三拱肋鋼管混凝土拱橋的溫度效應(yīng)研究

徐 清

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)建設(shè)工程有限公司 云南 昆明 650200

隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展與革新，鋼管混凝土拱橋因其具備施工簡(jiǎn)便、跨度大、結(jié)構(gòu)輕巧、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)[1]，近些年越來(lái)越受歡迎，在實(shí)際應(yīng)用中也越來(lái)越多。鋼管混凝土拱橋施工時(shí)將普通混凝土灌入鋼管骨架中，由于鋼管對(duì)混凝土的徑向約束使其三向受壓，從而顯著提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和使用性能。

鋼管混凝土拱橋?qū)儆诔o定體系結(jié)構(gòu)，受溫度變化的影響十分復(fù)雜，溫度的高低會(huì)引起混凝土和鋼管不同程度的膨脹與收縮，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力[2-3]。同時(shí)，鋼管混凝土拱橋因其材料特性、截面構(gòu)造和施工工藝等參數(shù)與其他橋梁結(jié)構(gòu)不同，從而導(dǎo)致其溫度變化規(guī)律的確定方法也略有不同[4-5]。

本文以某三拱肋鋼管混凝土拱橋?yàn)楸尘伴_(kāi)展溫度效應(yīng)研究，通過(guò)對(duì)溫度效應(yīng)的變化規(guī)律研究，分析鋼管混凝土拱橋縱梁應(yīng)力受溫度影響的變化規(guī)律。

1 工程概況

某大橋跨越一條大河，交叉樁號(hào)K42＋078，交叉角度為100°。大河規(guī)劃通航等級(jí)為Ⅲ級(jí)，通航凈高10 m，凈寬60 m。全橋布跨為11 30.0 m＋103.6 m＋12 30.0 m，主橋橋型為下承式鋼管混凝土簡(jiǎn)支系桿拱橋，采用一孔跨越大河。大橋立面如圖1所示。

圖1 大橋立面

2 溫度對(duì)縱梁內(nèi)力的影響

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

在縱梁中布置應(yīng)力傳感器，通過(guò)應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)縱梁應(yīng)力變化，掌握縱梁應(yīng)力狀態(tài)。由于縱梁為超靜定結(jié)構(gòu)，混凝土受溫度影響能夠產(chǎn)生次內(nèi)力，因此需要根據(jù)測(cè)試溫度進(jìn)行應(yīng)力的折算。為能夠更加準(zhǔn)確地反映縱梁溫度對(duì)受力狀態(tài)的影響，在縱梁斷面的上下兩面（向陽(yáng)面與背陽(yáng)面）各布置應(yīng)力傳感器，采用自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)，實(shí)時(shí)采集溫度及應(yīng)力數(shù)據(jù)，并及時(shí)分析處理?？v梁應(yīng)力在受溫度效應(yīng)影響的過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化。為準(zhǔn)確掌握縱梁應(yīng)力的變化情況，全橋每根縱梁選取1/4跨（3/4跨）、1/2跨3個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面分別布置上下（向陽(yáng)面、背陽(yáng)面）2個(gè)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)斷面如圖2所示，監(jiān)測(cè)剖面如圖3所示。

圖2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面布置

圖3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)剖面布置（1#為向陽(yáng)面、2#為背陽(yáng)面）

應(yīng)力自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)適用于全過(guò)程施工監(jiān)控中，但溫度效應(yīng)影響應(yīng)選取無(wú)施工工況的時(shí)期進(jìn)行分析，故應(yīng)選取其中工況少、相對(duì)穩(wěn)定且外界干擾因素少時(shí)的1～3 d內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備

在研究過(guò)程中，結(jié)構(gòu)溫度對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次應(yīng)力處于變化之中，因此對(duì)數(shù)據(jù)需進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，采用結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)縱梁溫度及應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)具有傳輸距離廣、穿透性強(qiáng)、信號(hào)穩(wěn)定性好及待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，同時(shí)集多類型傳感型設(shè)備、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)、信號(hào)中繼節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)分析處理節(jié)點(diǎn)于一體，可實(shí)現(xiàn)多類型數(shù)據(jù)無(wú)線實(shí)時(shí)采集和傳輸（圖4）。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)傳感器埋設(shè)

2.3 研究結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.3.1 應(yīng)力隨溫度變化的對(duì)比分析

選取1/4跨斷面中一個(gè)中縱梁及一個(gè)邊縱梁上、下（向陽(yáng)面、背陽(yáng)面）2個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力隨溫度變化的對(duì)比分析。應(yīng)力、溫度時(shí)程曲線如圖5所示，單點(diǎn)應(yīng)力受溫度效應(yīng)影響的變化曲線如圖6所示（本節(jié)中應(yīng)力為以0時(shí)數(shù)據(jù)為初始值的累計(jì)變化量，下同）。

