山区复杂环境下悬索桥主缆温度场规律研究

赵少杰， 段鸿杰， 徐海鹰

(1.湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙　410008；　2.中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙　410075；3.中南公路建设及养护技术湖南省重点实验室， 湖南 长沙　410008；　4.中铁大桥科学研究院有限公司， 湖北 武汉　430034)



山区复杂环境下悬索桥主缆温度场规律研究

赵少杰1，2，3， 段鸿杰1，3， 徐海鹰4

(1.湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙410008；2.中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙410075；3.中南公路建设及养护技术湖南省重点实验室， 湖南 长沙410008；4.中铁大桥科学研究院有限公司， 湖北 武汉430034)

摘要：通过对山区复杂环境下悬索桥主缆模型进行温度场试验测试，以及对山区实际悬索桥工程的主缆进行实地温度场长期监测，结合理论计算分析，获得了山区复杂环境下悬索桥主缆温度场的典型分布及变化规律，并通过一座悬索桥工程实例验证了该温度场规律的准确性和适用性。

关键词：悬索桥； 温度场； 模型试验； 主缆； 山区

大跨度悬索桥结构的受力对温度变化非常敏感，环境温度的变化将会引起悬索桥结构内力和线形的变化。特别是在悬索桥主缆架设过程当中，温度变化将导致主缆坐标与设计值产生较大偏差，从而影响到整个桥梁架设的精准性。相关研究表明[1，2]，对主跨1 000 m，矢跨比1/10的悬索桥，中跨主缆平均温度变化1 ℃，垂度变化可达30 mm。故在悬索桥施工中需要根据桥梁实际温度进行相关设计控制参数的修正，而在复杂山区环境下，影响悬索桥主缆温度场的因素有太阳辐照量，环境温度及风速等，主缆温度场的变化很复杂[3]，需要开展相关的模型试验和现场测试，以准确获得主缆温度场的变化规律及影响。

目前，国内外在复杂环境下的大跨径悬索桥主缆温度场试验测试及理论分析方面的研究还很少。本文针对山区复杂环境下的主缆温度场进行了模型试验与分析研究，获得的主缆温度场变化规律可为类似工程结构计算和施工控制提供借鉴参考。

1主缆温度场模型试验测试研究

1.1模型试验简介

模型试验主要模拟主缆结构在山区复杂环境下的温度场分布及变化，分析其分布及变化规律，以指导理论分析和现场工程施工。本模型试验在山区实际桥位处进行，模型试验系统包括： ①悬索桥主缆模型系统。 ②温度测试系统：高精度温度传感器、温度巡检仪及数据记录处理系统。 ③太阳辐照度测试系统：太阳辐射传感器和太阳辐射记录仪及相应采集分析软件。模型试验现场见图1所示。

图1　现场试验模型及测点布置

模型温度测点布置在模型纵向1/4和1/2断面处，测点布置图如上所示。试验持续测试了1个多月，测试条件包括了主缆在晴天、阴天等多种情况。其中晴天最大日太阳辐射强度在950 W/m2左右，日最大太阳辐照量在0.54 MJ/m2左右。

1.2温度场测试结果

1.2.1测点“温度-时间”变化规律

根据实测数据绘制了各种典型天气下主缆截面典型测点的温度-时程曲线。晴天时温度-时间时程变化曲线如图2。

图2　典型温度-时间变化曲线(晴天)

根据测试结果可发现：主缆温度场在白天(11∶00～17∶00)太阳辐射下变化剧烈，在午夜至早上日出前(22∶00～08∶00)温差较小且较稳定；晴天时主缆截面最高温度出现在当地时间下午14∶00左右，与环境最高温度出现时刻基本一致，位置在迎阳面；此时截面温差可达20 ℃以上。

1.2.2主缆截面温度分布规律

根据不同时段的温度实测值绘制得到的截面的温度分布见图3所示。

图3　某晴天2个时间段主缆模型截面等温线

可见，主缆温度场在时空上呈现一定的规律分布。在14∶00时间段，整个截面温差较大，最大温差在晴天时可达到20 ℃以上，晚上截面温差变化较小。

1.2.3主缆截面平均温度变化规律

不同天气下的主缆截面平均温度变化曲线如图4。

图4　不同测点平均温度变化

可见，主缆表面平均温度与环境温度变化基本一致，而内部平均温度变化比环境温度滞后1～2 h，主缆轴心温度滞后环境温度10～12 h。全天主缆截面内部温差要小于其表面及环境温差。在当天18∶30～07∶30时间段，主缆表面的平均温度比内部平均温度低3～5 ℃，而在07∶30～18∶30时间段，主缆表面的平均温度比内部温度高，差值大小与太阳辐照量成正比，最大发生在中午12∶00～14∶00时间段，晴天可达到8 ℃左右；阴天情况下达到5 ℃。

