大跨度混凝土斜拉桥温度效应的研究与分析

李盼到1 朱巍志2 郭慧乾3

(1 北京市市政工程设计研究总院 100045;2 大连理工大学桥梁工程研究所 116024;

3 中交公路规划设计院 北京100010)

(1 Beijing Genearal Municipal Engineering Design&Research Institute,100045;2 Dalian University

of Technology,116024;3 China Highway Planning and Design Institute,Beijing100010)

[摘要]斜拉桥为高次超静定结构,在施工过程中,其索力和主梁标高都会受到温度的影响。为了研究大跨度混凝土斜拉桥的温度效应问题,在贵州红枫湖特大桥施工过程中进行了14h温度效应的观测。得出了该桥主梁浇筑阶段和主梁合龙后温度场对索力和主梁标高的影响曲线,在实测资料的基础上,对索梁温差、桥面日照、桥塔日照三种影响因素进行线性拟合,运用有限元的方法进行了理论计算,通过与实测资料的比较,说明温度效应的影响可根据理论计算结果进行修正。并对主梁立模标高和斜拉索的张拉索力的主动修正问题进行了分析和讨论。

[关键词]斜拉桥 温度 索力 立模标高

ABSTRAC T:Cable stayed bridge is a kind o f high degree statically indeterminate structure.Its cab le force and eleva tion o f main beam can be a ffected by tem perature under construction.In order to study the problem o f tem perature e ffects on long span concrete cable stayed bridge,tem perature e ff ects have been measuredf o r fourteen hours during the construc tion o f Hong f enghu Super Major Bridge.The in fluence charts o f tem perature e ffects on cablef o rce and elevation o f main beam in construction and com pletion have been gained.Based on the actually measured data,linear fitting has been done on the three follo wing a ffecting factors as diff erence in tem perature o f cable and beam,solar tem perature o f deck, solar tem perature o f pylon to wer.Theo retical calculation has been carried on with finite element method.Through the com parison between calculated results and the measured data,it has been sho wn that the influence o f tem perature e ff ect on the bridge can be corrected according to the calculated results.Furthermore,the analysis and discussion have been done on the problem o f making an active co rrection to thef o rm work erection elevation o f the main beam and cable force. KEYW ORDS:Cable stayed bridge Tem perature Cable force Fo rm work erection elevation

前言

斜拉桥为高次超静定结构,在施工过程中,其索力和主梁标高都会受到温度的影响,且尤以日照温差的影响最为复杂和显著。通常,斜拉桥施工中的主梁标高测量、体系转换等控制工况要求在日出之前完成,以利回避温度的影响。但是此举常常会导致施工过程的不连续而延误工期,因此在实践中,如何快速有效、简便易行地消除温度效应的影响是斜拉桥施工控制中的一个急待解决的问题。[1~4]本文结合贵州红枫湖特大桥的实际观测工作,对大跨度混凝土斜拉桥施工过程中的温度效应影响问题进行分析,并对施工过程中斜拉索索力和主梁立模标高提出了主动修正的方法。

1 温度效应的计算模式

混凝土结构温度效应的计算中,首先是确定温度梯度模式及温度设计值。对于混凝土主梁和索塔采用式(1)所示的非线性温度梯度模式[5],即:

T Dy= T max e-ay(1)式中 T Dy 计算点处的温差;

T max 主梁式主塔梁高方向的温差;

a 分布曲线的指数,一般在4~12之间

取值;

y 计算点到梁外表面的距离。

对于斜拉索而言,由于拉索的截面积较小且拉索内钢丝的传热速度很快,温度梯度可以忽略,因此可以认为斜拉索内的温度是均匀变化的。

斜拉索表面的温度可按式(2)计算:

T0=T0a+

(2)式中 T0a 斜拉索表面的大气温度;

换热系数;

日辐射吸收系数。

第24卷 第1期2007年3月特 种 结 构Vol.24 No.1

March2007

从上式可以看出,斜拉索的温度变化与大气温度和日照强度有关。对上述公式进行简化,采用式(3)来计算斜拉索的温度变化,即:

T e =T s -T e +!(3)

式中 T e 为拉索计算时前后两个时刻的温

差;

