摘要：橋梁處于自然環(huán)境中，不可避免會(huì)受到太陽(yáng)輻射和周邊環(huán)境的影響，其溫度效應(yīng)直接影響橋梁的成橋質(zhì)量。文章首先通過(guò)對(duì)一個(gè)懸臂施工中的鋼箱梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出鋼箱梁的溫度主要以豎向溫度梯度為主，但還是會(huì)產(chǎn)生一定的橫向溫差的結(jié)論；其次，通過(guò)ABAQUS軟件的溫度-位移計(jì)算得出懸臂施工中的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同于成橋后的狀態(tài)，如果忽略了橫向溫差，會(huì)產(chǎn)生較大得的誤差的結(jié)論，所以在橋梁監(jiān)控中，橫向溫差雖然較小，但也需要考慮不可忽略。

關(guān)鍵詞：懸臂拼裝法"溫度效應(yīng)"撓度"橋梁監(jiān)控"有限元模擬

中圖分類號(hào)：U441+.5""""""""""""""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The"Temperature"Field"Effect"and"Control"of"the""Steel"Box"Girder"in"Cantilever"Assembly

CEHN"Junjun

（Shanghai"Civil"Engineering"Co.，"Ltd."of"CREC，"Shanghai，"201906"China）

Abstract：The"bridge"is"in"the"natural"environment"and"is"inevitably"affected"by"solar"radiation"and"the"surrounding"environment，"and"its"temperature"effect"directly"affects"the"quality"of"the"finished"bridge."Firstly，"this"paper"concludes"that"the"temperature"of"the"steel"box"girder"is"mainly"dominated"by"the"vertical"temperature"gradient，"but"therenbsp;will"still"be"a"certain"lateral"temperature"difference"through"the"field"measurement"of"a"steel"box"girder"in"cantilever"construction."Secondly，"through"the"temperature-displacement"calculation"of"ABAQUS"software，"it"also"concludes"that""the"structural"state"of"the"bridge"in"cantilever"construction"is"different"from"the"state"after"the"bridge"is"completed，""and"a"large"error"will"occur"if"the"lateral"temperature"difference"is"ignored."Therefore，"in"bridge"monitoring，"although"the"lateral"temperature"difference"is"relatively"small，"it"also"needs"to"be"considered"and"cannot"be"ignored.

Key"Words："Cantilever"assembly"method;"Temperature"effect;"Deflection;"Bridge"monitoring;"Finite"element"simulation

橋梁處于大自然中，受到太陽(yáng)輻射和周邊環(huán)境溫度的影響，會(huì)產(chǎn)生溫度梯度[1]，進(jìn)而產(chǎn)生較大的應(yīng)力及變形，產(chǎn)生的熱應(yīng)力甚至?xí)笥诨钶d產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂甚至倒塌[2-3]，處于懸臂拼裝狀態(tài)下的鋼箱梁整體穩(wěn)定性較差，對(duì)于溫度效應(yīng)更為敏感，鋼箱梁溫度場(chǎng)確定的精準(zhǔn)程度直接影響橋梁施工監(jiān)控的效果。

現(xiàn)階段，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為鋼箱梁為一維溫度模式。例如：王亞飛[4]基于氣象數(shù)據(jù)計(jì)算了鋼箱梁的溫度差，表明溫度為一維溫度模式；祝志文[5]通過(guò)實(shí)測(cè)與有限元模擬得出鋼箱梁的溫度分布主要以豎向溫度梯度為主，但橫向也可能產(chǎn)生5°左右的溫度梯度；許翔[6]對(duì)南京長(zhǎng)江大橋進(jìn)行觀測(cè)，得出鋼箱梁頂板最大溫差出現(xiàn)在冬季數(shù)值為10"℃，與豎向溫度處于同一量級(jí)；高倩[7]通過(guò)對(duì)廈門天圓大橋的觀測(cè)也得出橫向溫度梯度的存在；董旭[8]對(duì)其一個(gè)懸臂施工中的橋進(jìn)行了溫度-撓度分析，得出溫度效應(yīng)對(duì)撓度影響很大，并隨著懸臂的增加而增加。文章首先通過(guò)多天的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出鋼箱梁不僅產(chǎn)生豎向溫度梯度還會(huì)產(chǎn)生一定的橫向溫差，這與祝志文[5]的結(jié)果類似。其次，通過(guò)ABAQUS溫度-位移計(jì)算可得：懸臂施工中的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不同于成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，若忽略橫向溫差，便會(huì)產(chǎn)生較大的位移誤差，所以橋梁監(jiān)控中雖然橫向溫差較小，但也要考慮，不可忽略。