1.2.4主缆截面温差分布规律

截面温差分为表面温差与整个截面最大温差，下面根据实测数据绘制了主缆中间1/2截面的温差图，不同天气下的最大温差时程图如图5所示。

图5　主缆测点之间最大温差时程图

可见，主缆截面平均温度与环境温度呈现稳定的相关关系，差值随着天气和时间段不同略有不同，其中白天差值稍小。整个主缆截面温差在12∶00～15∶00时间段差值最大，最大温差在晴天可达20 ℃以上；主缆表面最大温差与截面的最大温差在白天基本趋势一致，在晚上表面最大温差比截面最大温差小约5 ℃左右。

2悬索桥主缆温度场实桥测试及工程应用

2.1工程背景

某特大桥全长1 438 m，按双向六车道高速公路特大桥标准设计，设计行车速度采用100 km/h。主桥为主跨616 m的单跨双铰简支钢箱梁悬索桥。跨径布置为(180+616+205)m。中跨垂跨比为1/10。主缆横桥向中心间距34.8 m。大桥主缆采用预制平行钢丝索股。主缆外径525 mm。加劲梁采用流线型全焊扁平封闭钢箱梁，梁高3.0 m，宽36.8 m。桥梁立面布置如图6所示。

图6　桥梁立面布置(单位： cm)

大桥桥位处于四川盆地东部边缘山区，气候属亚热带季风性湿润气候，为典型的西南山区环境。冬季最低气温达-8 ℃，夏季最高气温可达42 ℃。大气环境复杂，环境温度场变化剧烈。

2.2架设阶段基准索温度场测试

悬索桥基准索股的架设精度直接影响到主缆施工线形[4]，故对其温度规律的研究可为确定索股架设调索时间提供依据。实测数据较多，仅给出了索股典型测点每隔60 min的温度变化曲线图(图7)。

图7　基准索股温度测试结果曲线

可见，实桥主缆索股温度在23∶00～ 08∶00之间比较稳定，在这个时间段温差变化在0.5 ℃之内；在08∶00～ 19∶30之间温度变化较大，温度变化与模型试验结果一致。实测基准索股表面最高温度为20.9 ℃、最低温度为7.5 ℃。昼夜索股表面沿长度方向最大温差为2.5 ℃、最小温差为0.2 ℃。可见沿索长方向的温度变化较小且稳定。可认为在同一时刻，索股温度沿长度方向呈均匀分布。

2.3加劲梁架设阶段主缆表面温度场测试

大桥加劲梁架设在夏季进行，太阳辐射较强，主缆截面温差较大。现场将温度传感器直接沿主缆截面均匀布置。传感器布设照片见图8。

图8　主缆测试截面测点现场布置

实测主缆各测点温度随时间的变化规律与上节模型试验结果基本一致。其中主缆表面的温度分布图如图9所示。

图9　主缆截面实测温度分布图

可见，主缆表面温度随太阳辐射位置的不同而周期变化，表面温差变化剧烈，其中最大温差可达到20 ℃以上。这与模型试验测试结果是一致的。

对比模式试验结果，山区复杂环境下实桥主缆温度场还有以下几个特点： ①由于受山区剧烈太阳辐射及空气对流的影响，从08∶00至20∶00主缆表面温度变化剧烈，且各测点温度变化不同步。截面测点间最大温差出现在午后至15∶00之间，在20∶00～次日08∶00间主缆温度变化较平稳，截面温差值较小。在阴天等日照强度较弱时，主缆纵向温差较稳定，且差值也较小，这与索股架设期间的纵向温度分布结论一致。故桥梁计算分析时主缆纵向可不考虑温差变化。现场温度测试频率需要根据温度变化情况决定，建议在白天以0.5 h测试1次，夜间20∶00后可适当降低测试频率。

2.4主缆截面平均温度与表面温度关系

主缆截面平均温度是桥梁施工控制的关键参数之一。一般施工控制中的平均温度多采用其表面温度均值[5]，但随着主缆直径的增加，其表面温度均值与整个截面温度均值的误差会越来越大。为了准确了解主缆表面温度与截面平均温度的关系，采用有限元方法结合传热学理论计算了本桥主缆(直径0.525 m)在晴天时的温度场变化情况[6]，获得的主缆整个截面平均温度与采用表面测点得到的主缆平均温度值对比如表1所示。

