，分析了該橋在整體升降溫、梯度溫度及索梁溫差的影響下斜拉索索力的變化規(guī)律。結(jié)果表明，該橋溫度效應(yīng)對索力影響顯著，且不同位置拉索對溫度效應(yīng)的敏感度不同。該結(jié)果可對本橋設(shè)計階段調(diào)索、施工階段監(jiān)控及使用階段的橋梁健康檢測及維護提供參考，并可為類似的斜拉橋工程提供借鑒。

非對稱斜拉橋；溫度梯度；索梁溫差；整體升降溫；索力

0 引言

斜拉橋為多點彈性支撐體系，在整體升降溫作用下，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生均勻的軸向變形，因拉索與混凝土的線膨脹系數(shù)不同，斜拉索的索力將發(fā)生變化；在日照溫差作用下，因主梁截面上下緣纖維伸縮不同而引起結(jié)構(gòu)的彎曲變形進而使索力發(fā)生變化；索塔在日照下左右側(cè)面溫差致使索塔發(fā)生側(cè)向位移進而使索力發(fā)生變化；斜拉索的熱傳導(dǎo)率遠大于混凝土，拉索和主梁（索塔）之間的溫差也會導(dǎo)致索力的變化。目前的研究多見于施工控制階段溫度效應(yīng)的影響，為了研究設(shè)計階段各工況下結(jié)構(gòu)在溫度場作用下拉索索力的變化特征，為設(shè)計中拉索選型、合理成橋索力設(shè)定及調(diào)索提供依據(jù)，對各工況下溫度效應(yīng)對索力影響進行定量分析。

1 總體布置及模型建立

1.1 工程概況

該橋為雙塔雙索面斜拉橋，塔梁墩固結(jié)，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，雙向四車道，孔跨布置30 m+ 78 m+35 m。斜拉橋主跨采用雙邊肋截面，梁高為1.6 m；邊跨標準截面為單箱四室截面，梁高為1.6～2.5 m。主塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面以上高31.768 m。橋墩采用承臺配鉆孔灌注樁，橋臺采用薄壁式輕型橋臺；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。該橋橫向布置為2.15 m（人行道）+1.6 m（拉索區(qū)）+0.5 m（護欄）+16 m（行車道）+0.5 m（護欄）+1.6 m（拉索區(qū)）+2.15 m（人行道）=24.5 m，橋梁總體布置圖、橋梁橫斷面、橋塔斷面分別如圖1～圖3所示。

1.2 拉索布置

該橋左幅右幅各設(shè)置一個橋塔，主跨設(shè)置9對拉索，邊跨側(cè)設(shè)置8對拉索。拉索采用環(huán)氧涂層鋼絲拉索體系成品索拉索扇形布置，主跨索距5 m，邊跨索距2.5 m，斜拉索在塔上對稱錨固，設(shè)計采用梁上張拉。因橋梁左幅右幅對稱，為研究方便，只對單幅的拉索進行研究。拉索布置圖如圖4所示，拉索具體長度及傾角見表1。

1.3 模型概況

采用M id a s C i v i l V2015軟件建立空間梁格模型，主梁及橋塔采用梁單元，斜拉索采用桁架單元。材料參數(shù)按規(guī)范取值，混凝土彈性模量34.5 G P a，泊松比0.2，線膨脹系數(shù)1×10-5，重度26 k N/m3；斜拉索彈性模量205 G P a，泊松比0.3，線膨脹系數(shù)1.2×10-5，重度78.5 k N/m3，考慮非線性使用E r ns t公式對拉索彈模進行修正；預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量195 G P a，泊松比0.3，線膨脹系數(shù)1.2×10-5，重度78.5 k N/m3。計算模型如圖5所示。

邊界條件：斜拉索與索塔、主梁之間的連接采用剛性連接。橋臺以及連續(xù)梁墩處按實際支座位置設(shè)置節(jié)點豎向支承，塔下橋墩處根據(jù)下部承臺樁基計算出口剛度采用節(jié)點彈性支承，墩頂和主梁固結(jié)。

