基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的組合梁斜拉橋溫度梯度特性及結(jié)構(gòu)性能影響研究

胡俊亮 葉仲韜 吳 杰 李 開(kāi)

(1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034；3.武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 510640；4.中新國(guó)際聯(lián)合研究院 廣州 510700)

前言

一百多年來(lái)，橋梁行業(yè)在結(jié)構(gòu)材料、設(shè)計(jì)水平和施工技術(shù)等方面在不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，橋梁結(jié)構(gòu)向著更大跨徑、更高強(qiáng)度、更耐久的方向發(fā)展。鋼-混凝土組合橋梁就是其中有代表性的成果和未來(lái)的重要發(fā)展方向之一。鋼-混凝土組合梁橋是組合結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的橋梁型式之一，其優(yōu)點(diǎn)是綜合了混凝土和鋼材各自的材料優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)合方式讓二者合理受力。

該結(jié)構(gòu)的兩種材料，其中混凝土橋面板主要處于受壓區(qū)，鋼梁主要處于受拉區(qū)，中間靠抗剪連接件保證二者的協(xié)調(diào)變形和共同受力。這種組合方式既避免了普通鋼筋混凝土橋梁中混凝土容易受拉開(kāi)裂的問(wèn)題，也解決了鋼結(jié)構(gòu)橋梁中鋼梁容易失穩(wěn)的問(wèn)題，其自重較小、剛度較大其造價(jià)具有一定優(yōu)勢(shì)[1]。

對(duì)于鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，兩種材料都直接承受來(lái)自于環(huán)境氣候變化的影響。由于兩者材料特性存在的較大差異，對(duì)溫度變化尤為敏感。特別是當(dāng)環(huán)境溫度變化劇烈時(shí)，鋼材和混凝土之間由于溫度變化速度不同而產(chǎn)生溫差，不同的漲縮變形引起組合梁橋梁截面上的內(nèi)應(yīng)力，尤其是組合梁結(jié)合面抗剪連接件周?chē)幕炷梁苋菀组_(kāi)裂。通過(guò)前人的大量實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)實(shí)案例證明，環(huán)境溫度變化引起的溫度作用可能會(huì)造成截面應(yīng)力分布不均，引起混凝土開(kāi)裂以及支座位移等病害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓸蛄航Y(jié)構(gòu)的垮塌[2]!

另外，在日照、寒潮等天氣因素的作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生非線(xiàn)性溫度分布，這種非線(xiàn)性溫度分布會(huì)再結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和變形，這些溫度效應(yīng)甚至?xí)^(guò)活載效應(yīng)，造成結(jié)構(gòu)的損傷與破壞[3-6]。

雖然國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)鋼-混凝土組合梁橋的溫度作用效應(yīng)作了不少研究，且各國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中都對(duì)鋼-混凝土組合梁橋溫度作用做了規(guī)定，但這些規(guī)定存在一定差別，與鋼-混凝土組合梁橋真實(shí)的溫度場(chǎng)分布并不完全相符[7]。因而，不同的溫度梯度加載模式以及不同的組合梁結(jié)構(gòu)形式所得到的溫度作用效應(yīng)也不盡相同。為此，需要結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)組合梁溫度作用效應(yīng)進(jìn)行研究，以促進(jìn)規(guī)范對(duì)組合梁溫度梯度規(guī)定的完善和修正。下面將以一座已建成長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組合梁斜拉橋?yàn)榱?，?duì)比實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)效應(yīng)與已有的幾種設(shè)計(jì)規(guī)范溫度作用計(jì)算方法，以實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范溫度作用模式進(jìn)行優(yōu)化。

1 各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)溫度梯度作用的規(guī)定

由于地理位置的差異，各國(guó)規(guī)范對(duì)于組合梁溫度梯度的規(guī)定也不盡相同。下面，就中國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(TJG D60-2015)[8]、美國(guó)AASHTO公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[9]、英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)和施工規(guī)范 BS5400[10]及歐洲專(zhuān)門(mén)針對(duì)復(fù)合鋼和混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范EN2004[11]對(duì)組合梁溫度梯度的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行分析。其中，英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)和施工規(guī)范 BS5400 是各國(guó)規(guī)范中對(duì)不同橋梁結(jié)構(gòu)型式的溫度作用加載方式闡述得最詳細(xì)的，歐洲規(guī)范參考了英國(guó)規(guī)范的關(guān)于組合梁橋及帶混凝土橋面板鋼橋溫度效應(yīng)的規(guī)定，其常規(guī)計(jì)算模式與英國(guó)規(guī)范一致，并提出了簡(jiǎn)化計(jì)算方法。下圖為四種規(guī)范關(guān)于組合梁溫度梯度的描述。

