沿海季風氣候下耐候鋼材質非機動車道橋的變形特性研究

【摘要】以鹽梅路鹽港東自行車道橋為對象，采用邁達斯（MIDAS）軟件建模，并結合現場監測數據，系統分析了耐候鋼材質鋼箱梁橋在沿海季風氣候下的變形特性。結果表明，耐候鋼橋梁在季風氣候下具有顯著的抗變形能力，變形數值遠低于安全閾值，驗證了其安全性和可靠性。

【關鍵詞】沿海季風氣候; 耐候鋼; 數值模擬; 變形

【中圖分類號】U448.1A

0 引言

隨著我國沿海地區旅游業的蓬勃發展，海濱棧道的建設需求日益增長。這些棧道不僅為游客提供了親近自然的通道，也成為沿海城市景觀的重要組成部分。然而，棧道的建設和耐久性問題一直備受關注。耐候鋼作為一種能夠抵抗惡劣氣候影響的材料，在橋梁工程中應用前景廣闊，但我國耐候鋼橋梁的發展相對較晚，目前仍處于起步階段，缺乏具體的橋梁設計規范。現有研究為理解耐候鋼的銹層保護機制及其在海洋環境中的應用提供了理論支持［1］。本文以鹽梅路鹽港東自行車道橋為研究對象，利用MIDAS軟件建立模型，并結合現場監測數據，分析了耐候鋼材質橋梁在沿海季風氣候條件下的變形特性。結果表明，耐候鋼橋梁在季風氣候下具有顯著的抗變形能力，驗證了其安全性和可靠性。本文旨在為耐候鋼在橋梁工程中的廣泛應用提供科學依據，并為類似氣候條件下的橋梁設計提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

本研究依托鹽梅路鹽港東自行車道橋項目，項目位于深圳鹽田港東部海邊，該橋梁屬于非機動車道橋，慢行道與主路分離，位于斜坡上，橋梁起點與擋墻接順，終點接現狀平臺。橋梁共分4聯，跨徑組合為（2×1000+3×1200+2×1000）m+（900+1000+3×1200）m+（5×1200）m+（3×1200+1080+141）m，橋梁全長23.921 km，如圖1所示。

標準橋梁寬度：0.25 m（欄桿）+2.75 m（自行車道）+1.75 m（人行道）+0.25 m（欄桿）=5.0 m，如圖2所示。

橋梁上部結構采用鋼箱梁，材質為Q345qNHD；名義梁高0.8 m，設0.25 m寬踢腳，梁底水平，梁頂采用單向2%橫坡。橋梁下部結構采用V形鋼結構柱式墩，基礎采用1000 mm人工挖孔樁。

1.2 水文環境

鹽梅路鹽港東自行車道橋位于南亞熱帶季風氣候區，這一地區以其漫長的夏季、短暫的冬季、充足的日照和豐沛的雨量而著稱。這樣的氣候條件對橋梁材料的耐腐蝕性和結構的穩定性提出了更高的要求。通過對該區域海水的取樣檢測，發現其pH值為7.55，礦化度為297.39，詳見表1。這些數據進一步揭示了橋梁面臨的嚴峻腐蝕環境。

如圖3所示，橋梁位于海濱，平行于海岸線，距離不超過20 m，處于一條受歡迎的景觀道路上，人流量較大。考慮到其大跨度和高橋墩及弧形設計，采用耐候鋼鋼箱梁進行架設，鋼結構暴露于含鹽海風和潮濕空氣中。因此，深入分析橋梁的變形特性對于確保其結構穩固和安全尤為重要。

2 模型建立及結果分析

2.1 橋梁建模

為準確捕捉橋梁結構的變形特性和受力分布，選擇了線型最復雜的第二聯作為研究焦點。在MIDAS Civil軟件支持下，構建了反映第二聯實際尺寸的幾何模型，跨度組合為（900+1000+3×1200） m，確保模擬準確。模型中，固定支座置于第三跨與第四跨連接處，其余支座為滑動支座，以真實反映橋梁在實際荷載作用下的行為和響應，如圖4所示。

2.2 模擬工況

模擬參數取自于成橋之后2022年7月至2023年6月之間本橋附近的實測溫度、濕度、氣壓等環境，具體如表2所示。

2.3 變形數據

在鋼結構研究領域，王小剛等［2］學者已經明確指出溫度、濕度和氣壓的變化會導致鋼結構變形，其中溫度的影響尤為顯著。理解這些因素對橋梁行為的影響至關重要。本研究利用MIDAS Civil軟件建立的精細模型，模擬了不同環境條件下的結構響應，特別是在40 ℃高溫條件下。結果顯示，高溫下橋梁在X軸（縱向）和Y軸（橫向）上的最大變形均出現在第一跨端頭，而Z軸（豎向）上的最大變形位于第三跨跨中區域。具體變形數據詳見圖5。

