温度效应对既有大跨径PC斜拉桥索力与线形的影响研究

广东交通职业技术学院学报

JOURNALOFGUANGDONGCOMMUNICATIONPOLYTECHNICVol.15No.4December2016

文章编号：1671-8496-(2016)-04-0029-06

温度效应对既有大跨径PC斜拉桥索力与线形的影响研究

王

伟1,2,3，靳国胜2，黄

博1，张玉平4

（1.重庆中检工程质量检测有限公司，重庆400025；2.重庆中设工程设计股份有限公司，重庆400025；3.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；4.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙410114）摘

要：斜拉桥是由索-梁-塔组成的超静定空间结构，其索力与线形的合理变化是桥梁结构安全运营的保

障，对于明显的差异性则须研究其成因。通过对西南地区某既有大跨径PC斜拉桥的索力与线形的监测对比发现存在较大差异性，而外观调查未发现明显的结构性病害。为研究探讨其形成原因，首先运用有限元理论知识建立了桥梁的三维空间仿真分析模型，然后考虑到监测时间的温度差异，针对性地进行了整体升温、索梁正温差、主梁及主塔日照正温差等4种温度效应的研究。研究结果表明：不同的温度效应对某一参数影响不同，同一种温度效应对不同的参数影响不同。就本桥而言，索梁正温差与主梁日照正温差是造成实测索力与线形差异性的主要原因，对既有大跨径PC斜拉桥的安全性评估必须考虑温度效应的影响，需对实测关键参数进行修正，消除温度效应影响后的斜拉桥索力与线形差异性明显减小，结构处于安全状态。关键词：PC斜拉桥；索力；线形；温度效应；差异性中图分类号：U448.2

文献标识码：A

StudyofTemperatureEffectonCableForceandAlignment

oftheExistingLong-spanPCCable-stayedBridge

WANGWei1,2,3,JINGuo-sheng2,HUANGBo1,ZHANGYu-ping4

(1.ChongqingZhongjianConstructionEngineeringQualityTestingCo.Ltd.,Chongqing400025,

China;2.ChongqingZhongsheEngineeringDesignCo.Ltd.,Chongqing400025,China;3.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;4.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ChangshaUniversityofScience＆

Technology,Changsha410114,China)

Abstract:Cable-stayedbridge,beingcomposedofcable-beam-tower,isastaticallyindeterminatespatialstructure.Thereasonablechangeofcableforceandalignmentisthesafeindemnificationofthebridgestructure,However,anobviouschangeshouldbesurveyedtofindoutthecauses.AsalargedifferenceexistsintwomonitoringofthecableforceandalignmentofthePCcable-stayedbridgeinsouthwestChina,aninvestigationistaken.Inthesurvey,athree-dimensionalsimulationmodelofthebridgeisbuiltwiththefiniteelementtheory,whichisemployedtostudythe4temperatureeffectsincludingtherangeofwholetemperature,cable-beamtemperature,girderandtowersun-shinetemperaturedifferencetoeliminatethedifferenceofmonitoringtime.Theresultsshowthatdifferenttempera-tureeffectshavedifferentimpactsononeparameter,andonekindtemperatureeffectmayhavedifferentimpactsondifferentparameters.Ascable-beamtemperatureandgirdersunshinetemperaturedifferencearethemaindifferencecausesofmeasuredableforceandalignmentinabridge,itisnecessarytotaketemperatureeffectsintoaccountwhenassessingthesecurityofPCcable-stayedbridge,tocorrectthemeasureddata,andtoeliminatethetemperatureeffectforreducingcableforceandalignmentdifferencessignificantly,whichlaysthestructureinasafestate.Keywords:PCcable-stayedbridge;cableforce;alignment;temperatureeffect;difference

收稿日期：2016-04-26作者简介：王伟(1988-)，男，工程师，工程硕士研究方向：桥梁结构检测与承载能力评定以及大跨度桥梁抗震减震研究基金项目：科技部973项目“特大跨桥梁安全性设计与评定的基础理论研究”(项目编号：2015CB057702)；长沙理工大学土木工程优势特色重点学科创新新项目(项目编号：15ZDXK02)30

