非對稱斜拉橋溫度效應對索力影響分析

陳自能

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

非對稱斜拉橋溫度效應對索力影響分析

陳自能

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

以延安市吳起縣某斜拉橋為工程背景，建立空間桿系有限元模型，分析了該橋在整體升降溫、梯度溫度及索梁溫差的影響下斜拉索索力的變化規律。結果表明，該橋溫度效應對索力影響顯著，且不同位置拉索對溫度效應的敏感度不同。該結果可對本橋設計階段調索、施工階段監控及使用階段的橋梁健康檢測及維護提供參考，并可為類似的斜拉橋工程提供借鑒。

非對稱斜拉橋；溫度梯度；索梁溫差；整體升降溫；索力

0 引言

斜拉橋為多點彈性支撐體系，在整體升降溫作用下，橋梁結構發生均勻的軸向變形，因拉索與混凝土的線膨脹系數不同，斜拉索的索力將發生變化；在日照溫差作用下，因主梁截面上下緣纖維伸縮不同而引起結構的彎曲變形進而使索力發生變化；索塔在日照下左右側面溫差致使索塔發生側向位移進而使索力發生變化；斜拉索的熱傳導率遠大于混凝土，拉索和主梁（索塔）之間的溫差也會導致索力的變化。目前的研究多見于施工控制階段溫度效應的影響，為了研究設計階段各工況下結構在溫度場作用下拉索索力的變化特征，為設計中拉索選型、合理成橋索力設定及調索提供依據，對各工況下溫度效應對索力影響進行定量分析。

1 總體布置及模型建立

1.1 工程概況

該橋為雙塔雙索面斜拉橋，塔梁墩固結，設計荷載為公路-Ⅰ級，雙向四車道，孔跨布置30 m+ 78 m+35 m。斜拉橋主跨采用雙邊肋截面，梁高為1.6 m；邊跨標準截面為單箱四室截面，梁高為1.6～2.5 m。主塔采用鋼筋混凝土結構，橋面以上高31.768 m。橋墩采用承臺配鉆孔灌注樁，橋臺采用薄壁式輕型橋臺；基礎采用鉆孔灌注樁。該橋橫向布置為2.15 m（人行道）+1.6 m（拉索區）+0.5 m（護欄）+16 m（行車道）+0.5 m（護欄）+1.6 m（拉索區）+2.15 m（人行道）=24.5 m，橋梁總體布置圖、橋梁橫斷面、橋塔斷面分別如圖1～圖3所示。

1.2 拉索布置

該橋左幅右幅各設置一個橋塔，主跨設置9對拉索，邊跨側設置8對拉索。拉索采用環氧涂層鋼絲拉索體系成品索拉索扇形布置，主跨索距5 m，邊跨索距2.5 m，斜拉索在塔上對稱錨固，設計采用梁上張拉。因橋梁左幅右幅對稱，為研究方便，只對單幅的拉索進行研究。拉索布置圖如圖4所示，拉索具體長度及傾角見表1。

1.3 模型概況

采用M id a s C i v i l V2015軟件建立空間梁格模型，主梁及橋塔采用梁單元，斜拉索采用桁架單元。材料參數按規范取值，混凝土彈性模量34.5 G P a，泊松比0.2，線膨脹系數1×10-5，重度26 k N/m3；斜拉索彈性模量205 G P a，泊松比0.3，線膨脹系數1.2×10-5，重度78.5 k N/m3，考慮非線性使用E r ns t公式對拉索彈模進行修正；預應力鋼絞線彈性模量195 G P a，泊松比0.3，線膨脹系數1.2×10-5，重度78.5 k N/m3。計算模型如圖5所示。

邊界條件：斜拉索與索塔、主梁之間的連接采用剛性連接。橋臺以及連續梁墩處按實際支座位置設置節點豎向支承，塔下橋墩處根據下部承臺樁基計算出口剛度采用節點彈性支承，墩頂和主梁固結。

