胡俊亮 葉仲韜 吳 杰 李 開

(1.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034；2.中鐵大橋科學研究院有限公司 武漢 430034；3.武漢輕工大學土木工程與建筑學院 武漢 510640；4.中新國際聯(lián)合研究院 廣州 510700)

前言

一百多年來，橋梁行業(yè)在結構材料、設計水平和施工技術等方面在不斷創(chuàng)新和進步，橋梁結構向著更大跨徑、更高強度、更耐久的方向發(fā)展。鋼-混凝土組合橋梁就是其中有代表性的成果和未來的重要發(fā)展方向之一。鋼-混凝土組合梁橋是組合結構中應用最為廣泛的橋梁型式之一，其優(yōu)點是綜合了混凝土和鋼材各自的材料優(yōu)勢，并通過相對簡單的結合方式讓二者合理受力。

該結構的兩種材料，其中混凝土橋面板主要處于受壓區(qū)，鋼梁主要處于受拉區(qū)，中間靠抗剪連接件保證二者的協(xié)調變形和共同受力。這種組合方式既避免了普通鋼筋混凝土橋梁中混凝土容易受拉開裂的問題，也解決了鋼結構橋梁中鋼梁容易失穩(wěn)的問題，其自重較小、剛度較大其造價具有一定優(yōu)勢[1]。

對于鋼-混組合橋梁結構來說，兩種材料都直接承受來自于環(huán)境氣候變化的影響。由于兩者材料特性存在的較大差異，對溫度變化尤為敏感。特別是當環(huán)境溫度變化劇烈時，鋼材和混凝土之間由于溫度變化速度不同而產生溫差，不同的漲縮變形引起組合梁橋梁截面上的內應力，尤其是組合梁結合面抗剪連接件周圍的混凝土很容易開裂。通過前人的大量實驗研究和現實案例證明，環(huán)境溫度變化引起的溫度作用可能會造成截面應力分布不均，引起混凝土開裂以及支座位移等病害，嚴重時甚至會造成橋梁結構的垮塌[2]!

另外，在日照、寒潮等天氣因素的作用下，結構會產生非線性溫度分布，這種非線性溫度分布會再結構中產生較大的溫度應力和變形，這些溫度效應甚至會超過活載效應，造成結構的損傷與破壞[3-6]。

雖然國內外專家對鋼-混凝土組合梁橋的溫度作用效應作了不少研究，且各國橋梁設計規(guī)范中都對鋼-混凝土組合梁橋溫度作用做了規(guī)定，但這些規(guī)定存在一定差別，與鋼-混凝土組合梁橋真實的溫度場分布并不完全相符[7]。因而，不同的溫度梯度加載模式以及不同的組合梁結構形式所得到的溫度作用效應也不盡相同。為此，需要結合實測數據對組合梁溫度作用效應進行研究，以促進規(guī)范對組合梁溫度梯度規(guī)定的完善和修正。下面將以一座已建成長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的組合梁斜拉橋為列，對比實測結構溫度場效應與已有的幾種設計規(guī)范溫度作用計算方法，以實測結果對設計規(guī)范溫度作用模式進行優(yōu)化。

1 各國設計規(guī)范對溫度梯度作用的規(guī)定

由于地理位置的差異，各國規(guī)范對于組合梁溫度梯度的規(guī)定也不盡相同。下面，就中國《公路橋涵設計通用規(guī)范》(TJG D60-2015)[8]、美國AASHTO公路橋梁設計規(guī)范[9]、英國橋梁設計和施工規(guī)范 BS5400[10]及歐洲專門針對復合鋼和混凝土結構的設計規(guī)范EN2004[11]對組合梁溫度梯度的相關規(guī)定進行分析。其中，英國橋梁設計和施工規(guī)范 BS5400 是各國規(guī)范中對不同橋梁結構型式的溫度作用加載方式闡述得最詳細的，歐洲規(guī)范參考了英國規(guī)范的關于組合梁橋及帶混凝土橋面板鋼橋溫度效應的規(guī)定，其常規(guī)計算模式與英國規(guī)范一致，并提出了簡化計算方法。下圖為四種規(guī)范關于組合梁溫度梯度的描述。

