大跨鐵路斜拉橋組合梁溫度標準化監測及作用規律研究

關鍵詞：大跨鐵路，組合梁，溫度作用，試驗研究

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.12.033

0 引言

溫度作用是大跨鐵路橋梁在設計和標準化施工過程中要考慮的主要因素，特別針對鋼混組合梁結構，由于混凝土與鋼結構熱膨脹系數不同，當大氣溫度及太陽輻射變化劇烈情況下，混凝土與鋼結構導熱變化差異引起鋼混組合梁截面產生局部自應力，導致組合梁剪力釘連接件處混凝土局部開裂，影響結構耐久性和安全性，因此針對大跨鐵路橋梁組合梁的溫度作用規律研究具有重要的工程意義和學術價值。

國內外學者針對橋梁溫度開展了大量的研究，廖聿宸等[1]通過對某大橋組合梁長期監測數據進行分析研究，采用高斯混合模型統計溫度分布概率，計算不同設計基準期下的正負溫差值；麥鑫浩[2]通過以某連續箱梁橋為研究對象，基于現場監測的實時溫度數據，建立了該橋結構溫度效應計算模型，分析了該橋最不利溫差作用下橋梁豎向應力分布規律；孟令強等[3]通過以某公鐵兩用鋼桁梁橋梁為工程背景，采用分段函數擬合主梁橫豎向溫度梯度模式，分析了均勻溫度和梯度溫度對橋梁線形及應力的影響。戴公連等[4]通過對泉州灣跨海鐵路橋建立了升降溫時程模型，利用熱流邊界等效方法，得到沿海地區高速鐵路組合梁的溫度分布模式；楊凌皓等[5]通過對長沙磁懸浮軌道梁進行溫度場及溫度效應分析，建立箱梁及橫梁整體三維模型，通過將現場實測數據作為輸入條件，得到磁浮軌道梁溫度作用規律及相關效應情況。綜上可知，已有的研究對象多局限于實際地理位置的工程開展研究，不同地理位置工程溫度作用模式有所差異，且針對大跨度鐵路斜拉橋雙邊箱組合梁結構溫度分布研究甚少[6]。依托新建滬蘇湖鐵路某大跨鐵路斜拉橋，通過現場實測數據采集，研究鋼混組合梁溫度作用規律，得到實測溫度作用模式下主橋結構響應情況，對類似大跨鐵路橋梁設計和標準化施工具有指導意義。

1 橋梁溫度監測系統概況

新建滬蘇湖鐵路某大跨鐵路斜拉橋主橋采用（40+60+260+60+40）m雙塔混合梁斜拉橋，鐵路等級為客運專線+客貨共線四線鐵路，主梁由混凝土箱梁、鋼混組合梁和結合段三部分組成，主橋立面位于-5.9‰的縱坡上，全橋長460 m（含單側梁縫全長460.42 m），主跨鋼混組合梁采用分離式雙邊箱鋼梁，橋面寬27.1 m，梁高3.8 m，鋼梁頂板包括邊、中板及橫隔板上翼緣，混凝土橋面板寬27.1 m，橋面板標準厚度為35 cm，橋面板分為預制板、縱向濕接縫以及橫向濕接縫。

本橋鋼混組合梁溫度測點方案參照規程Q/CR9576—2023《大跨度鐵路橋梁與軌道健康監測系統技術規程》相關要求[7]，監測斷面位置選取斜拉橋主梁跨中位置，采用PT100電阻式溫度傳感器，布設于橋面板后澆段、鋼梁橫隔板、豎腹板、底板，共計23個溫度傳感器，其中后澆段混凝土段溫度傳感器采用預埋形式，組合梁鋼結構采用表貼形式，且表面涂刷防水防曬隔熱膠，數據采集頻率為10 min一次。

考慮橋梁施工過程中現場接電及傳輸環境較為復雜，且現場為裸梁階段，軌道仍未鋪設，為便于研究鋼混組合梁溫度作用規律，采用短期監測、施工臨時供電方式對預埋溫度傳感器進行采集調試，監測數據時間從2023年10月13日12時起，至2023年10月15日16時止，為期兩天。溫度檢測方案圖如圖1所示。

2 橋梁溫度監測數據特征分析

2.1 豎向溫度分布規律

考慮到現場軌道及附屬結構暫未鋪設，為減弱風嘴等邊界對鋼混組合梁豎向溫度規律影響，選取對豎向有代表性的測點9-WD07～9-WD13進行溫度分析，如圖2所示，測點9-WD07～9-WD13溫度變化呈現出豎向梯度模式，各測點峰值隨時間變化有所滯后，溫度最大值為距離橋面板頂面較近9-WD07，于10月15日15：00溫度值達到26.48℃，同一時刻組合梁頂板溫度豎向向下先變小再變大，在鋼梁頂板位置處于最小值。