1"鋼箱梁的溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)

1.1"工程概況

文章依托工程為濟(jì)寧大道改擴(kuò)建京杭運(yùn)河橋，采用（85+100+70+65）m連續(xù)鋼箱梁，橋?qū)?9.5m。單箱雙室，跨中和邊支點(diǎn)梁高為2.5"m，JH04、JH05處梁高5.0"m，JH06處梁高4.0"m，橋面板采用正交異性板結(jié)構(gòu)。JH04～JH05墩采用懸臂法施工，橋型布置圖見圖1。

1.2"箱梁溫測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)量時(shí)間為2022年的9月21日至10月23日，分析了鋼箱梁縱、橫、豎3個(gè)方向的分布，其中縱向沿中軸線選取5個(gè)點(diǎn)，橫向在頂板取7個(gè)，底板取3個(gè)，豎向9個(gè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

1.3"鋼箱梁縱向的溫差數(shù)據(jù)分析

縱向的5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)具體分布在支座處、懸臂端頭，以及在該懸臂端段的1/4、2/4、3/4處。由于數(shù)據(jù)相似度較大，僅列出4天實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制于圖3，其中包括兩天是高溫天氣和兩天低溫天氣。通過(guò)數(shù)據(jù)可反映出縱向溫度波動(dòng)很小。

1.4"鋼箱梁橫向的溫差數(shù)據(jù)分析

橋梁的橫向溫度分析選用6組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中3組氣溫較高，3組氣溫較低。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)在外界氣溫較高時(shí)，橋梁頂板會(huì)產(chǎn)生溫差，且呈現(xiàn)非線性變化，近似于折線分布（見圖4），在外界氣溫較低時(shí)，頂板的橫向溫差也同樣變小。底板由于沒(méi)有直接太陽(yáng)照射，整體溫度低且?guī)缀鯖](méi)有溫差，如圖5所示。

1.5"豎向溫度梯度分析

由于頂板直接接受太陽(yáng)照射，而腹板和底板日照相對(duì)較小，頂板相對(duì)腹板和底板吸收熱量大許多，所以豎向溫差最為劇烈，具體數(shù)值如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，在距頂板0.8"m'的范圍內(nèi)變化最為劇烈，大于0.8"m后溫度變化逐漸緩和。

1.6"鋼箱梁溫度場(chǎng)分布

通過(guò)以上3個(gè)方向的溫度分布，鋼箱梁的溫度場(chǎng)分布主要以豎向溫度梯度為主，橫向誤差相對(duì)小，在外界溫度較高時(shí)，橫向溫差可產(chǎn)生5℃左右，可以得：在環(huán)境溫度較高時(shí)，鋼箱梁的溫度場(chǎng)分布一個(gè)二維溫度場(chǎng)，示意如圖6所示

2"鋼箱梁溫度場(chǎng)效應(yīng)分析

2.1"有限元建模

本文借助ABAQUS有限元分析程序，以殼體單元建立變截面詳細(xì)模型，單元類型為S4RT："四結(jié)點(diǎn)熱力耦合曲面薄殼。邊跨85"m懸臂段40"m，對(duì)15號(hào)塊懸臂狀態(tài)進(jìn)行分析，主要建模系數(shù)如表2所示，有限元模型如圖7、圖8所示。

2.2"溫度效應(yīng)分析

橫向溫差取4"℃，豎向溫差取10"℃，梯度模式如圖9所示。通過(guò)熱傳導(dǎo)模擬出二維溫度場(chǎng)，溫度場(chǎng)如圖10所示

計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力很小，僅在支座處產(chǎn)生少許應(yīng)力，并且沒(méi)有因橫向溫差的存在而導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生較大的橫向位移，主要以撓度為主，其次是縱向位移，如圖11所示。

現(xiàn)在的橋梁施工監(jiān)控中，無(wú)論外界環(huán)境氣溫高低，均已以一維溫度模式進(jìn)行計(jì)算，未考慮橫向溫差，顯然與實(shí)際情況不符，再加上懸臂結(jié)構(gòu)對(duì)溫度效應(yīng)更為敏感，所以在橋梁施工計(jì)算或橋梁監(jiān)控中使用一維度溫度模式會(huì)產(chǎn)生更大的誤差。筆者利用ABAQUS分析了一維和二維溫度模式下的位移，其溫度豎向溫度梯度為10"℃，計(jì)算結(jié)果見下表3所示。

通過(guò)對(duì)比兩者的計(jì)算結(jié)果，3個(gè)方向的位移具有不小的差異，一維溫度模式與實(shí)際溫度場(chǎng)分布不符，那么勢(shì)必會(huì)造成較大的誤差。所以在橋梁施工計(jì)算或橋梁監(jiān)控中宜采用二維溫度模式計(jì)算，更符合實(shí)際情況。

