某自錨式懸索橋溫度場監控分析

唐飚

長沙市規劃設計院有限責任公司 湖南 長沙 410000

前言

懸索橋的幾何形狀受溫度影響較大，因此施工過程及成橋中需重點考慮溫度場的影響，往往將溫度場作為一個敏感因素考慮到施工過程及成橋狀態中，進而進行相應的修正。索塔在整個主纜架設及加勁梁吊裝階段均要受到外界日照、雨水等引起的溫差作用，從而產生溫差變形，因而對塔的軸線線形、塔頂高程均是有影響的，需要進行及時的修正[1,2]，使整個成橋過程最大限度地與設計內力、線性相近。塔頂偏位隨著日照角度的變化而變化，本文依托某懸索橋施工項目主要進行索塔溫度變化的溫度場規律性研究，方便進行主纜施工線性的計算[3,4]。

1 工程概況及溫度偏位監測

1.1 工程概況

某獨塔雙索面自錨式混凝土懸索橋橋梁主跨為70m，邊跨為25m，主纜中心距32m，吊索沿順橋向間距4m。索塔采用歐式塔形，塔結構總高34米，橋面以上塔結構高24.5米。橋梁橫斷面寬43米，上部加勁梁采用雙邊肋縱梁與吊桿間橫梁相交的框架體系，縱梁高度采用2.3米，橫梁高度采用2米。下部結構主塔基礎采用φ150cm的群樁，主跨橋臺采用鉆孔灌注樁，小邊跨橋臺采用半整體式重力橋臺。

1.2 裸塔狀態下的溫度監測

本自錨式懸索橋沿主跨到邊跨處于東西方向，上午日照下，東側塔溫度高于西側，引起東側混凝土膨脹，西側混凝土收縮，從而產生溫度作用偏位。主要進行索塔溫度變化的規律性研究。

（1）監測點設置。縱向從主跨到邊跨方向，0#臺及1#臺處各設置一個基準觀察點S1、S2，在塔頂上設置一個觀測點S3。

（2）觀測儀器、觀測量。采用全站儀進行觀測，將全站儀架設在基準觀測點S1、S2上，多次測量S13、S23距離，S13、S23距離變化量則為塔受溫度變化引起的變形值。

1.3 ansys模型的建立

根據自錨式懸索橋的組成結構選擇ansys中模擬的單元，自錨式懸索橋主要由加勁梁、吊索、纜索、主塔等組成，對應可以選擇梁單元、殼單元、桿單元、實體單元進行模擬，其中，主塔及加勁梁采用BEAM4單元、主纜、吊桿、支撐結構采用LINK10單元。其分析簡圖如下圖2所示。

2 溫場下的分析模型建立

索塔截面溫度場是多維方向決定的，求解較為復雜。同時溫度受環境影響，而且混凝土材料傳遞溫度具有滯后性，外表溫度升溫較快，內部則較慢，傳溫的滯后性也決定了混凝土內部溫度降幅較小。本文采用有限元程序進行溫度場模擬計算，具體步驟包括以下內容：

①建立主塔截面模型、劃分主塔單元；②進行模型初始狀態的設置。將計算時測得的混凝土測點溫度作為溫度荷載施加到節點上，穩態求解，從而確定溫度變化下的初始狀態模型；③對模型施加邊界條件。獲得現場溫度隨時間變化的關系，將其變化關系下的溫度變化荷載施加到混凝土表面；④設定求解荷載步，實行有限元分析中的瞬態溫度場分析；⑤進行結果的后處理，提取不同荷載步下的結果。

3 溫度場的實例分析

分析中采用實測溫度值進行有限元分析中等效溫度荷載的設定，得出主塔截面中心區域內溫度變化規律、沿主塔高度方向的溫度梯度分布。

3.1 主塔溫度場計算

取自錨式懸索橋某截面進行截面溫度的24h測試，考慮到主塔截面為長方形，故而設置5個測點，即長方形中心點測點1、其余四邊中點為測點2、3、4、5。溫度測點布置圖見下圖3所示。測點1為中心測點，測點布置為建筑前已經布置好溫度應變傳感器，其余4個測點為表面測點，直接粘貼溫度傳感器。測試中，將傳感器通過導線引入到地面進行讀數，但長導線務必對測試數據產生一定的影響，為了消除長導線帶來的溫差影響，這里在現場測試中進行簡單的試驗，通過試驗獲得溫差變化與長導線間的關系，從而在后期數據處理中消除長導線的影響。

獲得以上截面測點溫度后，可以采用有限元分析程序進行不同時刻主塔截面不同位置溫度場的分布計算，求解中以文獻[5]中的混凝土材料熱工系數為基礎材料數據，以回歸實測表面溫度的時間-溫度函數關系作為溫度荷載，施加到有限元模型中。

3.2 主塔中心截面溫度分析

采用有限元分析軟件進行截面中心溫度計算，計算結果與實測結果數據如下圖1所示。

圖1 主塔截面中心溫度實測值與設計值結果

由上圖1可知，采用有限元分析獲得的主塔截面中心溫度與實測中心溫度偏差較小，最大相對誤差僅為0.142，基本滿足了施工測試要求。可見，本文采用的有限元分析程序較為合理。

實測中心溫度與有限元分析溫度中，最大溫度出現在晚上8點左右，0～6點左右逐漸降低，6～20點逐漸增大。而一天中最高大氣氣溫出現在14點左右，因而混凝土材料在吸收熱量后傳遞較慢，具有傳遞溫度的滯后性。

3.3 主塔截面最不利溫度梯度分析

實際工程中往往需要獲得控制截面的溫度梯度的分布情況，前面已經驗證了有限元分析程序的可行性，故可以采用有限元進行截面最不利溫度梯度分析。大氣溫差一般在14點時最高，此時的溫度分布最不利，因此可以采用該時間點進行截面溫度梯度的計算。這里選取截面中心點為基準溫度，截面各點與中心溫度溫差計算結果見下表2所示。

圖2 主塔截面測點1-2及1-4溫差有限元計算結果圖

圖3不同截面測點3不同時間段溫度實測數據（℃）

3.4 主塔塔高方向最不利溫度梯度分析

這里選取各個截面測點2在不同時間段的溫度測試結果如下圖3所示。

由測試可知，測點2、測點3、測點4均在9點左右時，沿塔高方向不同截面的溫差最大，測點5在14點時沿塔高方向不同截面溫差最大。中心測點在8～12點沿塔高方向不同截面溫差最大。

4 結束語

本文主要結論如下：

（1）采用有限元分析獲得的主塔截面中心溫度與實測中心溫度偏差較小，最大相對誤差僅為0.142，基本滿足了施工測試要求。實測中心溫度與有限元分析溫度中，最大溫度出現在晚上8點左右，0～6點左右逐漸降低，6～20點逐漸增大。而一天中最高大氣氣溫出現在14點左右，因而混凝土材料在吸收熱量后傳遞較慢，具有傳遞溫度的滯后性。

（2）計算獲得了不同測試截面不同時間下的溫度場24h內的溫度變化數據，并采用數據非線性擬合得到了主塔截面中心溫度經驗公式、沿主塔高度方向最不利溫度梯度的經驗公式。

（3）邊測點與中心測點溫度差值越大，裸塔塔頂的偏位值越大。由夜間測點溫差較為穩定，在夜間進行索塔放樣來確定跨徑較好。在實際監控中應對截面溫度進行實測，采用以上分析方法綜合確定塔頂的偏位值大小。