铁路独塔斜拉桥结构温度效应分析

摘 要：为研究大跨铁路独塔斜拉桥温度作用对桥梁结构的影响，本文以广汕客专跨深汕西高速大桥为工程背景，开展主桥温度效应的现场监测试验研究。结果表明：主梁外侧腹板位置温度变化明显，受太阳照射影响日温差达到18.13℃，且主梁温度传递具有滞后性；结构应变及支座位移与结构温度相关性较强，主梁应变最小为14.65 με，最大为63.04με，支座位移最大为11.24 mm，最小为4.43 mm；设计温度荷载包络情况下，主梁跨中截面钢梁上缘最大应力为18.4MPa，最小应力为-26.7 MPa，主梁纵向最大伸缩为39.1 mm，现场实测值远小于设计计算值，主桥运营期状态指标在安全范围内，分析结果可供类似大跨铁路桥梁设计和标准化施工提供参考。

关键词：大跨铁路，斜拉桥，温度效应，试验研究

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.22.037

0 引 言

温度对长大跨桥梁影响十分显著，有时甚至超过日常运营荷载作用，成为控制因素，引起长大跨桥梁主梁及桥塔产生变形，日照温度的周期作用引起长大跨桥梁周期性位移变化，非均匀温度在箱梁中将产生温度自应力及温度次应力。

国内学者针对温度对桥梁影响开展了大量研究。刘泽佳等[1]通过对珠江黄埔大桥北汊桥斜拉桥运营阶段监测数据分析，得到了温度与应变之间的正相关性；刘文硕等[2]基于某大桥长期现场实测数据，通过时间序列分析、傅里叶曲线拟合等方法对桥梁结构温度荷载模式进行研究；周云等[3]提出了一种基于气象站大数据信息的大跨度桥梁结构温度场预测方法，实现了轻量化和可持续性的桥梁温度场及温度变形计算；闫斌等[4]基于有限元软件，建立温度场热力学分析模型，研究非线性温度的分布规律，并用实测数据进行验证；但针对铁路独塔斜拉桥结构温度效应研究甚少[5-7]。本文依托跨深汕西高速大桥主桥，通过现场实测数据采集，研究主梁在日温度变化下，结构应变与支座位移情况。

1 桥梁监测系统概况

跨深汕西高速大桥主桥结构采用（32+160+32） m拱承斜拉桥，主桥长225.5 m（含两侧梁端至支座中心线各0.75 m），含梁缝全长225.85 m。主梁采用钢-混组合结构，由钢箱梁和桥面板两部分组成，拱塔采用钢结构，拱轴线线型采用三次抛物线相交而成。

本桥温度测点方案参照规程Q/CR 9576—2023《大跨度铁路桥梁与轨道健康监测系统技术规程》相关要求，结构温度采用电阻式温度传感器，电阻式温度传感器由不锈钢外壳、半导体热敏电阻和专用电缆组成，通过实时监测大桥主要构件的温度等数据，为分析结构的受力和变形、分析结构状态参数的相关性提供依据。监测方案图如图1所示。

2 桥梁监测数据特征分析

采用桥梁监测系统自动进行监测，并储存监测数据。调用的监测数据时间从2023年9月26日0时起，至2023年9月28日0时止，为期两天，监测期间温度场数据具有较高完整性。

2.1 温度分布规律分析

11-WD01～11-WD04为主梁左箱室测点，对其进行温度规律分析，如图2所示，温度变化最大的测点为主梁外侧腹板11-WD01，其最高温度值于9月26日/27日16：00分别达到46.71℃、47.69℃，日温差分别为17.63℃、18.13℃；变化幅度最小测点为主梁顶板测点11-WD04，其最高温度值于9月26日/27日20：00分别达到37.18℃、38.17℃，日温差分别为3.00℃、3.66℃。由此可以得出在主梁左箱室内，温度传递具有滞后性，且外侧腹板直接受到太阳的照射，其变化幅度最大。

取主梁左右箱室顶板测点11-W D 0 4、11-WD08进行温度分析，如图3所示。

由图3可知，左右箱室顶板温度变化规律相同，且变化幅度也相近，每日达到最高温与最低温所处时刻相近，左侧箱室温度每时刻均高于右侧箱室温度，且箱室内温度峰值均高于环境温度峰值，由此可知主梁左箱室直接受到太阳照射温度作用明显。

2.2 结构温度效应分析

对左箱室外侧腹板测点应变进行温度变化相关性分析，图4可以看出，结构应变与温度变化的关系更为明显，在测点温度的最高时刻，应变最小，为14.65 με；在测点温度的最低时刻，应变最大，为63.04 με，每日应变差达到48.39 με。