2 單一溫度工況對索力影響分析

2.1 溫度工況介紹

根據橋梁所處地理位置并參考橋梁設計規范，將分別按升溫29℃、降溫25℃兩個工況研究整體升降溫對斜拉索索力的影響。主梁在梯度溫度下將產生豎向彎曲，彎曲產生的撓度將會使斜拉索伸長或縮短從而影響索力。本橋采用10 c m瀝青混凝土鋪裝，由設計規范，升溫時T1=14℃，T2=5.5℃，A=300 mm，降溫時T1=-7℃，T2=-2.75℃，A=300 mm。考慮主梁的梯度溫度，建立了梯度升溫、梯度降溫兩個工況。索塔在日照下，直接受日照的一側溫度將高于另一側，由《公路斜拉橋設計細則》（J T G/T D65-01—2007），索塔左右側面溫差采用±5℃。考慮索塔左右側面溫差，建立索塔左側升溫5℃、右側升溫5℃兩個工況。斜拉索材質為鋼材，熱傳導率遠遠大于混凝土，雖然有P E外套，其溫度變化仍然比混凝土主梁、索塔大。按設計規范，斜拉索與混凝土主梁、索塔間的溫差取為±15℃。考慮斜拉索與混凝土主梁、索塔間的溫差建立斜拉索升溫、斜拉索降溫兩個工況。該橋所考慮的溫度分項工況見表2。

圖1 斜拉橋總體布置

圖2 斜拉橋主梁橫斷面圖

圖3 橋塔斷面圖

圖4 拉索布置圖

表1 拉索長度及傾角

圖5 全橋空間梁格模型

表2 溫度分項工況匯總表

2.2 整體升降溫下拉索索力

工況1（整體升溫29℃）下拉索索力變化如圖6所示，工況2（整體降溫25℃）下拉索索力變化與整體升溫類似，只是索力變化為正值，可參考圖6。

圖6 工況1索力變化

為研究在整體升溫下拉索索力變化與溫度的關系，引入整體升降溫索力影響系數ζ1，其概念是：

按整體升溫、整體降溫兩個工況，分別計算整體升溫影響系數ζ1'、整體降溫影響系數ζ1''。各拉索整體升溫影響系數ζ1'比較如圖7所示。ζ1''的分布與ζ1'類似，可參照圖7。

從圖中可以看出，內側拉索索力受整體升降溫影響較大。本橋主梁與索塔固結，斜拉索的伸長量或縮短量除了受自身溫度影響伸長或縮短外還受節點兩側主梁與索塔的相對位置變化影響，內側拉索兩端節點離塔梁固結點較近，其相對位置變化較小；外側拉索兩端節點相對位置變化較大抵消了拉索的部分溫度變形。

2.3 主梁梯度溫度下索力變化

工況3（主梁梯度升溫）下拉索索力變化如圖8所示，工況4（主梁梯度降溫）下拉索索力變化與梯度升溫類似，但符號相反，可參照圖8。

圖7 工況1索力影響系數ζ1′

圖8 工況3（主梁梯度升溫）索力變化

為研究主梁梯度溫度下拉索索力變化與溫度關系，引入梯度溫度索力影響系數ζ2(單位：k N/℃)，其概念是：

分別計算梯度升溫影響系數ζ2'、梯度降溫影響系數ζ2'',ζ2取兩者絕對值的平均值。影響系數ζ2如圖9所示。

圖9 主梁梯度溫度索力影響系數ζ2

從圖中可以看出，主梁梯度溫度變化對中跨跨中的拉索影響較大，在梯度溫度作用下，主梁頂面與底面的纖維伸長不一致，主梁會產生彎曲變形，在梯度升溫或梯度降溫影響下，主梁中跨跨中的撓度變化最大因而其對索力的影響也最大。

2.4 索塔左右側溫差下索力變化

工況5（索塔左側升溫5℃）下拉索索力變化如圖10所示，工況6（索塔右側升溫5℃）下拉索索力變化值與工況5大小相同，符號相反，可參照圖10。

圖10 工況5索力變化圖

為研究在索塔左右側溫差作用下索力變化與溫度關系，引入索塔左右側溫差對索力影響系數ζ3，其概念是：

分別計算左側升溫影響系數ζ3'、右側升溫影響系數ζ3'',ζ3取兩者絕對值的平均值。影響系數ζ3如圖11所示。

圖11 索塔左右溫差對索力影響系數ζ3

從圖中可以看出，在索塔左右側溫差影響下，遠離橋塔的拉索索力值變化較大。索塔在左右側溫差下向一側彎曲，拉索錨固點隨著索塔移動進而使索力發生變化。索塔升溫一側的拉索被拉長，索力增大，另一側索力相應減少。因塔梁墩固結，索塔的自由端（頂端）在溫差下產生的水平位移最大，最外側拉索的塔上錨固點位移變化最大，故最外側拉索索力變化值最大。