T s ,T e 分别为前后两个九三时刻的大气温

度;

! 计算参数,这里亦通过参数识别得 到。

混凝土结构的温度梯度分布模式和斜拉索的温度变化公式确定后,斜拉桥结构的温度效应就可以按一般有限元方法进行计算。2 红枫湖大桥温度效应分析2 1红枫湖大桥概况

红枫湖特大桥位于沪瑞国道主干线清镇至镇宁高速公路上,跨越国家级风景区 红枫湖景区。本桥为两侧不对称的独塔双索面预应力混凝土斜拉桥,塔梁墩固结。桥梁跨径为30m+102m +185m,主梁梁高2 1m,边肋基本宽度1 7m,主梁顶板厚0 32m 。节段基本长度8m,主塔布置22对空间索。1#索梁上锚点与索塔中心的距离为14m,其余斜拉索梁上纵向间距为8m 。主桥结构立面和主梁普通断面如图1

所示。

2 2温度效应分析

结构温度效应可以采用有限元法进行,但前提是要给定结构温度场的分布情况。斜拉桥温度场分布情况是相当复杂的,为了便于分析与寻找规律,将红枫湖特大桥的温度影响分解为整体温差影响、索梁温差影响、桥面日照影响和桥塔日照

影响分别计算[6]

。

整体温差对主梁标高和斜拉索索力的影响较小,索梁温差、桥面日照、桥塔日照对主梁标高和斜拉索索力有较大影响,且影响的规律有所不同。此外,大桥在不同施工阶段下,温度对主梁标高与

斜拉索索力的影响也有所不同。

1 索梁温差

由于索和梁是由两种不同材料组成,即钢材和混凝土,二者的热传导系数相差较大,相同的气温变化引起的构件温度变化很不一样。从而导致了索梁温差,这是斜拉桥温度影响中最为显著的一种因素。

在红枫湖大桥悬臂施工过程中,施工至9#块时10 的索梁温差对索力及主梁标高的影响见表1,变

形图见图2;施工至18#

块时10 的索梁温差对索力及主梁标高的影响见表2,变形图见图3。

表1 10 索梁温差对索力及主梁标高的影响(1#~9#块)

索号索力(kN)位移(mm)

索号索力(kN)位移(mm)

A1-148.0-1.3J1-148.1-1.2A2-60.0-3.2J2-59.9-3.1A3-39.7-5.5J3-39.5-5.4A4-27.5-7.9J4-27.2-7.8A5-14.3-10.3J5-13.9-10.2A6-6.2-12.7J6-5.8-12.5A7-0.4-15.0J7-0.2-14.7A8 3.2-17.3J8 3.3-17.0A9

4.9

-19.6

J9

5.0

-19.2

表2 10 索梁温差对索力及标高的影响(1#~18#)

索号索力(kN)位移(mm)索号索力(kN)位移(mm)

A1-103.5-0.4J1-191.3-2.1A2-36.2-1.1J2-83.1-5.3A3-20.8-1.7J3-58.4-9.2A4-12.7-2.1J4-43.4-13.4A5-6.8-2.3J5-25.0-17.7A6-5.5-2.3J6-13.9-21.9A7-6.6-2.1J7-5.3-26.1A8-11.3-1.7J8-0.6-30.1A9-16.0-1.2J9 2.5-34.2A10-20.7-0.7J10 3.7-38.3A11-24.7-0.2J11 3.9-42.4A12-27.00.0J12 4.4-46.6A13-32.20.0J13 3.6-50.9A14-31.40.0J14 2.5-55.2A15-30.50.0J15 1.4-59.5A16-37.60.0J16-0.6-63.9A17-36.50.0J17-2.8-68.4A18

