王蔓亞，丁幼亮，2，趙瀚瑋，岳青，吳來義

(1．東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210096;2河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊050043;3．中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇南京210032)

六塔公鐵兩用斜拉橋鋼桁梁溫度場(chǎng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與分析

王蔓亞1，丁幼亮1，2，趙瀚瑋1，岳青3，吳來義3

(1．東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210096;2河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊050043;3．中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇南京210032)

基于鄭州黃河公鐵兩用橋連續(xù)鋼桁梁溫度場(chǎng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用極值分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)豎向、縱向、橫向溫差以及關(guān)鍵構(gòu)件截面的內(nèi)部溫差進(jìn)行了計(jì)算和分析，得到六塔公鐵兩用斜拉橋鋼桁梁的溫差分布特性。研究結(jié)果表明:部分結(jié)構(gòu)溫差如邊桁與中桁構(gòu)件間溫差、邊桁下弦桿箱形截面溫差超過10℃，甚至高達(dá)21.92℃，明顯超過最大溫差設(shè)計(jì)值;結(jié)構(gòu)整體豎向溫差和部分截面溫差最高達(dá)7℃。建議在此類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮溫度效應(yīng)。

鋼桁梁橋;溫度場(chǎng);極值分析;溫差分布特性;結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

橋梁結(jié)構(gòu)尤其是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)受日照輻射等因素影響會(huì)出現(xiàn)溫度效應(yīng)［1］，并在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生變形［2］、溫度應(yīng)力、附加應(yīng)力等［3］，從而改變結(jié)構(gòu)的受力特性，影響橋梁的服役性能［4］，因此研究橋梁環(huán)境溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的影響有重要意義?，F(xiàn)行橋梁規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)進(jìn)行了規(guī)定，但規(guī)定的溫度梯度模式與實(shí)際情況存在一定差異［5］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于橋梁上部結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的研究，以鋼筋混凝土箱梁橋、鋼-混組合梁橋、鋼箱梁橋等結(jié)構(gòu)形式居多。例如對(duì)混凝土箱梁橋的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬和分析、研究波形鋼腹板組合橋梁的溫度梯度模式以及用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究鋼箱梁橋的溫度場(chǎng)［6-9］，但針對(duì)連續(xù)鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)特性［10］的研究較少。本文基于2015年鄭州黃河公鐵兩用橋鋼桁梁溫度場(chǎng)的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用極值分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)豎向、縱向、橫向溫差以及關(guān)鍵部位構(gòu)件截面溫差進(jìn)行計(jì)算和分析，得到其溫差分布特性，并與實(shí)際設(shè)計(jì)取值進(jìn)行了對(duì)比。

1 監(jiān)測(cè)斷面及傳感器布置

鄭州黃河公鐵兩用橋是石鄭鐵路客運(yùn)專線及中原黃河公路大橋跨越黃河的共用橋梁，是世界上首次采用2片邊主桁傾斜的3片主桁結(jié)構(gòu)橋梁。主橋的六塔連續(xù)斜拉橋部分的上部結(jié)構(gòu)為(120+5×168+120)m連續(xù)鋼桁梁，主橋立面如圖1所示，圖中截面位置均布有健康監(jiān)測(cè)采集裝置。以橋梁中部截面11為例，介紹橋梁溫度傳感器的布置情況，如圖2所示。該斷面邊桁、中桁的上弦桿，橫梁翼板和混凝土橋面板處均布有溫度傳感器，采樣頻率為1 Hz。

圖1 鄭州黃河公鐵兩用橋主橋立面(單位:m)

圖2 截面11傳感器布置

2 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)豎向溫差

選取中間桁架的上弦桿、腹桿和下弦桿之間的豎向溫差來描述鋼主桁整體豎向溫差分布特性。每個(gè)監(jiān)測(cè)位置在上下游均布有溫度傳感器，以同一時(shí)刻兩側(cè)溫度平均值代表該處整體溫度，并將不同弦桿間的整體溫度值相減得到結(jié)構(gòu)豎向溫差。3個(gè)結(jié)構(gòu)豎向溫差樣本中下弦桿與腹桿溫差較小，主要在±2.5℃之間波動(dòng)，最大溫差絕對(duì)值為3.48℃。上弦桿與下弦桿、腹桿間溫差波動(dòng)范圍則大一些，最大溫差絕對(duì)值分別為4.89℃和5.17℃。上弦桿與腹桿間溫差時(shí)程變化曲線，見圖3。

