大跨長聯(lián)連續(xù)鋼桁梁橋施工階段溫度效應(yīng)研究

劉國飛

（1.鐵正檢測科技有限公司 山東濟(jì)南 250014；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250014）

1 前言

連續(xù)鋼桁梁橋其自身主要材料為鋼材，鋼材導(dǎo)熱較快，對溫度變化敏感，在太陽輻射以及大氣環(huán)境影響下，橋梁自身溫度變化明顯［1－3］。國外學(xué)者［4－6］的研究大多集中在鋼箱梁橋等其他結(jié)構(gòu)形式，而對于此類橋型研究較少。我國學(xué)者［7－13］關(guān)于溫度效應(yīng)研究主要針對的橋型為混凝土橋與鋼箱梁橋，對于空間立體結(jié)構(gòu)研究較少。我國鐵路現(xiàn)行規(guī)范《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002—2017）［14］，針對此類空間立體結(jié)構(gòu)的溫度荷載，更多地考慮年溫差變化（均勻溫度作用），而對于日照溫差（溫度梯度作用）考慮較少，并不完善。除此之外，對于大跨度橋梁而言，其施工周期較長，存在跨季節(jié)施工問題，因此需要考慮年溫差變化對于橋梁施工過程產(chǎn)生的影響。

基于上述原因，本文以某公鐵兩用連續(xù)鋼桁梁橋為依托，根據(jù)現(xiàn)場實測溫度數(shù)據(jù)，擬合出施工階段橋梁橫斷面橫向以及豎向的溫度梯度進(jìn)而求出施工階段橋梁溫度場。建立施工階段溫度場有限元模型，對比分析均勻溫度作用與梯度溫度作用對施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生的影響。

2 工程背景與測試方案

（1）工程背景

該橋跨徑為112 m＋6×168 m＋112 m，橋梁全長1 232 m，設(shè)計為三片主桁結(jié)構(gòu)。下層橋面為雙向4線鐵路，上層公路橋面為雙向6車道。結(jié)構(gòu)大部分桿件材料為Q370qE鋼材，墩頂部分桿件采用Q420qE鋼材，施工方式為采用龍門吊懸臂拼裝。橋址處氣候條件較好，年平均氣溫為15.1℃，夏季極端天氣最高氣溫42.5℃，冬季極端天氣最低氣溫為－11℃。全橋布置見圖1。

圖1 全橋布置

（2）測試方案

針對該橋施工過程中日照溫差引起的溫度效應(yīng)問題開展相關(guān)研究。設(shè)計溫度場測試方案，探究施工過程中溫度梯度作用對橋梁的應(yīng)力和線形的影響，對橋梁橫斷面的部分桿件溫度，進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測，溫度測點(diǎn)布置在4號墩墩頂斷面處，見圖2a。沿梁截面高度方向以及橫向分別布置了若干測點(diǎn)，具體位置見圖2b。

圖2 溫度測點(diǎn)布置

3 溫度梯度擬合

溫度梯度作用屬于短時作用，可以選取某一溫差較大的時刻作為最不利溫度梯度進(jìn)行擬合，一般下午太陽輻射較為強(qiáng)烈，且橫豎向溫差較大，溫度場分布不均勻，因此，本文選取2月份16：00溫度測試數(shù)據(jù)，分別擬合三片主桁豎向溫度梯度及上平聯(lián)橫向溫度梯度，采用分段函數(shù)進(jìn)行擬合。

（1）上游邊桁豎向溫度梯度擬合

上游邊桁豎向各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)見表1，將表1中數(shù)據(jù)擬合成圖，見圖3，擬合方程見表2。

表1 上游邊桁測點(diǎn)溫度分布情況

表2 上游邊桁溫度梯度擬合方程

圖3 上游邊桁溫度擬合

上游邊桁溫度數(shù)值由上到下依次減小，豎向最大溫差為5.9℃（豎向溫差主要由太陽輻射引起）。表2中：R2為校正決定系數(shù)，此值越接近于1，表示線段擬合效果越理想；x為距梁頂高度；y為溫度（下文中x、y均代表此含義）。

（2）中桁豎向溫度梯度擬合

中桁各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)見表3。上弦桿取4號與5號測點(diǎn)的平均溫度代表該處溫度，豎桿取19號與20號的平均溫度代表此位置處的溫度。對中桁豎向溫度梯度進(jìn)行擬合，擬合過程見圖4，擬合方程見表4。

表3 中桁測點(diǎn)溫度分布情況

圖4 中桁溫度擬合

表4 中桁溫度梯度擬合方程

（3）下游邊桁豎向溫度梯度擬合

下游邊桁各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)見表5，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，擬合線段見圖5，擬合方程見表6。

表5 下游邊桁測點(diǎn)溫度分布情況

圖5 下游邊桁溫度擬合

表6 下游邊桁溫度梯度擬合方程

（4）上平聯(lián)橫向溫度梯度擬合

上平聯(lián)各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)見表7，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，擬合線段見圖6，擬合方程見表8。

表7 上平聯(lián)測點(diǎn)溫度分布情況

表8 上平聯(lián)橫向溫度梯度擬合方程

圖6 上平聯(lián)溫度擬合

4 溫度效應(yīng)對最大懸臂狀態(tài)下橋梁受力性能影響

4.1 施工階段有限元模型構(gòu)建

有限元模型共21 062個節(jié)點(diǎn)，22 096個單元。橋梁采用龍門吊懸臂拼裝對稱施工，選擇4號墩向合龍口架設(shè)過程進(jìn)行研究，當(dāng)橋梁施工至最大懸臂狀態(tài)時，其內(nèi)力與線形均處于較不利狀態(tài)，因此選擇該工況研究溫度效應(yīng)對橋梁受力性能產(chǎn)生的影響。

