温度效应对既有大跨径PC斜拉桥索力与线形的影响研究

王 伟，靳国胜，黄 博，张玉平

温度效应对既有大跨径PC斜拉桥索力与线形的影响研究

王 伟1,2,3，靳国胜2，黄 博1，张玉平4

（1.重庆中检工程质量检测有限公司，重庆400025；2.重庆中设工程设计股份有限公司，重庆400025；3.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；4.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙410114）

斜拉桥是由索-梁-塔组成的超静定空间结构，其索力与线形的合理变化是桥梁结构安全运营的保障，对于明显的差异性则须研究其成因。通过对西南地区某既有大跨径PC斜拉桥的索力与线形的监测对比发现存在较大差异性，而外观调查未发现明显的结构性病害。为研究探讨其形成原因，首先运用有限元理论知识建立了桥梁的三维空间仿真分析模型，然后考虑到监测时间的温度差异，针对性地进行了整体升温、索梁正温差、主梁及主塔日照正温差等4种温度效应的研究。研究结果表明：不同的温度效应对某一参数影响不同，同一种温度效应对不同的参数影响不同。就本桥而言，索梁正温差与主梁日照正温差是造成实测索力与线形差异性的主要原因，对既有大跨径PC斜拉桥的安全性评估必须考虑温度效应的影响，需对实测关键参数进行修正，消除温度效应影响后的斜拉桥索力与线形差异性明显减小，结构处于安全状态。

PC斜拉桥；索力；线形；温度效应；差异性

引言

斜拉桥因其跨越能力大、受力简约明了、施工方便、景观效果明显等优点，越来越受到设计者的青睐。近几十年来在我国得到了快速发展，我国已有2座主跨径超千米级的斜拉桥（位于江苏的苏通大桥主跨1 088 m与香港的昂船洲大桥主跨1 018 m）竣工通车，标志着我国已逐步由桥梁大国向桥梁强国的目标迈进。为了保障桥梁在后期运营过程中的安全，需对斜拉桥进行定期监测，斜拉桥是由索-梁-塔组成的超静定空间结构，其索力与线形的合理变化是桥梁结构安全运营的保障。通过对西南地区某既有大跨径PC斜拉桥的索力与线形的监测对比发现存在较大差异性，而外观调查未发现明显的结构性病害，为研究探讨其形成原因，考虑到监测时间的温度差异，针对性地进行了整体升降温、索梁正温差、主梁及主塔日照正温差等4种温度效应的研究[1-5]。

1 工程概况

西南地区某既有大跨径PC斜拉桥是一座跨越长江的特大型桥梁，大桥北岸与319国道相接，南岸与该地区江南规划路相接，全长1 446 m。主桥为（54+114+400+114+54）m双塔双索面半漂浮体系PC斜拉桥。主梁采用C60混凝土，分离式双主肋截面，主梁全宽23.4 m，顶板厚0.32 m，每一节段设一道横隔板，标准节段横隔板厚0.28 m，斜拉索采用φ7.0 mm高强平行钢丝，空间双索面扇形布置，全桥共布置84对。索塔采用C50混凝土，花瓶型，高分别为164.6 m、171.5 m，基础采用钻孔灌注桩。设计荷载为公路-I级，人群2.5 kN/m2，该桥于2009年3月建成，同年竣工通车。桥型布置图，见图1所示。

图1 桥型布置图（单位：cm）

2 差异性分析

2.1 两次监测差异性

通过对背景桥梁的索力与线形监测对比发现，2次实测结果存在较大的差异性，见图2所示。

从图2中可看出，2次实测主梁线形与拉索索力的结果存在较大的差异性，整体而言，主梁跨中的线形与索力的差异性较之边跨要大一些。

然而，前期详尽的外观调查并未发现该桥梁有明显的结构性病害，考虑到前次监测时间在12月份，温度约为15℃，而此次监测时间为8月，温度约为35℃，鉴于监测时间的温度差异，针对性地考虑了整体升温、索梁正温差、主梁及主塔日照正温差等4种温度效应来对监测结果的差异性进行分析[6-9]。

图2 2次实测主梁线形与拉索索力的差异性

2.2 整体升温影响

空气中的温度变化是引起桥梁结构整体温差的主要原因，包括一天24 h温度变化和四季温度变化。此次分析取后者变化，整体升温为20℃。整体升温对斜拉桥索力与线形的影响，见图3所示。由于结构在跨中处对称，左右侧受力相同，故图示仅列出1/2跨，下同。

从图3中可看出，整体升温为20℃时，边跨主梁竖向挠度升高、中跨降低，边跨索力绝大部分变大，而中跨索力则减小。

图3 整体升温为20℃对主梁线形与拉索应力的影响

2.3 索梁正温差影响

对于PC斜拉桥而言，由于斜拉索是由钢绞线制成，横截面较小，温度敏感程度较高，而主梁是混凝土结构，温度场分布复杂，横截面较大以及混凝土导热系数较小，在日照温度作用下，主梁温度变化总是滞后于斜拉索的温度变化，从而引起索梁温差。此次考虑索梁正温差10℃进行计算[10-11]。索梁正温差对斜拉桥索力与线形的影响，见图4所示。

从图4中可看出，索梁正温差10℃时，边跨线形基本不受影响，但是对中跨线形影响很大，且影响由索塔往跨中方向逐渐变大；对索塔附近的拉索索力影响很大，由于索力值影响变化量为负值，故实测索力会减小，对远离索塔的拉索影响相对较小，由于对边跨与中跨的影响量正负相反使得边跨远离索塔的拉索实测索力减小，中跨远离索塔的拉索索力增大，而在中跨跨中处索力减小。

