大跨鐵路斜拉橋組合梁溫度標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測及作用規(guī)律研究

關(guān)鍵詞：大跨鐵路，組合梁，溫度作用，試驗研究

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.12.033

0 引言

溫度作用是大跨鐵路橋梁在設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化施工過程中要考慮的主要因素，特別針對鋼混組合梁結(jié)構(gòu)，由于混凝土與鋼結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)大氣溫度及太陽輻射變化劇烈情況下，混凝土與鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱變化差異引起鋼混組合梁截面產(chǎn)生局部自應(yīng)力，導(dǎo)致組合梁剪力釘連接件處混凝土局部開裂，影響結(jié)構(gòu)耐久性和安全性，因此針對大跨鐵路橋梁組合梁的溫度作用規(guī)律研究具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價值。

國內(nèi)外學(xué)者針對橋梁溫度開展了大量的研究，廖聿宸等[1]通過對某大橋組合梁長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析研究，采用高斯混合模型統(tǒng)計溫度分布概率，計算不同設(shè)計基準(zhǔn)期下的正負(fù)溫差值；麥鑫浩[2]通過以某連續(xù)箱梁橋為研究對象，基于現(xiàn)場監(jiān)測的實時溫度數(shù)據(jù)，建立了該橋結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)計算模型，分析了該橋最不利溫差作用下橋梁豎向應(yīng)力分布規(guī)律；孟令強等[3]通過以某公鐵兩用鋼桁梁橋梁為工程背景，采用分段函數(shù)擬合主梁橫豎向溫度梯度模式，分析了均勻溫度和梯度溫度對橋梁線形及應(yīng)力的影響。戴公連等[4]通過對泉州灣跨海鐵路橋建立了升降溫時程模型，利用熱流邊界等效方法，得到沿海地區(qū)高速鐵路組合梁的溫度分布模式；楊凌皓等[5]通過對長沙磁懸浮軌道梁進行溫度場及溫度效應(yīng)分析，建立箱梁及橫梁整體三維模型，通過將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)作為輸入條件，得到磁浮軌道梁溫度作用規(guī)律及相關(guān)效應(yīng)情況。綜上可知，已有的研究對象多局限于實際地理位置的工程開展研究，不同地理位置工程溫度作用模式有所差異，且針對大跨度鐵路斜拉橋雙邊箱組合梁結(jié)構(gòu)溫度分布研究甚少[6]。依托新建滬蘇湖鐵路某大跨鐵路斜拉橋，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)采集，研究鋼混組合梁溫度作用規(guī)律，得到實測溫度作用模式下主橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，對類似大跨鐵路橋梁設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化施工具有指導(dǎo)意義。

1 橋梁溫度監(jiān)測系統(tǒng)概況

新建滬蘇湖鐵路某大跨鐵路斜拉橋主橋采用（40+60+260+60+40）m雙塔混合梁斜拉橋，鐵路等級為客運專線+客貨共線四線鐵路，主梁由混凝土箱梁、鋼混組合梁和結(jié)合段三部分組成，主橋立面位于-5.9‰的縱坡上，全橋長460 m（含單側(cè)梁縫全長460.42 m），主跨鋼混組合梁采用分離式雙邊箱鋼梁，橋面寬27.1 m，梁高3.8 m，鋼梁頂板包括邊、中板及橫隔板上翼緣，混凝土橋面板寬27.1 m，橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度為35 cm，橋面板分為預(yù)制板、縱向濕接縫以及橫向濕接縫。

本橋鋼混組合梁溫度測點方案參照規(guī)程Q/CR9576—2023《大跨度鐵路橋梁與軌道健康監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求[7]，監(jiān)測斷面位置選取斜拉橋主梁跨中位置，采用PT100電阻式溫度傳感器，布設(shè)于橋面板后澆段、鋼梁橫隔板、豎腹板、底板，共計23個溫度傳感器，其中后澆段混凝土段溫度傳感器采用預(yù)埋形式，組合梁鋼結(jié)構(gòu)采用表貼形式，且表面涂刷防水防曬隔熱膠，數(shù)據(jù)采集頻率為10 min一次。

考慮橋梁施工過程中現(xiàn)場接電及傳輸環(huán)境較為復(fù)雜，且現(xiàn)場為裸梁階段，軌道仍未鋪設(shè)，為便于研究鋼混組合梁溫度作用規(guī)律，采用短期監(jiān)測、施工臨時供電方式對預(yù)埋溫度傳感器進行采集調(diào)試，監(jiān)測數(shù)據(jù)時間從2023年10月13日12時起，至2023年10月15日16時止，為期兩天。溫度檢測方案圖如圖1所示。

2 橋梁溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析

2.1 豎向溫度分布規(guī)律

考慮到現(xiàn)場軌道及附屬結(jié)構(gòu)暫未鋪設(shè)，為減弱風(fēng)嘴等邊界對鋼混組合梁豎向溫度規(guī)律影響，選取對豎向有代表性的測點9-WD07～9-WD13進行溫度分析，如圖2所示，測點9-WD07～9-WD13溫度變化呈現(xiàn)出豎向梯度模式，各測點峰值隨時間變化有所滯后，溫度最大值為距離橋面板頂面較近9-WD07，于10月15日15：00溫度值達到26.48℃，同一時刻組合梁頂板溫度豎向向下先變小再變大，在鋼梁頂板位置處于最小值。

