雒建強

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

斜拉橋的斜拉索是重要承重受力構件，斜拉索索力的大小與穩(wěn)定性直接關乎斜拉索和橋梁的安全性。運行中的斜拉橋每年都需要開展一次全面的斜拉索索力測量，繪制索力變化趨勢圖，為判斷斜拉橋的結構力學狀態(tài)和評估橋梁安全性提供數據參考。但在實際的斜拉索索力測量工作中，因受環(huán)境因素、阻尼器、梁振動、測量方法等諸多因素的影響，測量計算出的斜拉索力往往存在一定誤差，而誤差的存在會影響結構安全評估的準確性。如何減少外界因素對斜拉索力測量工作的影響，切實提高斜拉橋的結構安全性評估的準確性成為亟需解決的問題之一。相較于其他影響因素，環(huán)境因素一直以來都沒有得到重視，本文就同一基準條件下，針對環(huán)境溫度變化對索力變化產生的影響展開研究。

1 工程概況

新建北京至沈陽鐵路客運專線安匠跨承唐高速公路大橋，主橋為（115+95）m 斜拉橋，其余邊跨實施現澆梁澆筑方式。墩塔梁固結，斜拉索呈扇形布置。主梁全長211.5m，計算跨度為（115+95）m，邊支座中心線至梁端0.75m。

2 環(huán)境溫度對斜拉索索力測量的影響

在斜拉橋的結構組成中，斜拉索屬于不可或缺的承重受力構件，其將主梁重力及其他可變荷載傳遞至主塔，以維持受力的合理性，保證斜拉橋的整體穩(wěn)定性。斜拉橋普遍為多次超靜定結構，結構內力易受索力的影響，即便僅有單根索力發(fā)生變化，也會直接導致結構內力的改變，使結構實際受力狀態(tài)偏離預期，對斜拉橋結構的穩(wěn)定性造成影響，埋下安全隱患。橋梁運行期間，需要按照每年至少一次的頻率對斜拉索索力進行檢測，掌握索力在特定階段的變化趨勢，并以此為依據，判斷結構的力學狀態(tài)，在此基礎上對結構的安全性作出客觀評估。需要注意的是，斜拉索索力測量具有復雜性，現場環(huán)境因素、梁振動等均會對該項工作的開展造成不同程度的影響，如何有效剔除各項因素的影響至關重要。在各類影響因素中，以環(huán)境因素中的溫度尤為關鍵，其對索力測量具有顯著的影響，必須探明具體的影響機制，予以有效控制。

3 溫度效應理論

3.1 溫度荷載

當外部環(huán)境發(fā)生變化時，結構的溫度也會隨之改變，結構中的每一部分又會因為溫度的改變而產生膨脹或收縮的情況。環(huán)境溫度變化后，結構物會發(fā)生膨脹或收縮現象，但結構因受外在約束和內部結構間的相互約束，使得膨脹或收縮情況無法自由發(fā)展，這種因為環(huán)境溫度變化而產生的應力稱為溫度應力。影響混凝土結構溫度應力的主要影響因素是環(huán)境溫度場，即橋位所處位置環(huán)境溫度的變化。溫度荷載是混凝土結構溫度場變化的影響因素。從影響時間的長短來分析，環(huán)境溫度場可以分為短期與長期兩種，而這兩種形成的溫度荷載也存在差異。

3.2 確定日照溫度場的重要性

受各種天氣的影響，斜拉橋結構內部和表面會發(fā)生溫度變化，環(huán)境溫度場隨之變化，產生溫度荷載。在不同環(huán)境溫度場下，斜拉橋的索、梁、塔等構件的溫度應力有所不同，測量計算所得箱內溫度應力值和位移值往往存在一定誤差。為了提高溫度應力和溫度荷載計算的精確性，技術人員應基于“熱彈性力學”原理，結合施工所在地的施工環(huán)境，采用最佳的計算模式，確定結構內部的溫度應力，對太陽輻射下斜拉橋索、梁、塔溫度數據進行觀察和測量，獲得真實有效的數據，進行專業(yè)分析，精準確定日照溫度場。

3.3 日照溫度場的形成與特點

在施工環(huán)境中，混凝土結構會以輻射、對流和傳導等方式與外部環(huán)境進行熱交換，因而整個結構物的溫度分布并不一致，不同部位的溫度差異較大。分析實際日照溫度場形成可以發(fā)現，對橋梁結構日照溫度變化影響最大的因素是太陽輻射、氣溫變化與風速，具有短時急變、分布不均、內外部差異大等特點。若不對溫度應力進行控制，將極易引發(fā)裂縫病害的出現，影響混凝土結構的安全性和長期使用。短期的溫度變化常因冷空氣或寒潮引起，在考量日照溫度場時主要分析氣溫變化和風速這兩大影響因素。雖然短期溫度變化會產生較大的溫度應力，但可控性較大，不會超出溫度荷載范圍，對結構物的影響較為平衡。相較于短期溫度變化來說，結構物位移影響最大的因素是年溫變化。因而，應加強年溫變化對結構物的影響，研究最高月平均溫度、最低月平均溫度及年平均溫度下結構物的溫度應力變化。

