斜拉橋溫度問題研究綜述

陽珊清

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶400041)

橋梁結構處于自然環境中，受到太陽輻射以及季節性因數會使得結構中各個部分的溫度發生變化[1]。斜拉橋為多次超靜定結構，大多數斜拉橋的跨徑范圍一般在300m～1000m 范圍，在溫度作用下，引起橋梁結構的縱向以及豎向變形，并產生溫度應力，影響橋梁的耐久性。隨著跨徑不同，斜拉橋的主梁形式分為混凝土箱梁、鋼箱梁、鋼桁梁、π 型梁等形式，不同形式的主梁剛度不一樣，材料特性不一樣，溫度作用效應也有所不同[2]。當前斜拉橋的修建數量越來越多，斜拉橋在溫度作用下的響應也越來越多的受到國內外學者的重視，從溫度場的測試，再到溫度作用下的就夠響應。因此，總結現有斜拉橋溫度作用的研究現狀和面臨的主要問題，對未來斜拉橋溫度效應的研究具有重要的現實意義。

1 溫度場的分布特性

在太陽照射下，斜拉橋主梁內部的溫度場會隨著外界環境（日照、氣溫以及風等）的變化而發生變化，受太陽輻射以及氣溫周期性變化規律的影響，斜拉橋的溫度場在年和日兩個時間維度上呈現出有規律的周期性變化。現有結果表明：以日為周期的溫度時程曲線在采用正弦曲線進行擬合的時候可以得到結果，但是擬合的效果并不太理想。然而當利用傅里葉函數進行擬合的時候就更能精確的反映橋梁結構的溫度的日變化規律。由于現場實測時，風速、遮擋等不利因素的影響，測點溫度的真實值在擬合曲線的附近離散。

由于測點溫度的變化并不及時，在相同時刻，斜拉橋在整個空間中的溫度分布不均勻。斜拉橋跨度一般較大，沿縱向可以看作是細長構件，現有學者[3]已通過大量的實測表明沿橋梁縱向溫度的分布模式可假定是均勻的，而不均勻的溫度分布則主要是反映在橋梁的截面橫向和豎直的兩個方向。橋梁結構溫度分布受日照和氣溫的影響顯著。對于混凝土箱梁來說，當頂板或腹板在受到太陽的照射時，由于熱量在混凝土中傳遞的滯后性，沿主梁的豎向及橫向的溫度分布顯著不均勻。對于鋼- 混凝土組合梁的斜拉橋，兩種材料的導熱性能差異非常的大，在鋼- 混凝土的交界局部位置，溫度分布的不均勻程度更加的顯著。對于混凝土的主梁的斜拉橋來說，箱梁的內表面長期陰暗，不能吸收陽光，板厚方向就會形成外高內低的溫度分布模式，此溫度一般采用線性函數進行溫度擬合，而鋼梁由于其板件較薄，而且鋼材的導熱性能良好，故不考慮板厚方向的溫差。

2 斜拉橋的溫度作用

斜拉橋是拉索、主梁以及主塔組成的復雜的超靜定結構體系，分度分布情況十分的復雜，結構的溫度分布呈非線性特征，采用實際的溫度場進行分計算十分復雜不便。在自然環境的條件變化下而產生的溫度作用，一般可將其分為體系溫差、索與塔梁溫差、主梁溫度梯度三個方面考慮。

2.1 體系溫差

體系溫差主要受橋梁結構所在地區的氣候條件、構筑物材料等的影響，根據不同地區的年最高溫度以及年最低溫度來確定結構的體系溫差。中國規范中根據當地氣溫、上部結構的形式、施工條件三個方式共同確定體系溫差取值。

2.2 索與塔梁溫差

拉索與主梁之間的溫度差，主要是由于太陽照射下，拉索的材料不同、截面大小不同，導致拉索與主梁之間溫度傳遞快慢不同，從而形成溫度差。拉索一般為鋼材，主梁的材質為混凝土活鋼材，再綜合當地氣候條件以綜合確定索與塔梁溫差的取值。

2.3 溫度梯度

主梁溫度梯度是在太陽照射下，陽面與陰面受熱不同，在梁截面的各個位置溫度表現不同，梁截面溫度梯度模式在各國規范中的規定有很大的不同。當梁截面為混凝土箱梁時，溫度梯度是非線性的，當主梁截面為結合梁時，近似的認為混凝土板的溫度均勻變化，式結合梁的混凝土與鋼梁之間形成溫度差。

3 溫度作用效應分析

卜一之[4]等人主要研究了溫度場對斜拉橋施工過程力學行為的影響，主要研究了溫度對主梁位移的變化、主塔位移變化、斜拉索的索力變化等的影響。結果表明溫度變化對索力的影響較小，在施工階段中，隨著主梁的伸長，溫度效應使得結構的位移逐漸增大。

鄧舒文[5]等人研究了大跨度鋼桁梁斜拉橋的溫度作用，研究表明：在隨時間變化的溫度載荷作用下，大跨度的鋼桁梁斜拉橋將產生十分嚴重濕度效應。在使用期間也易于引起比較強烈的非線性熱效應，從而導致非常嚴重的應力集中和變形，削弱斜拉橋的橋梁的使用功能，不能滿足其適宜性和耐久性。

李洪學[6]等人研究了鐵路預應力混凝土部分斜拉橋的溫度效應，通過建立梁單元模型，分析結構在溫度作用下的應力、位移分布規律以及對索力變化大的影響。

季德鈞[7]等人對比了鋼- 混凝土疊合梁斜拉橋主梁在不同溫度場作用下的溫度效應，并詳細的分析了該類型的斜拉橋在索梁溫差、主塔順橋向溫差等作用下的結構響應。

葉浪[8]等人研究了大跨度高低塔斜拉橋的溫度效應。對比分析了在施工階段和成橋后，高低塔斜拉橋在日照溫差、溫度梯度以及索梁溫差作用下斜拉橋最不利截面的應力大小以及不同索力的變化情況。

李海崗[9]等人以一雙塔混合梁斜拉橋為背景，建立梁單元有限元模型，分析成橋階段下各種溫度作用對含結合梁的斜拉橋受力行為的影響。疊合梁中混凝土面板會產生較大的拉應力。

對于斜拉橋而言，溫度作用效應十分的復雜，現階段各個研究學者在針對不同的斜拉橋橋型進行計算分析。各學者的研究都是在各項溫度作用下，主梁的力學行為、主塔的力學行為以及斜拉索的索力變化上面。由于斜拉橋系統龐大，受限于計算機的計算能力，目前的主要用梁單元建模進行整體性分析，很少有建實體單元進行全仿真分析。但是，采用梁單元建立有限元模型對斜拉橋進行溫度效應分析已經足夠保證結構的安全。斜拉橋在溫度作用下的響應是十分復雜的，要想完全進行數值模擬還有大量工作要做。

4 結論及今后的研究方向

4.1 斜拉橋溫度問題現階段主要集中在利用規范的溫度作用模式對不同斜拉橋結構進行安全性數值分析，對斜拉橋整體溫度場的研究較少。

4.2 斜拉橋的溫度問題與橋梁所在的區域以及斜拉橋的結構形式密切相關，而斜拉橋在我國分布廣泛，應進行更多的實橋溫度場的測試分析，豐富斜拉橋溫度問題研究實測數據，為理論分析提供基礎。

4.3 目前對斜拉橋的溫度分析主要集中在梁單元有限元模型的分析，而斜拉橋的溫度場十分的復雜，提出更加準確的溫度模式，進行實體分析，剖析斜拉橋溫度作用機理是很有必要的。