圖1 各國規(guī)范組合梁溫度梯度曲線

從上面的溫度梯度曲線可以看到，各規(guī)范多遵循多段線的形式定義溫度梯度，但是在相同之處也存在差異的地方。

表1 各國規(guī)范比較分析

從上表和上圖可以看出，各國規(guī)范關于溫度梯度表達方式因考慮的影響因素不同而不盡相同，幾種規(guī)范也基本涵蓋了混凝土橋面板厚度、橋梁所處地理位置、鋪裝層類型、鋪裝層厚度、組合梁高度等因素。其中，英規(guī)與歐規(guī)均同時提出了獨立的負溫度梯度模式，中規(guī)對正溫度梯度模式乘以-0.5的系數得到負為溫度梯度計算模式；美規(guī)則是根據橋面鋪裝類型的不同選擇-0.3(普通混凝土鋪裝)或-0.2(瀝青混凝土鋪裝)的系數來得到負溫度梯度。相對來說，歐規(guī)與英規(guī)考慮的因素更為全面。

僅從上面的幾種規(guī)范的對比難以明確各規(guī)范的適用性，因此，下面將結合實際橋梁溫度場監(jiān)測數據，將實測組合梁溫度梯度與各規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式代入有限元模型進行計算，分析各規(guī)范的適用性，并得到溫度梯度計算模式的影響因素。

2 工程概況

二七長江大橋正橋工程，具體包括通航孔主橋、非通航孔深水區(qū)及兩岸非通航孔岸灘區(qū)，總長度為2922m。主線道路等級為城市快速路，設計荷載為城-A級，計算行車速度80km/h，車道數為雙向6車道，橋面標準寬度為29.5米。

二七長江大橋主橋采用三塔雙索面結合梁斜拉橋，跨徑組成為(90+160+2x616+160+90)m，主橋長1732m。總體布置如圖2所示。主橋采用半漂浮體系。邊塔處采用豎向支撐，中塔處固定鉸接體系。主梁邊塔處設置兩個雙向活動支座，橫向設置抗風支座；中塔橫梁頂設豎向支座及縱向限位擋塊，約束豎向及水平位移，橫向設抗風支座。在邊塔處設置縱向阻尼裝置，使得結構在地震力作用下，邊中塔能夠共同參與分配其作用。

大橋工程影響區(qū)歷年最高日平均氣溫為41.3℃，最低日平均氣溫為-18.1℃，年平均氣溫為16.8℃。

圖2 橋型布置圖

3 實測溫度監(jiān)測數據分析

3.1 實測溫度梯度模式

環(huán)境溫度通過熱傳導作用于橋梁結構，在結構內部形成溫度場。超靜定結構中溫度場的變化將會導致溫度次內力的產生，同時材料隨溫度的脹縮也會導致結構整體形變。因此，結構溫度是對結構力學行為影響顯著的因素。對于組合梁來說，其兩種組成材料混凝土和鋼材物理特性差異明顯，混凝土的導熱系數僅為鋼材的1/10作用，當外界溫度出現劇烈變化時，混凝土溫度變化速率要遠小于鋼材溫度變化速率。因此，當混凝土橋面板受太陽輻射時會形成橋面板厚度方向的不均勻溫度梯度，由于導熱系數的差異，橋面板與鋼梁之間也會產生高度方向的溫度梯度。

為準確掌握組合梁溫度梯度模式，沿梁高方向布置了6個溫度測點，組合梁截面構造與測點布置位置見下圖3～4所示。

圖3 組合梁結構圖 (單位：cm) 圖4 溫度測點沿梁高布置圖 (單位：cm)

對2015年全年監(jiān)測數據進行分析，取每個月月初與月中一天24小時的數據，每天每個小時取一組數據(圖5～6示出了7月1日與10月1日的溫度場分布)。溫度場分布曲線X軸代表了24小時，Y軸代表測點溫度，Z軸為測點高度。繪制溫度場分布如下圖5～6所示。

圖5 7月1日溫度場分布圖 圖6 10月1日溫度場分布圖

從上面的溫度場分布圖可以看到，在日照較為強烈的白天時間段，實測結合梁截面溫度場分布呈現出由橋面鋪裝到底面溫度逐漸降低的正溫差趨勢。其中，大約在13～15點時間段內，橋面鋪裝與梁底之間具有最大的溫差；而在夜晚時間段，結合梁截面呈現橋面鋪裝到梁底底面的負溫差趨勢，相對來說，最大負溫差時間段較為分散，在0～8點時間段內均有分布。根據每個月的溫度分布，繪制2015年時間段溫度場正溫差、負溫差分布圖。

