大跨长联连续钢桁梁桥施工阶段温度效应研究

刘国飞

（1.铁正检测科技有限公司 山东济南 250014；2.中铁十四局集团有限公司 山东济南 250014）

1 前言

连续钢桁梁桥其自身主要材料为钢材，钢材导热较快，对温度变化敏感，在太阳辐射以及大气环境影响下，桥梁自身温度变化明显［1－3］。国外学者［4－6］的研究大多集中在钢箱梁桥等其他结构形式，而对于此类桥型研究较少。我国学者［7－13］关于温度效应研究主要针对的桥型为混凝土桥与钢箱梁桥，对于空间立体结构研究较少。我国铁路现行规范《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）［14］，针对此类空间立体结构的温度荷载，更多地考虑年温差变化（均匀温度作用），而对于日照温差（温度梯度作用）考虑较少，并不完善。除此之外，对于大跨度桥梁而言，其施工周期较长，存在跨季节施工问题，因此需要考虑年温差变化对于桥梁施工过程产生的影响。

基于上述原因，本文以某公铁两用连续钢桁梁桥为依托，根据现场实测温度数据，拟合出施工阶段桥梁横断面横向以及竖向的温度梯度进而求出施工阶段桥梁温度场。建立施工阶段温度场有限元模型，对比分析均匀温度作用与梯度温度作用对施工过程中桥梁结构的受力性能产生的影响。

2 工程背景与测试方案

（1）工程背景

该桥跨径为112 m＋6×168 m＋112 m，桥梁全长1 232 m，设计为三片主桁结构。下层桥面为双向4线铁路，上层公路桥面为双向6车道。结构大部分杆件材料为Q370qE钢材，墩顶部分杆件采用Q420qE钢材，施工方式为采用龙门吊悬臂拼装。桥址处气候条件较好，年平均气温为15.1℃，夏季极端天气最高气温42.5℃，冬季极端天气最低气温为－11℃。全桥布置见图1。

图1 全桥布置

（2）测试方案

针对该桥施工过程中日照温差引起的温度效应问题开展相关研究。设计温度场测试方案，探究施工过程中温度梯度作用对桥梁的应力和线形的影响，对桥梁横断面的部分杆件温度，进行长期跟踪监测，温度测点布置在4号墩墩顶断面处，见图2a。沿梁截面高度方向以及横向分别布置了若干测点，具体位置见图2b。

图2 温度测点布置

3 温度梯度拟合

温度梯度作用属于短时作用，可以选取某一温差较大的时刻作为最不利温度梯度进行拟合，一般下午太阳辐射较为强烈，且横竖向温差较大，温度场分布不均匀，因此，本文选取2月份16：00温度测试数据，分别拟合三片主桁竖向温度梯度及上平联横向温度梯度，采用分段函数进行拟合。

（1）上游边桁竖向温度梯度拟合

上游边桁竖向各测点温度数据见表1，将表1中数据拟合成图，见图3，拟合方程见表2。

表1 上游边桁测点温度分布情况

表2 上游边桁温度梯度拟合方程

图3 上游边桁温度拟合

上游边桁温度数值由上到下依次减小，竖向最大温差为5.9℃（竖向温差主要由太阳辐射引起）。表2中：R2为校正决定系数，此值越接近于1，表示线段拟合效果越理想；x为距梁顶高度；y为温度（下文中x、y均代表此含义）。

（2）中桁竖向温度梯度拟合

中桁各测点温度数据见表3。上弦杆取4号与5号测点的平均温度代表该处温度，竖杆取19号与20号的平均温度代表此位置处的温度。对中桁竖向温度梯度进行拟合，拟合过程见图4，拟合方程见表4。

表3 中桁测点温度分布情况

图4 中桁温度拟合

表4 中桁温度梯度拟合方程

（3）下游边桁竖向温度梯度拟合

下游边桁各测点温度数据见表5，对数据进行拟合分析，拟合线段见图5，拟合方程见表6。

表5 下游边桁测点温度分布情况

图5 下游边桁温度拟合

表6 下游边桁温度梯度拟合方程

（4）上平联横向温度梯度拟合

上平联各测点温度数据见表7，对这些数据进行拟合分析，拟合线段见图6，拟合方程见表8。

表7 上平联测点温度分布情况

表8 上平联横向温度梯度拟合方程

图6 上平联温度拟合

4 温度效应对最大悬臂状态下桥梁受力性能影响

4.1 施工阶段有限元模型构建

有限元模型共21 062个节点，22 096个单元。桥梁采用龙门吊悬臂拼装对称施工，选择4号墩向合龙口架设过程进行研究，当桥梁施工至最大悬臂状态时，其内力与线形均处于较不利状态，因此选择该工况研究温度效应对桥梁受力性能产生的影响。

