溫度效應對混凝土斜拉橋支座作用的分析

彭 鵬，鄧廷權，郝章喜，胡小明

（1.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007；2.廣西橋梁監測及加固工程技術研究中心，廣西 南寧530007）

0 引言

近年來隨著高速公路、高速鐵路的飛速發展，大跨度橋梁也日益增加，斜拉橋在跨越能力方面有其技術經濟優勢，在調查以往的橋梁服役過程中，發現支座使用不合理的破壞事故時有發生，因此支座的選用就顯得意義重大。支座反力主要是由恒載決定的，活載也占30%左右，保證主梁、主塔受力最佳有一組最優成橋索力，與之對應的支座反力就是合理成橋狀態下的支座反力，也是支座受力變化的基準值。在此基準值的基礎上，溫度作用對支座反力的影響尤其顯著，綜合考慮安全性以及經濟性等因素選用合適的支座，對橋梁設計者來說意義重大，本文就溫度效應的影響進行分析研究，為同類橋梁支座的選用提供參考。

1 工程背景

某大跨徑PC斜拉橋是雙塔雙索面半漂浮體系預應力混凝土斜拉橋，其跨徑布置為52m＋105m＋320m＋105m＋48m。主梁為雙邊主肋斷面形式，主梁頂面設2%橫坡，主梁中心梁高2.73m，邊緣高2.5m，橋面寬26.9m。標準梁長為8m，頂板厚為32cm，主塔兩側梁段頂板加厚到40cm。主塔采用H型構造。斜拉索共152根，標準索距為8m，最長的斜拉索大約182.40m，最大單根重量132.83kN。主梁采用C55混凝土，索塔采用C50混凝土。某斜拉橋橋型布置圖，如圖1所示。

圖1 某斜拉橋橋型布置圖（單位：cm）

2 溫度效應對支座作用的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用大型有限元通用計算軟件MIDAS／CIVIL進行全橋模擬，如圖2所示。主梁、索塔、輔助墩采用梁單元模擬，斜拉索用桁架單元模擬，全橋由1 117個節點和1 100個單元組成。

圖2 某斜拉橋有限元模型圖

2.2 關鍵工況下的支座反力

關鍵工況下的支座反力如表1所示，本文的計算結果都是在此前提下進行的。

表1 關鍵工況下的支座反力表

2.3 溫度效應對支座反力的影響

2.3.1 體系溫差

《公路斜拉橋設計細則》對體系溫差的取值進行了規定，當地平均最高和最低氣溫值決定了混凝土結構的體系溫差，氣溫變化值應該由橋梁合龍時的溫度開始算起。該斜拉橋于2013年1月23日凌晨5點進行中跨合龍勁性骨架的鎖定，實測溫度為4.0℃，于2013年1月26日凌晨6點完成合龍段混凝土的澆筑，實測溫度為6.1℃。夜間溫度場穩定，取合龍溫度為5℃。

根據該斜拉橋地區氣象站網上公布的氣象數據，該地日均最高氣溫為35℃，日均最低氣溫為3℃?！豆沸崩瓨蛟O計細則》規定自合龍起算體系溫差的溫度變化量。因此，該混凝土斜拉橋的體系溫差取整體升溫30℃、整體降溫2℃進行分析。本文通過利用大型有限元計算程序Midas／Civil進行計算，拉壓支座計算反力及相關結果見表2。

表2 體系溫差對拉壓支座的影響數值表

計算結果表明：體系溫度升高1℃，1＃塔側過渡墩支座反力增大6.1kN，1＃塔側輔助墩支座反力增大8.4kN，2＃塔側輔助墩支座反力增大13.4kN，2＃塔側過渡墩支座反力增大4.4kN，基本呈線性增長趨勢；從1＃塔側往2＃塔側各拉壓支座上梁體縱向位移依次為：－3.2mm，－2.7mm，2.5mm，3.0mm，也是呈線性增長趨勢。體系溫差最不利的情況下，2＃塔側輔助墩處支座反力增大400.7kN，主梁縱向位移的最大值為96.4mm，位于1＃塔側過渡墩處。該斜拉橋輔助墩支座設計的極限拉力值為2 000kN，極限壓力值為10 000kN，縱向滑移最大允許值為200mm，過渡墩支座設計的極限拉力值為1 200kN，極限壓力值為3 000kN，縱向滑移量最大允許值為250mm。單從體系溫差進行分析，在最不利狀態下，支座拉力和主梁縱向滑移量的最大值不足以威脅支座的安全。然而，大橋在成橋運營階段各項溫度效應、車輛活載、收縮徐變等多種因素綜合作用下，體系溫差對支座反力和主梁縱向位移的影響需要重視。

