独塔混合梁斜拉桥温度效应分析

摘 要：【目的】研究独塔混合梁斜拉桥在成桥状态下受温度影响的力学性能。【方法】以香炉洲大桥为工程背景，建立有限元模型，基于对结构应力、位移和索力的分析，引入不同温度作用为指标，选取体系温差、索梁（塔）温差及梯度温差为控制目标，对桥面混凝土梁段、钢混结合段、钢箱梁梁段及斜拉索进行参数化研究。【结果】钢-混结合梁梁段通过改变梁段的质量和刚度分布，对斜拉桥的应力和竖向位移造成影响。【结论】分析结果表明，在成桥状态下，整体温差和梯度温差对梁段应力、竖向位移影响较小，而整体温差较梯度升温对斜拉索索力变化影响明显；桥梁结构的力学性能受索梁（塔）温差变化影响较大，在斜拉桥结构设计、施工过程监控和成桥状态监测时都应给予充分关注。

关键词：斜拉桥；温度效应；成桥状态；力学性能；有限元分析

中图分类号：U448.27 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）16-0051-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.011

Temperature Effect Analysis of Hybrid Girder Cable-Stayed Bridge with Single-Tower

LIU Liang YU Yang

（School of Physics， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Abstract： [Purposes] In order to study the mechanical properties of hybrid girder cable-stayed bridge with single-tower under the influence of temperature. [Methods] The finite element model is established based on Xiangluzhou Bridge. Based on the analysis of structural stress， displacement and cable force， different temperature effects are introduced as indicators， and the system temperature difference， cable-girder （tower） temperature difference and gradient temperature difference are selected as control objectives. Therefore the parametric study of concrete beam section， steel-concrete composite section， steel box girder section and stay cable is carried out. [Findings] Steel-mixed girder segments affect the stresses and vertical dZhBSfd9VfGE81UWIvyTxgNIQjEEk0uQKYIoqA0PYp+M=isplacements of cable-stayed bridges by changing the mass and stiffness distribution of the girder segments. [Conclusions] The analysis results show that in the finished dead state，the overall temperature difference and gradient temperature difference have little effect on the stress and vertical displacement of the beam section， while the overall temperature difference has a more obvious effect on the cable force than the gradient temperature rise. The mechanical properties of the bridge structure are greatly affected by the temperature difference of the cable beam （tower）. Full attention should be paid to the structural design， construction process monitoring and bridge state monitoring of the cable-stayed bridge.

Keywords： cable-stayed bridge; temperature effect; finished dead state; mechanical properties; finite element analysis

0 引言

独塔混合梁斜拉桥作为一种新颖的结构形式，其中混合梁同时兼备钢箱梁跨度大和混凝土箱梁刚度大的优点，具有良好的受力性能、跨越能力和经济性。该结构还解决了混凝土斜拉桥由于自重大导致的跨越能力相对较差，以及钢斜拉桥正交异性钢桥面板易疲劳开裂等问题，在我国得到越来越广泛的应用［1］。但复杂的结构体系增加了施工难度，受温度效应影响程度也相应增大［2］。

