大跨徑斜拉橋荷載試驗的溫度效應

程景揚

(廣東省交通運輸建設工程質量檢測中心，廣州 510420)

0 引言

橋梁是公路和鐵路交通網中的關鍵組成部分，橋梁結構安全對于確保交通網的安全暢通具有重要意義[1]。公路橋梁荷載試驗是橋梁交工驗收檢測中不可或缺的一環，能直接反映結構承載能力及動力特性的重要指標。在外荷載作用下(如車輛荷載、風荷載等)橋梁結構產生的應力和應變，反映了橋梁結構的局部強度，是橋梁結構安全狀態驗證及評估的重要參數。

當某種結構的溫度變化時，它的各部分材料都將由于溫度的升高和降低而趨于膨脹或收縮。由于大部分橋梁為超靜定結構，這種膨脹或收縮受到約束，于是就產生了應力，即溫度應力[2]。

作為規范中針對荷載試驗最重要的參數之一，應力和應變對于橋梁結構的荷載試驗有著重要的意義。由于荷載試驗過程持續時間長(特大型橋梁荷載試驗通常大于6h)，測試斷面的應力和應變受溫度的影響較大，如何減少溫度對試驗結果的影響，是檢測行業比較關注的問題。本文針對橋梁結構荷載試驗過程中溫度應力對試驗結果的影響程度，進行分析研究。

1 溫度效應

1.1 作用機理

在自然環境下的混凝土結構，受到周圍環境如氣溫、風及陽光等影響，結構表面溫度有可能發生急速變化(上升或降低)。由于混凝土是一種導熱性較差的材料(一般為金屬的幾十分之一)，結構內部的溫度變化具有滯后性，結構內部與結構外部存在較大的溫度梯度。由于混凝土材料的熱脹冷縮，結構產生不均勻的變形。橋梁結構多數為超靜定結構，受到的變形大部分轉換成了溫度應力。在混凝土橋梁結構實際運營的情況下，溫度應力在某種工況條件下比車輛荷載作用下的應力還大，故在荷載試驗過程中，必須考慮溫度應力對荷載試驗結果的影響。

1.2 理論基礎

橋梁結構的溫度荷載因橋梁結構周圍氣象條件而產生，氣象條件隨時間的變化而變化，因此橋梁結構的溫度效應是一個時間的函數。加之橋梁結構為空間形態，幾何上是三維的，所以求解溫度荷載的函數解是不可能的。

橋梁結構內部及外部的某一點，在某個時刻的溫度可表示為：

Ti=f(x,y,z,t)

溫度不僅與坐標x、y、z有關，而且與時間有關。因此對于各向同性的結構材質，根據熱傳導理論，可導出三維非溫度導熱方程[3]。

式中：λ—導熱系數；

γ—容重；

c—比熱；

q—單位體積內放出的熱量。

相關文獻分析表明，橋梁結構的熱傳導可近似于一維熱傳導狀態，從工程實用角度考慮，該理論可大大簡化該問題的復雜性。

2 工程概況

河(源)惠(州)(東)莞高速公路龍川至紫金段是廣東省高速公路網規劃廣龍高速公路(S6)的重要組成部分，北接江西省寧都至定南高速公路，南接河惠莞高速公路紫金至東莞段，是東莞、惠州、河源通往江西的主要出省通道。

楓樹壩大橋為該高速公路的關鍵節點工程，主橋為主跨320m的雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋，跨徑布置為160m+320m+160m，全橋總長640m。主橋為整體式斷面，橋面寬28m，橫斷面布置為：0.5m防撞欄+3m緊急停車帶+2×3.75m車行道+0.75m路緣帶+4.5m中央分隔帶+0.75m路緣帶+2×3.75m車行道+3m緊急停車帶+0.5m防撞欄。橋型布置、主梁標準橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1 橋型布置(單位：m)

圖2 主梁標準橫斷面(單位：cm)

3 溫度試驗

由于塔梁結合處及塔柱應變在試驗荷載過程中應變變化幅值較小，受溫度影響較大，故僅對塔梁結合處負彎矩及塔柱斷面進行溫度試驗。

圖3 S3截面應變測點布置

圖4 主塔S4截面應變測點布置(單位：cm)

