基于监测数据的组合梁斜拉桥温度梯度特性及结构性能影响研究

胡俊亮 叶仲韬 吴 杰 李 开

(1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室 武汉 430034；2.中铁大桥科学研究院有限公司 武汉 430034；3.武汉轻工大学土木工程与建筑学院 武汉 510640；4.中新国际联合研究院 广州 510700)

前言

一百多年来，桥梁行业在结构材料、设计水平和施工技术等方面在不断创新和进步，桥梁结构向着更大跨径、更高强度、更耐久的方向发展。钢-混凝土组合桥梁就是其中有代表性的成果和未来的重要发展方向之一。钢-混凝土组合梁桥是组合结构中应用最为广泛的桥梁型式之一，其优点是综合了混凝土和钢材各自的材料优势，并通过相对简单的结合方式让二者合理受力。

该结构的两种材料，其中混凝土桥面板主要处于受压区，钢梁主要处于受拉区，中间靠抗剪连接件保证二者的协调变形和共同受力。这种组合方式既避免了普通钢筋混凝土桥梁中混凝土容易受拉开裂的问题，也解决了钢结构桥梁中钢梁容易失稳的问题，其自重较小、刚度较大其造价具有一定优势[1]。

对于钢-混组合桥梁结构来说，两种材料都直接承受来自于环境气候变化的影响。由于两者材料特性存在的较大差异，对温度变化尤为敏感。特别是当环境温度变化剧烈时，钢材和混凝土之间由于温度变化速度不同而产生温差，不同的涨缩变形引起组合梁桥梁截面上的内应力，尤其是组合梁结合面抗剪连接件周围的混凝土很容易开裂。通过前人的大量实验研究和现实案例证明，环境温度变化引起的温度作用可能会造成截面应力分布不均，引起混凝土开裂以及支座位移等病害，严重时甚至会造成桥梁结构的垮塌[2]!

另外，在日照、寒潮等天气因素的作用下，结构会产生非线性温度分布，这种非线性温度分布会再结构中产生较大的温度应力和变形，这些温度效应甚至会超过活载效应，造成结构的损伤与破坏[3-6]。

虽然国内外专家对钢-混凝土组合梁桥的温度作用效应作了不少研究，且各国桥梁设计规范中都对钢-混凝土组合梁桥温度作用做了规定，但这些规定存在一定差别，与钢-混凝土组合梁桥真实的温度场分布并不完全相符[7]。因而，不同的温度梯度加载模式以及不同的组合梁结构形式所得到的温度作用效应也不尽相同。为此，需要结合实测数据对组合梁温度作用效应进行研究，以促进规范对组合梁温度梯度规定的完善和修正。下面将以一座已建成长期健康监测系统的组合梁斜拉桥为列，对比实测结构温度场效应与已有的几种设计规范温度作用计算方法，以实测结果对设计规范温度作用模式进行优化。

1 各国设计规范对温度梯度作用的规定

由于地理位置的差异，各国规范对于组合梁温度梯度的规定也不尽相同。下面，就中国《公路桥涵设计通用规范》(TJG D60-2015)[8]、美国AASHTO公路桥梁设计规范[9]、英国桥梁设计和施工规范 BS5400[10]及欧洲专门针对复合钢和混凝土结构的设计规范EN2004[11]对组合梁温度梯度的相关规定进行分析。其中，英国桥梁设计和施工规范 BS5400 是各国规范中对不同桥梁结构型式的温度作用加载方式阐述得最详细的，欧洲规范参考了英国规范的关于组合梁桥及带混凝土桥面板钢桥温度效应的规定，其常规计算模式与英国规范一致，并提出了简化计算方法。下图为四种规范关于组合梁温度梯度的描述。