為便于直觀分析豎向溫度傳遞規律，選取10月14日17：00-10月15日17：00每2 h數據，如圖3所示，可以看出17：00-次日07：00溫度梯度逐漸變小，出現負溫度梯度現象，于07：00達到最小；7：00-15：00溫度梯度逐漸變大，出現正溫度梯度現象，于15： 00達到最大；豎向溫度距橋面板頂面400 mm范圍內熱傳導規律明顯，隨著鋼結構豎向高度變化，溫度梯度變化幅值較為均勻。

2.2 橫向溫度梯度分布規律

對于鋼混組合梁橫向溫度梯度，為減弱豎向溫度對其影響，選取受豎向溫度作用較小的組合梁鋼結構測點9-WD01/02/15/14/20/23/21/22進行橫向溫度梯度分析，鋼混組合梁橫向溫度梯度變化明顯，鋼風嘴位置溫度變化劇烈，考慮到橋梁為東西走向，受太陽直射影響，組合梁左側鋼風嘴溫度最大為52℃，最小為15.5℃，各測點峰值隨時間變化有所滯后，橫向溫度梯度于07：00達到最小，于13：00達到最大；受熱對流影響，組合梁右側鋼風嘴橫向溫度梯度變化較小，正負橫向溫度梯度在4℃左右，除鋼風嘴外，組合梁雙邊箱橫向溫度變化幅值均勻，如圖4所示。

3 溫度效應分析

根據組合梁豎向溫度分布規律可知，400 mm范圍內熱傳導規律明顯，測點9-W D 07～9-W D13峰值隨時間變化滯后明顯，各測點距頂板上緣距離分別為7 cm、17 cm、27 cm、42 cm、57 cm、7 2 c m、9 2 c m，與溫度變化最小測點9 -W D10作差，溫度梯度最大值分別為6 . 4 8℃、3 . 3℃、0.95℃、1.09℃、1.88℃、2.2℃，溫度梯度最小值分別為-2.9℃、-1.84℃、-0.37℃，采用指數形式對組合梁沿梁高方向溫度梯度進行擬合，正溫度梯度為y =11.77*exp（-8.292*x ），負溫度梯度為y =-5.073*exp（-7.457*x ），擬合相關系數分別為0.98與0.94，擬合效果好

采用空間桿系軟件對全橋結構進行建模分析，索塔、橋墩及主梁用空間梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬，塔底與承臺固接，群樁基礎采用等效承臺剛度模擬，空間模型如圖5所示。

將組合梁正負溫度梯度模式代入空間模型計算，結果如圖6所示，正溫度梯度作用下，組合梁跨中豎向上拱為4.76 mm，負梯度作用下跨中豎向下撓值為-2.1 mm，日溫度梯度作用下主梁豎向撓度變化范圍較小。

考慮到鋼混組合梁橋面板受溫度梯度作用影響較大，對其展開應力分析，正溫度梯度作用下，混凝土板上緣最大應力為-3. 5 M Pa，最小應力-2 .8 MPa，下緣應力最大為1.39 MPa，最小為0.86 MPa，橋面板下緣出現拉應力；負溫度梯度作用下，混凝土板上緣最大應力為1. 5 M Pa，最小應力1. 2MPa，下緣應力最大為-0.6 MPa，最小為-0.37 MPa，橋面板上緣出現拉應力，結果如圖7所示。

4 結論

新建滬蘇湖鐵路某大跨鐵路斜拉橋工程，開展主橋組合梁溫度分布規律的現場監測試驗研究，分析大跨鐵路斜拉橋組合梁溫度傳遞規律，主要結論如下：

（1）組合梁豎向溫度梯度于17：00-次日07：00逐漸變小，出現負溫度梯度現象，07：00達到最小；7：0 0 -15：0 0溫度梯度逐漸變大，出現正溫度梯度現象，15：00達到最大，豎向溫度距橋面板頂面400mm范圍內熱傳導規律明顯；組合梁橫向溫度梯度變化明顯，受太陽輻射鋼風嘴位置溫度變化劇烈，受熱對流影響右側鋼風嘴橫向溫度梯度變化較小，組合梁雙邊箱橫向溫度變化幅值均勻。

（2）采用指數形式對組合梁沿梁高方向溫度梯度進行擬合，正溫度梯度為y =11.7 7*e x p （-8.292*x），負溫度梯度為y =-5.073*exp（-7.457*x），擬合相關系數分別為0.98與0.94，擬合效果好，可供類似大跨鐵路橋梁設計和標準化施工參考。

（3）正溫度梯度作用下組合梁跨中豎向上拱為4.76 mm，混凝土板下緣出現拉應力，最大為1.39MPa，最小為0.86 MPa；負梯度作用下跨中豎向下撓為-2.1 mm，混凝土板上緣出現拉應力，最大為1.5MPa，最小1.2 MPa。

作者簡介

梁金寶，碩士，工程師，研究方向為特殊結構橋梁設計與監測。

（責任編輯：劉憲銀）