斜拉橋溫度問題研究綜述

陽珊清

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400041)

橋梁結(jié)構(gòu)處于自然環(huán)境中，受到太陽輻射以及季節(jié)性因數(shù)會(huì)使得結(jié)構(gòu)中各個(gè)部分的溫度發(fā)生變化[1]。斜拉橋?yàn)槎啻纬o定結(jié)構(gòu)，大多數(shù)斜拉橋的跨徑范圍一般在300m～1000m 范圍，在溫度作用下，引起橋梁結(jié)構(gòu)的縱向以及豎向變形，并產(chǎn)生溫度應(yīng)力，影響橋梁的耐久性。隨著跨徑不同，斜拉橋的主梁形式分為混凝土箱梁、鋼箱梁、鋼桁梁、π 型梁等形式，不同形式的主梁剛度不一樣，材料特性不一樣，溫度作用效應(yīng)也有所不同[2]。當(dāng)前斜拉橋的修建數(shù)量越來越多，斜拉橋在溫度作用下的響應(yīng)也越來越多的受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，從溫度場的測試，再到溫度作用下的就夠響應(yīng)。因此，總結(jié)現(xiàn)有斜拉橋溫度作用的研究現(xiàn)狀和面臨的主要問題，對未來斜拉橋溫度效應(yīng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 溫度場的分布特性

在太陽照射下，斜拉橋主梁內(nèi)部的溫度場會(huì)隨著外界環(huán)境（日照、氣溫以及風(fēng)等）的變化而發(fā)生變化，受太陽輻射以及氣溫周期性變化規(guī)律的影響，斜拉橋的溫度場在年和日兩個(gè)時(shí)間維度上呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期性變化?，F(xiàn)有結(jié)果表明：以日為周期的溫度時(shí)程曲線在采用正弦曲線進(jìn)行擬合的時(shí)候可以得到結(jié)果，但是擬合的效果并不太理想。然而當(dāng)利用傅里葉函數(shù)進(jìn)行擬合的時(shí)候就更能精確的反映橋梁結(jié)構(gòu)的溫度的日變化規(guī)律。由于現(xiàn)場實(shí)測時(shí)，風(fēng)速、遮擋等不利因素的影響，測點(diǎn)溫度的真實(shí)值在擬合曲線的附近離散。

由于測點(diǎn)溫度的變化并不及時(shí)，在相同時(shí)刻，斜拉橋在整個(gè)空間中的溫度分布不均勻。斜拉橋跨度一般較大，沿縱向可以看作是細(xì)長構(gòu)件，現(xiàn)有學(xué)者[3]已通過大量的實(shí)測表明沿橋梁縱向溫度的分布模式可假定是均勻的，而不均勻的溫度分布則主要是反映在橋梁的截面橫向和豎直的兩個(gè)方向。橋梁結(jié)構(gòu)溫度分布受日照和氣溫的影響顯著。對于混凝土箱梁來說，當(dāng)頂板或腹板在受到太陽的照射時(shí)，由于熱量在混凝土中傳遞的滯后性，沿主梁的豎向及橫向的溫度分布顯著不均勻。對于鋼- 混凝土組合梁的斜拉橋，兩種材料的導(dǎo)熱性能差異非常的大，在鋼- 混凝土的交界局部位置，溫度分布的不均勻程度更加的顯著。對于混凝土的主梁的斜拉橋來說，箱梁的內(nèi)表面長期陰暗，不能吸收陽光，板厚方向就會(huì)形成外高內(nèi)低的溫度分布模式，此溫度一般采用線性函數(shù)進(jìn)行溫度擬合，而鋼梁由于其板件較薄，而且鋼材的導(dǎo)熱性能良好，故不考慮板厚方向的溫差。

2 斜拉橋的溫度作用

斜拉橋是拉索、主梁以及主塔組成的復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)體系，分度分布情況十分的復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的溫度分布呈非線性特征，采用實(shí)際的溫度場進(jìn)行分計(jì)算十分復(fù)雜不便。在自然環(huán)境的條件變化下而產(chǎn)生的溫度作用，一般可將其分為體系溫差、索與塔梁溫差、主梁溫度梯度三個(gè)方面考慮。

2.1 體系溫差

體系溫差主要受橋梁結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的氣候條件、構(gòu)筑物材料等的影響，根據(jù)不同地區(qū)的年最高溫度以及年最低溫度來確定結(jié)構(gòu)的體系溫差。中國規(guī)范中根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁?、上部結(jié)構(gòu)的形式、施工條件三個(gè)方式共同確定體系溫差取值。