2 單一溫度工況對索力影響分析

2.1 溫度工況介紹

根據(jù)橋梁所處地理位置并參考橋梁設(shè)計規(guī)范，將分別按升溫29℃、降溫25℃兩個工況研究整體升降溫對斜拉索索力的影響。主梁在梯度溫度下將產(chǎn)生豎向彎曲，彎曲產(chǎn)生的撓度將會使斜拉索伸長或縮短從而影響索力。本橋采用10 c m瀝青混凝土鋪裝，由設(shè)計規(guī)范，升溫時T1=14℃，T2=5.5℃，A=300 mm，降溫時T1=-7℃，T2=-2.75℃，A=300 mm?？紤]主梁的梯度溫度，建立了梯度升溫、梯度降溫兩個工況。索塔在日照下，直接受日照的一側(cè)溫度將高于另一側(cè)，由《公路斜拉橋設(shè)計細則》（J T G/T D65-01—2007），索塔左右側(cè)面溫差采用±5℃?？紤]索塔左右側(cè)面溫差，建立索塔左側(cè)升溫5℃、右側(cè)升溫5℃兩個工況。斜拉索材質(zhì)為鋼材，熱傳導(dǎo)率遠遠大于混凝土，雖然有P E外套，其溫度變化仍然比混凝土主梁、索塔大。按設(shè)計規(guī)范，斜拉索與混凝土主梁、索塔間的溫差取為±15℃。考慮斜拉索與混凝土主梁、索塔間的溫差建立斜拉索升溫、斜拉索降溫兩個工況。該橋所考慮的溫度分項工況見表2。

圖1 斜拉橋總體布置

圖2 斜拉橋主梁橫斷面圖

圖3 橋塔斷面圖

圖4 拉索布置圖

表1 拉索長度及傾角

圖5 全橋空間梁格模型

表2 溫度分項工況匯總表

2.2 整體升降溫下拉索索力

工況1（整體升溫29℃）下拉索索力變化如圖6所示，工況2（整體降溫25℃）下拉索索力變化與整體升溫類似，只是索力變化為正值，可參考圖6。

圖6 工況1索力變化

為研究在整體升溫下拉索索力變化與溫度的關(guān)系，引入整體升降溫索力影響系數(shù)ζ1，其概念是：

按整體升溫、整體降溫兩個工況，分別計算整體升溫影響系數(shù)ζ1'、整體降溫影響系數(shù)ζ1''。各拉索整體升溫影響系數(shù)ζ1'比較如圖7所示。ζ1''的分布與ζ1'類似，可參照圖7。

從圖中可以看出，內(nèi)側(cè)拉索索力受整體升降溫影響較大。本橋主梁與索塔固結(jié)，斜拉索的伸長量或縮短量除了受自身溫度影響伸長或縮短外還受節(jié)點兩側(cè)主梁與索塔的相對位置變化影響，內(nèi)側(cè)拉索兩端節(jié)點離塔梁固結(jié)點較近，其相對位置變化較?。煌鈧?cè)拉索兩端節(jié)點相對位置變化較大抵消了拉索的部分溫度變形。

2.3 主梁梯度溫度下索力變化

工況3（主梁梯度升溫）下拉索索力變化如圖8所示，工況4（主梁梯度降溫）下拉索索力變化與梯度升溫類似，但符號相反，可參照圖8。

圖7 工況1索力影響系數(shù)ζ1′

圖8 工況3（主梁梯度升溫）索力變化

為研究主梁梯度溫度下拉索索力變化與溫度關(guān)系，引入梯度溫度索力影響系數(shù)ζ2(單位：k N/℃)，其概念是：

分別計算梯度升溫影響系數(shù)ζ2'、梯度降溫影響系數(shù)ζ2'',ζ2取兩者絕對值的平均值。影響系數(shù)ζ2如圖9所示。

圖9 主梁梯度溫度索力影響系數(shù)ζ2

從圖中可以看出，主梁梯度溫度變化對中跨跨中的拉索影響較大，在梯度溫度作用下，主梁頂面與底面的纖維伸長不一致，主梁會產(chǎn)生彎曲變形，在梯度升溫或梯度降溫影響下，主梁中跨跨中的撓度變化最大因而其對索力的影響也最大。

2.4 索塔左右側(cè)溫差下索力變化

工況5（索塔左側(cè)升溫5℃）下拉索索力變化如圖10所示，工況6（索塔右側(cè)升溫5℃）下拉索索力變化值與工況5大小相同，符號相反，可參照圖10。

圖10 工況5索力變化圖

為研究在索塔左右側(cè)溫差作用下索力變化與溫度關(guān)系，引入索塔左右側(cè)溫差對索力影響系數(shù)ζ3，其概念是：

分別計算左側(cè)升溫影響系數(shù)ζ3'、右側(cè)升溫影響系數(shù)ζ3'',ζ3取兩者絕對值的平均值。影響系數(shù)ζ3如圖11所示。

圖11 索塔左右溫差對索力影響系數(shù)ζ3

從圖中可以看出，在索塔左右側(cè)溫差影響下，遠離橋塔的拉索索力值變化較大。索塔在左右側(cè)溫差下向一側(cè)彎曲，拉索錨固點隨著索塔移動進而使索力發(fā)生變化。索塔升溫一側(cè)的拉索被拉長，索力增大，另一側(cè)索力相應(yīng)減少。因塔梁墩固結(jié)，索塔的自由端（頂端）在溫差下產(chǎn)生的水平位移最大，最外側(cè)拉索的塔上錨固點位移變化最大，故最外側(cè)拉索索力變化值最大。

