大跨徑斜拉橋荷載試驗(yàn)的溫度效應(yīng)

程景揚(yáng)

(廣東省交通運(yùn)輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，廣州 510420)

0 引言

橋梁是公路和鐵路交通網(wǎng)中的關(guān)鍵組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)安全對(duì)于確保交通網(wǎng)的安全暢通具有重要意義[1]。公路橋梁荷載試驗(yàn)是橋梁交工驗(yàn)收檢測(cè)中不可或缺的一環(huán)，能直接反映結(jié)構(gòu)承載能力及動(dòng)力特性的重要指標(biāo)。在外荷載作用下(如車(chē)輛荷載、風(fēng)荷載等)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，反映了橋梁結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度，是橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)驗(yàn)證及評(píng)估的重要參數(shù)。

當(dāng)某種結(jié)構(gòu)的溫度變化時(shí)，它的各部分材料都將由于溫度的升高和降低而趨于膨脹或收縮。由于大部分橋梁為超靜定結(jié)構(gòu)，這種膨脹或收縮受到約束，于是就產(chǎn)生了應(yīng)力，即溫度應(yīng)力[2]。

作為規(guī)范中針對(duì)荷載試驗(yàn)最重要的參數(shù)之一，應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的荷載試驗(yàn)有著重要的意義。由于荷載試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(特大型橋梁荷載試驗(yàn)通常大于6h)，測(cè)試斷面的應(yīng)力和應(yīng)變受溫度的影響較大，如何減少溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，是檢測(cè)行業(yè)比較關(guān)注的問(wèn)題。本文針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)過(guò)程中溫度應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，進(jìn)行分析研究。

1 溫度效應(yīng)

1.1 作用機(jī)理

在自然環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，受到周?chē)h(huán)境如氣溫、風(fēng)及陽(yáng)光等影響，結(jié)構(gòu)表面溫度有可能發(fā)生急速變化(上升或降低)。由于混凝土是一種導(dǎo)熱性較差的材料(一般為金屬的幾十分之一)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化具有滯后性，結(jié)構(gòu)內(nèi)部與結(jié)構(gòu)外部存在較大的溫度梯度。由于混凝土材料的熱脹冷縮，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻的變形。橋梁結(jié)構(gòu)多數(shù)為超靜定結(jié)構(gòu)，受到的變形大部分轉(zhuǎn)換成了溫度應(yīng)力。在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的情況下，溫度應(yīng)力在某種工況條件下比車(chē)輛荷載作用下的應(yīng)力還大，故在荷載試驗(yàn)過(guò)程中，必須考慮溫度應(yīng)力對(duì)荷載試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.2 理論基礎(chǔ)

橋梁結(jié)構(gòu)的溫度荷載因橋梁結(jié)構(gòu)周?chē)鷼庀髼l件而產(chǎn)生，氣象條件隨時(shí)間的變化而變化，因此橋梁結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。加之橋梁結(jié)構(gòu)為空間形態(tài)，幾何上是三維的，所以求解溫度荷載的函數(shù)解是不可能的。

橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部及外部的某一點(diǎn)，在某個(gè)時(shí)刻的溫度可表示為：

Ti=f(x,y,z,t)

溫度不僅與坐標(biāo)x、y、z有關(guān)，而且與時(shí)間有關(guān)。因此對(duì)于各向同性的結(jié)構(gòu)材質(zhì)，根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，可導(dǎo)出三維非溫度導(dǎo)熱方程[3]。

式中：λ—導(dǎo)熱系數(shù)；

γ—容重；

c—比熱；

q—單位體積內(nèi)放出的熱量。

相關(guān)文獻(xiàn)分析表明，橋梁結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)可近似于一維熱傳導(dǎo)狀態(tài)，從工程實(shí)用角度考慮，該理論可大大簡(jiǎn)化該問(wèn)題的復(fù)雜性。

2 工程概況

河(源)惠(州)(東)莞高速公路龍川至紫金段是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃廣龍高速公路(S6)的重要組成部分，北接江西省寧都至定南高速公路，南接河惠莞高速公路紫金至東莞段，是東莞、惠州、河源通往江西的主要出省通道。

楓樹(shù)壩大橋?yàn)樵摳咚俟返年P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程，主橋?yàn)橹骺?20m的雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨徑布置為160m+320m+160m，全橋總長(zhǎng)640m。主橋?yàn)檎w式斷面，橋面寬28m，橫斷面布置為：0.5m防撞欄+3m緊急停車(chē)帶+2×3.75m車(chē)行道+0.75m路緣帶+4.5m中央分隔帶+0.75m路緣帶+2×3.75m車(chē)行道+3m緊急停車(chē)帶+0.5m防撞欄。橋型布置、主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1 橋型布置(單位：m)

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

3 溫度試驗(yàn)

由于塔梁結(jié)合處及塔柱應(yīng)變?cè)谠囼?yàn)荷載過(guò)程中應(yīng)變變化幅值較小，受溫度影響較大，故僅對(duì)塔梁結(jié)合處負(fù)彎矩及塔柱斷面進(jìn)行溫度試驗(yàn)。

圖3 S3截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖4 主塔S4截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

