怒江特大橋鋼桁拱合龍前空間位置溫度影響分析

田 波

（中鐵十八局集團第二工程有限公司 河北唐山 063000）

1 工程概況

大瑞鐵路怒江特大橋為四線鐵路橋，橋上設怒江車站，線路線間距5 m。橋梁全長1 024.2 m。主橋為14×37.2 m連續鋼箱梁（拱上結構），大理岸引橋為7×41 m連續鋼混結合梁，瑞麗岸引橋為5×41 m連續鋼混結合梁。全橋用鋼量4.8萬t，總體布置如圖1所示。

圖1 怒江特大橋立面布置

怒江特大橋主跨為490 m提籃式上承鋼桁拱橋，矢高109.5 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數2.0，拱肋內傾角3.657 8°，拱腳處拱肋間距為32 m，拱頂處間距為18 m。鋼桁拱設計為4片桁，其中上、下弦桿截面高、寬均為2.0 m，每兩片桁構成一片肋，每肋的兩片桁間距為3.4 m，通過橫桿連接。主桁桁高采用變高度設計，拱頂處高度為11.0 m，拱腳處高度為16.0 m。弦桿均采用箱型帶肋截面，腹桿截面采用H型截面，兩片主桁采用K型橫向聯接系連接。拱圈主要材料為Q370qE。全橋拱肋總重約27 800 t。主拱布置如圖2所示。

圖2 怒江特大橋鋼桁拱布置

2 鋼桁拱施工方案

鋼桁拱采用纜索起重機單根吊裝平聯及橫聯、斜拉扣掛懸臂拼裝的施工方案。

大理、瑞麗兩側各兩個扣塔，交界墩墩頂架設鋼塔架，6＃（大理側）、9＃（瑞麗側）墩身作為扣塔。大理側采用14組扣錨索，瑞麗側采用13組扣錨索，每組扣錨索由四對扣錨索構成，分別連接在四片主桁節點上，合龍段設定在瑞麗側拱頂A19-A20段。為減輕扣塔荷載，將1＃～4＃扣錨索分別布置在鄰近的兩個橋墩上。節間桿件在工廠加工制造，汽車轉運至現場，利用纜索起重機吊裝桿件節間。采用先內桁架，后外桁架的吊裝順序安裝。鋼桁拱吊裝布置如圖3所示。

圖3 鋼桁拱吊裝示意

3 溫度荷載分類及特點

橋梁結構長期處于自然環境中，承受周圍環境不斷變化的影響，實時與周圍環境發生熱交換，使得橋梁結構表面及內部溫度始終處于不斷變化的狀態。其主要影響因素有：橋梁結構所在地理位置、所處方位、地形地貌、太陽輻射強度、天空云量、大氣潔凈程度以及各種特殊天氣（雨、雪、霧）等。由于這些影響因素隨機變化，且不同因素對橋梁結構的影響程度也各不相同，導致橋梁結構內部溫度場復雜多變。溫度分布的非均勻性使得橋梁結構各部位產生的熱脹冷縮效應也存在差異，從而使橋梁結構變形，在超靜定結構中當溫度產生的變形被多余約束所限制，結構便產生了溫度應力。

在橋梁結構分析中，時域溫度曲線的時間間隔可以分多種。以間隔1年為一種，所測年平均溫度往往表現為均勻分布，橋梁設計溫度常采用此值，與該值產生的溫差相當于結構的整體升降溫；以間隔1 h為一種，所測溫度變化為晝夜溫度變化。所測以時為單位的平均溫度為非均勻分布，這種分布模式會引起結構的多向變形和較大的溫度應力。

4 溫度應力與溫度應變分析

橋梁結構溫度應變主要根據材料的熱脹冷縮特性進行計算，核心公式：

式中：α為材料線膨脹系數；T為溫差。

對于靜定橋梁結構，整體變溫作用只產生位移而應力很小；對于超靜定橋梁結構，在整體變溫作用下，由于多余約束限制，不僅會產生溫度位移還會有較大的溫度應力存在，通常利用有限元法計算溫度應力。

利用有限元法計算溫度應力首先將結構離散成微小單元，然后建立各單元位移函數基本方程，最終通過求解基本方程組的解求得溫度應力［1－3］。

有限元法結合虛功原理計算溫度應力，其幾何方程和物理方程如式（2）和式（3）所示：

有限元法離散化后的結構內單元各節點的位移可表示為：

式中：d為單元e中之一節點的位移列陣；N為形函數矩陣；δe為單元e節點位移列陣。

由材料力學原理，結構內某點的應變可表達為：

式中：S為應變微分算子。

將（4）代入式（5）可得：

式中：B為應變矩陣；ε為單元實際應變；εt為溫度產生的應變；εσ為應力產生的應變。

將式（10）計算的單元節點力代入節點平衡方程，可得單元節點位移：

最后將求得的節點位移代入式（3），即可求出溫度應力。

5 現場溫度監測

采用無線氣象站監測橋址處溫度變化，設定每半小時自動監測一次。圖4為合龍階段溫度變化曲線。由圖4可知：最高溫度出現在12月10日14：28，最大值為33.1℃，最低溫度出現在12月11日7：58，最小值為7.5℃。圖5為合龍階段每天的氣溫變化曲線，由圖5可知：一般在14：30左右達到最高溫度，7：00左右溫度最低。

