溫度效應對預應力π型梁斜拉橋受力性能的影響分析

黃俊強

【摘要：】文章以某預應力π型梁斜拉橋為研究對象，利用Midas Civil軟件建立有限元模型，分別研究了整體溫度變化和斜拉索局部溫度變化下對預應力π型梁斜拉橋的主梁撓度、應力、主塔位移及索力變化的影響。研究結果表明：預應力π型梁斜拉橋整體溫度變化對于斜拉索索力值、主梁豎向位移影響顯著，對主梁應力的影響較小;溫度效應作用下位于輔助墩、主塔及長主跨活載作用下的主梁最大彎矩處應力變化最為明顯;斜拉索局部溫度的變化對斜拉索索力值、主梁豎向位移、主塔水平位移、主梁應力的影響均要比斜拉橋整體溫度變化時的影響大。

【關鍵詞：】溫度效應;預應力π型梁斜拉橋;有限元;撓度變化;索力變化

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0 引言

由于斜拉橋在造型、跨距、剛度、通航等方面具有比較優異的表現，故廣泛應用于我國中小跨徑橋梁工程的建設之中[1-2]?，F階段，國內大部分斜拉橋采用的主梁形式一般為閉合箱形截面主梁，該類型主梁具有橫向受力能力好、抗彎剛度優的特點。但近年來斜拉橋的設計跨徑逐漸增大，其主梁結構所承受的荷載在一定程度上也隨之增加，為了控制主梁結構的自重，橋梁設計師們提出了一種新型的π型截面形式主梁，不僅可以有效地減輕結構自重，同時還便于懸臂施工且承載性能良好[3]。

本文以某預應力π型梁斜拉橋為研究背景，采用有限元軟件Midas Civil建立實橋模型，針對整體溫度變化和斜拉索局部溫度變化下的預應力π型梁斜拉橋受力性能進行數值分析，以期為π型梁斜拉橋的設計工作提供參考與借鑒。

1 工程背景

該預應力π型梁獨塔斜拉橋全長610.6 m，主橋跨徑組合為（39.9+89.1+151）m，為采用“H”型獨塔雙索面PC梁斜拉橋，橋面雙向2.0%的橫坡，設計荷載為城-A級。主橋共有18對斜拉索，斜拉索布置在主梁邊緣0.6 m處。主梁及主塔的混凝土標號為C50，輔助墩的混凝土標號為C40。預應力鋼束采用Φs15.2 mm的低松弛高強預應力鋼絞線，彈性模量為1.95×105 MPa，標準強度為1 860 MPa。該預應力π型梁斜拉橋主橋橋型布置如圖1所示。

2 有限元模型建立

采用大型橋梁結構分析軟件Midas Civil建立預應力π型梁斜拉橋的有限元模型，主梁和主塔采用平面梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。本次建立的有限元模型共有473個節點，389個單元。

斜拉橋固結體系通過主梁與主塔共用節點方式模擬，輔助墩與主梁、斜拉索與主梁及主塔均采用剛性連接模擬。實橋有限元模型如圖2所示。

3 溫度效應影響分析

溫度效應對預應力π型梁斜拉橋的受力性能影響可分為整體溫度變化的影響和局部溫度變化的影響。整體溫度變化一般認為是由季節性溫度變化引起的，有限元分析中可調整各結構內部溫度的變化進行模擬分析。而局部溫差是由于日照變化而引起的部分結構內部溫度發生的非線性變化[4]。

3.1 整體溫度變化的影響分析

整體溫度的變化對預應力π型梁斜拉橋的影響是考慮橋梁結構中所有構件在同時升溫或降溫時對橋梁結構內力及線形的影響。本文在參考相關文獻的基礎上，分別模擬整體溫度在升溫10 ℃、30 ℃和降溫10 ℃、30 ℃時對預應力π型梁斜拉橋結構內力及線形的影響[5-6]。計算及分析結果如圖3～7所示。

整體溫度對于π型梁斜拉橋的影響，具體數值分析計算結果如下：

（1）由圖3可以得出：預應力π型梁斜拉橋的索力值在整體溫度變化時波動較大。除Z5～Z11斜拉索外，整體升溫時其余斜拉索索力值會降低，整體降溫時其余斜拉索索力值會增大。Z18斜拉索索力值在整體升溫或降溫時變化值均最大，其最大變化值分別為65.6 kN、132.1 kN。整體升溫或降溫的幅度越大，斜拉索索力值的變化幅度也越為明顯。

（2）由圖4可以得出：預應力π型梁斜拉橋的長主跨豎向位移在整體溫度變化時的位移值變化較大，豎向位移最大變化值為12.09 mm。主梁豎向位移的變化同整體溫度的變化呈線性變化趨勢，當整體溫度變化越大時，主梁豎向位移變化也越大。

（3）由圖5可以得出：預應力π型梁斜拉橋的主塔水平位移增減趨勢同整體溫度變化呈線性相關，當溫度變化不斷增大時，水平位移變化值也隨之增大。從圖5的變化曲線來看，整體溫度變化10 ℃時對應主塔最大水平位移變化值為1.87 mm，整體溫度變化30 ℃時對應主塔最大水平位移變化值為3.69 mm，基本呈線性關系。