圖3 上弦桿與腹桿間溫差時(shí)程變化曲線

2.2 結(jié)構(gòu)縱向溫差

結(jié)構(gòu)縱向溫差由橋梁縱向不同截面處的相同構(gòu)件間溫度差值計(jì)算而得，選取下游邊桁上弦桿、邊桁下弦桿以及中桁上弦桿3處溫差樣本來表征鋼主桁整體縱向溫差分布特性。經(jīng)計(jì)算，3個(gè)溫差樣本均包含一定幅值的正溫差和負(fù)溫差，邊桁上弦桿縱向溫差以正溫差為主，邊桁下弦桿和中桁上弦桿縱向溫差以負(fù)溫差為主。其中邊桁上弦桿的縱向正溫差最大可達(dá)到10.7℃，中桁上弦桿縱向溫差相對(duì)較小，在－3～2℃波動(dòng)，邊桁下弦桿縱向溫差在三者之中最小，以負(fù)溫差為主，最大負(fù)溫差為－2.59℃。邊桁上弦桿溫差時(shí)程變化曲線，見圖4。

圖4 邊桁上弦桿溫差時(shí)程變化曲線

2.3 結(jié)構(gòu)橫向溫差

結(jié)構(gòu)橫向溫差主要分為公路橋面板橫向溫差和鋼主桁架橫向溫差。選取混凝土公路橋面板、邊桁上弦桿和橫梁翼板3處溫差來描述結(jié)構(gòu)整體橫向溫差分布特性?；炷翗蛎姘鍣M向溫差即為同一截面不同位置處整體溫度的差值，同理可得混凝土公路橋面板、邊桁上弦桿和橫梁翼板的橫向溫差。經(jīng)計(jì)算得到混凝土橋面板、邊桁上弦桿和橫梁翼板橫向正溫差和負(fù)溫差均較小，橫梁翼板橫向溫差最小只有2.02℃。而混凝土橋面板橫向溫差最大為2.88℃，邊桁上弦桿橫向溫差最大達(dá)到3.15℃?？傮w來說，橋梁結(jié)構(gòu)橫向溫差數(shù)值較小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可不考慮溫度變化的影響。

2.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部溫差

2.4.1 弦桿箱型橫截面溫差

鋼桁主梁的弦桿大部分采用箱型截面形式，以截面11邊桁上弦桿和中桁腹桿為例，溫度傳感器布置如圖5所示。為進(jìn)一步研究弦桿箱型截面的橫向溫差大小以及分布特性，選取截面11的邊桁上弦桿、中桁腹桿，截面9的中桁下弦桿以及截面12的邊桁下弦桿4個(gè)箱型橫截面，將截面兩側(cè)的溫度傳感器在同一時(shí)刻的溫度值相減得到相應(yīng)截面的橫向溫差。分析可得:①邊桁下弦桿箱型截面溫差最大，以正溫差為主，最高正溫差達(dá)21.92℃;②中桁下弦桿箱型截面溫差在－8～4℃波動(dòng)，最大負(fù)溫差達(dá)－7.33℃;③邊桁上弦桿與中桁腹桿截面溫差較小，在±4℃之間波動(dòng)，最大溫差達(dá)3.88℃。中桁下弦桿和邊桁下弦桿的截面溫差時(shí)程變化曲線，見圖6。

圖5 鋼桁梁弦桿截面形式及傳感器布置

2.4.2 腹桿工字型截面溫差

鋼桁梁部分腹桿選用工字型截面，截面溫度傳感器布置在工字鋼兩側(cè)，以截面8邊桁腹桿工字型截面為例，溫差時(shí)程變化曲線如圖7所示。邊桁腹桿工字型截面的橫向溫差主要在－4～6.1℃波動(dòng)，最大溫差達(dá)6.06℃，構(gòu)件截面溫差數(shù)值較大，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮溫度效應(yīng)。