圖1 各國(guó)規(guī)范組合梁溫度梯度曲線(xiàn)

從上面的溫度梯度曲線(xiàn)可以看到，各規(guī)范多遵循多段線(xiàn)的形式定義溫度梯度，但是在相同之處也存在差異的地方。

表1 各國(guó)規(guī)范比較分析

從上表和上圖可以看出，各國(guó)規(guī)范關(guān)于溫度梯度表達(dá)方式因考慮的影響因素不同而不盡相同，幾種規(guī)范也基本涵蓋了混凝土橋面板厚度、橋梁所處地理位置、鋪裝層類(lèi)型、鋪裝層厚度、組合梁高度等因素。其中，英規(guī)與歐規(guī)均同時(shí)提出了獨(dú)立的負(fù)溫度梯度模式，中規(guī)對(duì)正溫度梯度模式乘以-0.5的系數(shù)得到負(fù)為溫度梯度計(jì)算模式；美規(guī)則是根據(jù)橋面鋪裝類(lèi)型的不同選擇-0.3(普通混凝土鋪裝)或-0.2(瀝青混凝土鋪裝)的系數(shù)來(lái)得到負(fù)溫度梯度。相對(duì)來(lái)說(shuō)，歐規(guī)與英規(guī)考慮的因素更為全面。

僅從上面的幾種規(guī)范的對(duì)比難以明確各規(guī)范的適用性，因此，下面將結(jié)合實(shí)際橋梁溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將實(shí)測(cè)組合梁溫度梯度與各規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式代入有限元模型進(jìn)行計(jì)算，分析各規(guī)范的適用性，并得到溫度梯度計(jì)算模式的影響因素。

2 工程概況

二七長(zhǎng)江大橋正橋工程，具體包括通航孔主橋、非通航孔深水區(qū)及兩岸非通航孔岸灘區(qū)，總長(zhǎng)度為2922m。主線(xiàn)道路等級(jí)為城市快速路，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，計(jì)算行車(chē)速度80km/h，車(chē)道數(shù)為雙向6車(chē)道，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為29.5米。

二七長(zhǎng)江大橋主橋采用三塔雙索面結(jié)合梁斜拉橋，跨徑組成為(90+160+2x616+160+90)m，主橋長(zhǎng)1732m?？傮w布置如圖2所示。主橋采用半漂浮體系。邊塔處采用豎向支撐，中塔處固定鉸接體系。主梁邊塔處設(shè)置兩個(gè)雙向活動(dòng)支座，橫向設(shè)置抗風(fēng)支座；中塔橫梁頂設(shè)豎向支座及縱向限位擋塊，約束豎向及水平位移，橫向設(shè)抗風(fēng)支座。在邊塔處設(shè)置縱向阻尼裝置，使得結(jié)構(gòu)在地震力作用下，邊中塔能夠共同參與分配其作用。

大橋工程影響區(qū)歷年最高日平均氣溫為41.3℃，最低日平均氣溫為-18.1℃，年平均氣溫為16.8℃。

圖2 橋型布置圖

3 實(shí)測(cè)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)測(cè)溫度梯度模式

環(huán)境溫度通過(guò)熱傳導(dǎo)作用于橋梁結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成溫度場(chǎng)。超靜定結(jié)構(gòu)中溫度場(chǎng)的變化將會(huì)導(dǎo)致溫度次內(nèi)力的產(chǎn)生，同時(shí)材料隨溫度的脹縮也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體形變。因此，結(jié)構(gòu)溫度是對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響顯著的因素。對(duì)于組合梁來(lái)說(shuō)，其兩種組成材料混凝土和鋼材物理特性差異明顯，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)僅為鋼材的1/10作用，當(dāng)外界溫度出現(xiàn)劇烈變化時(shí)，混凝土溫度變化速率要遠(yuǎn)小于鋼材溫度變化速率。因此，當(dāng)混凝土橋面板受太陽(yáng)輻射時(shí)會(huì)形成橋面板厚度方向的不均勻溫度梯度，由于導(dǎo)熱系數(shù)的差異，橋面板與鋼梁之間也會(huì)產(chǎn)生高度方向的溫度梯度。