圖4 合龍時間段溫度變化曲線

圖5 合龍階段日氣溫變化曲線

鋼拱橋選擇在凌晨0：00～3：00之間進行合龍連接，圖6為合龍時間段內與12月4日對應時間的溫差變化。由圖6可知：合龍時間段內的溫度差值均在4℃以內，其中12月7日比12月4日氣溫高，最大升溫幅度為3.4℃；12月5日比12月4日溫度低，最大降溫幅度為1.1℃。

圖6 合龍段與4日氣溫差值曲線

由合龍段溫度監測數據可知，合龍時間段內最大升溫幅度為3.4℃，最大降溫幅度為1.1℃。

6 合龍前最后階段溫度荷載對位置的影響

如前所述，本文以鋼桁拱合龍施工為研究對象，鑒于合龍施工在短時期內即可完成，作用在橋梁結構上的溫度荷載是由太陽輻射引起的以日為變化周期的晝夜溫差所形成，故本文主要計算以日為變化周期的晝夜溫度變化對結構的影響。

郝超［4］等對扁平鋼箱梁進行了現場溫度監測，結果如圖7所示。扁平鋼箱梁溫度監測結果表明：在晚上22：00至次日6：00時間段內，由于沒有太陽輻射的作用，橋梁結構只與周圍空氣進行熱交換，結構溫度與橋址處環境溫度十分接近。此外，結合以往的溫度監測結果可知，只要在特定時間段內進行合龍施工，便可以不計溫度梯度的影響，而整體變溫下橋梁分析軟件則可以模擬得相當準確［5－8］。

圖7 南汊斜拉橋扁平鋼箱梁24 h溫度變化

建立Midas／Civil有限元模型，結合現場實測溫度數據，對結構在溫度變化下的變形進行計算分析。其中，鋼桁拱結構的溫度取值為環境溫度實測值，即在合龍時間段內，鋼桁拱結構最大升溫幅度為3.4℃，最大降溫幅度為1.1℃。

（1）升溫3.4℃對合龍位置的影響

如前所述，本橋合龍段桿件采用分批安裝，合龍段桿件構成及節點位置與編號信息如圖8所示。

圖8 合龍段節點示意

對應的結構狀態：纜索吊施工過程中對應最大懸臂狀態，中間合龍段所有桿件尚未裝配，整體橋梁結構在升溫和降溫的溫度荷載作用下探討結構的變形規律。

計算結果為最大懸臂狀態下承受溫度變化荷載作用結構的變形，抽取合龍段兩端面上節點的變化值，如表1所示。可以看出：升溫對兩個合龍端面在X方向長度影響最大，距離減小約3 cm，其他兩個方向長度變化影響較小。

表1 整體升溫3.4℃對合龍段標高的影響 mm

（2）降溫1.1℃對合龍位置的影響

由表2可以看出：升溫對兩個合龍端面在X方向長度影響最大，距離增大約0.9 cm，其他兩個方向的長度變化影響較小。

表2 整體降溫1.1℃對合龍段標高的影響 mm

（3）合龍前累計產生的鋼桁拱合龍位置變化

纜索吊施工過程中累計所引起的合龍段位置變化情況如表3所示。可以看出：施工階段對兩個合龍端面在X方向長度影響最大，距離減小約17.3 cm，Y方向影響較小，Z方向距離增大11.0 cm。

表3 施工過程溫度變化累計對合龍段標高的影響 mm

7 結論

（1）對橋址處氣象資料分析表明，日氣溫一般在14：30附近達到最高溫度，7：00左右達到最低溫度；合龍施工周期內，日最高溫度為33.1℃，最低氣溫為7.5℃；合龍時間內溫度變化幅度均在4℃之內，其中最大升溫幅度為3.4℃，最大降溫幅度為1.1℃。

（2）根據氣象資料分析結果，進行溫度對合龍位置影響的計算。升溫3.4℃造成兩側合龍端面在順橋向減小約30 mm，豎直方向減小3.8 mm；降溫1.1℃造成兩側合龍端面在順橋向增加約9 mm，豎直方向增加1.2 mm。