環(huán)境溫度對斜拉橋拉索索力測量的影響研究

王凱 傅偉

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100088）

1 概述

斜拉索作為斜拉橋主要承重受力構(gòu)件，其安全性對結(jié)構(gòu)整體安全至關(guān)重要。斜拉索將主梁重力及其它可變荷載傳遞到主塔，主梁受到斜拉索豎向及縱向約束作用。斜拉橋作為多次超靜定結(jié)構(gòu)，單根索力的變化會引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，同時也會引起結(jié)構(gòu)線型變化，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)相較設(shè)計狀態(tài)產(chǎn)生變化，這一情況將對結(jié)構(gòu)安全性及使用性能產(chǎn)生明顯影響。

基于斜拉索索力的重要性，運行期的斜拉橋一般每年進行一次全面的斜拉索索力測量，通過索力變化趨勢分析來判斷結(jié)構(gòu)力學狀態(tài)的變化，從而進行結(jié)構(gòu)安全性評估。然而，受到環(huán)境因素、阻尼器、梁振動、測量方法等眾多因素的影響，檢測獲得的索力存在一定的偏差，給結(jié)構(gòu)安全評估造成困擾。如何剔除這些因素的影響，獲得同一基準條件下的精確索力，提高索力趨勢判斷準確性，至關(guān)重要。在眾多影響因素中，環(huán)境溫度往往是容易被忽略的一項因素，本文針對環(huán)境溫度變化對索力產(chǎn)生的變化影響進行理論計算研究。

2 工程背景

本文依托工程為嘉紹大橋，嘉紹大橋是嘉興至紹興跨江公路通道跨越錢塘江河口段的一座特大型橋梁，大橋全長10.137km，主航道橋采用主跨428m 的六塔四索面分幅鋼箱梁斜拉橋，橋跨布置為70+200+5×428+200+70＝2680m，總寬達55.6 米（含布索區(qū)），橋面寬40.5 米，8 車道，設(shè)計速度為100 公里/小時。（圖1-2）

圖1 嘉紹大橋主航道橋立面圖

圖2 鋼箱梁標準斷面圖（cm）

根據(jù)歷年斜拉索索力變化情況，分析可知嘉紹大橋斜拉索短索（最靠近索塔的拉索）與其它較長斜拉索相比，索力變化明顯，且多數(shù)呈增大趨勢，因此本文重點研究環(huán)境溫度變化對短索索力產(chǎn)生的影響。

3 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

溫度對斜拉索索力影響主要因為溫差的存在, 導致斜拉索長度的伸長或縮短，但由于斜拉索兩端的錨固作用，致使斜拉索不能隨溫度變化而自由伸縮，因而溫差的存在又給斜拉索增加了一定的附加內(nèi)力，稱之為溫度荷載。

圖3 斜拉索、索塔、鋼箱梁的溫度隨時間變化時程圖

圖4 斜拉索、索塔、鋼箱梁的溫差時程圖

溫差又分為季節(jié)性溫差和日溫差，季節(jié)性溫差一般變化很慢，會使橋梁結(jié)構(gòu)整體升降溫，一般高強鋼絲制作的拉索、混凝土主梁、橋塔的線膨脹系數(shù)差別較小，所以季節(jié)性溫差對索力影響較小。然而，由于建造橋梁的不同材料具有不同的熱傳導系數(shù)，所以相同的氣溫變化會造成不同材料的構(gòu)件存在較大的溫差，往往由于索、梁、塔之間的溫差而導致三者的溫度變形不協(xié)調(diào)，因而產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力，包括索力的改變。基于健康監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)各部分溫度的監(jiān)測，可精確獲得實際運營過程中橋梁的整體升降溫和各部分溫差的量級，進而可通過有限元計算模型分析得出各溫度工況對于索力變化產(chǎn)生的影響。

斜拉索由于具有截面積較小、溫度導熱快等特點，因此斜拉索的溫度可以近似等于環(huán)境溫度，并忽略無溫度升降延遲。選取溫度變化較大的8月份一周的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，可繪制斜拉索、混凝土索塔、鋼箱梁三部分的溫度變化曲線圖如圖3 所示。

根據(jù)溫溫度變化趨勢可以看出，短時間內(nèi)橋塔的溫度基本處于恒溫狀態(tài)，變化較為緩慢，鋼箱梁和斜拉索的溫度會跟隨環(huán)境溫度發(fā)生較大的波動變化。短期內(nèi)以索塔為一穩(wěn)定溫度基準，用鋼箱梁監(jiān)測溫度和大氣環(huán)境監(jiān)測溫度（斜拉索溫度）分別減去混凝土索塔溫度，可獲得箱梁-橋塔溫差、斜拉索-橋塔溫差的變化趨勢如圖4 所示。