3.1 溫度效應理論計算結果

通過有限元模型，按設計考慮的溫度效應(溫差按整體升、降23℃考慮，索塔日照溫度為±5℃，斜拉索與混凝土主梁、索塔間的溫差為±10℃)取值計算分析，計算模型如圖6所示，計算結果見表3。由表3可知，未考慮組合的溫度效應在塔柱及主梁負彎矩區產生的最大拉應力為2.59MPa。

表3 修正前后負彎矩斷面應變數據

圖6 索塔斷面應變-溫度實測曲線

表1 溫度效應理論計算結果

圖5 計算模型

3.2 實測結果

索塔斷面溫度試驗于17:00至21:00之間進行，試驗開始時氣溫為20.3℃，結束時氣溫為18.4℃。

主梁負彎矩斷面溫度試驗于19:20至22:06之間進行，試驗開始時氣溫為16.6℃，結束時氣溫為14.7℃。溫度試驗結果見表4。

表4 索塔斷面應變-溫度實測數據

圖7 負彎矩斷面應變-溫度實測曲線

3.3 各測點應變值溫度修正

溫度影響修正計算公式[4]：

ΔSt=ΔS-Δt×Kt

式中：ΔSt—溫度修正后的測點加載測值變化量；

ΔS—溫度修正前的測點加載測值變化量；

Δt—相對于ΔS觀測時間段內的溫度變化量(℃)；

Kt—空載時溫度上升1℃時測點測值變化量。

根據S4截面溫度試驗結果，空載時溫度上升1℃，測點應變值減少9με，即Kt=-9με/℃。

根據S3截面溫度試驗結果，空載時溫度上升1℃，測點應變值減少10με，即Kt=-10με/℃。

4 試驗結果修正

索塔截面試驗于22:29至次日1:23之間進行。開始時塔內氣溫為14.5℃，結束時氣溫為14.2℃，試驗過程中溫度變化0.3℃；試驗開始時塔外氣溫為12.6℃，結束時氣溫為11.2℃，試驗過程中溫度變化1.4℃。

負彎矩截面試驗于20:05至22:09之間進行。試驗開始時箱內氣溫為15.5℃，結束時氣溫為15.2℃，試驗過程中溫度變化0.3℃；試驗開始時箱外氣溫為15.0℃，結束時氣溫為13.7℃，試驗過程中溫度變化1.3℃。

(續表2)

由表2可知，靜載試驗過程中，相對空載溫度的變化量為-0.8℃。根據溫度試驗結果，空載時溫度上升1℃，測點應變值減少9με， 即空載到卸載過程中，由于溫度的影響，應變變化為7.2με，約為受壓區實測平均值的14.9%和受拉區實測平均值的16.0%。

表2 修正前后塔柱斷面應變數據

由表3可知，靜載試驗過程中，相對空載溫度的變化量為-1.1℃。根據溫度試驗結果，空載時溫度上升1℃，測點應變值減少10με，即空載到卸載過程中，由于溫度的影響，應變變化為11με，約為箱外梁底實測平均值的30.1%。

5 結論

(1)通過建立midas模型，以設計給出的升降溫及溫度梯度為參數，得出了溫度荷載下各斷面的最大拉應力。

(2)基于河(源)惠(州)(東)莞高速公路龍川至紫金段楓樹壩大橋的溫度試驗結果，塔柱及負彎矩斷面空載時溫度上升1℃，測點應變值分別減少9με、10με。

(3)基于溫度試驗的結果，對靜載試驗測點的實測應變值進行了修正，塔柱及負彎矩斷面滿載時溫度較空載時溫度，溫度分別下降了0.8℃、1.1℃，修正值為-7.2με、-11.0με，約占測點滿載應變值的14.9%～30.1%。

(4)通過對溫度試驗結果及靜載試驗修正后結果分析可見，溫度試驗結果對橋梁結構及應變測量影響較大，對靜載試驗應變數據的可靠性及有效性起著重要的作用，在試驗前對結構進行空載狀態下的溫度試驗，是非常必要的。