可见，两种算法获得的温度均值误差在中午差值最大。对于本桥小直径主缆最大误差为6.6%。故当主缆直径较小时，可直接采用主缆表面温度均值，其造成的误差较小，但当主缆直径较大时，宜采用整个横截面的温度均值进行控制更准确。

表1 主缆平均温度计算对比计算时间表面测点平均值/℃全截面平均值/℃误差/%06∶0025.225.1-0.412∶0028.927.1-6.615∶0029.928.2-6.0

2.5实际工程建议及应用结果

2.5.1工程建议

上述主缆模型试验及现场实测的温度场研究成果直接应用于本依托工程的桥梁架设施工。根据温度场测试结论，结合工程实际给出的施工建议主要有：

1) 施工控制仿真计算：由山区环境实测温度结果，给出主缆架设期间计算温度取值范围为-5～35 ℃。由于温度对主缆线形影响显著，施工控制中给出每隔1℃的空缆状态下主缆中心线坐标。根据测试结果，计算时可忽略主缆纵桥向的温度梯度变化。

2) 温度测试时间和频率：根据试验结果，悬索桥温度测试时间频率为：每天12∶00至18∶00为每30 min 1次，其余时间段为每2 h 1次，可满足施工控制精度要求。

3) 主缆平均温度确定：根据实测及计算，对本桥小直径主缆，采用主缆表面测点温度均值作为施工控制值。

4) 施工时间安排：根据试验结果，在晴天太阳辐射较大的时间段(12∶00～15∶00)，为了控制结构变形和受力，在该时间段尽量停止与主缆结构相关联的施工，以保证桥梁施工质量和安全。

2.5.2工程应用结果

主缆温度场研究成果为大桥基准索股架设、主缆索股安装、索夹定位安装和钢箱梁吊装等提供了有力的技术保障。在应用了上述温度场研究成果后，本悬索桥施工工程基准索股线形控制准确，整个主缆架设过程中未出现绞丝、鼓丝或断丝等现象。悬索桥主缆实测孔隙率在16%～18%之间，满足设计要求。大桥架设完成后主缆和桥面线形均

很理想，其中中跨主缆上下游高差在10 mm以内，与设计控制线形吻合良好。

3结论

通过对悬索桥主缆结构开展温度场模型试验测试和现场实桥监测，结合理论分析获得得山区复杂环境下悬索桥主缆温度场的分布及变化规律总结如下。

1) 主缆温度场在时空上呈现一定的规律分布：在白天太阳辐射下变化剧烈，在午夜至早上日出前温差较小且较稳定。晴天时主缆截面最高温度一般出现在当地时间下午14∶00左右。整个主缆截面温差在12∶00～15∶00时间段差值最大，最大温差在晴天时可达20 ℃以上。

2) 主缆截面平均温度与环境温度呈现稳定的相关关系，差值随着天气和时间段的不同而不同，白天差值稍小。主缆表面平均温度与环境温度变化基本一致，而内部平均温度变化比环境温度滞后1～2 h，轴心温度变化滞后环境温度10～12 h。

3) 在同一时刻，主缆索股温度沿其长度方向的变化不大，在主缆温度场计算时可忽略其纵桥向温差的变化。

4) 施工控制中的现场温度测试频率取决于温度场的变化快慢，建议在白天温度变化剧烈时每0.5 h测试1次，夜间20∶00后则可适当降低测试频率。

5) 对小直径主缆可直接采用主缆表面温度均值作为整个断面的温度均值。当主缆直径较大时，宜采用整个横截面的温度均值进行控制更准确。

参考文献：

[1] 潘永仁.悬索桥结构非线性分析理论与方法[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 段瑞芳，杜善朋，李彩霞.大跨度悬索桥主缆线形影响参数分析[J].公路交通科技，2015(8)：43-46.

[3] 俞明德.悬索桥主缆温度场及对主缆影响的研究[D].成都：西南交通大学，2010.

[4] 张永水，罗红，王祖华.温度对悬索桥空缆线形的影响分析[J].重庆交通学院学报，2005(6)：77-82.

[5] 谭红梅.悬索桥施工监控仿真计算关键问题研究[D].上海：同济大学，2008.

[6] 徐海鹰，赵少杰.悬索桥主缆温度场计算[J].铁道工程学报，2012(1)：45-50.

文章编号：1008-844X(2016)02-0151-04

收稿日期:2016-04-25

作者简介:赵少杰( 1982-) ，男，工程师( 博士生) ，从事桥梁结构可靠度及安全评估等研究。

中图分类号：U 446

文献标识码：A