4 監(jiān)測系統(tǒng)數據分析

隨著溫度的變化，斜拉索會發(fā)生伸長或縮短，但從斜拉索的布置情況來看，其兩端均得到錨固處理，即便溫度發(fā)生大幅度的波動，斜拉索也無法自由伸縮，導致斜拉索需承受溫差產生的附加內力，即溫度荷載。

溫度對斜拉索狀態(tài)的影響具有多重性，需要分情況考慮，主要有季節(jié)性溫差和日溫差兩類。相比之下，季節(jié)性溫差的變化較為平緩，幾乎不存在忽然性的溫度改變，對斜拉索索力的影響相對較弱。然而，不同斜拉橋建設材料的熱傳導系數不盡相同，即便在氣溫變化趨勢相同的條件下，各材料的溫差表現仍不盡相同，以索、梁、塔三大結構為例，由于各自溫差的差異化，導致其溫度變形步調不同，存在較強的結構附加內力。

為了了解斜拉橋各結構的溫度，可引入橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，測定橋梁結構升降溫和各溫差的量級，然后利用有限元計算模型對相關數據展開分析，判斷各溫度對索力的影響機制。斜拉索材料普遍具有截面積小、溫度導熱快等特點，從這一角度來看，斜拉索的溫度與環(huán)境溫度基本一致。以8 月的某一周為例（該階段北方溫度變化較明顯），獲取具體的溫度監(jiān)測數據，發(fā)現橋塔溫度雖然有所變化但較為平緩，幾乎達到恒溫狀態(tài)；相比之下，現澆梁和斜拉索兩者的溫度有較大幅度的波動。在確定各部分的溫度后，用現澆梁溫度、斜拉索溫度分別減去索塔溫度，可獲得兩條溫差曲線圖?，F澆梁、斜拉索兩者與橋塔的最大溫差分別為13.8℃和7℃，且溫差并非始終一致，具有隨晝夜日出日落而變化的特點。此外，不同構件的溫差效應較為明顯，需要加強分析，明確溫差對結構的影響。

5 結構計算分析

以橋梁圖紙為基準，根據其中的信息構建全橋桿系有限元模型，具體考慮3種工況：全橋整體升溫10℃、斜拉索有10℃的正溫差、現澆梁有10℃的正溫差。建模結果如圖1所示。3種工況下索力的具體情況如表1所示。

圖1 整體計算模型示意圖

表1 Z6塔兩側短索在各溫度工況下的索力變化結果

可以得知，隨著溫度的改變，各處斜拉索的索力均有所變化且程度不盡相同。以Z6 塔邊跨側左幅內側最短索為例，分析此時的正溫差索力影響比例，對于斜拉索而言該值最大達到：-4.6%×7/10=-3.22%；對于現澆梁而言，該值最大達到-3.2×13.8/10=-4.42%。由此進一步得知，合計溫差影響比例為7.64%。

索力變化在達到10%以上時，認為索力存在顯著波動的情況，需要加強分析與控制。在測量索力后，基于測定結果，用監(jiān)測系統(tǒng)以精細化的方式完成溫度修正工作，切實提高索力測試精度。

依然以Z6 塔邊跨側左幅內側最短索為例，完成對該部分索力的溫差修正操作，具體公式如下：

式（1）～式（4）中：F為修正后的索力；Fc為實測索力值；ΔT1為根據監(jiān)測系統(tǒng)查得的斜拉索相當于索塔的溫差；ΔT2為根據監(jiān)測系統(tǒng)查得的斜拉索相當于索塔的溫差；ΔT3為根據監(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℃）。

6 相關建議

（1）拉索、現澆梁及索塔三大結構存在較大的溫差效應，會直接對斜拉索的索力造成影響，而索力的改變將威脅到全橋的穩(wěn)定性與安全性，因此必須加大索力測量和分析力度。

（2）將測量的索力換算至統(tǒng)一的溫度基準下，以便更為準確地分析，保證索力對比分析結果有足夠的參考價值。

（3）環(huán)境溫度對斜拉索的索力有顯著影響，因此需要將其作為重點分析對象；阻尼器參數、梁振動程度等多項因素也會對斜拉索索力帶來不同程度的影響，因此在后續(xù)分析中，需要兼顧各項因素，以便更為精準地分析及控制索力，保證斜拉索和斜拉橋的穩(wěn)定性。

（4）合理應用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的必要性，應全天候監(jiān)測，及時掌握橋梁結構的受力特性，獲取相關監(jiān)測數據，并據此采取適當的養(yǎng)護措施。除此之外，完整記錄和保存各項橋梁健康監(jiān)測數據，確保后續(xù)存在需求時可及時調取。

7 結語

綜上所述，受環(huán)境溫度的影響，斜拉橋的斜拉索索力易發(fā)生變化，進而產生應力作用，影響斜拉索甚至全橋的正常使用。本文圍繞環(huán)境溫度對斜拉索索力測量的影響進行了深入探析，并提出若干建議，供類似工程參考。