三拱肋鋼管混凝土拱橋的溫度效應研究

徐 清

中國葛洲壩集團建設工程有限公司 云南 昆明 650200

隨著橋梁技術的發展與革新，鋼管混凝土拱橋因其具備施工簡便、跨度大、結構輕巧、外形美觀等優點[1]，近些年越來越受歡迎，在實際應用中也越來越多。鋼管混凝土拱橋施工時將普通混凝土灌入鋼管骨架中，由于鋼管對混凝土的徑向約束使其三向受壓，從而顯著提高了混凝土的抗壓強度和使用性能。

鋼管混凝土拱橋屬于超靜定體系結構，受溫度變化的影響十分復雜，溫度的高低會引起混凝土和鋼管不同程度的膨脹與收縮，從而產生溫度應力[2-3]。同時，鋼管混凝土拱橋因其材料特性、截面構造和施工工藝等參數與其他橋梁結構不同，從而導致其溫度變化規律的確定方法也略有不同[4-5]。

本文以某三拱肋鋼管混凝土拱橋為背景開展溫度效應研究，通過對溫度效應的變化規律研究，分析鋼管混凝土拱橋縱梁應力受溫度影響的變化規律。

1 工程概況

某大橋跨越一條大河，交叉樁號K42＋078，交叉角度為100°。大河規劃通航等級為Ⅲ級，通航凈高10 m，凈寬60 m。全橋布跨為11 30.0 m＋103.6 m＋12 30.0 m，主橋橋型為下承式鋼管混凝土簡支系桿拱橋，采用一孔跨越大河。大橋立面如圖1所示。

圖1 大橋立面

2 溫度對縱梁內力的影響

2.1 測點布置

在縱梁中布置應力傳感器，通過應力傳感器監測縱梁應力變化，掌握縱梁應力狀態。由于縱梁為超靜定結構，混凝土受溫度影響能夠產生次內力，因此需要根據測試溫度進行應力的折算。為能夠更加準確地反映縱梁溫度對受力狀態的影響，在縱梁斷面的上下兩面（向陽面與背陽面）各布置應力傳感器，采用自動化監控技術，實時采集溫度及應力數據，并及時分析處理。縱梁應力在受溫度效應影響的過程中會發生變化。為準確掌握縱梁應力的變化情況，全橋每根縱梁選取1/4跨（3/4跨）、1/2跨3個應力監測斷面，每個斷面分別布置上下（向陽面、背陽面）2個測點。監測斷面如圖2所示，監測剖面如圖3所示。

圖2 應力監測斷面布置

圖3 應力監測剖面布置（1#為向陽面、2#為背陽面）

應力自動化實時監測適用于全過程施工監控中，但溫度效應影響應選取無施工工況的時期進行分析，故應選取其中工況少、相對穩定且外界干擾因素少時的1～3 d內的數據進行研究。

2.2 監測設備

在研究過程中，結構溫度對結構產生的次應力處于變化之中，因此對數據需進行實時采集。在現場測試時，采用結構安全監控系統對縱梁溫度及應力進行實時監測。該系統具有傳輸距離廣、穿透性強、信號穩定性好及待機時間長等特點，同時集多類型傳感型設備、數據采集節點、數據無線傳輸節點、信號中繼節點及數據分析處理節點于一體，可實現多類型數據無線實時采集和傳輸（圖4）。

圖4 現場傳感器埋設

2.3 研究結果及數據分析

2.3.1 應力隨溫度變化的對比分析

選取1/4跨斷面中一個中縱梁及一個邊縱梁上、下（向陽面、背陽面）2個應力測點進行應力隨溫度變化的對比分析。應力、溫度時程曲線如圖5所示，單點應力受溫度效應影響的變化曲線如圖6所示（本節中應力為以0時數據為初始值的累計變化量，下同）。

圖5 縱梁同一斷面的應力、溫度時程曲線

圖6 單點應力受溫度效應影響的變化曲線

由圖6可知：一天中（從0時開始到24時結束）混凝土溫度呈現先降、后升、再降趨勢，最后趨于0時溫度。當天中最低溫度出現于7時30分左右，最高溫度出現于16時左右。而混凝土應力變化與之相反，呈現先上升、后下降、再上升的趨勢，最后趨于0時應力。當天中最大應力出現于7時30分左右，最小應力出現于16時左右。

此研究結果表明縱梁混凝土結構溫度與應力成反比，混凝土溫度升高，應力相應減小。

2.3.2 同一斷面向陽、背陽面的應力差和溫度差對比

選取1/4跨斷面中一個中縱梁及一個邊縱梁上、下（向陽面、背陽面）2個應力測點進行應力差和溫度差的對比分析。應力、溫度時程云圖如圖7所示，向陽面、背陽面的應力差與溫度差對比如圖8所示。

圖7 應力、溫度時程云圖

圖8 向陽面、背陽面的應力差與溫度差對比

由圖8可知：應力受溫度梯度的影響較大。在一天中（從0時開始到24時結束）夜間無陽光照射的情況下，混凝土結構溫度差逐漸增大，此時背陽面溫度高于向陽面溫度。在7時30分左右，太陽出現，陽光照射后，向陽面混凝土結構溫度逐漸升高，溫度差逐漸減小。在10時左右，溫度差趨于0 K。此時向陽面結構溫度受太陽直射的影響，溫度逐漸升高，而背陽面溫度增長緩慢，溫度差逐漸增大，此時向陽面溫度高于背陽面溫度。14時左右，溫度差達到最高，之后逐漸開始減小，一直到24時，溫度差趨于0 K。