圖5 縱梁同一斷面的應(yīng)力、溫度時(shí)程曲線

圖6 單點(diǎn)應(yīng)力受溫度效應(yīng)影響的變化曲線

由圖6可知：一天中（從0時(shí)開(kāi)始到24時(shí)結(jié)束）混凝土溫度呈現(xiàn)先降、后升、再降趨勢(shì)，最后趨于0時(shí)溫度。當(dāng)天中最低溫度出現(xiàn)于7時(shí)30分左右，最高溫度出現(xiàn)于16時(shí)左右。而混凝土應(yīng)力變化與之相反，呈現(xiàn)先上升、后下降、再上升的趨勢(shì)，最后趨于0時(shí)應(yīng)力。當(dāng)天中最大應(yīng)力出現(xiàn)于7時(shí)30分左右，最小應(yīng)力出現(xiàn)于16時(shí)左右。

此研究結(jié)果表明縱梁混凝土結(jié)構(gòu)溫度與應(yīng)力成反比，混凝土溫度升高，應(yīng)力相應(yīng)減小。

2.3.2 同一斷面向陽(yáng)、背陽(yáng)面的應(yīng)力差和溫度差對(duì)比

選取1/4跨斷面中一個(gè)中縱梁及一個(gè)邊縱梁上、下（向陽(yáng)面、背陽(yáng)面）2個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力差和溫度差的對(duì)比分析。應(yīng)力、溫度時(shí)程云圖如圖7所示，向陽(yáng)面、背陽(yáng)面的應(yīng)力差與溫度差對(duì)比如圖8所示。

圖7 應(yīng)力、溫度時(shí)程云圖

圖8 向陽(yáng)面、背陽(yáng)面的應(yīng)力差與溫度差對(duì)比

由圖8可知：應(yīng)力受溫度梯度的影響較大。在一天中（從0時(shí)開(kāi)始到24時(shí)結(jié)束）夜間無(wú)陽(yáng)光照射的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)溫度差逐漸增大，此時(shí)背陽(yáng)面溫度高于向陽(yáng)面溫度。在7時(shí)30分左右，太陽(yáng)出現(xiàn)，陽(yáng)光照射后，向陽(yáng)面混凝土結(jié)構(gòu)溫度逐漸升高，溫度差逐漸減小。在10時(shí)左右，溫度差趨于0 K。此時(shí)向陽(yáng)面結(jié)構(gòu)溫度受太陽(yáng)直射的影響，溫度逐漸升高，而背陽(yáng)面溫度增長(zhǎng)緩慢，溫度差逐漸增大，此時(shí)向陽(yáng)面溫度高于背陽(yáng)面溫度。14時(shí)左右，溫度差達(dá)到最高，之后逐漸開(kāi)始減小，一直到24時(shí)，溫度差趨于0 K。

而應(yīng)力差趨勢(shì)與溫度差趨勢(shì)相反。夜間無(wú)陽(yáng)光時(shí)，應(yīng)力差逐漸增大，此時(shí)向陽(yáng)面應(yīng)力大于背陽(yáng)面應(yīng)力。在7時(shí)30分左右，應(yīng)力差逐漸減小，一直到10時(shí)左右，應(yīng)力差趨于0。之后應(yīng)力差呈增大趨勢(shì)，此時(shí)背陽(yáng)面應(yīng)力大于向陽(yáng)面應(yīng)力。14時(shí)左右，應(yīng)力差逐漸減小，一直到24時(shí)，應(yīng)力差趨于0。

此研究結(jié)果表明，縱梁混凝土結(jié)構(gòu)受溫度影響較大。當(dāng)向陽(yáng)面溫度高于背陽(yáng)面溫度時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)力小于背陽(yáng)面應(yīng)力；反之，當(dāng)向陽(yáng)面溫度低于背陽(yáng)面溫度時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)力大于背陽(yáng)面應(yīng)力，且溫度差與應(yīng)力差呈相反趨勢(shì)。

2.3.3 不同斷面相同位置向陽(yáng)、背陽(yáng)面應(yīng)力與溫度對(duì)比

選取1/4跨斷面中縱梁及1/2跨斷面中縱梁同一部位（向陽(yáng)面、背陽(yáng)面）應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力與溫度對(duì)比分析。不同斷面同一位置的應(yīng)力對(duì)比如圖9所示，不同斷面同一位置的溫度對(duì)比如圖10所示。

