非对称斜拉桥温度效应对索力影响分析

陈自能

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

非对称斜拉桥温度效应对索力影响分析

陈自能

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

以延安市吴起县某斜拉桥为工程背景，建立空间杆系有限元模型，分析了该桥在整体升降温、梯度温度及索梁温差的影响下斜拉索索力的变化规律。结果表明，该桥温度效应对索力影响显著，且不同位置拉索对温度效应的敏感度不同。该结果可对本桥设计阶段调索、施工阶段监控及使用阶段的桥梁健康检测及维护提供参考，并可为类似的斜拉桥工程提供借鉴。

非对称斜拉桥；温度梯度；索梁温差；整体升降温；索力

0 引言

斜拉桥为多点弹性支撑体系，在整体升降温作用下，桥梁结构发生均匀的轴向变形，因拉索与混凝土的线膨胀系数不同，斜拉索的索力将发生变化；在日照温差作用下，因主梁截面上下缘纤维伸缩不同而引起结构的弯曲变形进而使索力发生变化；索塔在日照下左右侧面温差致使索塔发生侧向位移进而使索力发生变化；斜拉索的热传导率远大于混凝土，拉索和主梁（索塔）之间的温差也会导致索力的变化。目前的研究多见于施工控制阶段温度效应的影响，为了研究设计阶段各工况下结构在温度场作用下拉索索力的变化特征，为设计中拉索选型、合理成桥索力设定及调索提供依据，对各工况下温度效应对索力影响进行定量分析。

1 总体布置及模型建立

1.1 工程概况

该桥为双塔双索面斜拉桥，塔梁墩固结，设计荷载为公路-Ⅰ级，双向四车道，孔跨布置30 m+ 78 m+35 m。斜拉桥主跨采用双边肋截面，梁高为1.6 m；边跨标准截面为单箱四室截面，梁高为1.6～2.5 m。主塔采用钢筋混凝土结构，桥面以上高31.768 m。桥墩采用承台配钻孔灌注桩，桥台采用薄壁式轻型桥台；基础采用钻孔灌注桩。该桥横向布置为2.15 m（人行道）+1.6 m（拉索区）+0.5 m（护栏）+16 m（行车道）+0.5 m（护栏）+1.6 m（拉索区）+2.15 m（人行道）=24.5 m，桥梁总体布置图、桥梁横断面、桥塔断面分别如图1～图3所示。

1.2 拉索布置

该桥左幅右幅各设置一个桥塔，主跨设置9对拉索，边跨侧设置8对拉索。拉索采用环氧涂层钢丝拉索体系成品索拉索扇形布置，主跨索距5 m，边跨索距2.5 m，斜拉索在塔上对称锚固，设计采用梁上张拉。因桥梁左幅右幅对称，为研究方便，只对单幅的拉索进行研究。拉索布置图如图4所示，拉索具体长度及倾角见表1。

1.3 模型概况

采用M id a s C i v i l V2015软件建立空间梁格模型，主梁及桥塔采用梁单元，斜拉索采用桁架单元。材料参数按规范取值，混凝土弹性模量34.5 G P a，泊松比0.2，线膨胀系数1×10-5，重度26 k N/m3；斜拉索弹性模量205 G P a，泊松比0.3，线膨胀系数1.2×10-5，重度78.5 k N/m3，考虑非线性使用E r ns t公式对拉索弹模进行修正；预应力钢绞线弹性模量195 G P a，泊松比0.3，线膨胀系数1.2×10-5，重度78.5 k N/m3。计算模型如图5所示。

边界条件：斜拉索与索塔、主梁之间的连接采用刚性连接。桥台以及连续梁墩处按实际支座位置设置节点竖向支承，塔下桥墩处根据下部承台桩基计算出口刚度采用节点弹性支承，墩顶和主梁固结。