為準(zhǔn)確掌握組合梁溫度梯度模式，沿梁高方向布置了6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，組合梁截面構(gòu)造與測(cè)點(diǎn)布置位置見(jiàn)下圖3～4所示。

圖3 組合梁結(jié)構(gòu)圖 (單位：cm) 圖4 溫度測(cè)點(diǎn)沿梁高布置圖 (單位：cm)

對(duì)2015年全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取每個(gè)月月初與月中一天24小時(shí)的數(shù)據(jù)，每天每個(gè)小時(shí)取一組數(shù)據(jù)(圖5～6示出了7月1日與10月1日的溫度場(chǎng)分布)。溫度場(chǎng)分布曲線(xiàn)X軸代表了24小時(shí)，Y軸代表測(cè)點(diǎn)溫度，Z軸為測(cè)點(diǎn)高度。繪制溫度場(chǎng)分布如下圖5～6所示。

圖5 7月1日溫度場(chǎng)分布圖 圖6 10月1日溫度場(chǎng)分布圖

從上面的溫度場(chǎng)分布圖可以看到，在日照較為強(qiáng)烈的白天時(shí)間段，實(shí)測(cè)結(jié)合梁截面溫度場(chǎng)分布呈現(xiàn)出由橋面鋪裝到底面溫度逐漸降低的正溫差趨勢(shì)。其中，大約在13～15點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)，橋面鋪裝與梁底之間具有最大的溫差；而在夜晚時(shí)間段，結(jié)合梁截面呈現(xiàn)橋面鋪裝到梁底底面的負(fù)溫差趨勢(shì)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，最大負(fù)溫差時(shí)間段較為分散，在0～8點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)均有分布。根據(jù)每個(gè)月的溫度分布，繪制2015年時(shí)間段溫度場(chǎng)正溫差、負(fù)溫差分布圖。

圖7 2015年溫度場(chǎng)正溫差分布圖 圖8 2015年溫度場(chǎng)負(fù)溫差分布圖

分別取一年中最大正溫差(7月1日)、最大負(fù)溫差(10月1日)的一天，繪制截面沿高度溫度分布曲線(xiàn)如下圖所示。

圖9 2015年最大正(負(fù)溫差)曲線(xiàn)

從實(shí)測(cè)組合梁溫度梯度曲線(xiàn)可以看到，正溫度梯度曲線(xiàn)與英規(guī)定義的溫度梯度曲線(xiàn)接近，而負(fù)溫度梯度曲線(xiàn)則與歐規(guī)接近，僅在混凝土段及鋼梁段上端定義了溫度梯度，其他規(guī)范均沿鋼梁段全高定義了溫度梯度形式。

3.2 溫度梯度荷載工況

總共考慮了10種溫度梯度荷載工況，歐規(guī)的常規(guī)溫度梯度模式與英國(guó)規(guī)范基本一致，因此，歐洲規(guī)范選擇簡(jiǎn)化模式。將10種荷載工況分列如下：

表2 溫度梯度荷載工況

3.3 溫度荷載效應(yīng)

下文各結(jié)果表中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為武漢二七長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，均為剔除了活載效應(yīng)后的溫度影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包含了整體升、降溫、主梁溫度梯度、索梁塔溫差等的影響。其中，英規(guī)的負(fù)溫度梯度模式計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于其他溫度梯度模式計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為其定義的負(fù)溫度梯度模式不適用，在結(jié)果列表中未顯示。

1) 主梁變形

按前文10種溫度荷載工況，計(jì)算結(jié)構(gòu)主梁撓度變化，繪制撓度圖如下圖所示：

圖10 溫度荷載效應(yīng)-撓度(單位：mm)

根據(jù)二七橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，做低通濾波處理，得到分別在最大正溫度梯度(7月1日)、最大負(fù)溫度梯度(10月1日)第3跨、第4跨跨中撓度數(shù)據(jù)，并將第3、4跨跨中的各規(guī)范計(jì)算撓度值與實(shí)測(cè)溫度梯度計(jì)算撓度值列于下表所示。

表3 溫度梯度效應(yīng)計(jì)算值與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)值(單位：mm)