為便于直觀分析豎向溫度傳遞規(guī)律，選取10月14日17：00-10月15日17：00每2 h數(shù)據(jù)，如圖3所示，可以看出17：00-次日07：00溫度梯度逐漸變小，出現(xiàn)負(fù)溫度梯度現(xiàn)象，于07：00達到最小；7：00-15：00溫度梯度逐漸變大，出現(xiàn)正溫度梯度現(xiàn)象，于15： 00達到最大；豎向溫度距橋面板頂面400 mm范圍內(nèi)熱傳導(dǎo)規(guī)律明顯，隨著鋼結(jié)構(gòu)豎向高度變化，溫度梯度變化幅值較為均勻。

2.2 橫向溫度梯度分布規(guī)律

對于鋼混組合梁橫向溫度梯度，為減弱豎向溫度對其影響，選取受豎向溫度作用較小的組合梁鋼結(jié)構(gòu)測點9-WD01/02/15/14/20/23/21/22進行橫向溫度梯度分析，鋼混組合梁橫向溫度梯度變化明顯，鋼風(fēng)嘴位置溫度變化劇烈，考慮到橋梁為東西走向，受太陽直射影響，組合梁左側(cè)鋼風(fēng)嘴溫度最大為52℃，最小為15.5℃，各測點峰值隨時間變化有所滯后，橫向溫度梯度于07：00達到最小，于13：00達到最大；受熱對流影響，組合梁右側(cè)鋼風(fēng)嘴橫向溫度梯度變化較小，正負(fù)橫向溫度梯度在4℃左右，除鋼風(fēng)嘴外，組合梁雙邊箱橫向溫度變化幅值均勻，如圖4所示。

3 溫度效應(yīng)分析

根據(jù)組合梁豎向溫度分布規(guī)律可知，400 mm范圍內(nèi)熱傳導(dǎo)規(guī)律明顯，測點9-W D 07～9-W D13峰值隨時間變化滯后明顯，各測點距頂板上緣距離分別為7 cm、17 cm、27 cm、42 cm、57 cm、7 2 c m、9 2 c m，與溫度變化最小測點9 -W D10作差，溫度梯度最大值分別為6 . 4 8℃、3 . 3℃、0.95℃、1.09℃、1.88℃、2.2℃，溫度梯度最小值分別為-2.9℃、-1.84℃、-0.37℃，采用指數(shù)形式對組合梁沿梁高方向溫度梯度進行擬合，正溫度梯度為y =11.77*exp（-8.292*x ），負(fù)溫度梯度為y =-5.073*exp（-7.457*x ），擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.98與0.94，擬合效果好

采用空間桿系軟件對全橋結(jié)構(gòu)進行建模分析，索塔、橋墩及主梁用空間梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬，塔底與承臺固接，群樁基礎(chǔ)采用等效承臺剛度模擬，空間模型如圖5所示。

將組合梁正負(fù)溫度梯度模式代入空間模型計算，結(jié)果如圖6所示，正溫度梯度作用下，組合梁跨中豎向上拱為4.76 mm，負(fù)梯度作用下跨中豎向下?lián)现禐?2.1 mm，日溫度梯度作用下主梁豎向撓度變化范圍較小。

考慮到鋼混組合梁橋面板受溫度梯度作用影響較大，對其展開應(yīng)力分析，正溫度梯度作用下，混凝土板上緣最大應(yīng)力為-3. 5 M Pa，最小應(yīng)力-2 .8 MPa，下緣應(yīng)力最大為1.39 MPa，最小為0.86 MPa，橋面板下緣出現(xiàn)拉應(yīng)力；負(fù)溫度梯度作用下，混凝土板上緣最大應(yīng)力為1. 5 M Pa，最小應(yīng)力1. 2MPa，下緣應(yīng)力最大為-0.6 MPa，最小為-0.37 MPa，橋面板上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)論

新建滬蘇湖鐵路某大跨鐵路斜拉橋工程，開展主橋組合梁溫度分布規(guī)律的現(xiàn)場監(jiān)測試驗研究，分析大跨鐵路斜拉橋組合梁溫度傳遞規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）組合梁豎向溫度梯度于17：00-次日07：00逐漸變小，出現(xiàn)負(fù)溫度梯度現(xiàn)象，07：00達到最小；7：0 0 -15：0 0溫度梯度逐漸變大，出現(xiàn)正溫度梯度現(xiàn)象，15：00達到最大，豎向溫度距橋面板頂面400mm范圍內(nèi)熱傳導(dǎo)規(guī)律明顯；組合梁橫向溫度梯度變化明顯，受太陽輻射鋼風(fēng)嘴位置溫度變化劇烈，受熱對流影響右側(cè)鋼風(fēng)嘴橫向溫度梯度變化較小，組合梁雙邊箱橫向溫度變化幅值均勻。

（2）采用指數(shù)形式對組合梁沿梁高方向溫度梯度進行擬合，正溫度梯度為y =11.7 7*e x p （-8.292*x），負(fù)溫度梯度為y =-5.073*exp（-7.457*x），擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.98與0.94，擬合效果好，可供類似大跨鐵路橋梁設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化施工參考。

（3）正溫度梯度作用下組合梁跨中豎向上拱為4.76 mm，混凝土板下緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大為1.39MPa，最小為0.86 MPa；負(fù)梯度作用下跨中豎向下?lián)蠟?2.1 mm，混凝土板上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大為1.5MPa，最小1.2 MPa。

作者簡介

梁金寶，碩士，工程師，研究方向為特殊結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計與監(jiān)測。

（責(zé)任編輯：劉憲銀）