图1 各国规范组合梁温度梯度曲线

从上面的温度梯度曲线可以看到，各规范多遵循多段线的形式定义温度梯度，但是在相同之处也存在差异的地方。

表1 各国规范比较分析

从上表和上图可以看出，各国规范关于温度梯度表达方式因考虑的影响因素不同而不尽相同，几种规范也基本涵盖了混凝土桥面板厚度、桥梁所处地理位置、铺装层类型、铺装层厚度、组合梁高度等因素。其中，英规与欧规均同时提出了独立的负温度梯度模式，中规对正温度梯度模式乘以-0.5的系数得到负为温度梯度计算模式；美规则是根据桥面铺装类型的不同选择-0.3(普通混凝土铺装)或-0.2(沥青混凝土铺装)的系数来得到负温度梯度。相对来说，欧规与英规考虑的因素更为全面。

仅从上面的几种规范的对比难以明确各规范的适用性，因此，下面将结合实际桥梁温度场监测数据，将实测组合梁温度梯度与各规范规定的温度梯度模式代入有限元模型进行计算，分析各规范的适用性，并得到温度梯度计算模式的影响因素。

2 工程概况

二七长江大桥正桥工程，具体包括通航孔主桥、非通航孔深水区及两岸非通航孔岸滩区，总长度为2922m。主线道路等级为城市快速路，设计荷载为城-A级，计算行车速度80km/h，车道数为双向6车道，桥面标准宽度为29.5米。

二七长江大桥主桥采用三塔双索面结合梁斜拉桥，跨径组成为(90+160+2x616+160+90)m，主桥长1732m。总体布置如图2所示。主桥采用半漂浮体系。边塔处采用竖向支撑，中塔处固定铰接体系。主梁边塔处设置两个双向活动支座，横向设置抗风支座；中塔横梁顶设竖向支座及纵向限位挡块，约束竖向及水平位移，横向设抗风支座。在边塔处设置纵向阻尼装置，使得结构在地震力作用下，边中塔能够共同参与分配其作用。

大桥工程影响区历年最高日平均气温为41.3℃，最低日平均气温为-18.1℃，年平均气温为16.8℃。

图2 桥型布置图

3 实测温度监测数据分析

3.1 实测温度梯度模式

环境温度通过热传导作用于桥梁结构，在结构内部形成温度场。超静定结构中温度场的变化将会导致温度次内力的产生，同时材料随温度的胀缩也会导致结构整体形变。因此，结构温度是对结构力学行为影响显著的因素。对于组合梁来说，其两种组成材料混凝土和钢材物理特性差异明显，混凝土的导热系数仅为钢材的1/10作用，当外界温度出现剧烈变化时，混凝土温度变化速率要远小于钢材温度变化速率。因此，当混凝土桥面板受太阳辐射时会形成桥面板厚度方向的不均匀温度梯度，由于导热系数的差异，桥面板与钢梁之间也会产生高度方向的温度梯度。

为准确掌握组合梁温度梯度模式，沿梁高方向布置了6个温度测点，组合梁截面构造与测点布置位置见下图3～4所示。

图3 组合梁结构图 (单位：cm) 图4 温度测点沿梁高布置图 (单位：cm)

对2015年全年监测数据进行分析，取每个月月初与月中一天24小时的数据，每天每个小时取一组数据(图5～6示出了7月1日与10月1日的温度场分布)。温度场分布曲线X轴代表了24小时，Y轴代表测点温度，Z轴为测点高度。绘制温度场分布如下图5～6所示。

图5 7月1日温度场分布图 图6 10月1日温度场分布图

从上面的温度场分布图可以看到，在日照较为强烈的白天时间段，实测结合梁截面温度场分布呈现出由桥面铺装到底面温度逐渐降低的正温差趋势。其中，大约在13～15点时间段内，桥面铺装与梁底之间具有最大的温差；而在夜晚时间段，结合梁截面呈现桥面铺装到梁底底面的负温差趋势，相对来说，最大负温差时间段较为分散，在0～8点时间段内均有分布。根据每个月的温度分布，绘制2015年时间段温度场正温差、负温差分布图。