2.5 拉索與主梁、索塔溫差下索力變化

工況7（拉索相對主梁、索塔升溫15℃）下索力變化如圖12所示，工況8（拉索相對主梁、索塔降溫15℃）下拉索索力變化與工況7大小相同，符號相反，未列出。

圖12 工況7索力變化圖

為研究在索梁（塔）溫差作用下索力變化與溫度的關系，引入索梁（塔）溫差影響系數ζ4，其概念是：

分別計算拉索升溫影響系數ζ4'、拉索降溫影響系數ζ4'',ζ4取兩者絕對值的平均值。各拉索影響系數ζ4如圖13所示。

圖13 索梁（塔）溫差下影響系數ζ4

從圖中可以看出，中跨橋塔附近的拉索索力受索梁溫差的影響較小，邊跨拉索受索梁溫差影響較大。索力變化值與拉索本身長度、斜度有關系。斜度相同的情況下，索越短，索力受索梁溫差影響越小。

3 組合工況對索力影響分析

3.1 各單一溫度工況對索力影響大小比較

為從總體上把握各單一溫度工況對索力影響大小及其量值，將各單一溫度工況下索力變化值ΔF占恒載索力值的比重列于表3。整體升降溫取工況1為代表，主梁梯度溫度取工況3為代表，索塔左右側溫差取工況5為代表，索梁溫差取工況7為代表。

從此表可以看出，索梁溫差對索力的影響最大，其他三項溫度工況對索力的影響程度因拉索的位置、長度等不同而有差異。

表3 各工況ΔF占恒載索力值比重%

3.2 組合下溫度效應對索力影響分析

將溫度效應與恒載、汽車活載、人群活載、橫向風荷載、支座沉降參照《公路橋涵設計通用規范》（J T G D60—2015）分別按短期效應組合、長期效應組合進行計算（溫度梯度組合值系數φ=0.8，其他溫度效應組合值系數φ=1.0），求出各組合下索力最大、最小值，并求出溫度總效應在組合值中的比重。短期、長期效應組合下索力值及組合中的總溫度效應索力值見表4，溫度效應所占比重如圖14所示。短期效應組合與長期效應組合類似，故圖14僅列出長期組合中的溫度效應比重。

從圖14可以看出，中跨拉索S Z6、S Z1及邊跨外側拉索溫度效應所占比重較大，最大的是S B8（占7.1%）。溫度效應組合占比最小的是S Z8、S B2（占4.5%）。

4 結語

采用空間梁格模型對拉索進行溫度效應分析可以得出如下結論：

（1）單一溫度工況下，索梁（塔）溫差對索力影響最大，整體升降溫次之。

（2）單一溫度工況對索力影響值最大占到恒載索力值的4.5%；短期效應組合下，溫度總效應占組合效應最大為7.0%；長期效應組合下，溫度總效應占組合效應最大為7.1%，溫度效應對索力影響不可忽視。

表4 短期、長期組合下索力值kN

圖14 長期效應組合中溫度效應占比

（3）不同位置拉索對溫度效應的敏感度不同。在整體升降溫影響下，索塔附近拉索索力值變化較大；在主梁梯度溫度影響下，主跨跨中拉索索力變化最大；在索塔左右側溫差影響下，邊跨外側拉索的索力值變化最大；在索梁溫差影響下，邊跨拉索及中跨遠離橋塔側拉索索力變化較大。

（4）溫度效應對斜拉橋索力會產生明顯影響，成橋索力設定時應考慮不同部位拉索對溫度效應不同的敏感性。

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U448.27

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1009-7716（2017）06-0087-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.025

2017-03-06

陳自能（1985-），男，云南曲靖人，工程師，從事橋梁設計工作。