唐飚

长沙市规划设计院有限责任公司 湖南 长沙 410000

前言

悬索桥的几何形状受温度影响较大，因此施工过程及成桥中需重点考虑温度场的影响，往往将温度场作为一个敏感因素考虑到施工过程及成桥状态中，进而进行相应的修正。索塔在整个主缆架设及加劲梁吊装阶段均要受到外界日照、雨水等引起的温差作用，从而产生温差变形，因而对塔的轴线线形、塔顶高程均是有影响的，需要进行及时的修正[1,2]，使整个成桥过程最大限度地与设计内力、线性相近。塔顶偏位随着日照角度的变化而变化，本文依托某悬索桥施工项目主要进行索塔温度变化的温度场规律性研究，方便进行主缆施工线性的计算[3,4]。

1 工程概况及温度偏位监测

1.1 工程概况

某独塔双索面自锚式混凝土悬索桥桥梁主跨为70m，边跨为25m，主缆中心距32m，吊索沿顺桥向间距4m。索塔采用欧式塔形，塔结构总高34米，桥面以上塔结构高24.5米。桥梁横断面宽43米，上部加劲梁采用双边肋纵梁与吊杆间横梁相交的框架体系，纵梁高度采用2.3米，横梁高度采用2米。下部结构主塔基础采用φ150cm的群桩，主跨桥台采用钻孔灌注桩，小边跨桥台采用半整体式重力桥台。

1.2 裸塔状态下的温度监测

本自锚式悬索桥沿主跨到边跨处于东西方向，上午日照下，东侧塔温度高于西侧，引起东侧混凝土膨胀，西侧混凝土收缩，从而产生温度作用偏位。主要进行索塔温度变化的规律性研究。

（1）监测点设置。纵向从主跨到边跨方向，0#台及1#台处各设置一个基准观察点S1、S2，在塔顶上设置一个观测点S3。

（2）观测仪器、观测量。采用全站仪进行观测，将全站仪架设在基准观测点S1、S2上，多次测量S13、S23距离，S13、S23距离变化量则为塔受温度变化引起的变形值。

1.3 ansys模型的建立

根据自锚式悬索桥的组成结构选择ansys中模拟的单元，自锚式悬索桥主要由加劲梁、吊索、缆索、主塔等组成，对应可以选择梁单元、壳单元、杆单元、实体单元进行模拟，其中，主塔及加劲梁采用BEAM4单元、主缆、吊杆、支撑结构采用LINK10单元。其分析简图如下图2所示。

2 温场下的分析模型建立

索塔截面温度场是多维方向决定的，求解较为复杂。同时温度受环境影响，而且混凝土材料传递温度具有滞后性，外表温度升温较快，内部则较慢，传温的滞后性也决定了混凝土内部温度降幅较小。本文采用有限元程序进行温度场模拟计算，具体步骤包括以下内容：

①建立主塔截面模型、划分主塔单元；②进行模型初始状态的设置。将计算时测得的混凝土测点温度作为温度荷载施加到节点上，稳态求解，从而确定温度变化下的初始状态模型；③对模型施加边界条件。获得现场温度随时间变化的关系，将其变化关系下的温度变化荷载施加到混凝土表面；④设定求解荷载步，实行有限元分析中的瞬态温度场分析；⑤进行结果的后处理，提取不同荷载步下的结果。

3 温度场的实例分析

分析中采用实测温度值进行有限元分析中等效温度荷载的设定，得出主塔截面中心区域内温度变化规律、沿主塔高度方向的温度梯度分布。

3.1 主塔温度场计算

取自锚式悬索桥某截面进行截面温度的24h测试，考虑到主塔截面为长方形，故而设置5个测点，即长方形中心点测点1、其余四边中点为测点2、3、4、5。温度测点布置图见下图3所示。测点1为中心测点，测点布置为建筑前已经布置好温度应变传感器，其余4个测点为表面测点，直接粘贴温度传感器。测试中，将传感器通过导线引入到地面进行读数，但长导线务必对测试数据产生一定的影响，为了消除长导线带来的温差影响，这里在现场测试中进行简单的试验，通过试验获得温差变化与长导线间的关系，从而在后期数据处理中消除长导线的影响。

获得以上截面测点温度后，可以采用有限元分析程序进行不同时刻主塔截面不同位置温度场的分布计算，求解中以文献[5]中的混凝土材料热工系数为基础材料数据，以回归实测表面温度的时间-温度函数关系作为温度荷载，施加到有限元模型中。

3.2 主塔中心截面温度分析

采用有限元分析软件进行截面中心温度计算，计算结果与实测结果数据如下图1所示。

图1 主塔截面中心温度实测值与设计值结果

由上图1可知，采用有限元分析获得的主塔截面中心温度与实测中心温度偏差较小，最大相对误差仅为0.142，基本满足了施工测试要求。可见，本文采用的有限元分析程序较为合理。

实测中心温度与有限元分析温度中，最大温度出现在晚上8点左右，0～6点左右逐渐降低，6～20点逐渐增大。而一天中最高大气气温出现在14点左右，因而混凝土材料在吸收热量后传递较慢，具有传递温度的滞后性。

3.3 主塔截面最不利温度梯度分析

实际工程中往往需要获得控制截面的温度梯度的分布情况，前面已经验证了有限元分析程序的可行性，故可以采用有限元进行截面最不利温度梯度分析。大气温差一般在14点时最高，此时的温度分布最不利，因此可以采用该时间点进行截面温度梯度的计算。这里选取截面中心点为基准温度，截面各点与中心温度温差计算结果见下表2所示。

图2 主塔截面测点1-2及1-4温差有限元计算结果图

图3不同截面测点3不同时间段温度实测数据（℃）

3.4 主塔塔高方向最不利温度梯度分析

这里选取各个截面测点2在不同时间段的温度测试结果如下图3所示。

由测试可知，测点2、测点3、测点4均在9点左右时，沿塔高方向不同截面的温差最大，测点5在14点时沿塔高方向不同截面温差最大。中心测点在8～12点沿塔高方向不同截面温差最大。

4 结束语

本文主要结论如下：

（1）采用有限元分析获得的主塔截面中心温度与实测中心温度偏差较小，最大相对误差仅为0.142，基本满足了施工测试要求。实测中心温度与有限元分析温度中，最大温度出现在晚上8点左右，0～6点左右逐渐降低，6～20点逐渐增大。而一天中最高大气气温出现在14点左右，因而混凝土材料在吸收热量后传递较慢，具有传递温度的滞后性。

（2）计算获得了不同测试截面不同时间下的温度场24h内的温度变化数据，并采用数据非线性拟合得到了主塔截面中心温度经验公式、沿主塔高度方向最不利温度梯度的经验公式。

（3）边测点与中心测点温度差值越大，裸塔塔顶的偏位值越大。由夜间测点温差较为稳定，在夜间进行索塔放样来确定跨径较好。在实际监控中应对截面温度进行实测，采用以上分析方法综合确定塔顶的偏位值大小。