從溫度梯度引起的主梁變形圖上可以看到，在正溫度梯度作用下，實(shí)測(cè)溫度梯度與英規(guī)溫度梯度效應(yīng)最為接近，而中規(guī)主梁撓度變化最?。辉谪?fù)溫度梯度作用下，實(shí)測(cè)溫度梯度與歐規(guī)溫度梯度效應(yīng)最為接近，美規(guī)主梁撓度變化最小，英規(guī)定義的負(fù)溫度梯度效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他3家規(guī)范及實(shí)測(cè)溫度梯度計(jì)算結(jié)果。將實(shí)測(cè)撓度與計(jì)算撓度進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)表3，在正溫度梯度作用下，SHM系統(tǒng)實(shí)測(cè)撓度與英規(guī)溫度梯度模式計(jì)算撓度最為接近，中規(guī)與美規(guī)計(jì)算結(jié)果偏小，實(shí)測(cè)溫度梯度計(jì)算結(jié)果最大；在負(fù)溫度梯度作用下，SHM系統(tǒng)實(shí)測(cè)撓度與歐規(guī)溫度梯度模式計(jì)算撓度較為接近，中規(guī)與美規(guī)計(jì)算結(jié)果偏小，實(shí)測(cè)溫度梯度計(jì)算結(jié)果大。

2) 主梁應(yīng)力

對(duì)于組合梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力，應(yīng)拆分成鋼縱梁與橋面板進(jìn)行分析。下面主要繪制了組合梁段結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖11 溫度荷載效應(yīng)-鋼梁應(yīng)力(單位：MPa)

圖12 溫度荷載效應(yīng)-橋面板應(yīng)力(單位：MPa)

表4 溫度梯度效應(yīng)計(jì)算值與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)值(單位：MPa)

從上面幾幅圖可以看到，各溫度梯度計(jì)算模式得到的主梁應(yīng)力分布規(guī)律是類(lèi)似的。鋼梁沿縱橋向溫度梯度應(yīng)力幅值變化較大，混凝土橋面板沿縱橋向應(yīng)力幅值變化較小。實(shí)測(cè)正溫度梯度模式應(yīng)力效應(yīng)最大，其他幾種規(guī)范計(jì)算結(jié)果較為接近。對(duì)于負(fù)溫度梯度模式來(lái)說(shuō)，中規(guī)與美規(guī)負(fù)溫度梯度模式計(jì)算效應(yīng)最小，歐規(guī)與實(shí)測(cè)梯度模式計(jì)算結(jié)果較為接近。

3) 斜拉索索力

鑒于武漢長(zhǎng)江二橋的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在分析斜拉索索力時(shí)，取上游側(cè)1/2的斜拉索進(jìn)行分析，共66束斜拉索，斜拉索沿橋縱向從漢口到武昌順序編號(hào)。將分析斜拉索示于下圖所示。

圖13 索力分析斜拉索

圖14 溫度荷載效應(yīng)-斜拉索索力(單位：kN)

從上面兩幅圖可以看到，實(shí)測(cè)溫度梯度模式計(jì)算索力變化均大于四種規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，特別是對(duì)于負(fù)溫度梯度計(jì)算效應(yīng)來(lái)說(shuō)，美規(guī)計(jì)算結(jié)果最小，中規(guī)次之，歐規(guī)相對(duì)較大。另外，溫度梯度效應(yīng)對(duì)邊跨中長(zhǎng)索和中跨長(zhǎng)索的索力影響較大。

表5 溫度梯度效應(yīng)計(jì)算值與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)值(單位：kN)

從上表可以看到，實(shí)測(cè)溫度梯度模式斜拉索索力變化最大，中規(guī)索力變化最小，英規(guī)與實(shí)測(cè)正溫度梯度模式計(jì)算結(jié)果較為接近。與實(shí)測(cè)溫度梯度模式效應(yīng)相比，中規(guī)與美規(guī)的負(fù)溫度梯度效應(yīng)明顯低于正溫度梯度效應(yīng)。

4)橋塔變形

對(duì)橋塔的應(yīng)力分析，從塔墩底部開(kāi)始。由于二七長(zhǎng)江大橋?yàn)槿崩瓨?，因此，在分析過(guò)程中主要考慮邊、中塔即3#塔、4#塔在溫度荷載作用下主塔受力和變形。

圖15 溫度荷載效應(yīng)-邊塔偏位(單位：mm)