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引言

斜拉桥因其跨越能力大、受力简约明了、施工方便、景观效果明显等优点，越来越受到设计者的青睐。近几十年来在我国得到了快速发展，我国已有2座主跨径超千米级的斜拉桥（位于江苏的苏通大桥主跨1088m与香港的昂船洲大桥主跨1018m）竣工通车，标志着我国已逐步由桥梁大国向桥梁强国的目标迈进。为了保障桥梁在后期运营过程中的安全，需对斜拉桥进行定期监测，斜拉桥是由索-梁-塔组成的超静定空间结构，其索力与线形的合理变化是桥梁结构安全运营的保障。通过对西南地区某既有大跨径PC斜拉桥的索力与线形的监测对比发现存在较大差异性，而外观调查未发现明显的结构性病害，为研究探讨其形成原因，考虑到监测时间的温度差异，针对性地进行了整体升降

5400北岸温、索梁正温差、主梁及主塔日照正温差等4种温度效应的研究[1-5]。

1工程概况

西南地区某既有大跨径PC斜拉桥是一座跨越长江的特大型桥梁，大桥北岸与319国道相接，南岸与该地区江南规划路相接，全长1446m。主桥为（54+114+400+114+54）m双塔双索面半漂浮体系PC斜拉桥。主梁采用C60混凝土，分离式双主肋截面，主梁全宽23.4m，顶板厚0.32m，每一节段设一道横隔板，标准节段横隔板厚0.28m，斜拉索采用φ7.0mm高强平行钢丝，空间双索面扇形布置，全桥共布置84对。索塔采用C50混凝土，花瓶型，高分别为164.6m、171.5m，基础采用钻孔灌注桩。设计荷载为公路-I级，人群2.5kN/m2，该桥于2009年3月建成，同年竣工通车。桥型布置图，见图1所示。

4000011400N5400南岸11400BSBA21

SBA1SBJ1

SBJ21

图1桥型布置图（单位：cm）

2差异性分析

2.1两次监测差异性

通过对背景桥梁的索力与线形监测对比发现，2次实测结果存在较大的差异性，见图2所示。

从图2中可看出，2次实测主梁线形与拉索索力的结果存在较大的差异性，整体而言，主梁跨中的线形与索力的差异性较之边跨要大一些。

然而，前期详尽的外观调查并未发现该桥梁有明显的结构性病害，考虑到前次监测时间在12月份，温度约为15℃，而此次监测时间为8月，

主梁纵桥向线形/m纵桥向距离/m

(a)2次实测主梁线性差异性

误差/mm第4期王伟，等：温度效应对既有大跨径PC斜拉桥索力与线形的影响研究31

拉索编号

(b)2次实测拉索索力差异性

图2

2次实测主梁线形与拉索索力的差异性

温度约为35℃，鉴于监测时间的温度差异，针对性地考虑了整体升温、索梁正温差、主梁及主塔日照正温差等4种温度效应来对监测结果的差异性进行分析[6-9]。2.2整体升温影响

空气中的温度变化是引起桥梁结构整体温差的主要原因，包括一天24h温度变化和四季温度变化。此次分析取后者变化，整体升温为20℃。整体升温对斜拉桥索力与线形的影响，见图3所示。由于结构在跨中处对称，左右侧受力相同，故图示仅列出1/2跨，下同。

从图3中可看出，整体升温为20℃时，边跨主梁竖向挠度升高、中跨降低，边跨索力绝大部分变大，而中跨索力则减小。

主梁竖向挠度/mm纵桥向距离/m

(a)整体升温为20℃对主梁线形的影响

拉索应力值/MPa图3

(b)整体升温为20℃对拉索应力的影响

整体升温为20℃对主梁线形与拉索应力的影响

拉索编号

2.3索梁正温差影响

对于PC斜拉桥而言，由于斜拉索是由钢绞线制成，横截面较小，温度敏感程度较高，而主梁是混凝土结构，温度场分布复杂，横截面较大以及混凝土导热系数较小，在日照温度作用下，

主梁温度变化总是滞后于斜拉索的温度变化，从而引起索梁温差。此次考虑索梁正温差10℃进行计算[10-11]。索梁正温差对斜拉桥索力与线形的影响，见图4所示。

从图4中可看出，索梁正温差10℃时，边跨

索力误差/%索力值/kN32

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主梁竖向挠度/mm(a)索梁正温差10℃对主梁线形的影响

纵桥向距离/m

拉索应力值/MPa拉索编号

(b)索梁正温差10℃对拉索应力的影响图4

索梁正温差10℃对主梁线形与拉索应力的影响

线形基本不受影响，但是对中跨线形影响很大，且影响由索塔往跨中方向逐渐变大；对索塔附近的拉索索力影响很大，由于索力值影响变化量为负值，故实测索力会减小，对远离索塔的拉索影响相对较小，由于对边跨与中跨的影响量正负相反使得边跨远离索塔的拉索实测索力减小，中跨远离索塔的拉索索力增大，而在中跨跨中处索力减小。

