鐵路獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析

摘 要：為研究大跨鐵路獨(dú)塔斜拉橋溫度作用對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，本文以廣汕客專跨深汕西高速大橋?yàn)楣こ瘫尘?，開展主橋溫度效應(yīng)的現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：主梁外側(cè)腹板位置溫度變化明顯，受太陽照射影響日溫差達(dá)到18.13℃，且主梁溫度傳遞具有滯后性；結(jié)構(gòu)應(yīng)變及支座位移與結(jié)構(gòu)溫度相關(guān)性較強(qiáng)，主梁應(yīng)變最小為14.65 με，最大為63.04με，支座位移最大為11.24 mm，最小為4.43 mm；設(shè)計溫度荷載包絡(luò)情況下，主梁跨中截面鋼梁上緣最大應(yīng)力為18.4MPa，最小應(yīng)力為-26.7 MPa，主梁縱向最大伸縮為39.1 mm，現(xiàn)場實(shí)測值遠(yuǎn)小于設(shè)計計算值，主橋運(yùn)營期狀態(tài)指標(biāo)在安全范圍內(nèi)，分析結(jié)果可供類似大跨鐵路橋梁設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化施工提供參考。

關(guān)鍵詞：大跨鐵路，斜拉橋，溫度效應(yīng)，試驗(yàn)研究

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.22.037

0 引 言

溫度對長大跨橋梁影響十分顯著，有時甚至超過日常運(yùn)營荷載作用，成為控制因素，引起長大跨橋梁主梁及橋塔產(chǎn)生變形，日照溫度的周期作用引起長大跨橋梁周期性位移變化，非均勻溫度在箱梁中將產(chǎn)生溫度自應(yīng)力及溫度次應(yīng)力。

國內(nèi)學(xué)者針對溫度對橋梁影響開展了大量研究。劉澤佳等[1]通過對珠江黃埔大橋北汊橋斜拉橋運(yùn)營階段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到了溫度與應(yīng)變之間的正相關(guān)性；劉文碩等[2]基于某大橋長期現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，通過時間序列分析、傅里葉曲線擬合等方法對橋梁結(jié)構(gòu)溫度荷載模式進(jìn)行研究；周云等[3]提出了一種基于氣象站大數(shù)據(jù)信息的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)溫度場預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)了輕量化和可持續(xù)性的橋梁溫度場及溫度變形計算；閆斌等[4]基于有限元軟件，建立溫度場熱力學(xué)分析模型，研究非線性溫度的分布規(guī)律，并用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；但針對鐵路獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)研究甚少[5-7]。本文依托跨深汕西高速大橋主橋，通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)采集，研究主梁在日溫度變化下，結(jié)構(gòu)應(yīng)變與支座位移情況。

1 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)概況

跨深汕西高速大橋主橋結(jié)構(gòu)采用（32+160+32） m拱承斜拉橋，主橋長225.5 m（含兩側(cè)梁端至支座中心線各0.75 m），含梁縫全長225.85 m。主梁采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，由鋼箱梁和橋面板兩部分組成，拱塔采用鋼結(jié)構(gòu)，拱軸線線型采用三次拋物線相交而成。

本橋溫度測點(diǎn)方案參照規(guī)程Q/CR 9576—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，結(jié)構(gòu)溫度采用電阻式溫度傳感器，電阻式溫度傳感器由不銹鋼外殼、半導(dǎo)體熱敏電阻和專用電纜組成，通過實(shí)時監(jiān)測大橋主要構(gòu)件的溫度等數(shù)據(jù)，為分析結(jié)構(gòu)的受力和變形、分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)性提供依據(jù)。監(jiān)測方案圖如圖1所示。

2 橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析

采用橋梁監(jiān)測系統(tǒng)自動進(jìn)行監(jiān)測，并儲存監(jiān)測數(shù)據(jù)。調(diào)用的監(jiān)測數(shù)據(jù)時間從2023年9月26日0時起，至2023年9月28日0時止，為期兩天，監(jiān)測期間溫度場數(shù)據(jù)具有較高完整性。

2.1 溫度分布規(guī)律分析

11-WD01～11-WD04為主梁左箱室測點(diǎn)，對其進(jìn)行溫度規(guī)律分析，如圖2所示，溫度變化最大的測點(diǎn)為主梁外側(cè)腹板11-WD01，其最高溫度值于9月26日/27日16：00分別達(dá)到46.71℃、47.69℃，日溫差分別為17.63℃、18.13℃；變化幅度最小測點(diǎn)為主梁頂板測點(diǎn)11-WD04，其最高溫度值于9月26日/27日20：00分別達(dá)到37.18℃、38.17℃，日溫差分別為3.00℃、3.66℃。由此可以得出在主梁左箱室內(nèi)，溫度傳遞具有滯后性，且外側(cè)腹板直接受到太陽的照射，其變化幅度最大。

取主梁左右箱室頂板測點(diǎn)11-W D 0 4、11-WD08進(jìn)行溫度分析，如圖3所示。

由圖3可知，左右箱室頂板溫度變化規(guī)律相同，且變化幅度也相近，每日達(dá)到最高溫與最低溫所處時刻相近，左側(cè)箱室溫度每時刻均高于右側(cè)箱室溫度，且箱室內(nèi)溫度峰值均高于環(huán)境溫度峰值，由此可知主梁左箱室直接受到太陽照射溫度作用明顯。