2.5 實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比

基于以上鄭州黃河公鐵兩用斜拉橋的溫差分析結(jié)果，得到實(shí)測(cè)溫差分布特性如表1所示。

圖6 弦桿箱型截面溫差時(shí)程變化曲線

圖7 邊桁腹桿溫差時(shí)程變化曲線

表1 鄭州黃河大橋的溫差分布特性℃

對(duì)鋼主桁和橋面系溫差樣本結(jié)果與規(guī)范設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論:

1)上、下兩弦桿間和上、下弦桿與腹桿間最大溫差絕對(duì)值較大，約為5℃;邊桁構(gòu)件與中桁構(gòu)件間溫差高達(dá)14.58℃，而規(guī)范規(guī)定最大溫差設(shè)計(jì)值僅為±10℃，明顯偏小。

2)邊桁桿件溫差較中桁桿件溫差普遍偏大，尤其是邊桁下弦桿溫差高達(dá)21.92℃，是其他構(gòu)件內(nèi)部溫差的4～10倍。

3)橫梁翼板和混凝土橋面板溫差較小，最大溫差絕對(duì)值均小于3℃。但主桁架結(jié)構(gòu)的邊桁和中桁構(gòu)件內(nèi)部溫差較大，且受構(gòu)件位置影響，在結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)內(nèi)分布存在不均勻性。

3 結(jié)論

1)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范僅考慮了邊桁與中桁構(gòu)件間溫差，且設(shè)計(jì)值為±10℃，與實(shí)測(cè)連續(xù)鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)溫差分布特性存在明顯差異。

2)邊桁與中桁構(gòu)件間溫差和邊桁上弦桿的縱向溫差分別為14.58℃和10.7℃，邊桁下弦桿箱型截面溫差高達(dá)21.92℃。這些部位的構(gòu)件溫差均十分明顯，在連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)的溫度作用設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分考慮。

3)結(jié)構(gòu)整體豎向溫差即上、下弦桿與腹桿的溫差，中桁弦桿箱型截面、邊桁上弦桿箱型截面及邊桁腹桿箱型截面兩側(cè)溫差較大，在5～7℃波動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)宜考慮連續(xù)鋼桁梁的溫度作用。

4)混凝土橋面板、橫梁翼板、弦桿等部位的結(jié)構(gòu)橫向溫差很小，在±2℃內(nèi)波動(dòng)，在連續(xù)鋼桁梁的溫度作用設(shè)計(jì)中可不予考慮。

［1］IM C K，CHANG S P．Estimation Extreme Thermal Loads in Composite Bridge Using Long-term Measurement Data［J］．Steel Structure，2004，1(4):25-31．

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Long-term Monitoring and Analysis of Temperature Field in Steel Truss Girder of Rail-cum-Road Cable-stayed Bridge with Six Towers

WANG Manya1，DING Youliang1，2，ZHAO Hanwei1，YUE Qing3，WU Laiyi3
(1．Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China;2．Key Laboratory for Health Monitoring and Control of Large Structures，Shijiazhuang Hebei 050043，China; 3．China Railway Major Bridge(Nanjing)Bridge and Tunnel Inspect＆Retrofit Co．，Ltd．，Nanjing Jiangsu 210032，China)

Based on the long-term monitoring data of temperature field in steel truss girder of Zhengzhou Yellow River rail-cum-road bridge，the vertical，longitudinal，transverse temperature difference and internal temperature difference in key sections of structure were calculated and analyzed by using extreme value analysis method．T hen the temperature difference distribution in rail-cum-road cable-stayed bridge with six towers was concluded．T he results show that part of the structural temperature differences like the one between side girder and middle girder and box section temperature difference in side girder bottom chord are more than 10℃and even up to21.92℃，which are obvious higher thanthe designvalue．Structural vertical temperature difference andsome member-sectional temperature differences are up to 7℃．It is suggested that the temperature effect should be fully considered in the design of this kind of bridge structure．

Steel truss bridge;T emperature field;Analysis of extreme value;Distribution of temperature difference; Structural health monitoring

U448．12+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．02

1003-1995(2016)12-0005-04

(責(zé)任審編鄭冰)

2016-06-15;

2016-10-30

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2015CB060000);河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(201502);中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2014G004-B)

王蔓亞(1994—)，女，博士研究生。

丁幼亮(1979—)，男，研究員，博士。