劉國飛

（1.鐵正檢測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)的橋型為混凝土橋與鋼箱梁橋，對(duì)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(jì)規(guī)范》（TB 10002—2017）［14］，針對(duì)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(duì)于日照溫差（溫度梯度作用）考慮較少，并不完善。除此之外，對(duì)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(duì)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?yàn)橐劳?，根?jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(chǎng)。建立施工階段溫度場(chǎng)有限元模型，對(duì)比分析均勻溫度作用與梯度溫度作用對(duì)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(cè)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(jì)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(cè)試方案

針對(duì)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(jì)溫度場(chǎng)測(cè)試方案，探究施工過程中溫度梯度作用對(duì)橋梁的應(yīng)力和線形的影響，對(duì)橋梁橫斷面的部分桿件溫度，進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測(cè)，溫度測(cè)點(diǎn)布置在4號(hào)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(cè)點(diǎn)，具體位置見圖2b。

圖2 溫度測(cè)點(diǎn)布置

3 溫度梯度擬合

溫度梯度作用屬于短時(shí)作用，可以選取某一溫差較大的時(shí)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(chǎng)分布不均勻，因此，本文選取2月份16：00溫度測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)見表3。上弦桿取4號(hào)與5號(hào)測(cè)點(diǎn)的平均溫度代表該處溫度，豎桿取19號(hào)與20號(hào)的平均溫度代表此位置處的溫度。對(duì)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(cè)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(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)見表5，對(duì)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(cè)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(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)見表7，對(duì)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(cè)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(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)，22 096個(gè)單元。橋梁采用龍門吊懸臂拼裝對(duì)稱施工，選擇4號(hào)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(shí)，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(duì)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(jì)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(hào)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(duì)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(duì)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(chǎng)有限元模型，依據(jù)上述擬合結(jié)果，考慮溫度梯度作用對(duì)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(duì)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(shí)，橋梁會(huì)產(chǎn)生向上的位移趨勢(shì)，當(dāng)結(jié)構(gòu)整體降溫時(shí)，橋梁會(huì)產(chǎn)生向下的位移趨勢(shì)，其中降溫作用會(huì)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(duì)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(shí)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(duì)比分析均勻溫度作用與溫度梯度作用對(duì)橋梁應(yīng)力的影響可知，均勻溫度作用對(duì)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(duì)比分析均勻溫度作用以及溫度梯度作用對(duì)橋梁豎向位移的影響可知，均勻溫度作用下，升溫作用會(huì)使下弦桿產(chǎn)生向上的位移趨勢(shì)，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較為有利；降溫作用會(huì)使下弦桿產(chǎn)生向下的豎向位移，對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)線形影響較為不利，應(yīng)加以控制。