2 单一温度工况对索力影响分析

2.1 温度工况介绍

根据桥梁所处地理位置并参考桥梁设计规范，将分别按升温29℃、降温25℃两个工况研究整体升降温对斜拉索索力的影响。主梁在梯度温度下将产生竖向弯曲，弯曲产生的挠度将会使斜拉索伸长或缩短从而影响索力。本桥采用10 c m沥青混凝土铺装，由设计规范，升温时T1=14℃，T2=5.5℃，A=300 mm，降温时T1=-7℃，T2=-2.75℃，A=300 mm。考虑主梁的梯度温度，建立了梯度升温、梯度降温两个工况。索塔在日照下，直接受日照的一侧温度将高于另一侧，由《公路斜拉桥设计细则》（J T G/T D65-01—2007），索塔左右侧面温差采用±5℃。考虑索塔左右侧面温差，建立索塔左侧升温5℃、右侧升温5℃两个工况。斜拉索材质为钢材，热传导率远远大于混凝土，虽然有P E外套，其温度变化仍然比混凝土主梁、索塔大。按设计规范，斜拉索与混凝土主梁、索塔间的温差取为±15℃。考虑斜拉索与混凝土主梁、索塔间的温差建立斜拉索升温、斜拉索降温两个工况。该桥所考虑的温度分项工况见表2。

图1 斜拉桥总体布置

图2 斜拉桥主梁横断面图

图3 桥塔断面图

图4 拉索布置图

表1 拉索长度及倾角

图5 全桥空间梁格模型

表2 温度分项工况汇总表

2.2 整体升降温下拉索索力

工况1（整体升温29℃）下拉索索力变化如图6所示，工况2（整体降温25℃）下拉索索力变化与整体升温类似，只是索力变化为正值，可参考图6。

图6 工况1索力变化

为研究在整体升温下拉索索力变化与温度的关系，引入整体升降温索力影响系数ζ1，其概念是：

按整体升温、整体降温两个工况，分别计算整体升温影响系数ζ1'、整体降温影响系数ζ1''。各拉索整体升温影响系数ζ1'比较如图7所示。ζ1''的分布与ζ1'类似，可参照图7。

从图中可以看出，内侧拉索索力受整体升降温影响较大。本桥主梁与索塔固结，斜拉索的伸长量或缩短量除了受自身温度影响伸长或缩短外还受节点两侧主梁与索塔的相对位置变化影响，内侧拉索两端节点离塔梁固结点较近，其相对位置变化较小；外侧拉索两端节点相对位置变化较大抵消了拉索的部分温度变形。

2.3 主梁梯度温度下索力变化

工况3（主梁梯度升温）下拉索索力变化如图8所示，工况4（主梁梯度降温）下拉索索力变化与梯度升温类似，但符号相反，可参照图8。

图7 工况1索力影响系数ζ1′

图8 工况3（主梁梯度升温）索力变化

为研究主梁梯度温度下拉索索力变化与温度关系，引入梯度温度索力影响系数ζ2(单位：k N/℃)，其概念是：

分别计算梯度升温影响系数ζ2'、梯度降温影响系数ζ2'',ζ2取两者绝对值的平均值。影响系数ζ2如图9所示。

图9 主梁梯度温度索力影响系数ζ2

从图中可以看出，主梁梯度温度变化对中跨跨中的拉索影响较大，在梯度温度作用下，主梁顶面与底面的纤维伸长不一致，主梁会产生弯曲变形，在梯度升温或梯度降温影响下，主梁中跨跨中的挠度变化最大因而其对索力的影响也最大。

2.4 索塔左右侧温差下索力变化

工况5（索塔左侧升温5℃）下拉索索力变化如图10所示，工况6（索塔右侧升温5℃）下拉索索力变化值与工况5大小相同，符号相反，可参照图10。

图10 工况5索力变化图

为研究在索塔左右侧温差作用下索力变化与温度关系，引入索塔左右侧温差对索力影响系数ζ3，其概念是：

分别计算左侧升温影响系数ζ3'、右侧升温影响系数ζ3'',ζ3取两者绝对值的平均值。影响系数ζ3如图11所示。

图11 索塔左右温差对索力影响系数ζ3

从图中可以看出，在索塔左右侧温差影响下，远离桥塔的拉索索力值变化较大。索塔在左右侧温差下向一侧弯曲，拉索锚固点随着索塔移动进而使索力发生变化。索塔升温一侧的拉索被拉长，索力增大，另一侧索力相应减少。因塔梁墩固结，索塔的自由端（顶端）在温差下产生的水平位移最大，最外侧拉索的塔上锚固点位移变化最大，故最外侧拉索索力变化值最大。