斜拉桥为多点弹性支撑体系，不论在成桥状态还是施工状态下，温度效应都十分显著，学者们针对各类斜拉桥的温度敏感性开展了大量研究。武芳文等［3］基于温度效应原理，以泸州泰安长江公路大桥（独塔混凝土斜拉桥）为工程背景，分析整体升降温、索塔梁温差、主梁温度梯度及索塔温度梯度对结构位移和内力的影响规律； 张永健等［4］以某双肢人字形独塔斜拉桥为例，采用Midas有限元程序计算分析了在整体温度效应作用下，通过改变桥梁连接方式，对比分析了主梁、主塔与副塔结构的应力分布情况；蒋益等［5］以泸州泰安长江公路大桥为例，分析了索塔温度梯度对斜拉桥最大悬臂状态结构状态的影响；李小年等［6］从理论上推导了温度对简支梁频率的影响公式，并对某独塔组合梁弯斜拉桥进行了温度效应和频率影响分析，提出了利用有限元计算来量化温度对复杂结构频率影响的方法；吴凤民［7］以保靖县酉水三桥为项目依托，采用Midas Civil建立该桥的空间有限元模型，对施工过程中相关参数敏感性进行了对比分析；肖勇刚等［8］基于东沙特大桥的实际情况，研究了日照温度变化对桥面标高的影响规律；陈伟等［9］以某大跨度独塔斜拉桥为例，研究了刚构体系在温度荷载作用下辅助墩对于桥梁整体位移和弯矩的影响；赵煜等［10］以三亚海棠湾河心岛景观桥（主跨99.8 m钢斜塔双边工字钢梁独塔斜拉桥）为工程背景，建立桥梁结构有限元模型，分析体系温差、日照温差及索梁（塔）温差对桥塔偏位、主梁线形及索力的影响；陈自能［11］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；龙志林等［12］以主跨438 m的双塔预应力混凝土斜拉桥为例，对成桥状态下主梁梯度分布和线性分布的温度效应进行了比较分析，同时对施工过程中主梁的温度应力进行了计算；李宏江［13］以天津永和大桥维修工程为例，分析了PC斜拉桥的温度效应，包括体系温差、索梁温差、主梁温度梯度、索塔温度梯度等对桥面线形、塔顶偏位、索力的影响。

目前，关于斜拉桥温度效应的研究主要集中在单一梁段形式及温度作用形式，且缺少同种温度作用下的温度差异对比。本研究以香炉洲独塔混合梁斜拉桥为工程背景，通过Midas Civil软件建立有限元模型，分别计算其在体系温差、索梁（塔）温差和梯度温差等3种工况下全桥梁段的力学响应以及斜拉索索力变化，并分析温度荷载变化对斜拉桥段梁及斜拉索的影响规律。研究成果可为大跨度桥梁结构在结构设计、施工过程监控和成桥状态监测时等提供依据。

1 工程概况

该桥为（3×6 000+30 000）cm独塔混合梁斜拉桥，全长48 000 cm，桥面宽3 750 cm（含拉索区），边跨设置2个辅助墩和1个过渡墩，主跨设置1个过渡墩。全桥结构整体为塔梁固结体系，辅助墩和过渡墩处均设有竖向支座，具体如图1所示。钢—混结合面设在跨中段距索塔中心线2 400 cm处，钢—混结合段采用有格室结构，顶底板及腹板通过钢梁端部的多格室结构连接，且在格室内填充钢纤维混凝土。两边分别为预应力混凝土箱梁和钢箱梁，右侧主跨钢箱梁采用PK（三角形边箱形式主梁）形断面，其顶板为正交异性钢桥面板，钢箱梁主梁全宽3 750 cm（含风嘴），桥面设双向2%横坡。钢主梁采用钢-STC组合桥面结构，STC（超高韧性混凝土）层厚 4～5.1 cm，STC层顶面铺筑5 cm厚的SMA（沥青玛碲脂碎石混合料）铺装层。边跨混凝土箱梁采用PK断面，采用C60混凝土，结构外形、桥面横向布置与钢箱梁断面基本一致。索塔采用钻石型钢筋混凝土索塔，索塔高202 m。承台下设40根直径2.8 m的钻孔灌注桩，按端承桩进行设计。承台采用C40混凝土，桩基采用C30混凝土。斜拉索采用抗拉标准强度为1 860 MPa的平行钢丝斜拉索，根据索力的不同，采用 PES7-151、PES7-187、PES7-199、PES7-223、PES7-241、PES7-253等6种规格，全桥共88根斜拉索。