3.1 溫度效應(yīng)理論計(jì)算結(jié)果

通過(guò)有限元模型，按設(shè)計(jì)考慮的溫度效應(yīng)(溫差按整體升、降23℃考慮，索塔日照溫度為±5℃，斜拉索與混凝土主梁、索塔間的溫差為±10℃)取值計(jì)算分析，計(jì)算模型如圖6所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，未考慮組合的溫度效應(yīng)在塔柱及主梁負(fù)彎矩區(qū)產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為2.59MPa。

表3 修正前后負(fù)彎矩?cái)嗝鎽?yīng)變數(shù)據(jù)

圖6 索塔斷面應(yīng)變-溫度實(shí)測(cè)曲線

表1 溫度效應(yīng)理論計(jì)算結(jié)果

圖5 計(jì)算模型

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

索塔斷面溫度試驗(yàn)于17:00至21:00之間進(jìn)行，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)氣溫為20.3℃，結(jié)束時(shí)氣溫為18.4℃。

主梁負(fù)彎矩?cái)嗝鏈囟仍囼?yàn)于19:20至22:06之間進(jìn)行，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)氣溫為16.6℃，結(jié)束時(shí)氣溫為14.7℃。溫度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 索塔斷面應(yīng)變-溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 負(fù)彎矩?cái)嗝鎽?yīng)變-溫度實(shí)測(cè)曲線

3.3 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值溫度修正

溫度影響修正計(jì)算公式[4]：

ΔSt=ΔS-Δt×Kt

式中：ΔSt—溫度修正后的測(cè)點(diǎn)加載測(cè)值變化量；

ΔS—溫度修正前的測(cè)點(diǎn)加載測(cè)值變化量；

Δt—相對(duì)于ΔS觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)的溫度變化量(℃)；

Kt—空載時(shí)溫度上升1℃時(shí)測(cè)點(diǎn)測(cè)值變化量。

根據(jù)S4截面溫度試驗(yàn)結(jié)果，空載時(shí)溫度上升1℃，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值減少9με，即Kt=-9με/℃。

根據(jù)S3截面溫度試驗(yàn)結(jié)果，空載時(shí)溫度上升1℃，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值減少10με，即Kt=-10με/℃。

4 試驗(yàn)結(jié)果修正

索塔截面試驗(yàn)于22:29至次日1:23之間進(jìn)行。開(kāi)始時(shí)塔內(nèi)氣溫為14.5℃，結(jié)束時(shí)氣溫為14.2℃，試驗(yàn)過(guò)程中溫度變化0.3℃；試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)塔外氣溫為12.6℃，結(jié)束時(shí)氣溫為11.2℃，試驗(yàn)過(guò)程中溫度變化1.4℃。

負(fù)彎矩截面試驗(yàn)于20:05至22:09之間進(jìn)行。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)箱內(nèi)氣溫為15.5℃，結(jié)束時(shí)氣溫為15.2℃，試驗(yàn)過(guò)程中溫度變化0.3℃；試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)箱外氣溫為15.0℃，結(jié)束時(shí)氣溫為13.7℃，試驗(yàn)過(guò)程中溫度變化1.3℃。

(續(xù)表2)

由表2可知，靜載試驗(yàn)過(guò)程中，相對(duì)空載溫度的變化量為-0.8℃。根據(jù)溫度試驗(yàn)結(jié)果，空載時(shí)溫度上升1℃，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值減少9με， 即空載到卸載過(guò)程中，由于溫度的影響，應(yīng)變變化為7.2με，約為受壓區(qū)實(shí)測(cè)平均值的14.9%和受拉區(qū)實(shí)測(cè)平均值的16.0%。

表2 修正前后塔柱斷面應(yīng)變數(shù)據(jù)

由表3可知，靜載試驗(yàn)過(guò)程中，相對(duì)空載溫度的變化量為-1.1℃。根據(jù)溫度試驗(yàn)結(jié)果，空載時(shí)溫度上升1℃，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值減少10με，即空載到卸載過(guò)程中，由于溫度的影響，應(yīng)變變化為11με，約為箱外梁底實(shí)測(cè)平均值的30.1%。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)建立midas模型，以設(shè)計(jì)給出的升降溫及溫度梯度為參數(shù)，得出了溫度荷載下各斷面的最大拉應(yīng)力。

(2)基于河(源)惠(州)(東)莞高速公路龍川至紫金段楓樹(shù)壩大橋的溫度試驗(yàn)結(jié)果，塔柱及負(fù)彎矩?cái)嗝婵蛰d時(shí)溫度上升1℃，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值分別減少9με、10με。

(3)基于溫度試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值進(jìn)行了修正，塔柱及負(fù)彎矩?cái)嗝鏉M載時(shí)溫度較空載時(shí)溫度，溫度分別下降了0.8℃、1.1℃，修正值為-7.2με、-11.0με，約占測(cè)點(diǎn)滿載應(yīng)變值的14.9%～30.1%。

(4)通過(guò)對(duì)溫度試驗(yàn)結(jié)果及靜載試驗(yàn)修正后結(jié)果分析可見(jiàn)，溫度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及應(yīng)變測(cè)量影響較大，對(duì)靜載試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)的可靠性及有效性起著重要的作用，在試驗(yàn)前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空載狀態(tài)下的溫度試驗(yàn)，是非常必要的。