圖9 不同斷面同一位置測(cè)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比

圖10 不同斷面同一位置測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比

由圖9、圖10可知：一天中（從0時(shí)開(kāi)始到24時(shí)結(jié)束）向陽(yáng)面應(yīng)力與溫度變化趨勢(shì)基本吻合。當(dāng)溫度升高時(shí)，應(yīng)力減小，且變化幅度基本保持一致。背陽(yáng)面應(yīng)力及溫度變化整體趨勢(shì)基本吻合。當(dāng)溫度升高時(shí)，應(yīng)力減小，但趨勢(shì)幅度卻有相應(yīng)差別；在12時(shí)后，邊跨處溫度降溫較快，溫度趨勢(shì)幅度相比于中跨處較大，相應(yīng)的應(yīng)力變化趨勢(shì)幅度也比中跨處較大。

3 溫度對(duì)拱肋內(nèi)力的影響研究

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

拱肋作為橋梁的主要受力結(jié)構(gòu)，其受力狀態(tài)關(guān)系到橋梁的整體安全，分析溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響尤為重要。本文選取拱肋1/4跨、1/2跨作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)關(guān)鍵位置。1/4跨拱肋鋼管頂、底緣、腹板各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，每榀拱肋合計(jì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)。1/2跨頂、底緣、腹板各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，每榀拱肋合計(jì)2個(gè)測(cè)點(diǎn)。拱肋應(yīng)力斷面布置見(jiàn)圖2，1/4跨、1/2跨斷面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。

圖11 拱肋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置斷面

3.2 研究結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

選取1～2 d的拱肋弦管應(yīng)力時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且以當(dāng)天0時(shí)數(shù)據(jù)作為初始值，以觀察拱肋弦管應(yīng)力隨時(shí)間的變化量。

拱肋的應(yīng)力、溫度時(shí)程曲線如圖12、圖13所示。

圖12 同一斷面的拱肋應(yīng)力、溫度時(shí)程曲線

圖13 不同斷面的拱肋應(yīng)力、溫度時(shí)程曲線

3.2.1 同一斷面上下弦管應(yīng)力的溫度影響分析

由圖12可得出：

1）拱肋1/4跨斷面的上弦管應(yīng)力隨溫度的升高而減小，即升溫時(shí)上弦管應(yīng)力呈現(xiàn)受壓狀態(tài)；而下弦管應(yīng)力隨溫度的升高而增大，即升溫時(shí)下弦管應(yīng)力呈現(xiàn)受拉趨勢(shì)。

2）拱肋1/2跨斷面的上弦管應(yīng)力隨溫度的升高而增大，即升溫時(shí)上弦管應(yīng)力呈現(xiàn)受拉趨勢(shì)；而下弦管應(yīng)力隨溫度的升高而減小，即升溫時(shí)下弦管應(yīng)力呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。

綜上分析，拱肋溫度變化時(shí)，同一斷面上下弦管應(yīng)力變化規(guī)律相反，表明拱肋在受溫度影響時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎矩。

3.2.2 不同斷面相同位置應(yīng)力與溫度對(duì)比分析

由圖13可得出：

1）拱肋1/4跨和1/2跨斷面上下弦管的溫度基本一致，不同斷面的相同測(cè)點(diǎn)位置的溫度差較小。

2）拱肋1/4跨和1/2跨斷面的上下弦管應(yīng)力隨溫度的變化呈現(xiàn)反對(duì)稱趨勢(shì)。

綜上分析，拱肋溫度變化時(shí)，1/4跨和1/2跨位置的拱肋彎矩方向呈反對(duì)稱，即一處為正彎矩，另一處為負(fù)彎矩，表明拱肋在受溫度變化影響時(shí)，1/4跨和1/2跨會(huì)分別產(chǎn)生正、負(fù)彎矩，在1/4跨至1/2跨之間會(huì)出現(xiàn)彎矩0點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析研究溫度對(duì)鋼管混凝土拱橋的縱梁、拱肋應(yīng)力的影響效應(yīng)，得出如下結(jié)論：

1）縱梁應(yīng)力變化與溫度變化成反比，溫度升高時(shí)應(yīng)力減小。

2）縱梁應(yīng)力受混凝土頂?shù)酌鏈囟炔钣绊懴鄬?duì)較大，因混凝土向陽(yáng)、背陽(yáng)面溫度梯度的影響，縱梁會(huì)產(chǎn)生一定的彎矩，從而造成頂?shù)撞慨a(chǎn)生較大的應(yīng)力差。

3）拱肋在受溫度變化影響時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生彎矩。

4）拱肋受溫度變化影響時(shí)，1/4跨和1/2跨位置的拱肋應(yīng)力變化規(guī)律呈反對(duì)稱，表明1/4跨和1/2跨會(huì)分別產(chǎn)生正、負(fù)彎矩，在1/4跨至1/2跨之間會(huì)出現(xiàn)彎矩0點(diǎn)。