橋梁溫度荷載分兩種類別考慮，其一考慮跨季節(jié)施工給橋梁帶來的影響，即按均勻溫度作用考慮（年溫差變化）；其二為溫度梯度作用（日照溫差）。其中均勻溫度作用，依據(jù)我國鐵路現(xiàn)行規(guī)范《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002—2017）［12］需考慮橋址處極端氣溫，因此，模型初始溫度按15℃設(shè)定，整體升降溫40℃，即最高氣溫55℃、最低氣溫－25℃。溫度梯度作用結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)以及上述擬合結(jié)果施加于模型，見圖7。

圖7 有限元模型

4.2 應(yīng)力分析

（1）均勻溫度作用影響

在自重與整體升降溫共同影響下，下弦桿各桿件順橋向（從4號墩墩頂沿橋梁順橋向的距離）應(yīng)力變化情況見表9，將其繪制成圖見圖8。

表9 溫度荷載與自重作用下弦桿應(yīng)力

圖8 均勻溫度作用下弦桿應(yīng)力

由圖8可知，在自重影響下，靠近墩頂附近的下弦桿所受應(yīng)力影響較大，中桁下弦桿最大應(yīng)力為－43.2 MPa，邊桁下弦桿最大應(yīng)力為 －40.5 MPa。在考慮均勻溫度作用影響之后，結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力較小，在±1 MPa以內(nèi)。由此可知，對于最大懸臂狀態(tài)下的公鐵兩用連續(xù)鋼桁梁橋而言，均勻溫度作用對其應(yīng)力影響較小。

（2）溫度梯度作用影響

建立施工階段溫度場有限元模型，依據(jù)上述擬合結(jié)果，考慮溫度梯度作用對橋梁應(yīng)力產(chǎn)生的影響。溫度梯度與結(jié)構(gòu)自重共同作用下，下弦桿應(yīng)力見表10、圖 9。

表10 自重與溫度梯度作用下弦桿應(yīng)力

圖9 自重與溫度梯度作用下弦桿應(yīng)力

由圖9可知，由于各桁之間的溫度梯度并不相同，存在橫向溫差，因此邊桁與中桁所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力并不相同。其中邊桁由溫度引起的應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，中桁所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力以拉應(yīng)力為主；在靠近墩頂附近的下弦桿應(yīng)力較大，邊桁由溫度引起的應(yīng)力最大為1.8 MPa，與自重引起的應(yīng)力相比，增大了4.6%，下弦桿其他位置處，溫度應(yīng)力最大可達(dá)到3.4 MPa。由此可以看出，與均勻溫度作用產(chǎn)生的影響相比，溫度梯度作用對橋梁應(yīng)力影響更加明顯。

4.3 豎向位移分析

（1）均勻溫度作用影響

在自重與均勻溫度作用影響下，下弦桿沿順橋向豎向位移變化情況見表11、圖10。

表11 溫度荷載與自重作用下弦桿豎向位移

圖10 自重與均勻溫度作用下弦桿豎向位移

在自重影響下，橋梁懸臂端處產(chǎn)生了較大的豎向位移，邊桁豎向位移最大為－12 cm，中桁豎向最大位移為－12.2 cm。在考慮溫度荷載以后，當(dāng)結(jié)構(gòu)整體升溫時，橋梁會產(chǎn)生向上的位移趨勢，當(dāng)結(jié)構(gòu)整體降溫時，橋梁會產(chǎn)生向下的位移趨勢，其中降溫作用會使下弦桿懸臂端處產(chǎn)生向下－0.7 mm的豎向位移，與自重作用下的豎向位移相比，豎向位移增大了5.7%。

（2）溫度梯度作用影響

在自重與溫度梯度作用影響下，下弦桿沿順橋向豎向位移變化情況見表12、圖11。

圖11 自重與溫度梯度作用下弦桿豎向位移

表12 自重與溫度梯度作用下弦桿豎向位移

考慮溫度梯度作用后，下弦桿在懸臂端處產(chǎn)生較大的豎向位移，其中邊桁為－13.3 cm，中桁為－13.5 cm。與均勻溫度作用引起的豎向位移相比，溫度梯度作用更加明顯。

5 結(jié)論

（1）通過對施工階段大跨長聯(lián)公鐵兩用連續(xù)鋼桁梁橋溫度梯度進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，其豎向溫差的大小主要取決于太陽輻射強(qiáng)度以及照射時間；下游邊桁與中桁由于沒有受太陽直射，因此其溫度梯度相接近。

（2）對比分析均勻溫度作用與溫度梯度作用對橋梁應(yīng)力的影響可知，均勻溫度作用對橋梁應(yīng)力影響較小，由其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力在±1 MPa左右；相比較而言溫度梯度作用引起的溫度應(yīng)力較大，局部應(yīng)力可達(dá)到3.4 MPa。

（3）對比分析均勻溫度作用以及溫度梯度作用對橋梁豎向位移的影響可知，均勻溫度作用下，升溫作用會使下弦桿產(chǎn)生向上的位移趨勢，對結(jié)構(gòu)影響較為有利；降溫作用會使下弦桿產(chǎn)生向下的豎向位移，對結(jié)構(gòu)影響較為不利。溫度梯度作用引起下弦桿懸臂端處產(chǎn)生向下－1.3 cm的豎向位移，與自重作用引起的豎向位移相比，增大10.7%，對結(jié)構(gòu)線形影響較為不利，應(yīng)加以控制。