2.2 結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析

對左箱室外側(cè)腹板測點(diǎn)應(yīng)變進(jìn)行溫度變化相關(guān)性分析，圖4可以看出，結(jié)構(gòu)應(yīng)變與溫度變化的關(guān)系更為明顯，在測點(diǎn)溫度的最高時刻，應(yīng)變最小，為14.65 με；在測點(diǎn)溫度的最低時刻，應(yīng)變最大，為63.04 με，每日應(yīng)變差達(dá)到48.39 με。

對比分析左箱室頂板應(yīng)變與溫度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律與腹板相同，分別在測點(diǎn)溫度的最高時刻，達(dá)到最小應(yīng)變；測點(diǎn)溫度的最低時刻，達(dá)到最大應(yīng)變。選取13#斷面測點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)支座位移分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)支座位移與結(jié)構(gòu)溫度正相關(guān)，在溫度最高時刻，支座位移最大，為11.24 mm；在溫度最低時刻，支座位移最小，為4.43 mm。

由圖5可以看出左右支座位移變化趨勢相同，但支座位移變化量不同，13-ZZWY01支座每日位移變化量達(dá)到5.37 mm，13-ZZWY02支座每日位移變化量達(dá)到9.94 mm。

3 有限元分析

采用Midas軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)三維有限元分析，對跨深汕西拱承斜拉橋進(jìn)行建模，考慮斜拉索的非線性影響，P6號橋塔處塔梁分離，P4號墩、P5號墩及P8號臺處設(shè)豎向約束、縱向活動，P7號墩處設(shè)豎向、縱向固定約束。樁-土相互作用以柔度矩陣的形式等代考慮，橋梁空間模型如圖6所示。

取設(shè)計溫度荷載包絡(luò)進(jìn)行計算，將結(jié)果與實(shí)際進(jìn)行對比，溫度荷載包絡(luò)情況下，主梁跨中截面鋼梁上緣最大應(yīng)力為18.4 MPa，最小應(yīng)力為-26.7M Pa，鋼梁下緣最大應(yīng)力為16 .1 M Pa，最小應(yīng)力為-16.1 MPa，溫度荷載包絡(luò)情況下，主梁跨中豎向位移最大下?lián)?2.4 mm，縱向最大伸縮為39.1 mm。現(xiàn)場實(shí)測值遠(yuǎn)小于設(shè)計計算值，跨深汕西高速大橋結(jié)構(gòu)運(yùn)營期狀態(tài)指標(biāo)在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

依托跨深汕西高速大橋工程，開展主橋溫度效應(yīng)研究，主要結(jié)論如下：

（1）主梁左箱室溫度變化最大測點(diǎn)為主梁外側(cè)腹板位置，最高溫度值于16 ： 0 0 分別達(dá)到46.71℃、47.69℃，日溫差分別為17.63℃、18.13℃；變化幅度最小測點(diǎn)為主梁頂板測點(diǎn)，最高溫度值于20：00分別達(dá)到37.18℃、38.17℃，日溫差分別為3.0 0℃、3.66℃，溫度傳遞具有滯后性，且外側(cè)腹板直接受到太陽的照射，其變化幅度最大。

（2）結(jié)構(gòu)應(yīng)變與溫度變化關(guān)系明顯，在測點(diǎn)溫度最高時刻，應(yīng)變最小為14.65 με；在測點(diǎn)溫度的最低時刻，應(yīng)變最大為63.04 με，日應(yīng)變差達(dá)到48.39 με；結(jié)構(gòu)支座位移與結(jié)構(gòu)溫度正相關(guān)，支座位移最大為11.24 mm；支座位移最小為4.43 mm。

（3）設(shè)計溫度荷載包絡(luò)情況下，主梁跨中截面鋼梁上緣最大應(yīng)力為18.4 MPa，最小應(yīng)力為-26.7MPa，主梁跨中豎向位移最大下?lián)?2.4 mm，縱向最大伸縮為39.1 mm，現(xiàn)場實(shí)測值遠(yuǎn)小于設(shè)計計算值，跨深汕西高速大橋結(jié)構(gòu)運(yùn)營期狀態(tài)指標(biāo)在安全范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉澤佳，陳溢濤，周立成，等.橋梁長期健康監(jiān)測大數(shù)據(jù)溫度與應(yīng)變特征及關(guān)聯(lián)性分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（35）：72-79.

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作者簡介

王海涵，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)榇罂鐦蛄褐悄芙ㄔ炫c管理。

彭琦，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)榇罂鐦蛄褐悄芙ㄔ炫c管理。

梁金寶，碩士，工程師，研究方向?yàn)榇罂鐦蛄航Y(jié)構(gòu)設(shè)計。

（責(zé)任編輯：劉憲銀）

基金項(xiàng)目：本文受中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計劃課題（項(xiàng)目編號：2022K055-Z）、中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計劃課題（項(xiàng)目編號：KY2023014S）資助。