3"溫度場(chǎng)效應(yīng)對(duì)懸臂拼裝施工的影響與控制

3.1"溫度場(chǎng)效應(yīng)對(duì)懸臂施工的影響

連續(xù)梁在懸臂施工狀態(tài)下，不可避免地受到溫度影響。通過(guò)以上分析可得：對(duì)結(jié)構(gòu)影響主要變現(xiàn)為懸臂端出現(xiàn)下?lián)?，其次為順橋向位移。橋梁體系無(wú)論在施工中還是合龍后，均屬于靜定結(jié)構(gòu)，溫度效應(yīng)僅在支座處產(chǎn)生少許應(yīng)力，其他部位可以忽略。溫度效應(yīng)產(chǎn)生的位移會(huì)給橋梁合龍和成橋質(zhì)量造成影響，施工應(yīng)注意環(huán)境溫度，監(jiān)測(cè)鋼箱梁截面的溫度梯度，如果在連續(xù)梁橋施工中因某些原因產(chǎn)生較大的控制誤差，由于這類橋型可調(diào)手段較少而主梁剛度較大，在后續(xù)施工中很難將誤差調(diào)整過(guò)來(lái)。

3.2"控制技術(shù)

對(duì)于大跨懸臂拼裝鋼結(jié)構(gòu)橋而言，成橋后的主梁線形主要取決于施工過(guò)程中的橋面及箱梁梁底標(biāo)高的實(shí)施準(zhǔn)確程度，為此，在拼裝的標(biāo)高放樣時(shí)，考慮溫度影響的主動(dòng)修正是十分必要的。

經(jīng)過(guò)有限元分析可得，在溫度的影響下的撓度曲線是一個(gè)規(guī)律的函數(shù)曲線，所以依據(jù)這種特性，可以依據(jù)已知的標(biāo)高擬合出函數(shù)關(guān)系，然后推算出未知的標(biāo)高，具體做法如圖12所示，可以以主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高為基準(zhǔn)線，在其任意溫度情況下，對(duì)主梁標(biāo)高進(jìn)行補(bǔ)償修正。選取若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)位，并測(cè)出其相對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)高的高差，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，推算出下一段梁端頭的位移。通過(guò)反加擬合的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度影響修正。

理論解析如圖13所示，δ1，δ2，δ3，…，δn為溫差引起的梁的撓度變化，現(xiàn)在需要確定δn。即通過(guò)擬合δ1，δ2，δ3，…，δn-1推算出δn。

4"結(jié)論

文章通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元分析得出如下結(jié)論：

（1）在高溫天氣下，橋梁的溫度場(chǎng)分布為二維溫度模式；

（2）溫度效應(yīng)引起的變形主要以豎向撓度為主，其次是縱向；

（3）橋梁施工計(jì)算或橋梁監(jiān)控中，宜采用二維溫度模式。

參考文獻(xiàn)

[1]"LEANNE"L，KERI"L"R，IAN"G"B.Bridge"Temperature"Profilesrevisited：Thermal"Analyses"Based"on"Recent"Meteorologicaldata"from"Nevada.[J].Journal"of"Bridge"Engineering，2020，25（1）：04019124.

[2]"劉永健，劉江，張寧.橋梁結(jié)構(gòu)日照溫度作用研究綜述[J].土木工程學(xué)報(bào)，2019，52（5）：59-78.

[3]"TONG"M，THAM"L"G，AU"T"K，et"al.Numerical"Modellingfor"Temperature"Distribution"in"Steel"Bridges[J].Computers"and"Structures，2001，79（6）：583-593.

[4]"王亞飛，楊宏印，王瑩，等.鋼箱梁豎向溫度梯度模式研究：以武漢市某高架橋鋼箱梁為例[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，43（2）：202-206.

[5]"祝志文，桂飄，滕華俊，F(xiàn)ederico"Accornero.正交異性鋼橋面構(gòu)造細(xì)節(jié)的日照溫度次應(yīng)力分析[J].工程力學(xué)，2022，39（8）：158-171.

[6]"許翔，黃僑，任遠(yuǎn)，等.大跨鋼斜拉橋?qū)崪y(cè)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，51（9）：14-21.

[7]"高婧，林嘉望，王伯榮.基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的扁平鋼箱梁日照溫度效應(yīng)研究[J].世界橋梁，2021，49（4）：69-76.

[8]"董旭，蔚龍祥，路軍，等.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋溫度-撓度試驗(yàn)研究[J].公路工程，2016，41（3）：198-202.