-35.4

0.0

J18

-5.3

-72.8

由表中数据可看出,当施工至9#块时(边跨合拢前,主梁处于双悬臂状态)当索比梁高10 时,前方索索力稍

有提高,后方索索力均降低,越靠近塔柱根部,索

No.12007李盼到等:大跨度混凝土斜拉桥温度效应的研究与分析

SPST

施工至18#块,由于边跨已经合拢,受力状态由未合拢前的双悬臂状态变为单悬臂状态,故温度效应有所改变。主跨侧索力变化趋势基本同施工至9#块情况,但由于塔柱向主跨侧倾斜,导致塔柱根部索索力降低更多,达到了190kN;主梁竖向位移由于悬臂长臂的加大加之塔柱的倾斜最前方已经达到7cm多,可见施工控制中考虑温度效应是至关重要的。边跨由于已合拢,且30m现浇段主梁刚度较大,主梁基本没有变形,加之塔柱的倾斜方向使得靠近塔柱根部的斜拉索索力较之双悬臂状态降低较少,前方索索力较之双悬臂状态略有降低。

2.桥塔日照

红枫湖大桥为东西走向,受日照影响索塔两侧温度不一样。一天内索塔的侧倾因日照而变

化,从而引起

索力变化、主

梁变形。在索

塔截面内,因

日照引起的温

度变化基本是

线性的。由于

桥为东西走

向,故日照温

差在索塔截面顺桥向尺寸6.5m范围内变化。施工至9#、18#块时,10的索塔日照对索力及主梁标高的影响分别见表3~表4,图4~图5。

一般因日照引起的索塔最大温差按5考虑,因此,从表3可以看出,索塔日照温差对索力和主梁标高的影响不是很显著,但要注意的是,索塔日照温差引起的结构状态的变化在一个白天内就经历一个周期,因此其变化速度较快。表3 10桥塔日照温差对索力及标高的影响(1#~9#)

索号索力(kN)位移(mm)索号索力(kN)位移(mm)

A1-85.4-1.7J186.1 1.7

A2-45.7-4.4J246.1 4.4

A3-36.8-8.0J337.18.0

A4-30.7-12.0J430.912.0

A5-19.9-16.3J519.916.3

A6-13.1-20.7J612.920.8

A7-6.8-25.2J7 6.625.2

A8-3.7-29.7J8 3.429.7

A9-1.4-34.1J9 1.234.2

表4 10桥塔日照温差对索力及主梁标高的影响(1#~18#)

索号索力(kN)位移(mm)索号索力(kN)位移(mm)

A10.5-0.1J1 2.50.1

A20.1-0.3J2 1.60.3

A30.1-0.6J3 1.30.6

A4-0.5-0.8J4 1.0 1.0

A5-2.3-1.1J50.5 1.5

A6-5.7-1.2J60.2 2.1

A7-10.0-1.3J7-0.3 2.8

A8-17.8-1.1J8-0.7 3.7

A9-24.5-0.8J9-1.0 4.6

A10-31.3-0.4J10-1.1 5.6

A11-37.3-0.1J11-1.0 6.7

A12-41.70.0J12-0.67.9

A13-55.10.0J13-0..2

A14-59.2-0.1J14-0.610.5

A15-63.4-0.1J15-0.111.9

A16-86.1-0.1J160.913.3

A17-91.7-0.1J17 2.414.8

A18-97.6-0.1J18 4.316.2 由以上各图表知,桥塔日照使得桥塔向降温侧倾斜。本桥为塔、梁、墩固结体系,即桥塔与主梁间

夹角不变,故塔柱的倾斜使主梁也随之变形。双悬臂状态主梁绕塔柱中心旋转,故一侧梁、索力均升高,一侧梁、索力均降低,且基本对称,且对塔柱根部索索力影响较大。边跨合拢后,由于边跨侧主梁变位受到,使得边跨主梁基本没有竖向变位,随着悬臂长度的加大,作用加大故对索力影响逐渐加大,由于塔柱向边跨侧倾斜,所以均使其降低。而对主梁的索力基本没有影响。

3.桥面日照

在斜拉桥施工过程中,桥面日照温差是仅次于索梁温差的一个温度影响因素。由于大气温度和日照强度使得主梁上下缘温差较大,从而在混凝土结构中产生较大的不均匀温度梯度,即沿主梁截面高度方向各层纤维的温度是不同的。作为

SPST特 种 结 构2007年第1期一种简单而实

用的处理方

式,可假定主

梁截面上、下

缘温差是线性

变化的,且按

边主梁处梁高

考虑。表5和

表6列出施工

至9#、18#块时10的桥面日照对索力及桥面标高的影响,其相应的变形见图6和图7。

表5 10桥面日照温差对索力及标高的影响(1#~9#)