图4 索梁正温差10℃对主梁线形与拉索应力的影响

2.4 主梁日照正温差影响

由于主梁梁顶和梁底的位置不同，致使日照作用下受光表面与构件内部呈现出较大的温度梯度，从而引起主梁沿竖向的温度梯度，一般假定温度沿竖向呈线性变化。按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.10条的规定并结合本桥资料进行取值[12]。主梁日照正温差对斜拉桥索力与线形的影响，见图5所示。

图5 主梁日照正温差对主梁线形与拉索应力的影响

从图5中可看出，主梁日照正温差对主梁线形的影响与索梁正温差的影响的趋势一致，但是影响量却是一个为正，一个为负，即主梁日照正温差会使得主梁竖向实测标高增大，而索梁正温差则会使得主梁竖向标高降低；对于拉索索力的影响则是使得边跨索力整体增大，中跨则是靠近索塔处与跨中处索力增大而其他部位实测索力会变小。

2.5 索塔日照正温差影响

由于桥塔截面多是采用矩形截面，桥塔在纵桥向的前后两个侧面以及横桥向的左右两个侧面的位置不同，导致索塔所受日照的阳光强度不同，具有不同的温度变化量，便产生了桥塔沿纵桥向与横桥向2个温度梯度，一般假定温度呈线性变化。由于索塔横桥向日照温差对主梁线形的影响很小，故此处仅考虑索塔顺桥向日照温差的影响，依据本桥资料进行取值计算。索塔日照正温差对斜拉桥索力与线形的影响，见图6所示。

图6 索塔日照正温差对主梁线形与拉索应力的影响

从图6中可看出，索塔日照正温差对主梁线形的影响与整体升温的影响基本一致，只是在中跨跨中部位影响不同，索塔日照正温差会使得主梁线形在跨中处标高变大，而整体升温则是减小；对索力的影响则是边跨长索索力减小，短索索力增大，中跨则恰好相反。

需要指出的是，桥梁实测数据是以上4种温度效应综合影响的结果，仅就某一影响因素来看，整体升温与索塔日照温差对实测索力与线形的影响相对较小，索梁正温差与主梁日照正温差是造成实测索力与线形差异性的主要原因。

2.6 消除温度影响后的差异性

根据上述分析，消除温度影响后的2次监测主梁线形与拉索索力的差异性，见图7所示。

图7 消除温度影响后主梁线形与拉索索力的差异性

从图7中可看出，消除温度效应影响后的斜拉桥主梁线形与拉索索力差异性明显减小，结构处于安全状态，因此，必须对实测数据进行修正以消除温度效应的影响才能够对既有大跨径PC斜拉桥的状态做出准确与科学的评估。

3 结语

运用有限元理论知识建立了桥梁的三维空间仿真分析模型来探讨既有大跨径PC斜拉桥的监测索力与线形的差异性的形成原因，考虑到监测时间的温度差异，针对性地对结构进行了整体升温、索梁正温差、主梁及主塔日照正温差等4种温度效应的研究，得出了不同的温度效应对某一参数影响不同。同一种温度效应对不同的参数影响不同，就本桥而言，索梁正温差与主梁日照正温差是造成实测索力与线形差异性的主要原因，对既有大跨径PC斜拉桥的安全性评估需对实测关键参数进行修正以消除温度效应的影响，考虑温度效应的影响后的斜拉桥索力与线形差异性明显减小，结构处于安全状态。

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[12]JTGD60-2004公路桥涵设计通用规范[S]．北京：人民交通出版社，2004．

Study of Temperature Effect on Cable Force and Alignment of the Existing Long-span PC Cable-stayed Bridge

WANG Wei1,2,3,JIN Guo-sheng2,HUANG Bo1,ZHANG Yu-ping4

(1.Chongqing Zhongjian Construction Engineering Quality Testing Co.Ltd.,Chongqing 400025, China;2.Chongqing Zhongshe Engineering Design Co.Ltd.,Chongqing 400025,China; 3.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 4.School of Civil Engineering andArchitecture,Changsha University of Science＆Technology,Changsha 410114,China)

Cable-stayed bridge,being composed of cable-beam-tower,is a statically indeterminate spatial structure. The reasonable change of cable force and alignment is the safe indemnification of the bridge structure,However,an obvious change should be surveyed to find out the causes.As a large difference exists in two monitoring of the cable force and alignment of the PC cable-stayed bridge in southwest China,an investigation is taken.In the survey,a three-dimensional simulation model of the bridge is built with the finite element theory,which is employed to study the 4 temperature effects including the range of whole temperature,cable-beam temperature,girder and tower sunshine temperature difference to eliminate the difference of monitoring time.The results show that different temperature effects have different impacts on one parameter,and one kind temperature effect may have different impacts on different parameters.As cable-beam temperature and girder sunshine temperature difference are the main difference causes of measured able force and alignment in a bridge,it is necessary to take temperature effects into account when assessing the security of PC cable-stayed bridge,to correct the measured data,and to eliminate the temperature effect for reducing cable force and alignment differences significantly,which lays the structure in a safe state.

PC cable-stayed bridge;cable force;alignment;temperature effect;difference

U448.2

A

1671-8496-(2016)-04-0029-06

2016-04-26

王伟(1988-)，男，工程师，工程硕士

研究方向：桥梁结构检测与承载能力评定以及大跨度桥梁抗震减震研究

科技部973项目“特大跨桥梁安全性设计与评定的基础理论研究”(项目编号：2015CB057702)；长沙理工大学土木工程优势特色重点学科创新新项目(项目编号：15ZDXK02)