鐵路與公路于超： 沿海季風氣候下耐候鋼材質非機動車道橋的變形特性研究——以鹽梅路鹽港東自行車道橋為例

選取本聯變形控制最關鍵的位置進行重點分析。提取了在溫度荷載工況下的模擬數據，包括橋梁在橫向、縱向和豎向的形變。將其轉化為圖表形式，如圖6所示。圖6展示了橋梁在不同方向上的變形數據，包括最大變形值、變形分布和變形趨勢。圖6揭示了隨著溫度升高，橋梁變形程度增加，特別是在高溫條件下，變形量顯著增加，表明溫度對橋梁結構穩定性的重要影響。在橫向、縱向和豎向變形中，X軸（縱向）變形最為顯著，Y軸（橫向）和Z軸（豎向）變形相對較

圖6 溫度荷載工況變化下位移變化曲線小。當溫度為16.74 ℃時，橋梁在X軸、Y軸、Z軸上的變形分別為8.992 mm、1.653 mm和1.603 mm；當溫度升至35.14 ℃時，變形量分別增至18.8 mm、3.443 mm和1.592 mm。這表明溫度升高顯著增加橋梁的縱向變形，而橫向和豎向變形增幅較小。

3 現場數據監測及對比分析

為了驗證模擬分析結果的可靠性，在橋梁上設置了兩個專門的變形監測點。第一個監測點位于第一跨的端頭，而第二個監測點則布置在第三跨的跨中位置，布置細節見圖4。

在變形監測過程中，嚴格遵守了“五定”原則［3］，確保數據可靠性。“五定”包括：基準點的穩定性、觀測點位的穩定性、儀器設備的穩定性、觀測人員的穩定性及觀測環境條件的穩定性。這些原則確保了數據的準確性和可重復性。實際操作中，橋梁變形監測采用大地測量法、物探法、GPS技術和INSAR技術，通過綜合應用這些方法提升了監測質量和精度。考慮到本項目橋梁結構的復雜性，采用全站儀跟蹤監測法［4］，提供高精度的三維變形數據，有助于深入理解橋梁在實際使用條件下的結構行為和變形特性。

對兩個監測點進行了系統的監測，并將監測結果進行了匯總，如表8所示。為了直觀地比較模擬分析與實際監測數據，將兩者置于同一圖表中進行對比分析，如圖7所示。

圖7顯示了模擬變形曲線與實際監測變形曲線的走勢和數值。通過對兩個監測點的數據比較分析，得出幾點結論：

（1）監測點一（第一跨端頭）的X軸數據表明，橋梁縱向變形與溫度變化密切相關，溫度從16.74 ℃升高至35.14 ℃時，縱向變形量從9.53 mm增加到20.73 mm。盡管在35.15 ℃時實測值與模擬值差異最大為1.93 mm，但整體趨勢一致。

（2）監測點一的Y軸數據（橫向變形）與X軸相似，溫度變化范圍內，橫向變形從1.79 mm增至4.12 mm。在30.9 ℃時，實測值與模擬值差異最大為0.74 mm，表明模擬分析較好地預測了橫向變形。

（3）監測點二（第三跨跨中）的Z軸數據（豎向變形）相對穩定，溫度變化范圍內，豎向變形從1.76 mm增至2.04 mm。在16.74 ℃時，實測值與模擬值差異最大為0.44 mm，反映橋梁豎向剛性較好，受溫度影響較小。

整體上，實測值與模擬值趨勢一致，驗證了數值模擬結果的準確性，為橋梁設計和施工提供了可靠的數據支持。

4 結論

本研究通過對鹽梅路鹽港東自行車道橋項目的一年監測，分析了耐候鋼箱梁橋在沿海季風氣候下的變形特性。結果顯示，溫度變化顯著影響鋼箱梁的變形，尤其在溫度超過30 ℃時縱向變形最為明顯。數值模擬與實測數據高度一致，證明了模型的有效性，揭示了沿海季風氣候對耐候鋼橋變形的影響，為類似環境下的橋梁設計和施工提供了依據。

參考文獻

［1］ 王春生， 張靜雯， 段蘭， 等. 長壽命高性能耐候鋼橋研究進展與工程應用［J］. 交通運輸工程學報， 2020， 20（1）： 1-26.

［2］ 王小剛， 王曉峰， 趙根立. 溫度與濕度對鋼結構變形的影響［J］. 科技風， 2011（18）： 246-247

［3］ 朱興志.變形監測技術在橋梁監測中的應用［J］.中國科學探險，2022（2）：113-115.

［4］ 張興龍.全站儀在工程測量中的應用研究［J］.決策探索（中），2020（7）：62-63.