2.3.2 溫度梯度

根據規范對于溫度梯度的規定選取溫度梯度的數值，選取Midas／Civil中梁截面溫度的邊（頂）作為參考位置，正溫度梯度選取 H1＝0，T1＝14；H2＝0.1，T2＝5.5；H3＝0.1，T3＝5.5；H4＝0.4，T4＝0（高度單位為m，溫度單位為℃）；負溫度梯度選取H1＝0，T1＝－7；H2＝0.1，T2＝－2.75；H3＝0.1，T3＝－2.75；H4＝0.4，T4＝0（高度單位為m，溫度單位為℃）；溫度梯度對該斜拉橋拉壓支座的影響見表3。

表3 溫度梯度對拉壓支座的影響數值表

由表3可知：在正溫度梯度作用下，2＃塔側輔助墩處支座反力影響最大，為230kN，1＃塔側過渡墩處梁體縱向位移影響最大，為－8.8mm；在負溫度梯度作用下，2＃塔側輔助墩處支座反力最大，為－115kN，1＃塔側過渡墩處梁體縱向位移最大，為4.4mm。

以上結果表明：在溫度梯度作用下，輔助墩支座反力的影響大于過渡墩支座反力的影響，輔助墩與過渡墩支座的受力變化呈相反的狀態，橫向剪力的影響相對較?。ū碇形戳谐觯徽⒇摐囟忍荻茸饔孟?，拉壓支座反力與梁體縱向位移基本呈線性變化；再次證明多種因素綜合作用下，溫度梯度對支座反力和主梁縱向位移的影響應該引起重視。

2.3.3 索梁、索塔溫差

由于斜拉索和主梁、主塔材料不同，并且截面面積相差很大，拉索的導熱性能較混凝土大很多，拉索的溫度變化幅度因此更大?！豆沸崩瓨蛟O計細則》規定斜拉索與混凝土主梁以及斜拉索與主塔的溫差可采用±（10～15℃），本文取較不利的狀態進行計算，索梁、索塔最大正溫差取15℃，最大負溫差?。?0℃，計算結果見表4、表5。

表4 索梁溫差對拉壓支座的影響數值表

由表4可知：索梁正溫差作用下，1＃塔側輔助墩處支座反力影響最大，為139.3kN，1＃塔側過渡墩處梁體縱向位移影響最大，為47.6mm；索梁負溫差作用下支座反力和梁體縱向位移與索梁正溫差時影響最大的位置一樣，分別為－92.9kN和－31.7mm。

表5 索塔溫差對拉壓支座的影響數值表

由表5可知：索塔正溫差作用下，1＃塔側輔助墩處支座反力影響最大，為－254.9kN，1＃塔側過渡墩處梁體縱向位移影響最大，為－0.8mm；索塔負溫差作用下支座反力和梁體縱向位移與索梁正溫差時影響最大的位置一樣，分別為169.9kN和0.5mm。

以上結果表明：索梁溫差引起的支座反力變化較索塔溫差小，梁體縱向位移量較明顯，而索塔溫差的梁體縱向位移可以忽略；索梁正溫差拉壓支座處主梁均向跨中滑移，主塔向跨中偏，索梁負溫差相反；輔助墩與過渡墩支座的受力變化呈相反的狀態；多種因素綜合作用下，索梁、索塔對支座反力的影響應該引起重視。