從圖4 可以看出鋼箱梁與橋塔最大溫差可達到13.8℃，斜拉索與橋塔的溫差最大可達7℃，隨著晝夜日出日落變化而變化。實際的各部分溫差與天氣、季節(jié)及時辰均有關(guān)系。可以看出，在運營過程不同構(gòu)件的溫差效應(yīng)明顯，因此其對于結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)進行研究分析。

4 結(jié)構(gòu)計算分析

基于嘉紹大橋設(shè)計圖紙建立了全橋桿系有限元模型，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)進行的溫度分析規(guī)律，在模型上施加3 個溫度工況：[工況1]：全橋整體升溫10℃；[工況2]：斜拉索產(chǎn)生10℃正溫差；[工況3]：鋼箱梁產(chǎn)生10℃正溫差。（圖5）

其中，溫差工況響應(yīng)圖如圖6 所示，各工況索力變化結(jié)果見表1。

通過計算結(jié)果看出，溫度變化對于不同部位的斜拉索索力有不同程度的影響。按照監(jiān)測系統(tǒng)的實際溫差監(jiān)測值，結(jié)合理論計算結(jié)果，對于Z6 塔邊跨側(cè)左幅內(nèi)側(cè)最短索，斜拉索正溫差索力影響比例最大有：-4.6%×7/10=-3.22%，鋼箱梁正溫差影響比例最大有：-3.2×13.8/10=-4.42%，合計溫差影響比例達7.64%。

圖5 嘉紹大橋桿系有限元計算模型

圖6 斜拉索10℃正溫差工況索力變化

表1 Z6 塔兩側(cè)短索在各溫度工況下的索力變化結(jié)果

在常規(guī)索力變化分析過程中，一般認為索力變化超過10%即是索力產(chǎn)生了較大波動，需要引起養(yǎng)護部門重視，因此在索力測量之后應(yīng)根據(jù)實際的測量時間結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)進行溫度修正，以提高索力測試精度。以Z6 塔邊跨側(cè)左幅內(nèi)側(cè)最短索為例，容易得出斜拉索索力的溫差修正計算公式為：

F=FC-6.76ΔT1-4.76ΔT2-6.28ΔT3

ΔT1=T環(huán)境-T索塔

ΔT2=T鋼箱梁-T索塔

ΔT3=T日平均-T基準

F 代表修正后的斜拉索索力；

FC代表測試得到的斜拉索索力；

ΔT1為根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)查得的斜拉索相當于索塔的溫差（索力測量時刻）；

ΔT2為根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)查得的斜拉索相當于索塔的溫差（索力測量時刻）；

ΔT3為根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)查詢計算得到的日平均溫度相對于索力對比基準溫度的溫差（T 基準一般取20℃），其余各拉索的溫差修正計算公式類似方法獲得。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)以上分析和計算研究，得出如下結(jié)論和建議：

5.1 斜拉橋在運營過程中，拉索、鋼箱梁和混凝土索塔會產(chǎn)生明顯的溫差效應(yīng)，溫差效應(yīng)對于索力的影響明顯，索力測量及趨勢分析時不可忽略。

5.2 為提高索力對比分析精度，應(yīng)將直接測得的索力值換算到統(tǒng)一的溫度基準下（各部分無溫差、系統(tǒng)溫度20℃）進行對比，換算所采用的工況溫度在健康監(jiān)測系統(tǒng)中查詢獲取。

5.3 斜拉索索力除了受到環(huán)境溫度影響，受阻尼器參數(shù)、測量設(shè)備精度、振動測試位置、梁振動大小等影響也較大，后期應(yīng)進一步研究各因素對于索力實際影響數(shù)值，并借助監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元模型計算實現(xiàn)對檢測索力更為精確的理論修正。

5.4 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是全天候?qū)崟r對結(jié)構(gòu)的運營環(huán)境和結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進行監(jiān)測，可為斜拉橋的養(yǎng)護提供常規(guī)檢測不能提供的數(shù)據(jù)，在分析結(jié)構(gòu)力學變化的深層機理時具有常規(guī)檢測手段不可替代的特性。因此，針對斜拉橋此類大跨度橋梁，均應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)的運營環(huán)境特點和結(jié)構(gòu)力學特點建立監(jiān)測系統(tǒng)，同常規(guī)檢測手段配合，一同為大橋的養(yǎng)護決策提供技術(shù)支持。