图7 2015年温度场正温差分布图 图8 2015年温度场负温差分布图

分别取一年中最大正温差(7月1日)、最大负温差(10月1日)的一天，绘制截面沿高度温度分布曲线如下图所示。

图9 2015年最大正(负温差)曲线

从实测组合梁温度梯度曲线可以看到，正温度梯度曲线与英规定义的温度梯度曲线接近，而负温度梯度曲线则与欧规接近，仅在混凝土段及钢梁段上端定义了温度梯度，其他规范均沿钢梁段全高定义了温度梯度形式。

3.2 温度梯度荷载工况

总共考虑了10种温度梯度荷载工况，欧规的常规温度梯度模式与英国规范基本一致，因此，欧洲规范选择简化模式。将10种荷载工况分列如下：

表2 温度梯度荷载工况

3.3 温度荷载效应

下文各结果表中监测数据为武汉二七长江大桥健康监测系统的监测数据，均为剔除了活载效应后的温度影响结构响应，包含了整体升、降温、主梁温度梯度、索梁塔温差等的影响。其中，英规的负温度梯度模式计算结果远大于其他温度梯度模式计算结果，认为其定义的负温度梯度模式不适用，在结果列表中未显示。

1) 主梁变形

按前文10种温度荷载工况，计算结构主梁挠度变化，绘制挠度图如下图所示：

图10 温度荷载效应-挠度(单位：mm)

根据二七桥健康监测系统的挠度监测数据，做低通滤波处理，得到分别在最大正温度梯度(7月1日)、最大负温度梯度(10月1日)第3跨、第4跨跨中挠度数据，并将第3、4跨跨中的各规范计算挠度值与实测温度梯度计算挠度值列于下表所示。

表3 温度梯度效应计算值与桥梁健康监测系统实测值(单位：mm)

从温度梯度引起的主梁变形图上可以看到，在正温度梯度作用下，实测温度梯度与英规温度梯度效应最为接近，而中规主梁挠度变化最小；在负温度梯度作用下，实测温度梯度与欧规温度梯度效应最为接近，美规主梁挠度变化最小，英规定义的负温度梯度效应远远大于其他3家规范及实测温度梯度计算结果。将实测挠度与计算挠度进行对比，根据表3，在正温度梯度作用下，SHM系统实测挠度与英规温度梯度模式计算挠度最为接近，中规与美规计算结果偏小，实测温度梯度计算结果最大；在负温度梯度作用下，SHM系统实测挠度与欧规温度梯度模式计算挠度较为接近，中规与美规计算结果偏小，实测温度梯度计算结果大。

2) 主梁应力

对于组合梁结构应力，应拆分成钢纵梁与桥面板进行分析。下面主要绘制了组合梁段结构应力。

图11 温度荷载效应-钢梁应力(单位：MPa)

图12 温度荷载效应-桥面板应力(单位：MPa)

表4 温度梯度效应计算值与桥梁健康监测系统实测值(单位：MPa)

从上面几幅图可以看到，各温度梯度计算模式得到的主梁应力分布规律是类似的。钢梁沿纵桥向温度梯度应力幅值变化较大，混凝土桥面板沿纵桥向应力幅值变化较小。实测正温度梯度模式应力效应最大，其他几种规范计算结果较为接近。对于负温度梯度模式来说，中规与美规负温度梯度模式计算效应最小，欧规与实测梯度模式计算结果较为接近。

3) 斜拉索索力

鉴于武汉长江二桥的对称结构，在分析斜拉索索力时，取上游侧1/2的斜拉索进行分析，共66束斜拉索，斜拉索沿桥纵向从汉口到武昌顺序编号。将分析斜拉索示于下图所示。

图13 索力分析斜拉索

图14 温度荷载效应-斜拉索索力(单位：kN)