（4）由圖6可以得出：預應力π型梁斜拉橋的主梁上緣應力在整體溫度變化時對其影響較小，主要對輔助墩、主塔及長主跨在活載作用下最大彎矩處的應力影響顯著。當整體溫度不斷升高時，主梁上緣應力變化幅度逐漸減小;當整體溫度不斷降低時，主梁上緣應力變化幅度逐漸增大。

（5）由圖7可以得出：預應力π型梁斜拉橋的主梁下緣應力在整體溫度變化方面對其影響較小，主梁下緣應力變化幅度趨勢與整體升、降溫變化趨勢相同，即整體升溫或降溫幅度越大，對主梁下緣應力影響越大。主梁下緣應力的變化趨勢同主梁上緣應力變化趨勢基本一致。

3.2 斜拉索局部溫度變化的影響分析

斜拉索作為斜拉橋中的重要受力構件，在橋梁實際運營中也會出現溫度上的變化。通過查閱相關參考文獻，認為斜拉索的溫度變化也會引起斜拉橋內力及線形的變化[7]。本文通過模擬斜拉索溫度分別上升10 ℃、30 ℃和下降10 ℃、30 ℃時，對預應力π型梁斜拉橋的內力及線形的變化進行相關分析討論，如圖8～12所示。

（1）由圖8可以得出：預應力π型梁斜拉橋斜拉索索力值的大小受斜拉索局部溫度變化的影響較大。在斜拉索局部升溫的情況下，大部分斜拉索索力值在一定程度上減小，僅局部斜拉索索力值出現增加的情況，而局部降溫對結構受力影響趨勢與局部升溫相反。斜拉索局部升溫、降溫對B18及Z18兩側長斜拉索影響最為顯著，索力最大變化值分別可達到456.8 kN、962.8 kN。

（2）由圖9可以得出：預應力π型梁斜拉橋在斜拉索局部溫度發生變化時，主梁豎向位移變化較為明顯。主梁豎向位移變化趨勢同斜拉索局部溫度變化趨勢相反，即局部溫度上升引起主梁豎向位移減小，局部溫度下降引起主梁豎向位移增加。而且斜拉索局部溫度變化對輔助跨及短主跨主梁豎向位移的影響遠小于對長主跨的影響，短主跨主梁豎向位移變化最大值僅為9.58 mm，而長主跨主梁豎向位移變化最大值發生在活載作用下主梁最大彎矩處，最大值可達104.12 mm。

（3）由圖10可以得出：當斜拉索局部溫度發生變化時，預應力π型梁斜拉橋主塔水平位移的變化趨勢同斜拉索局部溫度變化趨勢相同，即局部溫度上升引起主塔水平位移增加，局部溫度下降引起主塔水平位移減小。在局部溫度變化30 ℃情況下，主塔塔頂水平位移變化值最大可達25.12 mm。

（4）由圖11可以得出：隨著斜拉索局部溫度的變化，預應力π型梁斜拉橋主梁上緣應力也出現較大的波動。變化最大位置處于輔助墩、主塔及長主跨活載作用下主梁最大彎矩處，應力變化最大值分別為1.39 MPa、2.87 MPa、2.59 MPa。輔助墩及主塔附近處主梁上緣應力變化趨勢同斜拉索局部溫度變化趨勢相同，即斜拉索局部溫度上升引起主梁上緣應力增加，但長主跨最大彎矩處附近主梁應力變化趨勢同斜拉索局部溫度變化趨勢相反，即斜拉索局部溫度上升引起主梁上緣應力減小。

（5）由圖12可以得出：隨著斜拉索局部溫度的不斷變化，預應力π型梁斜拉橋主梁下緣應力的變化也非常顯著。影響趨勢與主梁上緣應力相反，長主跨最大彎矩處主梁下緣應力變化峰值遠大于輔助墩及主塔處主梁下緣應力變化峰值，最大應力變化值為4.65 MPa。

4 結語

本文通過對預應力π型梁斜拉橋整體溫度及斜拉索局部溫度變化對橋梁的內力及線形的影響進行了相關分析，得到以下主要結論：

（1）預應力π型梁斜拉橋整體溫度變化對于預應力π型梁斜拉橋的索力值、主梁豎向位移影響顯著，對主梁應力的影響較小。

（2）預應力π型梁斜拉橋在溫度效應作用下位于輔助墩、主塔及長主跨活載作用下主梁最大彎矩處應力變化最為明顯。

（3）預應力π型梁斜拉橋斜拉索局部溫度的變化對斜拉索索力值、主梁豎向位移、主塔水平位移、主梁應力的影響均要比斜拉橋整體溫度變化時的影響大。

參考文獻：

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[3]張永健，劉旭政，饒文真.雙肢人字形獨塔斜拉橋整體溫度效應影響研究[J].公路，2017，62（2）：65-70.

[4]顏東煌，陳常松，涂光亞.混凝土斜拉橋施工控制溫度影響及其現場修正[J].中國公路學報，2006（4）：71-76.

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