2.2 索與塔梁溫差

拉索與主梁之間的溫度差，主要是由于太陽照射下，拉索的材料不同、截面大小不同，導(dǎo)致拉索與主梁之間溫度傳遞快慢不同，從而形成溫度差。拉索一般為鋼材，主梁的材質(zhì)為混凝土活鋼材，再綜合當(dāng)?shù)貧夂驐l件以綜合確定索與塔梁溫差的取值。

2.3 溫度梯度

主梁溫度梯度是在太陽照射下，陽面與陰面受熱不同，在梁截面的各個(gè)位置溫度表現(xiàn)不同，梁截面溫度梯度模式在各國規(guī)范中的規(guī)定有很大的不同。當(dāng)梁截面為混凝土箱梁時(shí)，溫度梯度是非線性的，當(dāng)主梁截面為結(jié)合梁時(shí)，近似的認(rèn)為混凝土板的溫度均勻變化，式結(jié)合梁的混凝土與鋼梁之間形成溫度差。

3 溫度作用效應(yīng)分析

卜一之[4]等人主要研究了溫度場對斜拉橋施工過程力學(xué)行為的影響，主要研究了溫度對主梁位移的變化、主塔位移變化、斜拉索的索力變化等的影響。結(jié)果表明溫度變化對索力的影響較小，在施工階段中，隨著主梁的伸長，溫度效應(yīng)使得結(jié)構(gòu)的位移逐漸增大。

鄧舒文[5]等人研究了大跨度鋼桁梁斜拉橋的溫度作用，研究表明：在隨時(shí)間變化的溫度載荷作用下，大跨度的鋼桁梁斜拉橋?qū)a(chǎn)生十分嚴(yán)重濕度效應(yīng)。在使用期間也易于引起比較強(qiáng)烈的非線性熱效應(yīng)，從而導(dǎo)致非常嚴(yán)重的應(yīng)力集中和變形，削弱斜拉橋的橋梁的使用功能，不能滿足其適宜性和耐久性。

李洪學(xué)[6]等人研究了鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋的溫度效應(yīng)，通過建立梁單元模型，分析結(jié)構(gòu)在溫度作用下的應(yīng)力、位移分布規(guī)律以及對索力變化大的影響。

季德鈞[7]等人對比了鋼- 混凝土疊合梁斜拉橋主梁在不同溫度場作用下的溫度效應(yīng)，并詳細(xì)的分析了該類型的斜拉橋在索梁溫差、主塔順橋向溫差等作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

葉浪[8]等人研究了大跨度高低塔斜拉橋的溫度效應(yīng)。對比分析了在施工階段和成橋后，高低塔斜拉橋在日照溫差、溫度梯度以及索梁溫差作用下斜拉橋最不利截面的應(yīng)力大小以及不同索力的變化情況。

李海崗[9]等人以一雙塔混合梁斜拉橋?yàn)楸尘?，建立梁單元有限元模型，分析成橋階段下各種溫度作用對含結(jié)合梁的斜拉橋受力行為的影響。疊合梁中混凝土面板會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

對于斜拉橋而言，溫度作用效應(yīng)十分的復(fù)雜，現(xiàn)階段各個(gè)研究學(xué)者在針對不同的斜拉橋橋型進(jìn)行計(jì)算分析。各學(xué)者的研究都是在各項(xiàng)溫度作用下，主梁的力學(xué)行為、主塔的力學(xué)行為以及斜拉索的索力變化上面。由于斜拉橋系統(tǒng)龐大，受限于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，目前的主要用梁單元建模進(jìn)行整體性分析，很少有建實(shí)體單元進(jìn)行全仿真分析。但是，采用梁單元建立有限元模型對斜拉橋進(jìn)行溫度效應(yīng)分析已經(jīng)足夠保證結(jié)構(gòu)的安全。斜拉橋在溫度作用下的響應(yīng)是十分復(fù)雜的，要想完全進(jìn)行數(shù)值模擬還有大量工作要做。

4 結(jié)論及今后的研究方向

4.1 斜拉橋溫度問題現(xiàn)階段主要集中在利用規(guī)范的溫度作用模式對不同斜拉橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性數(shù)值分析，對斜拉橋整體溫度場的研究較少。

4.2 斜拉橋的溫度問題與橋梁所在的區(qū)域以及斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，而斜拉橋在我國分布廣泛，應(yīng)進(jìn)行更多的實(shí)橋溫度場的測試分析，豐富斜拉橋溫度問題研究實(shí)測數(shù)據(jù)，為理論分析提供基礎(chǔ)。

4.3 目前對斜拉橋的溫度分析主要集中在梁單元有限元模型的分析，而斜拉橋的溫度場十分的復(fù)雜，提出更加準(zhǔn)確的溫度模式，進(jìn)行實(shí)體分析，剖析斜拉橋溫度作用機(jī)理是很有必要的。