2 有限元模型

本研究采用有限元软件Midas Civil建立香炉洲大桥主桥空间有限元模型，如图2所示。依据实际施工方案全桥共有698个单元，719个节点，其中44对斜拉索不考虑垂度效应和考虑垂度效应分别通过桁架单元和索单元模拟，斜拉索采用索单元模拟，桥塔、主梁、桥墩、基础均采用梁单元模拟。对于钢-混结合段，根据其实际重量和刚度分别对模型单元材料容重和弹性模量进行修正，使其质量和刚度等效。结构体系采用固结体系，墩底固结为墩顶与主梁通过弹性连接模拟支座；塔底固结为下横梁与主梁通过刚性连接模拟塔梁固结，索梁连接和索塔连接采用弹性连接的刚性模拟拉索锚固。本研究利用模型模拟全桥施工，主要包含激活边跨混凝土梁，并施加相应预应力，按照吊装钢梁、施加梁重和张拉拉索3个工况为一个循环，模拟钢梁施工，以均布荷载模拟STC湿重，再以无重量板单元模拟STC刚度激活、二次调索和二期铺装等工序。

3 温度效应分析

3.1 体系温差

在自然环境下产生的整体升降温会对结构产生一定的影响［14］，因此在桥梁设计、施工和监控中，整体温度变化是桥梁工程施工中需要考虑的重要因素之一。根据2023年湖南省长沙市气象资料显示，近年来长沙市区夏季平均气温为23 ℃，最高温度为40 ℃；冬季平均温度为12 ℃，最低温度为-5 ℃。鉴于本桥模型的基准温度是20 ℃，取整体升降温20 ℃和整体升降温10 ℃进行对比分析。

梁段整体温差应力如图3所示。由图3可知，独塔混合梁斜拉桥在整体升温情况下，左侧混凝土梁段（单元号0～42）应力幅度变化平稳，而复杂的钢-混梁结合段（单元号43～44）使梁段的质量和刚度分布产生变化，对斜拉桥的应力和竖向位移造成了较大影响，此处拉应力为6.77 MPa，为主梁刚度的突变点；右侧钢箱梁梁段（单元号45～151）整体受压，此处应力呈平稳增长趋势，左侧混凝土梁段应力变化曲线较平缓，端部出现最大压应力，其值为1.96 MPa。整体降温作用下的梁段应力分布与整体升温作用呈反对称关系，王立峰等［15］在研究整体温差对混凝土梁段桥梁的应力和位移时也得出了类似的结论。因此，整体升降温作用下应力变化与温度变化呈正相关。

梁段整体温差位移变化如图4所示。由图4可知，整体升温作用导致左侧混凝土梁段出现竖直向上的位移，靠近主塔附近的位移在递增，竖直向上位移最大处在塔梁交界处附近，最大值为 1.15 cm；右侧钢箱梁因梁段与桥墩固接，纵向不能伸缩，在整体温差作用下梁段自身的温度效应占主导作用，而斜拉索索力变化对梁段竖向位移的影响较小，因此梁段出现下挠；整体降温作用下，梁段竖向位移变化较整体升温作用小，变化趋势亦与其呈负相关，位移峰值出现在钢-混结合段，其值为0.31 cm。

独塔混合梁斜拉桥在整体升降温20 ℃和整体升降温10 ℃作用下产生的索力变化如图5所示。由图5可知，整体升温引起的索力变化幅度较整体降温大，索力变化趋势与之相反。南侧（斜拉索编号CM2000～CM2043）、北侧（斜拉索编号CS2044～CS2087）斜拉索索力变化一致，在整体升温作用下，左侧混凝土梁段至主塔位置，索力呈现先增大后减小的趋势，最靠主塔的内侧斜拉索CM2022，其索力下降了100.35 kN。钢箱梁段上的斜拉索，其索力变化呈现不断增大后趋于平缓。

3.2 索梁（塔）温差

梁段整体温差和索梁（塔）温差应力变化如图6所示。由图6可知，整体温差对梁段力学响应和斜拉索索力的影响较小，索梁（塔）温差、梯度温差对梁段内力线形和斜拉索索力有较大影响，且影响的规律有所不同［16］。该斜拉桥结构复杂，由斜拉索、钢箱梁、钢-混结合梁、混凝土梁和桥塔共同组成，由于钢材与混凝土的膨胀系数、比热容与热传导率的差异较大，斜拉索横截面尺寸远小于主梁的截面尺寸，而且截面形式相差巨大，相同的气温变化引起的构件温度变化不同，从而引起索梁温差出现。参考现行《公路斜拉桥设计规范》（JTG/T3365-01—2020）［17］，建立索与梁温差为±10 ℃、±5 ℃等4个工况对主梁内力和竖向位移变化进行分析，如图7和图8所示。

