三拱肋钢管混凝土拱桥的温度效应研究

徐 清

中国葛洲坝集团建设工程有限公司 云南 昆明 650200

随着桥梁技术的发展与革新，钢管混凝土拱桥因其具备施工简便、跨度大、结构轻巧、外形美观等优点[1]，近些年越来越受欢迎，在实际应用中也越来越多。钢管混凝土拱桥施工时将普通混凝土灌入钢管骨架中，由于钢管对混凝土的径向约束使其三向受压，从而显著提高了混凝土的抗压强度和使用性能。

钢管混凝土拱桥属于超静定体系结构，受温度变化的影响十分复杂，温度的高低会引起混凝土和钢管不同程度的膨胀与收缩，从而产生温度应力[2-3]。同时，钢管混凝土拱桥因其材料特性、截面构造和施工工艺等参数与其他桥梁结构不同，从而导致其温度变化规律的确定方法也略有不同[4-5]。

本文以某三拱肋钢管混凝土拱桥为背景开展温度效应研究，通过对温度效应的变化规律研究，分析钢管混凝土拱桥纵梁应力受温度影响的变化规律。

1 工程概况

某大桥跨越一条大河，交叉桩号K42＋078，交叉角度为100°。大河规划通航等级为Ⅲ级，通航净高10 m，净宽60 m。全桥布跨为11 30.0 m＋103.6 m＋12 30.0 m，主桥桥型为下承式钢管混凝土简支系杆拱桥，采用一孔跨越大河。大桥立面如图1所示。

图1 大桥立面

2 温度对纵梁内力的影响

2.1 测点布置

在纵梁中布置应力传感器，通过应力传感器监测纵梁应力变化，掌握纵梁应力状态。由于纵梁为超静定结构，混凝土受温度影响能够产生次内力，因此需要根据测试温度进行应力的折算。为能够更加准确地反映纵梁温度对受力状态的影响，在纵梁断面的上下两面（向阳面与背阳面）各布置应力传感器，采用自动化监控技术，实时采集温度及应力数据，并及时分析处理。纵梁应力在受温度效应影响的过程中会发生变化。为准确掌握纵梁应力的变化情况，全桥每根纵梁选取1/4跨（3/4跨）、1/2跨3个应力监测断面，每个断面分别布置上下（向阳面、背阳面）2个测点。监测断面如图2所示，监测剖面如图3所示。

图2 应力监测断面布置

图3 应力监测剖面布置（1#为向阳面、2#为背阳面）

应力自动化实时监测适用于全过程施工监控中，但温度效应影响应选取无施工工况的时期进行分析，故应选取其中工况少、相对稳定且外界干扰因素少时的1～3 d内的数据进行研究。

2.2 监测设备

在研究过程中，结构温度对结构产生的次应力处于变化之中，因此对数据需进行实时采集。在现场测试时，采用结构安全监控系统对纵梁温度及应力进行实时监测。该系统具有传输距离广、穿透性强、信号稳定性好及待机时间长等特点，同时集多类型传感型设备、数据采集节点、数据无线传输节点、信号中继节点及数据分析处理节点于一体，可实现多类型数据无线实时采集和传输（图4）。

图4 现场传感器埋设

2.3 研究结果及数据分析

2.3.1 应力随温度变化的对比分析

选取1/4跨断面中一个中纵梁及一个边纵梁上、下（向阳面、背阳面）2个应力测点进行应力随温度变化的对比分析。应力、温度时程曲线如图5所示，单点应力受温度效应影响的变化曲线如图6所示（本节中应力为以0时数据为初始值的累计变化量，下同）。

图5 纵梁同一断面的应力、温度时程曲线

图6 单点应力受温度效应影响的变化曲线

由图6可知：一天中（从0时开始到24时结束）混凝土温度呈现先降、后升、再降趋势，最后趋于0时温度。当天中最低温度出现于7时30分左右，最高温度出现于16时左右。而混凝土应力变化与之相反，呈现先上升、后下降、再上升的趋势，最后趋于0时应力。当天中最大应力出现于7时30分左右，最小应力出现于16时左右。

此研究结果表明纵梁混凝土结构温度与应力成反比，混凝土温度升高，应力相应减小。

2.3.2 同一断面向阳、背阳面的应力差和温度差对比

选取1/4跨断面中一个中纵梁及一个边纵梁上、下（向阳面、背阳面）2个应力测点进行应力差和温度差的对比分析。应力、温度时程云图如图7所示，向阳面、背阳面的应力差与温度差对比如图8所示。