2.5 拉索與主梁、索塔溫差下索力變化

工況7（拉索相對主梁、索塔升溫15℃）下索力變化如圖12所示，工況8（拉索相對主梁、索塔降溫15℃）下拉索索力變化與工況7大小相同，符號相反，未列出。

圖12 工況7索力變化圖

為研究在索梁（塔）溫差作用下索力變化與溫度的關(guān)系，引入索梁（塔）溫差影響系數(shù)ζ4，其概念是：

分別計算拉索升溫影響系數(shù)ζ4'、拉索降溫影響系數(shù)ζ4'',ζ4取兩者絕對值的平均值。各拉索影響系數(shù)ζ4如圖13所示。

圖13 索梁（塔）溫差下影響系數(shù)ζ4

從圖中可以看出，中跨橋塔附近的拉索索力受索梁溫差的影響較小，邊跨拉索受索梁溫差影響較大。索力變化值與拉索本身長度、斜度有關(guān)系。斜度相同的情況下，索越短，索力受索梁溫差影響越小。

3 組合工況對索力影響分析

3.1 各單一溫度工況對索力影響大小比較

為從總體上把握各單一溫度工況對索力影響大小及其量值，將各單一溫度工況下索力變化值ΔF占恒載索力值的比重列于表3。整體升降溫取工況1為代表，主梁梯度溫度取工況3為代表，索塔左右側(cè)溫差取工況5為代表，索梁溫差取工況7為代表。

從此表可以看出，索梁溫差對索力的影響最大，其他三項溫度工況對索力的影響程度因拉索的位置、長度等不同而有差異。

表3 各工況ΔF占恒載索力值比重%

3.2 組合下溫度效應(yīng)對索力影響分析

將溫度效應(yīng)與恒載、汽車活載、人群活載、橫向風(fēng)荷載、支座沉降參照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（J T G D60—2015）分別按短期效應(yīng)組合、長期效應(yīng)組合進行計算（溫度梯度組合值系數(shù)φ=0.8，其他溫度效應(yīng)組合值系數(shù)φ=1.0），求出各組合下索力最大、最小值，并求出溫度總效應(yīng)在組合值中的比重。短期、長期效應(yīng)組合下索力值及組合中的總溫度效應(yīng)索力值見表4，溫度效應(yīng)所占比重如圖14所示。短期效應(yīng)組合與長期效應(yīng)組合類似，故圖14僅列出長期組合中的溫度效應(yīng)比重。

從圖14可以看出，中跨拉索S Z6、S Z1及邊跨外側(cè)拉索溫度效應(yīng)所占比重較大，最大的是S B8（占7.1%）。溫度效應(yīng)組合占比最小的是S Z8、S B2（占4.5%）。

4 結(jié)語

采用空間梁格模型對拉索進行溫度效應(yīng)分析可以得出如下結(jié)論：

（1）單一溫度工況下，索梁（塔）溫差對索力影響最大，整體升降溫次之。

（2）單一溫度工況對索力影響值最大占到恒載索力值的4.5%；短期效應(yīng)組合下，溫度總效應(yīng)占組合效應(yīng)最大為7.0%；長期效應(yīng)組合下，溫度總效應(yīng)占組合效應(yīng)最大為7.1%，溫度效應(yīng)對索力影響不可忽視。

表4 短期、長期組合下索力值kN

圖14 長期效應(yīng)組合中溫度效應(yīng)占比

（3）不同位置拉索對溫度效應(yīng)的敏感度不同。在整體升降溫影響下，索塔附近拉索索力值變化較大；在主梁梯度溫度影響下，主跨跨中拉索索力變化最大；在索塔左右側(cè)溫差影響下，邊跨外側(cè)拉索的索力值變化最大；在索梁溫差影響下，邊跨拉索及中跨遠離橋塔側(cè)拉索索力變化較大。

（4）溫度效應(yīng)對斜拉橋索力會產(chǎn)生明顯影響，成橋索力設(shè)定時應(yīng)考慮不同部位拉索對溫度效應(yīng)不同的敏感性。

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U448.27

B

1009-7716（2017）06-0087-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.025

2017-03-06

陳自能（1985-），男，云南曲靖人，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。