圖7 2015年溫度場正溫差分布圖 圖8 2015年溫度場負溫差分布圖

分別取一年中最大正溫差(7月1日)、最大負溫差(10月1日)的一天，繪制截面沿高度溫度分布曲線如下圖所示。

圖9 2015年最大正(負溫差)曲線

從實測組合梁溫度梯度曲線可以看到，正溫度梯度曲線與英規(guī)定義的溫度梯度曲線接近，而負溫度梯度曲線則與歐規(guī)接近，僅在混凝土段及鋼梁段上端定義了溫度梯度，其他規(guī)范均沿鋼梁段全高定義了溫度梯度形式。

3.2 溫度梯度荷載工況

總共考慮了10種溫度梯度荷載工況，歐規(guī)的常規(guī)溫度梯度模式與英國規(guī)范基本一致，因此，歐洲規(guī)范選擇簡化模式。將10種荷載工況分列如下：

表2 溫度梯度荷載工況

3.3 溫度荷載效應

下文各結果表中監(jiān)測數據為武漢二七長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數據，均為剔除了活載效應后的溫度影響結構響應，包含了整體升、降溫、主梁溫度梯度、索梁塔溫差等的影響。其中，英規(guī)的負溫度梯度模式計算結果遠大于其他溫度梯度模式計算結果，認為其定義的負溫度梯度模式不適用，在結果列表中未顯示。

1) 主梁變形

按前文10種溫度荷載工況，計算結構主梁撓度變化，繪制撓度圖如下圖所示：

圖10 溫度荷載效應-撓度(單位：mm)

根據二七橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的撓度監(jiān)測數據，做低通濾波處理，得到分別在最大正溫度梯度(7月1日)、最大負溫度梯度(10月1日)第3跨、第4跨跨中撓度數據，并將第3、4跨跨中的各規(guī)范計算撓度值與實測溫度梯度計算撓度值列于下表所示。

表3 溫度梯度效應計算值與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實測值(單位：mm)

從溫度梯度引起的主梁變形圖上可以看到，在正溫度梯度作用下，實測溫度梯度與英規(guī)溫度梯度效應最為接近，而中規(guī)主梁撓度變化最?。辉谪摐囟忍荻茸饔孟?，實測溫度梯度與歐規(guī)溫度梯度效應最為接近，美規(guī)主梁撓度變化最小，英規(guī)定義的負溫度梯度效應遠遠大于其他3家規(guī)范及實測溫度梯度計算結果。將實測撓度與計算撓度進行對比，根據表3，在正溫度梯度作用下，SHM系統(tǒng)實測撓度與英規(guī)溫度梯度模式計算撓度最為接近，中規(guī)與美規(guī)計算結果偏小，實測溫度梯度計算結果最大；在負溫度梯度作用下，SHM系統(tǒng)實測撓度與歐規(guī)溫度梯度模式計算撓度較為接近，中規(guī)與美規(guī)計算結果偏小，實測溫度梯度計算結果大。

2) 主梁應力

對于組合梁結構應力，應拆分成鋼縱梁與橋面板進行分析。下面主要繪制了組合梁段結構應力。

圖11 溫度荷載效應-鋼梁應力(單位：MPa)

圖12 溫度荷載效應-橋面板應力(單位：MPa)

表4 溫度梯度效應計算值與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實測值(單位：MPa)

從上面幾幅圖可以看到，各溫度梯度計算模式得到的主梁應力分布規(guī)律是類似的。鋼梁沿縱橋向溫度梯度應力幅值變化較大，混凝土橋面板沿縱橋向應力幅值變化較小。實測正溫度梯度模式應力效應最大，其他幾種規(guī)范計算結果較為接近。對于負溫度梯度模式來說，中規(guī)與美規(guī)負溫度梯度模式計算效應最小，歐規(guī)與實測梯度模式計算結果較為接近。

3) 斜拉索索力

鑒于武漢長江二橋的對稱結構，在分析斜拉索索力時，取上游側1/2的斜拉索進行分析，共66束斜拉索，斜拉索沿橋縱向從漢口到武昌順序編號。將分析斜拉索示于下圖所示。

圖13 索力分析斜拉索

圖14 溫度荷載效應-斜拉索索力(單位：kN)