索号索力(kN)位移(mm)索号索力(kN)位移(mm) A1 3.2-0.2J1 3.3-0.2 A2-1.90.2J2-1.90.2 A3-8.70.8J3-8.80.8 A4-14.9 1.3J4-15.4 1.3 A5-12.4 1.1J5-13.3 1.2 A6-0.6-0.4J6-1.6-0.3 A724.0-3.7J723.1-3.5 A870.6-9.5J870.1-9.2 A9125.6-18.2J9126.1-17.8表6 10桥面日照温差对索力及标高的影响(1#~18#)索号索力(kN)位移(mm)索号索力(kN)位移(mm) A114.4-0.6J113.6-0.6 A213.8-1.2J211.3-0.9 A316.9-1.6J310.3-1.0 A422.7-2.1J48.1-0.7 A525.9-2.7J5 2.8-0.3 A632.4-3.4J6-3.10.

3

A736.0-4.3J7-9.1 1.0

A844.9-5.0J8-17.3 1.8

A944.4-5.4J9-23.0 2.6

A1039.0-4.9J10-27.1 3.4

A1127.1-3.2J11-29.0 3.9

A127.00.0J12-34.2 3.9

A130.9 1.1J13-28.2 3.1

A14-5.5 2.0J14-16.4 1.0

A15-10.5 2.8J15 2.5-2.8

A16-17.9 3.4J1635.3-8.8

A17-20.8 3.7J1777.8-17.4

A18-21.9 3.9J18130.1-29.1 双悬臂状态桥面日照温差对边主跨影响基本一致,且仅对前方两个块件索力影响较大,前方索索力增加130kN,最前端位移下降1.8cm。单悬臂状态下,桥面日照对边跨索力、主梁标高影响均很小;对主跨仅前方两、三个块件有较大影响,前方索索力增加130kN,最前端位移下降约3cm。

3 温度影响结果的验证与分析

为了研究混凝土斜拉桥的温度效应问题,验证理论计算的准确程度,在红枫湖大桥的施工过程中,当主梁施工到9#梁段时(悬臂长度78 5m),对全桥进行了现场14h的现场观测,测试内容包括斜拉索索力、主梁标高和主梁应力以及主梁内温度分布。观测内容为:主跨南侧1~9#斜拉索索力,前方4个块件的桥面标高,主梁应力及主梁混凝土温度。

3 1温度对索力的影响分析

图8描述了D1、D2、D8、D9号斜拉索索力随时间的变化(D索即为主跨南侧拉索),表7给出了D1~D9索力增量随时间的变化数值。图表中的索力增量以7!00时索力为基准, T为各时刻与此时刻索力差值。

实测时日照良好,一天中最高气温为25.6 (13时),最低气温为14.2(7时),由图8可看出,随着日照的逐渐加强,主梁上下温差逐渐加大,导致前方块件主梁标高下降,前方若干根拉索的索力增大;由于日照,拉索温度先于索塔和主梁上升,但主梁根部挠度很小,因此导致塔柱附近拉索索力变小。上述温度影响在17!00左右达到峰值。随着气温的降低,结构所吸收的热能逐渐释放,前方拉索索力逐渐减小,塔柱附近拉索索力逐渐增大。至次日凌晨日出前,索力基本恢复至初值。

综上所述,温度对拉索索力的影响主要表现为:由于桥面日照,前方索索力随温度升高而加大;由于索梁温差,索塔附近拉索索力随温度升高而降

No.12007李盼到等:大跨度混凝土斜拉桥温度效应的研究与分析SPST低;中间拉索的索力基本不受温度变化的影响。

3 2理论与实测结果的对比分析

D1~D9号索实测索力随时间的变化见表7,可以看出,温度对索力的影响在17:00时最为明显。表8为主、边跨的标高对比表。下面将此时刻的计算值与实测值进行比较,以验证理论计算结果的准确性,用以指导施工。

表7 主跨南侧索索力随时间的变化值(单位:kN)