2.4 支座安裝溫度影響分析

橋梁的建設處于四季不斷變化的溫度場中，支座的安裝溫度對支座后續工況的受力是有影響的，當較低溫度情況下安裝時，成橋后橋梁大部分時間處于高于安裝溫度的狀態，由于斜拉索的導熱性能較混凝土大很多，拉索的溫度變化幅度更大，升溫使斜拉索長度伸長，支座的壓力會因此變大。當處于較高的溫度情況安裝時反之。對于拉壓支座來說，壓力增大會使支座處于更保險的受力狀態，各種不利工況組合的條件下，支座應盡量處于受壓狀態，受拉也不能超過支座的承受極限，否則影響橋梁的安全。橋梁設計溫度為20℃，以下通過使用大型有限元程序Midas／Civil計算比較不同安裝溫度時，支座受力的變化情況，結果見表6。

表6 不同安裝溫度對拉壓支座的影響數值表

由表6可知：當安裝溫度為35℃時，1＃塔側過渡墩處支座反力受升溫影響最大，壓力增大125.8kN；當安裝溫度為5℃時，1＃塔側過渡墩處支座反力受降溫影響最大，壓力減小60.2kN；高溫安裝時支座反力的影響要大于低溫安裝，盡量選擇低溫安裝以減小對支座反力的影響，且低溫安裝相對有利。

2.5 合龍溫度影響分析

與安裝溫度一樣，合龍溫度對支座受力的影響也是呈同樣的趨勢，當較低溫度情況下合龍時，成橋運營階段橋梁大部分時間處于高于合龍溫度的狀態，由于斜拉索的導熱性能較混凝土大很多，拉索的溫度變化幅度更大，升溫使斜拉索長度伸長，支座的壓力會因此變大。當處于較高的溫度情況安裝時反之。我們應該選擇溫度較低且溫度場穩定的情況下合龍，這樣能使成橋運營階段支座更多地處于壓力增大的狀態，支座受力更合理。以下通過模型計算比較在不同合龍溫度條件下，支座受力的變化情況，結果見表7。

表7 不同合龍溫度對拉壓支座的影響數值表

由表7可知：當合龍溫度為35℃時，1＃塔側輔助墩處支座反力受升溫影響最大，壓力增大211.3kN；當合龍溫度為5℃時，1＃塔側輔助墩處支座反力受降溫影響最大，壓力減小214.9kN；盡量選擇低溫、溫度場穩定的情況下合龍，這樣能減小溫度變化對合龍段混凝土擾動的影響，也能使支座在成橋運營階段溫度更多地處于壓力增大的狀態，支座受力更合理。

3 結語

（1）影響該斜拉橋拉壓支座受力最不利溫度荷載組合是體系最大降溫溫差、索塔負溫差、主梁正溫度梯度，這種溫度荷載組合下拉壓支座的拉力影響將近20%，影響該斜拉橋主梁最不利縱向位移的組合是體系最大升溫溫差、索量負溫差、主梁正溫度梯度，該溫度荷載組合下支座處主梁縱向位移占到支座允許值的近50%。

（2）體系溫差、索梁溫差、索塔溫差、主梁溫度梯度是影響拉壓支座受力的主要因素。通過有限元模型的計算結果可見，體系整體升溫對拉壓支座受力、支座處主梁的縱向位移影響最大；輔助墩支座反力的影響順序依次是索塔溫差、主梁溫度梯度、索梁溫差；過渡墩支座反力的影響順序依次是主梁溫度梯度、索塔溫差、索梁溫差；主梁縱向位移的影響順序是索梁溫差、主梁溫度梯度，索塔溫差的影響幾乎為0。在橋梁運營過程中，溫度效應、車輛活載、收縮徐變等各種因素綜合作用下，溫度效應對支座的影響應該引起重視。

（3）高溫安裝時支座反力的影響要大于低溫安裝，盡量選擇低溫安裝以減小溫度對支座反力的影響；盡量選擇低溫、溫度場穩定的情況下合龍，這樣能減小溫度變化對合龍段混凝土擾動的影響，也能使支座在成橋運營階段溫度更多地處于壓力增大的狀態，支座受力更合理。

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