桥梁温度荷载分两种类别考虑，其一考虑跨季节施工给桥梁带来的影响，即按均匀温度作用考虑（年温差变化）；其二为温度梯度作用（日照温差）。其中均匀温度作用，依据我国铁路现行规范《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）［12］需考虑桥址处极端气温，因此，模型初始温度按15℃设定，整体升降温40℃，即最高气温55℃、最低气温－25℃。温度梯度作用结合现场实测数据以及上述拟合结果施加于模型，见图7。

图7 有限元模型

4.2 应力分析

（1）均匀温度作用影响

在自重与整体升降温共同影响下，下弦杆各杆件顺桥向（从4号墩墩顶沿桥梁顺桥向的距离）应力变化情况见表9，将其绘制成图见图8。

表9 温度荷载与自重作用下弦杆应力

图8 均匀温度作用下弦杆应力

由图8可知，在自重影响下，靠近墩顶附近的下弦杆所受应力影响较大，中桁下弦杆最大应力为－43.2 MPa，边桁下弦杆最大应力为 －40.5 MPa。在考虑均匀温度作用影响之后，结构所产生的温度应力较小，在±1 MPa以内。由此可知，对于最大悬臂状态下的公铁两用连续钢桁梁桥而言，均匀温度作用对其应力影响较小。

（2）温度梯度作用影响

建立施工阶段温度场有限元模型，依据上述拟合结果，考虑温度梯度作用对桥梁应力产生的影响。温度梯度与结构自重共同作用下，下弦杆应力见表10、图 9。

表10 自重与温度梯度作用下弦杆应力

图9 自重与温度梯度作用下弦杆应力

由图9可知，由于各桁之间的温度梯度并不相同，存在横向温差，因此边桁与中桁所产生的温度应力并不相同。其中边桁由温度引起的应力以压应力为主，中桁所产生的温度应力以拉应力为主；在靠近墩顶附近的下弦杆应力较大，边桁由温度引起的应力最大为1.8 MPa，与自重引起的应力相比，增大了4.6%，下弦杆其他位置处，温度应力最大可达到3.4 MPa。由此可以看出，与均匀温度作用产生的影响相比，温度梯度作用对桥梁应力影响更加明显。

4.3 竖向位移分析

（1）均匀温度作用影响

在自重与均匀温度作用影响下，下弦杆沿顺桥向竖向位移变化情况见表11、图10。

表11 温度荷载与自重作用下弦杆竖向位移

图10 自重与均匀温度作用下弦杆竖向位移

在自重影响下，桥梁悬臂端处产生了较大的竖向位移，边桁竖向位移最大为－12 cm，中桁竖向最大位移为－12.2 cm。在考虑温度荷载以后，当结构整体升温时，桥梁会产生向上的位移趋势，当结构整体降温时，桥梁会产生向下的位移趋势，其中降温作用会使下弦杆悬臂端处产生向下－0.7 mm的竖向位移，与自重作用下的竖向位移相比，竖向位移增大了5.7%。

（2）温度梯度作用影响

在自重与温度梯度作用影响下，下弦杆沿顺桥向竖向位移变化情况见表12、图11。

图11 自重与温度梯度作用下弦杆竖向位移

表12 自重与温度梯度作用下弦杆竖向位移

考虑温度梯度作用后，下弦杆在悬臂端处产生较大的竖向位移，其中边桁为－13.3 cm，中桁为－13.5 cm。与均匀温度作用引起的竖向位移相比，温度梯度作用更加明显。

5 结论

（1）通过对施工阶段大跨长联公铁两用连续钢桁梁桥温度梯度进行拟合发现，其竖向温差的大小主要取决于太阳辐射强度以及照射时间；下游边桁与中桁由于没有受太阳直射，因此其温度梯度相接近。

（2）对比分析均匀温度作用与温度梯度作用对桥梁应力的影响可知，均匀温度作用对桥梁应力影响较小，由其产生的温度应力在±1 MPa左右；相比较而言温度梯度作用引起的温度应力较大，局部应力可达到3.4 MPa。

（3）对比分析均匀温度作用以及温度梯度作用对桥梁竖向位移的影响可知，均匀温度作用下，升温作用会使下弦杆产生向上的位移趋势，对结构影响较为有利；降温作用会使下弦杆产生向下的竖向位移，对结构影响较为不利。温度梯度作用引起下弦杆悬臂端处产生向下－1.3 cm的竖向位移，与自重作用引起的竖向位移相比，增大10.7%，对结构线形影响较为不利，应加以控制。