索号7!009!0011!0013!0015!0017!0019!0021!00 D10-22-36-97-128-153-152-115 D20-7-19-54-72-77--45 D30-5-22-50-61-66-57-32 D40-3-16-44-56-55-41-27 D50-7-24-37-39-37-28-10 D60-4-13-18-16-12-31 D7014612202331 D805275382868065 D9011488611612111093

表8 主、边跨标高对比表

块件7!00

(m)

17!00

(m)

V

(mm)

块件

7!00

(m)

17!00

(m)

V

(mm)

-6#1269.5251269.503-22+6#1270.8031270.785-18 -7#1269.3791269.354-25+7#1270.8731270.848-25 -8#1269.2751269.242-33+8#1270.9431270.913-30 -9#1269.1681269.129-39+9#1271.0511271.009-42 根据实测索力(表7)和实测标高(表8)及索梁温差、桥面日照及桥塔日照影响值的理论计算结果,对索梁温差、桥面日照、桥塔日照三种影响因素进行线性拟合,可求得各种影响因素分别为:索梁温差15,桥面日照8,桥塔日照0。按此参数计算得到的理论值与实测结果的比较见表9和表10。

表9 理论与实测索力对比表(单位:kN)

索号D1D2D3D4D5D6D7D8D9理论值-158-84-75-63-39-132378131实测值-153-77-66-55-37-122086121误差579821-38-10

由表中数据可看出,无论索力还是主梁标高,理论计算结果与实测值都吻合较好,故温度效应的影

表10 理论与实测主梁位移对比表(单位:mm)

块件号6#7#8#9#

理论值 0.016 0.022 0.031 0.041实测值 0.017 0.023 0.032 0.040误差 0.001 0.001 0.0010.001

响可依据理论计算结果进行修正。

4 斜拉索索力与主梁立模标高的修正

根据前述理论分析的结果,斜拉索索力和主梁标高受索梁温差、桥面日照、桥塔日照的影响。在悬臂长度较小时,主梁标高所受的影响较小,斜拉索索力受温度影响较大,一天当中,斜拉索索力由温度引起的变化能有数十吨。在进入主梁长悬臂施工阶段后,主梁前端标高受温度影响较大,以主跨22#为例,一天当中由温度引起的标高变化能有15cm。由此可见,确定斜拉索张拉索力和主梁立模标高时,必须考虑当时温度对它们的影响。

通常斜拉桥重要的施工步骤都要求在日出之前完成,如主梁立模、混凝土浇筑完毕、体系转换等,这样就能避免温度对索力和主梁标高的影响[7]。但是由于工期的影响,这些工况不可能全部在没有日照的情况下完成,这就要求根据当时斜拉桥温度场的实际情况,通过有限元计算,对斜拉索的张拉索力和主梁的立模标高进行修正,以消除温度的影响。并且要在第二天日出之前,对斜拉索索力和主梁标高进行复测,以检验温度修正的正确性。

5 结论

1 索梁温差对塔根部几个块件的斜拉索和边跨锚固跨的斜拉索影响较大,对主梁标高的影响最为显著,且随着悬臂长度的加大,其影响也增大。桥面日照温差会使得主梁标高降低。桥塔日照温差对塔根部几个块件和锚固跨的斜拉索索力影响最为显著,随着悬臂长度的增大,其对主跨斜拉索的索力影响慢慢变小。在边跨合拢前,桥塔日照温差对标高的影响随着悬臂长度的增加而加大,但在边跨合拢后,其对主梁标高的影响稳定于一个数值。全桥合拢后,索梁温差对索力的影响最为显著。桥面日照温差和桥塔日照温差对斜拉索索力影响相对较小。

2 由于桥面日照温差和索梁温差的影响,靠近索塔和远离索塔的拉索索力会有较大变化;而中间拉索的索力基本不受温度变化的影响。

3 斜拉桥的索力和标高受温度的影响很大,在斜拉桥的施工过程中,要根据当时的温度场对主梁的立模标高和张拉索力进行修正,这样才能保证施工过程中的结构受力安全和实现最终的成桥状态。有限元分析中,把温度的影响分解为整体温差、索梁温差、桥面日照、桥塔日照来分别进行计算的方法是比较准确的,可以满足工程需要。

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SPST特 种 结 构2007年第1期