而應力差趨勢與溫度差趨勢相反。夜間無陽光時，應力差逐漸增大，此時向陽面應力大于背陽面應力。在7時30分左右，應力差逐漸減小，一直到10時左右，應力差趨于0。之后應力差呈增大趨勢，此時背陽面應力大于向陽面應力。14時左右，應力差逐漸減小，一直到24時，應力差趨于0。

此研究結果表明，縱梁混凝土結構受溫度影響較大。當向陽面溫度高于背陽面溫度時，相應的應力小于背陽面應力；反之，當向陽面溫度低于背陽面溫度時，相應的應力大于背陽面應力，且溫度差與應力差呈相反趨勢。

2.3.3 不同斷面相同位置向陽、背陽面應力與溫度對比

選取1/4跨斷面中縱梁及1/2跨斷面中縱梁同一部位（向陽面、背陽面）應力測點進行應力與溫度對比分析。不同斷面同一位置的應力對比如圖9所示，不同斷面同一位置的溫度對比如圖10所示。

圖9 不同斷面同一位置測點應力對比

圖10 不同斷面同一位置測點溫度對比

由圖9、圖10可知：一天中（從0時開始到24時結束）向陽面應力與溫度變化趨勢基本吻合。當溫度升高時，應力減小，且變化幅度基本保持一致。背陽面應力及溫度變化整體趨勢基本吻合。當溫度升高時，應力減小，但趨勢幅度卻有相應差別；在12時后，邊跨處溫度降溫較快，溫度趨勢幅度相比于中跨處較大，相應的應力變化趨勢幅度也比中跨處較大。

3 溫度對拱肋內力的影響研究

3.1 測點布置

拱肋作為橋梁的主要受力結構，其受力狀態關系到橋梁的整體安全，分析溫度對結構的受力影響尤為重要。本文選取拱肋1/4跨、1/2跨作為應力監測關鍵位置。1/4跨拱肋鋼管頂、底緣、腹板各布置1個測點，每榀拱肋合計4個測點。1/2跨頂、底緣、腹板各布置1個測點，每榀拱肋合計2個測點。拱肋應力斷面布置見圖2，1/4跨、1/2跨斷面應力測點布置如圖11所示。

圖11 拱肋應力測點布置斷面

3.2 研究結果及數據分析

選取1～2 d的拱肋弦管應力時程數據進行分析，并且以當天0時數據作為初始值，以觀察拱肋弦管應力隨時間的變化量。

拱肋的應力、溫度時程曲線如圖12、圖13所示。

圖12 同一斷面的拱肋應力、溫度時程曲線

圖13 不同斷面的拱肋應力、溫度時程曲線

3.2.1 同一斷面上下弦管應力的溫度影響分析

由圖12可得出：

1）拱肋1/4跨斷面的上弦管應力隨溫度的升高而減小，即升溫時上弦管應力呈現受壓狀態；而下弦管應力隨溫度的升高而增大，即升溫時下弦管應力呈現受拉趨勢。

2）拱肋1/2跨斷面的上弦管應力隨溫度的升高而增大，即升溫時上弦管應力呈現受拉趨勢；而下弦管應力隨溫度的升高而減小，即升溫時下弦管應力呈現受壓狀態。

綜上分析，拱肋溫度變化時，同一斷面上下弦管應力變化規律相反，表明拱肋在受溫度影響時會產生彎矩。

3.2.2 不同斷面相同位置應力與溫度對比分析

由圖13可得出：

1）拱肋1/4跨和1/2跨斷面上下弦管的溫度基本一致，不同斷面的相同測點位置的溫度差較小。

2）拱肋1/4跨和1/2跨斷面的上下弦管應力隨溫度的變化呈現反對稱趨勢。

綜上分析，拱肋溫度變化時，1/4跨和1/2跨位置的拱肋彎矩方向呈反對稱，即一處為正彎矩，另一處為負彎矩，表明拱肋在受溫度變化影響時，1/4跨和1/2跨會分別產生正、負彎矩，在1/4跨至1/2跨之間會出現彎矩0點。

4 結語

通過分析研究溫度對鋼管混凝土拱橋的縱梁、拱肋應力的影響效應，得出如下結論：

1）縱梁應力變化與溫度變化成反比，溫度升高時應力減小。

2）縱梁應力受混凝土頂底面溫度差影響相對較大，因混凝土向陽、背陽面溫度梯度的影響，縱梁會產生一定的彎矩，從而造成頂底部產生較大的應力差。

3）拱肋在受溫度變化影響時，同樣會產生彎矩。

4）拱肋受溫度變化影響時，1/4跨和1/2跨位置的拱肋應力變化規律呈反對稱，表明1/4跨和1/2跨會分別產生正、負彎矩，在1/4跨至1/2跨之間會出現彎矩0點。