对比分析左箱室顶板应变与温度关系，发现其变化规律与腹板相同，分别在测点温度的最高时刻，达到最小应变；测点温度的最低时刻，达到最大应变。选取13#断面测点进行结构支座位移分析，发现结构支座位移与结构温度正相关，在温度最高时刻，支座位移最大，为11.24 mm；在温度最低时刻，支座位移最小，为4.43 mm。

由图5可以看出左右支座位移变化趋势相同，但支座位移变化量不同，13-ZZWY01支座每日位移变化量达到5.37 mm，13-ZZWY02支座每日位移变化量达到9.94 mm。

3 有限元分析

采用Midas软件进行结构三维有限元分析，对跨深汕西拱承斜拉桥进行建模，考虑斜拉索的非线性影响，P6号桥塔处塔梁分离，P4号墩、P5号墩及P8号台处设竖向约束、纵向活动，P7号墩处设竖向、纵向固定约束。桩-土相互作用以柔度矩阵的形式等代考虑，桥梁空间模型如图6所示。

取设计温度荷载包络进行计算，将结果与实际进行对比，温度荷载包络情况下，主梁跨中截面钢梁上缘最大应力为18.4 MPa，最小应力为-26.7M Pa，钢梁下缘最大应力为16 .1 M Pa，最小应力为-16.1 MPa，温度荷载包络情况下，主梁跨中竖向位移最大下挠12.4 mm，纵向最大伸缩为39.1 mm。现场实测值远小于设计计算值，跨深汕西高速大桥结构运营期状态指标在安全范围内。

4 结 论

依托跨深汕西高速大桥工程，开展主桥温度效应研究，主要结论如下：

（1）主梁左箱室温度变化最大测点为主梁外侧腹板位置，最高温度值于16 ： 0 0 分别达到46.71℃、47.69℃，日温差分别为17.63℃、18.13℃；变化幅度最小测点为主梁顶板测点，最高温度值于20：00分别达到37.18℃、38.17℃，日温差分别为3.0 0℃、3.66℃，温度传递具有滞后性，且外侧腹板直接受到太阳的照射，其变化幅度最大。

（2）结构应变与温度变化关系明显，在测点温度最高时刻，应变最小为14.65 με；在测点温度的最低时刻，应变最大为63.04 με，日应变差达到48.39 με；结构支座位移与结构温度正相关，支座位移最大为11.24 mm；支座位移最小为4.43 mm。

（3）设计温度荷载包络情况下，主梁跨中截面钢梁上缘最大应力为18.4 MPa，最小应力为-26.7MPa，主梁跨中竖向位移最大下挠12.4 mm，纵向最大伸缩为39.1 mm，现场实测值远小于设计计算值，跨深汕西高速大桥结构运营期状态指标在安全范围内。

参考文献

[1]刘泽佳，陈溢涛，周立成，等.桥梁长期健康监测大数据温度与应变特征及关联性分析[J].科学技术与工程，2018，18（35）：72-79.

[2]刘文硕，吕方舟，戴公连，等.高速铁路大跨度斜拉桥钢箱梁温度模式分析[J].铁道科学与工程学报，2023，20（11）：4031-4040.

[3]周云，郑佳缘，郝官旺，等.基于气象大数据的大跨桥梁温度效应预测方法[J].湖南大学学报（自然科学版），2024，51（7）：164-176.

[4]闫斌，刘施，戴公连，等.我国典型地区无砟轨道非线性温度梯度及温度荷载模式[J].铁道学报，2016，38（8）：81-86.

[5]翟文强，陈敏，曹宝雅，等.独塔斜拉桥结构变形监测数据相关性模型[J].公路交通科技，2023，40（3）：84-95.

[6]程景扬.大跨径斜拉桥荷载试验的温度效应[J].广东公路交通，2021，47（4）：151-154+169.

[7]叶见曙，贾琳，钱培舒.混凝土箱梁温度分布观测与研究[J].东南大学学报（自然科学版），2002（5）：788-793.

作者简介

王海涵，硕士，高级工程师，研究方向为大跨桥梁智能建造与管理。

彭琦，硕士，高级工程师，研究方向为大跨桥梁智能建造与管理。

梁金宝，硕士，工程师，研究方向为大跨桥梁结构设计。

（责任编辑：刘宪银）

基金项目：本文受中国铁路广州局集团有限公司科技研究开发计划课题（项目编号：2022K055-Z）、中铁第四勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划课题（项目编号：KY2023014S）资助。