由图7和图8可知，左侧混凝土梁段（单元号0～42）应力和竖向位移幅度变化平稳；钢-混凝土结合段的受压部分未发生剧烈突变，说明剪力键和混凝土梁的结合紧密，钢梁内侧与混凝土外侧接触的部分黏结较好，相对滑移量较小；右侧钢箱梁段最大应力接近最大悬臂状态位置，其数值为9.04 MPa。梁段的竖向位移呈现往钢箱梁方向先增后减的趋势，竖向位移最大值为8.70 cm。索梁（塔）正温差作用下的钢箱梁和混凝土梁应力和竖向位移变化趋势与负温差作用相反。赵煜等［10］在研究中也得出此类结论。

斜拉索索梁（塔）温差索力变化如图9所示。由图9可知，在索梁（塔）温差下，接近主塔位置的内侧斜拉索索力受整体升降温影响较大。索塔在左右侧温差下向一侧倾斜，斜拉索锚固点随着索塔移动进而使索力发生变化，索塔一侧的拉索被拉长，索力增大，另一侧索力相应减少。右侧钢箱

梁段斜拉索成桥索力变化较左侧混凝土梁段斜拉索大，峰值出现在最大悬臂段，为163.21 kN。贴近主塔的位置变化大的拉索布置在结合梁段上，索力减小了161.39 kN，同时导致该混合梁段竖向位移挠度变大。南侧（斜拉索编号2000～2043）、北侧（斜拉索编号2044～2087）斜拉索索力变化基本一致。在索梁（塔）温差±10 ℃、±5 ℃作用下，斜拉索索力变化与温度变化相关。

3.3 梯度温差

该桥采用100 mm沥青混凝土铺装，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）［18］，升温时T1=14 ℃、T2=5.5 ℃、A=300 mm，降温时T1=-7 ℃、T2=-2.75 ℃、A=300 mm。考虑梁段的梯度温度，建立了梯度升温、梯度降温两个工况进行对比分析。

梁段梯度温差应力和位移变化如图10和图11所示。由图10和图11可知，在梯度正负温差作用下梁段都会产生压应力和压应力，左侧混凝土梁段梯度升温时均为拉应力，且波动范围较小。主塔附近的钢-混结合段的应力急剧升高，顶峰值为3.95 MPa的拉应力，右侧的钢箱梁段应力呈现缓慢下降状态。分析图11可知，梯度升降温对梁段竖向位移的影响呈对称关系，波动曲线呈周期变化，左侧

混凝土梁段产生竖直向上的最大挠度，其数值为0.39 cm。在钢-混结合梁段至钢箱梁梁段，竖直向下最大挠度为0.49 cm。因此，梯度升温的力学响应变化与负温差作用相反，其影响较为显著。

斜拉索梯度温差索力变化如图12所示，梁段梯度温差应力变化如图13所示。由图12可知，在正温差作用下拉索索力变化为正，南侧与北侧斜拉索索力变化基本一致，在梯度升温影响下拉索索力变化分别在左侧混凝土跨中和混合两段附近出现峰值，分别为21.24 kN、60.46 kN，在反温差作用下，斜拉索索力变化数值约为正温度梯度下的一半。蒲黔辉等［19］在以清溪口渠江特大桥主桥为背景的梯度温差研究中也得出了类似结论。

4 结论

本文研究了温度效应对独塔混合梁斜拉桥的力学效应，按照整体温差、索梁（塔）温差和梯度温差等3个工况，模拟Midas Civil模型不同类型的温度荷载，从而得到不同温度荷载下的应力、竖向位移和索力变化曲线，分析得出以下结论。