图7 应力、温度时程云图

图8 向阳面、背阳面的应力差与温度差对比

由图8可知：应力受温度梯度的影响较大。在一天中（从0时开始到24时结束）夜间无阳光照射的情况下，混凝土结构温度差逐渐增大，此时背阳面温度高于向阳面温度。在7时30分左右，太阳出现，阳光照射后，向阳面混凝土结构温度逐渐升高，温度差逐渐减小。在10时左右，温度差趋于0 K。此时向阳面结构温度受太阳直射的影响，温度逐渐升高，而背阳面温度增长缓慢，温度差逐渐增大，此时向阳面温度高于背阳面温度。14时左右，温度差达到最高，之后逐渐开始减小，一直到24时，温度差趋于0 K。

而应力差趋势与温度差趋势相反。夜间无阳光时，应力差逐渐增大，此时向阳面应力大于背阳面应力。在7时30分左右，应力差逐渐减小，一直到10时左右，应力差趋于0。之后应力差呈增大趋势，此时背阳面应力大于向阳面应力。14时左右，应力差逐渐减小，一直到24时，应力差趋于0。

此研究结果表明，纵梁混凝土结构受温度影响较大。当向阳面温度高于背阳面温度时，相应的应力小于背阳面应力；反之，当向阳面温度低于背阳面温度时，相应的应力大于背阳面应力，且温度差与应力差呈相反趋势。

2.3.3 不同断面相同位置向阳、背阳面应力与温度对比

选取1/4跨断面中纵梁及1/2跨断面中纵梁同一部位（向阳面、背阳面）应力测点进行应力与温度对比分析。不同断面同一位置的应力对比如图9所示，不同断面同一位置的温度对比如图10所示。

图9 不同断面同一位置测点应力对比

图10 不同断面同一位置测点温度对比

由图9、图10可知：一天中（从0时开始到24时结束）向阳面应力与温度变化趋势基本吻合。当温度升高时，应力减小，且变化幅度基本保持一致。背阳面应力及温度变化整体趋势基本吻合。当温度升高时，应力减小，但趋势幅度却有相应差别；在12时后，边跨处温度降温较快，温度趋势幅度相比于中跨处较大，相应的应力变化趋势幅度也比中跨处较大。

3 温度对拱肋内力的影响研究

3.1 测点布置

拱肋作为桥梁的主要受力结构，其受力状态关系到桥梁的整体安全，分析温度对结构的受力影响尤为重要。本文选取拱肋1/4跨、1/2跨作为应力监测关键位置。1/4跨拱肋钢管顶、底缘、腹板各布置1个测点，每榀拱肋合计4个测点。1/2跨顶、底缘、腹板各布置1个测点，每榀拱肋合计2个测点。拱肋应力断面布置见图2，1/4跨、1/2跨断面应力测点布置如图11所示。

图11 拱肋应力测点布置断面

3.2 研究结果及数据分析

选取1～2 d的拱肋弦管应力时程数据进行分析，并且以当天0时数据作为初始值，以观察拱肋弦管应力随时间的变化量。

拱肋的应力、温度时程曲线如图12、图13所示。

图12 同一断面的拱肋应力、温度时程曲线

图13 不同断面的拱肋应力、温度时程曲线

3.2.1 同一断面上下弦管应力的温度影响分析

由图12可得出：

1）拱肋1/4跨断面的上弦管应力随温度的升高而减小，即升温时上弦管应力呈现受压状态；而下弦管应力随温度的升高而增大，即升温时下弦管应力呈现受拉趋势。

2）拱肋1/2跨断面的上弦管应力随温度的升高而增大，即升温时上弦管应力呈现受拉趋势；而下弦管应力随温度的升高而减小，即升温时下弦管应力呈现受压状态。

综上分析，拱肋温度变化时，同一断面上下弦管应力变化规律相反，表明拱肋在受温度影响时会产生弯矩。

3.2.2 不同断面相同位置应力与温度对比分析

由图13可得出：

1）拱肋1/4跨和1/2跨断面上下弦管的温度基本一致，不同断面的相同测点位置的温度差较小。

2）拱肋1/4跨和1/2跨断面的上下弦管应力随温度的变化呈现反对称趋势。

综上分析，拱肋温度变化时，1/4跨和1/2跨位置的拱肋弯矩方向呈反对称，即一处为正弯矩，另一处为负弯矩，表明拱肋在受温度变化影响时，1/4跨和1/2跨会分别产生正、负弯矩，在1/4跨至1/2跨之间会出现弯矩0点。

4 结语

通过分析研究温度对钢管混凝土拱桥的纵梁、拱肋应力的影响效应，得出如下结论：

1）纵梁应力变化与温度变化成反比，温度升高时应力减小。

2）纵梁应力受混凝土顶底面温度差影响相对较大，因混凝土向阳、背阳面温度梯度的影响，纵梁会产生一定的弯矩，从而造成顶底部产生较大的应力差。

3）拱肋在受温度变化影响时，同样会产生弯矩。

4）拱肋受温度变化影响时，1/4跨和1/2跨位置的拱肋应力变化规律呈反对称，表明1/4跨和1/2跨会分别产生正、负弯矩，在1/4跨至1/2跨之间会出现弯矩0点。