主梁竖向挠度/mm2.4主梁日照正温差影响

由于主梁梁顶和梁底的位置不同，致使日照作用下受光表面与构件内部呈现出较大的温度梯度，从而引起主梁沿竖向的温度梯度，一般假定温度沿竖向呈线性变化。按照《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）第4.3.10条的规定并结合本桥资料进行取值[12]。主梁日照正温差对斜拉桥索力与线形的影响，见图5所示。

纵桥向距离/m

(a)主梁日照正温差对主梁线形的影响

拉索应力值/MPa拉索编号

(b)主梁日照正温差对拉索索力的影响图5

主梁日照正温差对主梁线形与拉索应力的影响

第4期王伟，等：温度效应对既有大跨径PC斜拉桥索力与线形的影响研究33

从图5中可看出，主梁日照正温差对主梁线形的影响与索梁正温差的影响的趋势一致，但是影响量却是一个为正，一个为负，即主梁日照正温差会使得主梁竖向实测标高增大，而索梁正温差则会使得主梁竖向标高降低；对于拉索索力的影响则是使得边跨索力整体增大，中跨则是靠近索塔处与跨中处索力增大而其他部位实测索力会变小。2.5索塔日照正温差影响由于桥塔截面多是采用矩形截面，桥塔在纵桥向的前后两个侧面以及横桥向的左右两个侧面的位置不同，导致索塔所受日照的阳光强度不同，具有不同的温度变化量，便产生了桥塔沿纵桥向与横桥向2个温度梯度，一般假定温度呈线性变化。由于索塔横桥向日照温差对主梁线形的影响很小，故此处仅考虑索塔顺桥向日照温差的影响，依据本桥资料进行取值计算。索塔日照正温差对斜拉桥索力与线形的影响，见图6所示。

主梁纵向挠度/mm(a)索塔日照正温差对主梁线形的影响

纵桥向距离/m

拉索应力值/MPa拉索编号

图6

(b)索塔日照正温差对拉索应力的影响

索塔日照正温差对主梁线形与拉索应力的影响

从图6中可看出，索塔日照正温差对主梁线形的影响与整体升温的影响基本一致，只是在中跨跨中部位影响不同，索塔日照正温差会使得主梁线形在跨中处标高变大，而整体升温则是减小；对索力的影响则是边跨长索索力减小，短索索力增大，中跨则恰好相反。

需要指出的是，桥梁实测数据是以上4种温

主梁纵桥向线形/mm此次测量（消除温度影响）前次测量差异值（消除温度影响）度效应综合影响的结果，仅就某一影响因素来看，整体升温与索塔日照温差对实测索力与线形的影响相对较小，索梁正温差与主梁日照正温差是造成实测索力与线形差异性的主要原因。2.6消除温度影响后的差异性

根据上述分析，消除温度影响后的2次监测主梁线形与拉索索力的差异性，见图7所示。

(a)消除温度影响后主梁线形的差异性

纵桥向距离/m

差异值/mm34

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拉索索力值/kN(b)消除温度影响后拉索索力的差异性

图7消除温度影响后主梁线形与拉索索力的差异性

拉索编号

从图7中可看出，消除温度效应影响后的斜拉桥主梁线形与拉索索力差异性明显减小，结构处于安全状态，因此，必须对实测数据进行修正以消除温度效应的影响才能够对既有大跨径PC斜拉桥的状态做出准确与科学的评估。

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3结语

运用有限元理论知识建立了桥梁的三维空间仿真分析模型来探讨既有大跨径PC斜拉桥的监测索力与线形的差异性的形成原因，考虑到监测时间的温度差异，针对性地对结构进行了整体升温、索梁正温差、主梁及主塔日照正温差等4种温度效应的研究，得出了不同的温度效应对某一参数影响不同。同一种温度效应对不同的参数影响不同，就本桥而言，索梁正温差与主梁日照正温差是造成实测索力与线形差异性的主要原因，对既有大跨径PC斜拉桥的安全性评估需对实测关键参数进行修正以消除温度效应的影响，考虑温度效应的影响后的斜拉桥索力与线形差异性明显减小，结构处于安全状态。

参考文献：

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索力误差/%