①整体升降温对梁段应力、竖向位移的影响较小，对斜拉索索力变化的影响较大，其索力变化峰值为100.35 kN；钢箱梁、钢-混结合段和混凝土梁段应力变化趋势因正负温差呈反对称关系，整体升降温作用下的应力变化与温度变化呈正相关。

②索梁（塔）温差对桥梁受力以及变形的影响较整体升降温大，在索梁（塔）温差±10 ℃工况下，钢箱梁梁段上的竖向挠度变化达到8.70 cm。因此，在结构设计和施工过程中应考虑温度梯度的作用。

③梯度温差对梁段应力、竖向位移和斜拉索索力的影响较小，但钢-混结合梁梁段改变梁段的质量和刚度分布，并对斜拉桥的应力和竖向位移造成一定的影响。因此，该类型桥梁结构在设计时应充分考虑其温度作用的影响。

参考文献：

［1］周浩，易岳林，叶仲韬，等.大跨度结合梁斜拉桥温度场及温度效应分析［J］.桥梁建设，2020，50（5）：50-55.

［2］杨懋，缪长青，王旭东.斜弯独塔混合梁斜拉桥参数敏感性分析［J］.科学技术与工程，2022，22（28）：12642-12650.

［3］武芳文，赵雷.独塔混凝土斜拉桥施工阶段温度效应仿真分析［J］.铁道建筑，2009（11）：11-14.

［4］张永健，刘旭政，饶文真.双肢人字形独塔斜拉桥整体温度效应影响研究［J］.公路，2017，62（2）：65-70.

［5］蒋益，吴欣.独塔混凝土斜拉桥索塔温度梯度效应分析和研究［J］.四川建筑，2008，28（5）：119，122.

［6］李小年，陈艾荣，马如进.温度对桥梁模态参数的影响［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2012，40（4）：138-143.

［7］吴凤民.独塔斜拉桥施工控制中的参数敏感性分析［J］.湖南交通科技，2021，47（3）：114-117.

［8］肖勇刚，刘智.温度效应对独塔钢混梁斜拉桥的静力特性影响［J］.公路与汽运，2009（2）：134-135.

wt/EisDsF1CeiJ90T6uMeKvBvePdtRS5OWoYNO8FZ4M=

［9］陈伟，赵青，汪钰.辅助墩在温度荷载下对独塔斜拉桥的影响［J］.湖南文理学院学报（自然科学版），2022，34（2）：78-81，87.

［10］赵煜，张亚军，周勇军，等.地锚式万向铰独斜塔斜拉桥温度效应分析［J］. 桥梁建设，2021，51（2）：54-61.

［11］陈自能.非对称斜拉桥温度效应对索力影响分析［J］.城市道桥与防洪，2017（6）：87-91，154，14.

［12］龙志林，李龙，涂光亚，等.大跨度预应力混凝土斜拉桥温度效应研究［J］.中外公路，2014，34（4）：132-135.

［13］李宏江.用于结构状态判别的PC斜拉桥温度效应［J］.土木建筑与环境工程，2009，31（5）：81-85，105.

［14］苗昌安.某斜拉桥成桥状态温度影响分析［J］. 山西建筑，2013，39（23）：171，256.

［15］王立峰，王子强，刘龙.大跨度矮塔斜拉桥温度效应分析［J］.中外公路，2013，33（5）：123-126.

［16］李海岗，熊起，陈远久，等.温度效应对含有叠合梁段混合梁斜拉桥主梁受力行为的影响［J］.中外公路，2018，38（2）：123-128.

［17］中华人民共和国交通运输部.公路斜拉桥设计规范：JTG/T 3365-01—2020［S］. 北京：人民交通出版社，2020.

［18］中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015［S］. 北京：人民交通出版社，2015.

［19］蒲黔辉，熊赳，王文东.高低塔斜拉桥施工阶段温度效应分析［J］.桥梁建设，2018，48（5）：21-26.