2.5 拉索与主梁、索塔温差下索力变化

工况7（拉索相对主梁、索塔升温15℃）下索力变化如图12所示，工况8（拉索相对主梁、索塔降温15℃）下拉索索力变化与工况7大小相同，符号相反，未列出。

图12 工况7索力变化图

为研究在索梁（塔）温差作用下索力变化与温度的关系，引入索梁（塔）温差影响系数ζ4，其概念是：

分别计算拉索升温影响系数ζ4'、拉索降温影响系数ζ4'',ζ4取两者绝对值的平均值。各拉索影响系数ζ4如图13所示。

图13 索梁（塔）温差下影响系数ζ4

从图中可以看出，中跨桥塔附近的拉索索力受索梁温差的影响较小，边跨拉索受索梁温差影响较大。索力变化值与拉索本身长度、斜度有关系。斜度相同的情况下，索越短，索力受索梁温差影响越小。

3 组合工况对索力影响分析

3.1 各单一温度工况对索力影响大小比较

为从总体上把握各单一温度工况对索力影响大小及其量值，将各单一温度工况下索力变化值ΔF占恒载索力值的比重列于表3。整体升降温取工况1为代表，主梁梯度温度取工况3为代表，索塔左右侧温差取工况5为代表，索梁温差取工况7为代表。

从此表可以看出，索梁温差对索力的影响最大，其他三项温度工况对索力的影响程度因拉索的位置、长度等不同而有差异。

表3 各工况ΔF占恒载索力值比重%

3.2 组合下温度效应对索力影响分析

将温度效应与恒载、汽车活载、人群活载、横向风荷载、支座沉降参照《公路桥涵设计通用规范》（J T G D60—2015）分别按短期效应组合、长期效应组合进行计算（温度梯度组合值系数φ=0.8，其他温度效应组合值系数φ=1.0），求出各组合下索力最大、最小值，并求出温度总效应在组合值中的比重。短期、长期效应组合下索力值及组合中的总温度效应索力值见表4，温度效应所占比重如图14所示。短期效应组合与长期效应组合类似，故图14仅列出长期组合中的温度效应比重。

从图14可以看出，中跨拉索S Z6、S Z1及边跨外侧拉索温度效应所占比重较大，最大的是S B8（占7.1%）。温度效应组合占比最小的是S Z8、S B2（占4.5%）。

4 结语

采用空间梁格模型对拉索进行温度效应分析可以得出如下结论：

（1）单一温度工况下，索梁（塔）温差对索力影响最大，整体升降温次之。

（2）单一温度工况对索力影响值最大占到恒载索力值的4.5%；短期效应组合下，温度总效应占组合效应最大为7.0%；长期效应组合下，温度总效应占组合效应最大为7.1%，温度效应对索力影响不可忽视。

表4 短期、长期组合下索力值kN

图14 长期效应组合中温度效应占比

（3）不同位置拉索对温度效应的敏感度不同。在整体升降温影响下，索塔附近拉索索力值变化较大；在主梁梯度温度影响下，主跨跨中拉索索力变化最大；在索塔左右侧温差影响下，边跨外侧拉索的索力值变化最大；在索梁温差影响下，边跨拉索及中跨远离桥塔侧拉索索力变化较大。

（4）温度效应对斜拉桥索力会产生明显影响，成桥索力设定时应考虑不同部位拉索对温度效应不同的敏感性。

[1]范立础.桥梁工程(上册)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]王霜,林亮.基于综合方法的斜拉桥合理成桥索力确定[J].交通运输研究,2009(1)：143-146.

[3]郭棋武,方志,裴炳志,邓海,刘光栋.混凝土斜拉桥的温度效应分析[J].中国公路学报,2002，15（2）：48-51.

[4]崔秀琴,冯仲仁,黄毅.混凝土箱梁桥温度效应计算与分析[J].混凝土，2010(8):31-34.

[5]J T G D60—2015,公路桥涵设计通用规范[S].

[6]J T G/T D65-01—2007，公路斜拉桥设计细则[S].

[7]刘士林,王似舜.斜拉桥设计[M].北京:人民交通出版社, 2006.

[8]李洪学.铁路P C部分斜拉桥温度场与温度效应分析[D].成都：西南交通大学，2016.

[9]葛耀君,翟东,张国泉.混凝土斜拉桥温度场的试验研究[J].中国公路学报,1996,9(2):76-83.

[10]郭圣栋,陈晔.斜拉桥的拉索分析[J].华东交通大学学报, 2005,22(4):22-25.

U448.27

B

1009-7716（2017）06-0087-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.025

2017-03-06

陈自能（1985-），男，云南曲靖人，工程师，从事桥梁设计工作。