大跨径斜拉桥荷载试验的温度效应

程景扬

(广东省交通运输建设工程质量检测中心，广州 510420)

0 引言

桥梁是公路和铁路交通网中的关键组成部分，桥梁结构安全对于确保交通网的安全畅通具有重要意义[1]。公路桥梁荷载试验是桥梁交工验收检测中不可或缺的一环，能直接反映结构承载能力及动力特性的重要指标。在外荷载作用下(如车辆荷载、风荷载等)桥梁结构产生的应力和应变，反映了桥梁结构的局部强度，是桥梁结构安全状态验证及评估的重要参数。

当某种结构的温度变化时，它的各部分材料都将由于温度的升高和降低而趋于膨胀或收缩。由于大部分桥梁为超静定结构，这种膨胀或收缩受到约束，于是就产生了应力，即温度应力[2]。

作为规范中针对荷载试验最重要的参数之一，应力和应变对于桥梁结构的荷载试验有着重要的意义。由于荷载试验过程持续时间长(特大型桥梁荷载试验通常大于6h)，测试断面的应力和应变受温度的影响较大，如何减少温度对试验结果的影响，是检测行业比较关注的问题。本文针对桥梁结构荷载试验过程中温度应力对试验结果的影响程度，进行分析研究。

1 温度效应

1.1 作用机理

在自然环境下的混凝土结构，受到周围环境如气温、风及阳光等影响，结构表面温度有可能发生急速变化(上升或降低)。由于混凝土是一种导热性较差的材料(一般为金属的几十分之一)，结构内部的温度变化具有滞后性，结构内部与结构外部存在较大的温度梯度。由于混凝土材料的热胀冷缩，结构产生不均匀的变形。桥梁结构多数为超静定结构，受到的变形大部分转换成了温度应力。在混凝土桥梁结构实际运营的情况下，温度应力在某种工况条件下比车辆荷载作用下的应力还大，故在荷载试验过程中，必须考虑温度应力对荷载试验结果的影响。

1.2 理论基础

桥梁结构的温度荷载因桥梁结构周围气象条件而产生，气象条件随时间的变化而变化，因此桥梁结构的温度效应是一个时间的函数。加之桥梁结构为空间形态，几何上是三维的，所以求解温度荷载的函数解是不可能的。

桥梁结构内部及外部的某一点，在某个时刻的温度可表示为：

Ti=f(x,y,z,t)

温度不仅与坐标x、y、z有关，而且与时间有关。因此对于各向同性的结构材质，根据热传导理论，可导出三维非温度导热方程[3]。

式中：λ—导热系数；

γ—容重；

c—比热；

q—单位体积内放出的热量。

相关文献分析表明，桥梁结构的热传导可近似于一维热传导状态，从工程实用角度考虑，该理论可大大简化该问题的复杂性。

2 工程概况

河(源)惠(州)(东)莞高速公路龙川至紫金段是广东省高速公路网规划广龙高速公路(S6)的重要组成部分，北接江西省宁都至定南高速公路，南接河惠莞高速公路紫金至东莞段，是东莞、惠州、河源通往江西的主要出省通道。

枫树坝大桥为该高速公路的关键节点工程，主桥为主跨320m的双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，跨径布置为160m+320m+160m，全桥总长640m。主桥为整体式断面，桥面宽28m，横断面布置为：0.5m防撞栏+3m紧急停车带+2×3.75m车行道+0.75m路缘带+4.5m中央分隔带+0.75m路缘带+2×3.75m车行道+3m紧急停车带+0.5m防撞栏。桥型布置、主梁标准横断面如图1和图2所示。

图1 桥型布置(单位：m)

图2 主梁标准横断面(单位：cm)

3 温度试验

由于塔梁结合处及塔柱应变在试验荷载过程中应变变化幅值较小，受温度影响较大，故仅对塔梁结合处负弯矩及塔柱断面进行温度试验。

图3 S3截面应变测点布置

图4 主塔S4截面应变测点布置(单位：cm)

3.1 温度效应理论计算结果

通过有限元模型，按设计考虑的温度效应(温差按整体升、降23℃考虑，索塔日照温度为±5℃，斜拉索与混凝土主梁、索塔间的温差为±10℃)取值计算分析，计算模型如图6所示，计算结果见表3。由表3可知，未考虑组合的温度效应在塔柱及主梁负弯矩区产生的最大拉应力为2.59MPa。

表3 修正前后负弯矩断面应变数据

图6 索塔断面应变-温度实测曲线

表1 温度效应理论计算结果

图5 计算模型

3.2 实测结果

索塔断面温度试验于17:00至21:00之间进行，试验开始时气温为20.3℃，结束时气温为18.4℃。

主梁负弯矩断面温度试验于19:20至22:06之间进行，试验开始时气温为16.6℃，结束时气温为14.7℃。温度试验结果见表4。

表4 索塔断面应变-温度实测数据

图7 负弯矩断面应变-温度实测曲线

3.3 各测点应变值温度修正

温度影响修正计算公式[4]：

ΔSt=ΔS-Δt×Kt

式中：ΔSt—温度修正后的测点加载测值变化量；

ΔS—温度修正前的测点加载测值变化量；

Δt—相对于ΔS观测时间段内的温度变化量(℃)；

Kt—空载时温度上升1℃时测点测值变化量。

根据S4截面温度试验结果，空载时温度上升1℃，测点应变值减少9με，即Kt=-9με/℃。

根据S3截面温度试验结果，空载时温度上升1℃，测点应变值减少10με，即Kt=-10με/℃。

4 试验结果修正

索塔截面试验于22:29至次日1:23之间进行。开始时塔内气温为14.5℃，结束时气温为14.2℃，试验过程中温度变化0.3℃；试验开始时塔外气温为12.6℃，结束时气温为11.2℃，试验过程中温度变化1.4℃。

负弯矩截面试验于20:05至22:09之间进行。试验开始时箱内气温为15.5℃，结束时气温为15.2℃，试验过程中温度变化0.3℃；试验开始时箱外气温为15.0℃，结束时气温为13.7℃，试验过程中温度变化1.3℃。

(续表2)

由表2可知，静载试验过程中，相对空载温度的变化量为-0.8℃。根据温度试验结果，空载时温度上升1℃，测点应变值减少9με， 即空载到卸载过程中，由于温度的影响，应变变化为7.2με，约为受压区实测平均值的14.9%和受拉区实测平均值的16.0%。

表2 修正前后塔柱断面应变数据

由表3可知，静载试验过程中，相对空载温度的变化量为-1.1℃。根据温度试验结果，空载时温度上升1℃，测点应变值减少10με，即空载到卸载过程中，由于温度的影响，应变变化为11με，约为箱外梁底实测平均值的30.1%。

5 结论

(1)通过建立midas模型，以设计给出的升降温及温度梯度为参数，得出了温度荷载下各断面的最大拉应力。

(2)基于河(源)惠(州)(东)莞高速公路龙川至紫金段枫树坝大桥的温度试验结果，塔柱及负弯矩断面空载时温度上升1℃，测点应变值分别减少9με、10με。

(3)基于温度试验的结果，对静载试验测点的实测应变值进行了修正，塔柱及负弯矩断面满载时温度较空载时温度，温度分别下降了0.8℃、1.1℃，修正值为-7.2με、-11.0με，约占测点满载应变值的14.9%～30.1%。

(4)通过对温度试验结果及静载试验修正后结果分析可见，温度试验结果对桥梁结构及应变测量影响较大，对静载试验应变数据的可靠性及有效性起着重要的作用，在试验前对结构进行空载状态下的温度试验，是非常必要的。