从上面两幅图可以看到，实测温度梯度模式计算索力变化均大于四种规范的计算结果，特别是对于负温度梯度计算效应来说，美规计算结果最小，中规次之，欧规相对较大。另外，温度梯度效应对边跨中长索和中跨长索的索力影响较大。

表5 温度梯度效应计算值与桥梁健康监测系统实测值(单位：kN)

从上表可以看到，实测温度梯度模式斜拉索索力变化最大，中规索力变化最小，英规与实测正温度梯度模式计算结果较为接近。与实测温度梯度模式效应相比，中规与美规的负温度梯度效应明显低于正温度梯度效应。

4)桥塔变形

对桥塔的应力分析，从塔墩底部开始。由于二七长江大桥为三塔斜拉桥，因此，在分析过程中主要考虑边、中塔即3#塔、4#塔在温度荷载作用下主塔受力和变形。

图15 温度荷载效应-边塔偏位(单位：mm)

图16 温度荷载效应-中塔偏位(单位：mm)

从上面四幅图可以看到，在温度梯度荷载作用下，边塔变形远大于中塔。

取边塔、塔顶的GPS数据做滤波处理，得到塔顶的最大偏位。由于中塔GPS出现故障，没有数据。

表6 温度梯度效应计算值与桥梁健康监测系统实测值(单位：mm)

在温度梯度荷载作用下，实测温度梯度效应最大，英规次之，中规最小。对于边塔来说，实测负温度梯度效应大于正温度梯度效应。中塔在温度梯度作用下，桥塔没有明显的变形。

5)桥塔应力

图17 温度荷载效应-边塔应力(单位：MPa)

图18 温度荷载效应-中塔应力(单位：MPa)

从上面4幅图可以看出，在温度梯度荷载作用下，对于边塔来说，桥塔下横梁处桥面位置应力最大，中塔应力均较小。

表7 温度梯度效应计算值与桥梁健康监测系统实测值(单位：MPa)

桥塔在温度梯度荷载作用下，边塔应力与变形远远大于中塔，英规荷载效应要大于中、美、欧规范，而实测温度梯度计算得到的荷载效应大于四种规范计算的荷载效应。中塔的应力和变形可以忽略不计。

4 小结

(1)英国规范和欧洲规范对钢-混凝土组合梁温度梯度的规定最为详尽，且通过与二七长江大桥实测温度场效应相比，欧洲规范与之具有最好的吻合度，因此，建议钢-混凝土组合梁温度梯度在欧洲规范的基础上结合实测温度场数据加以修正和完善。

(2)对于大跨径组合梁斜拉桥，温度作用不可忽视，在桥梁结构的某些位置其引起的结构内力和变形可能会超过活载效应，因此，在设计阶段对温度因素应该予以重点关注。

(3)对比了多种温度荷载工况，相对于整体升降温，温度荷载梯度引起的钢梁弯矩要更大；而整体升降温会引起最大的索力变化；整体升降温、索塔梁温差也会产生比主梁温度梯度更大的桥塔温度荷载效应。需要全桥进行温度敏感性分析，以整体把握大桥温度效应，为相似组合梁斜拉桥的温度效应分析提供借鉴。

(4)后续可做的工作，温度影响敏感性分析，分析诸如整体升降温、索梁塔温差、温度梯度等对主梁变形、应力、索力、桥塔偏位、桥塔应力的影响；

(5)分析结果表明，4本规范的温度梯度效应普遍小于实测温度梯度的荷载效应，目前的规范对于温度梯度模式与实际情况可能并不符合，在进行桥梁设计时，应结合多种因素影响，对规范计算温度梯度效应值进行合理修正。

(6)英国规范正温度梯度模式与实测温度梯度模式较为接近，而欧洲规范负温度梯度模式与实测温度梯度模式较为接近。可以参考应该规范正温度梯度模式，在幅值上予以修正，负温度梯度则应仅定义钢梁段上部及混凝土桥面板的部分。