從上面兩幅圖可以看到，實測溫度梯度模式計算索力變化均大于四種規(guī)范的計算結果，特別是對于負溫度梯度計算效應來說，美規(guī)計算結果最小，中規(guī)次之，歐規(guī)相對較大。另外，溫度梯度效應對邊跨中長索和中跨長索的索力影響較大。

表5 溫度梯度效應計算值與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實測值(單位：kN)

從上表可以看到，實測溫度梯度模式斜拉索索力變化最大，中規(guī)索力變化最小，英規(guī)與實測正溫度梯度模式計算結果較為接近。與實測溫度梯度模式效應相比，中規(guī)與美規(guī)的負溫度梯度效應明顯低于正溫度梯度效應。

4)橋塔變形

對橋塔的應力分析，從塔墩底部開始。由于二七長江大橋為三塔斜拉橋，因此，在分析過程中主要考慮邊、中塔即3#塔、4#塔在溫度荷載作用下主塔受力和變形。

圖15 溫度荷載效應-邊塔偏位(單位：mm)

圖16 溫度荷載效應-中塔偏位(單位：mm)

從上面四幅圖可以看到，在溫度梯度荷載作用下，邊塔變形遠大于中塔。

取邊塔、塔頂的GPS數據做濾波處理，得到塔頂的最大偏位。由于中塔GPS出現故障，沒有數據。

表6 溫度梯度效應計算值與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實測值(單位：mm)

在溫度梯度荷載作用下，實測溫度梯度效應最大，英規(guī)次之，中規(guī)最小。對于邊塔來說，實測負溫度梯度效應大于正溫度梯度效應。中塔在溫度梯度作用下，橋塔沒有明顯的變形。

5)橋塔應力

圖17 溫度荷載效應-邊塔應力(單位：MPa)

圖18 溫度荷載效應-中塔應力(單位：MPa)

從上面4幅圖可以看出，在溫度梯度荷載作用下，對于邊塔來說，橋塔下橫梁處橋面位置應力最大，中塔應力均較小。

表7 溫度梯度效應計算值與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實測值(單位：MPa)

橋塔在溫度梯度荷載作用下，邊塔應力與變形遠遠大于中塔，英規(guī)荷載效應要大于中、美、歐規(guī)范，而實測溫度梯度計算得到的荷載效應大于四種規(guī)范計算的荷載效應。中塔的應力和變形可以忽略不計。

4 小結

(1)英國規(guī)范和歐洲規(guī)范對鋼-混凝土組合梁溫度梯度的規(guī)定最為詳盡，且通過與二七長江大橋實測溫度場效應相比，歐洲規(guī)范與之具有最好的吻合度，因此，建議鋼-混凝土組合梁溫度梯度在歐洲規(guī)范的基礎上結合實測溫度場數據加以修正和完善。

(2)對于大跨徑組合梁斜拉橋，溫度作用不可忽視，在橋梁結構的某些位置其引起的結構內力和變形可能會超過活載效應，因此，在設計階段對溫度因素應該予以重點關注。

(3)對比了多種溫度荷載工況，相對于整體升降溫，溫度荷載梯度引起的鋼梁彎矩要更大；而整體升降溫會引起最大的索力變化；整體升降溫、索塔梁溫差也會產生比主梁溫度梯度更大的橋塔溫度荷載效應。需要全橋進行溫度敏感性分析，以整體把握大橋溫度效應，為相似組合梁斜拉橋的溫度效應分析提供借鑒。

(4)后續(xù)可做的工作，溫度影響敏感性分析，分析諸如整體升降溫、索梁塔溫差、溫度梯度等對主梁變形、應力、索力、橋塔偏位、橋塔應力的影響；

(5)分析結果表明，4本規(guī)范的溫度梯度效應普遍小于實測溫度梯度的荷載效應，目前的規(guī)范對于溫度梯度模式與實際情況可能并不符合，在進行橋梁設計時，應結合多種因素影響，對規(guī)范計算溫度梯度效應值進行合理修正。

(6)英國規(guī)范正溫度梯度模式與實測溫度梯度模式較為接近，而歐洲規(guī)范負溫度梯度模式與實測溫度梯度模式較為接近。可以參考應該規(guī)范正溫度梯度模式，在幅值上予以修正，負溫度梯度則應僅定義鋼梁段上部及混凝土橋面板的部分。