圖16 溫度荷載效應(yīng)-中塔偏位(單位：mm)

從上面四幅圖可以看到，在溫度梯度荷載作用下，邊塔變形遠(yuǎn)大于中塔。

取邊塔、塔頂?shù)腉PS數(shù)據(jù)做濾波處理，得到塔頂?shù)淖畲笃弧Ｓ捎谥兴礼PS出現(xiàn)故障，沒(méi)有數(shù)據(jù)。

表6 溫度梯度效應(yīng)計(jì)算值與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)值(單位：mm)

在溫度梯度荷載作用下，實(shí)測(cè)溫度梯度效應(yīng)最大，英規(guī)次之，中規(guī)最小。對(duì)于邊塔來(lái)說(shuō)，實(shí)測(cè)負(fù)溫度梯度效應(yīng)大于正溫度梯度效應(yīng)。中塔在溫度梯度作用下，橋塔沒(méi)有明顯的變形。

5)橋塔應(yīng)力

圖17 溫度荷載效應(yīng)-邊塔應(yīng)力(單位：MPa)

圖18 溫度荷載效應(yīng)-中塔應(yīng)力(單位：MPa)

從上面4幅圖可以看出，在溫度梯度荷載作用下，對(duì)于邊塔來(lái)說(shuō)，橋塔下橫梁處橋面位置應(yīng)力最大，中塔應(yīng)力均較小。

表7 溫度梯度效應(yīng)計(jì)算值與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)值(單位：MPa)

橋塔在溫度梯度荷載作用下，邊塔應(yīng)力與變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中塔，英規(guī)荷載效應(yīng)要大于中、美、歐規(guī)范，而實(shí)測(cè)溫度梯度計(jì)算得到的荷載效應(yīng)大于四種規(guī)范計(jì)算的荷載效應(yīng)。中塔的應(yīng)力和變形可以忽略不計(jì)。

4 小結(jié)

(1)英國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范對(duì)鋼-混凝土組合梁溫度梯度的規(guī)定最為詳盡，且通過(guò)與二七長(zhǎng)江大橋?qū)崪y(cè)溫度場(chǎng)效應(yīng)相比，歐洲規(guī)范與之具有最好的吻合度，因此，建議鋼-混凝土組合梁溫度梯度在歐洲規(guī)范的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)加以修正和完善。

(2)對(duì)于大跨徑組合梁斜拉橋，溫度作用不可忽視，在橋梁結(jié)構(gòu)的某些位置其引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形可能會(huì)超過(guò)活載效應(yīng)，因此，在設(shè)計(jì)階段對(duì)溫度因素應(yīng)該予以重點(diǎn)關(guān)注。

(3)對(duì)比了多種溫度荷載工況，相對(duì)于整體升降溫，溫度荷載梯度引起的鋼梁彎矩要更大；而整體升降溫會(huì)引起最大的索力變化；整體升降溫、索塔梁溫差也會(huì)產(chǎn)生比主梁溫度梯度更大的橋塔溫度荷載效應(yīng)。需要全橋進(jìn)行溫度敏感性分析，以整體把握大橋溫度效應(yīng)，為相似組合梁斜拉橋的溫度效應(yīng)分析提供借鑒。

(4)后續(xù)可做的工作，溫度影響敏感性分析，分析諸如整體升降溫、索梁塔溫差、溫度梯度等對(duì)主梁變形、應(yīng)力、索力、橋塔偏位、橋塔應(yīng)力的影響；

(5)分析結(jié)果表明，4本規(guī)范的溫度梯度效應(yīng)普遍小于實(shí)測(cè)溫度梯度的荷載效應(yīng)，目前的規(guī)范對(duì)于溫度梯度模式與實(shí)際情況可能并不符合，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合多種因素影響，對(duì)規(guī)范計(jì)算溫度梯度效應(yīng)值進(jìn)行合理修正。

(6)英國(guó)規(guī)范正溫度梯度模式與實(shí)測(cè)溫度梯度模式較為接近，而歐洲規(guī)范負(fù)溫度梯度模式與實(shí)測(cè)溫度梯度模式較為接近?？梢詤⒖紤?yīng)該規(guī)范正溫度梯度模式，在幅值上予以修正，負(fù)溫度梯度則應(yīng)僅定義鋼梁段上部及混凝土橋面板的部分。