浅谈温度对斜拉索桥梁的影响

摘要：本文简要论述了日常温度对矮塔斜拉桥索力和合龙前南北两岸悬臂最长处高程的影响。

关键词：温度；索力；合龙段

中图分类号： K928 文献标识码： A

1 概况

淮安市通甫路跨京杭大运河斜拉桥工程，起点位于延安东路与二污厂路的环型交叉口处，线路从北向南延伸，向南跨越清安河、大运河后止于正大东路，总长1446m。斜拉桥主桥梁长度为870m，所跨京杭大运河为II级航道。桥位处南岸为锚地，北岸为驳岸，桥位处驳岸间距约155.5m。主桥为100m+160m+100m双塔索面预应力矮塔斜拉桥，主梁采用单箱四室大悬臂截面梁，桥梁宽为28m，横向面置为1.5m（栏杆及人行道）+3.5m（慢车道）+1.5m（侧分带或锚索区）+15m（快车道）+1.5m（侧分带或锚索区）+3.5m（慢车道） +1.5m（侧分带或锚索区）；桥面以上塔高为26m；每个索塔有13道斜拉索，共52道，大桥斜拉索总重量达238吨。

引桥全部采用30m预应力混凝土组合箱梁，长度510m，北引桥为9跨30m组合连续梁，南引桥为8跨30m组合连续梁；引桥两侧接线总长约576m，接线为沥青混凝土路面。

2 温度对索力的影响

斜拉桥的施工采用分阶段逐步完成的施工方法，结构的最终形成，必须经历一个漫长而又复杂的施工过程以及体系转换过程。在施工过程中使每一阶段都能准确地达到预先设计的应力状态和几何线形，其关键之一在于每一阶段施工中的索力调整。在斜拉索安装张拉时，为达到期望的索力和桥面标高，须对某些索或全部索的索力进行调整。由于设计施工索力是在规定桥体温度的情况下确定的，而在施工阶段桥体温度处于一个复杂的随机状态，因些施工间索力调整除考虑设计温度下的设计索力外，还必须考虑张拉时全桥实际温度场与设计温度场的差异对梁、索、塔产生的温度变形。

温度场变化包括日温度变化和季节温度变化。通过测量发现：日温度变化比较复杂，对于桥梁结构来说，在某一时刻的结构温度是一个随机变量，它与桥梁所处的地理位置、自然条件、组成构件的材料等有密切的关系。季节性温差对斜拉索、主梁、索塔变形的影响比较简单，其变化是均匀的。但是，实测资料也表明结构温度不能直接由气温得出（相对于气温的变化，结构温度的变化在时间上有滞后性）。这些因素都给斜拉索索力的调整带来困难。因而在进行索力调整之前，必须尽量做好实际结构的温度监测工作，而且必须选择合适的时间来调整索力，以尽量避免不均匀温差等因素的影响。

2.1 斜拉索索力测试

索力测试是否准确直接关系到主梁和塔柱的内力和主桥线形及结构的安全。因此，保证索力测试的准确至关重要。要在施工过程中比较准确地了解索力实际状态，进行索力张拉调整，合理地选择量测方法和仪器，并设法消除量测现场中各种误差因素的影响是施工控制之关键。

2.1.1施工过程中索力测试常用方法有下面几种：

（1）压力表测定千斤顶液压目前，索结构通常使用液压千斤顶张拉。由于千斤顶的张拉油缸中的液压和张力有直接的关系，所以，只要测定张拉油缸的压力就可求得索力。通常使用精密压力表，测得索力的精度误差可达到1%~2%。

（2）压力传感器直接测定在悬索桥主缆索股或斜拉索等锚下安装压力传感器，通过二次仪表读取拉索索力。选择恰当的传感器除可以满足施工控制监测需要外，还可用于桥梁使用过程中的索力测量。

（3）振动频率量测。这种方法是利用索力与索的振动频率之间存在对应关系的特点，在已知索的长度、两端约束情况、分布质量等参数时通过测量索的振动频率，进而计算出索的拉力。

本工程上所用仪器型号为JMM-268索力动测仪。根据张力弦振动公式F= （1）

式中F：弦的自振频率

L：弦的长度

ρ：弦的材料密度

δ：弦的拉力

可知，明确了弦材料和长度之后，测量弦的振动频率就可以确定弦的拉力。对于两端固定匀质受力的钢索也可近似作为弦。钢索的拉力T与其基弦F有如下关系：T=KF2 （2）

其中K：比例系数

F：钢索基频

T：钢索拉力（kN）

F=Fn/n （3）

其中Fn：主振动频率（Hz）

n：主振频率的阶次

因此，通过测量钢索的主振动频率，就可求出钢索的拉力。

比例系数K的确定：K=4WL2/1000（4）

其中W：钢索单位长质量（kg/m）

L：钢索两嵌固点之间的长度（m）

根据以上原理，预先需要知道拉索长度、拉索单位质量重。在日常监测中全过程参与拉索单位的工作，并将仪器所测索力与他们通过张拉油缸的压力换算得到的拉力进行对比。

2.1.2 斜拉桥温度监测

在大跨度桥梁施工过程中对结构的温度进行监测，寻求合理的架设、索力张拉等时间，修正实测的结构状态的温度效应，对桥梁按目标施工和实施施工监控是十分重要的。

目前，结构温度的测量方法较多，包括辐射测温法，电阻温度计测温法、热电偶测温法等。每种方法的测量范围、精度和测量仪器的体积及测量繁杂程度都有所不同，通常应选用体积小、附着性好、性能稳定、精度高且可进行长距离传输监测的测温元件。

2.1.2.1 测试项目

结构温度场测试的主要项目包括：索梁温差，主梁顶、底板温差，主塔两侧温差及体系温度，其中影响最大的是索梁温差。

2.1.2.2 梁与主塔的温度监测

为便于施工控制资料的分析，尚应测出有代表性的某一天或几天内24 h内气温及结构温度变化情况。结合塔柱偏移和主梁线形测量结构，总结出结构日照温差变形规律和季节性温差变形规律。

2.1.2.3 斜拉索的温度监测

对斜拉索成缆结构的温度状态确定正确与否将直接影响其索力的控制计算。由于钢丝间的空隙使得缆索横截面内的温度分布很不均匀，根据经验，对于直径较小的拉索可取拉索表面测点温度的平均值，对直径较大的拉索应对测点温度进行适当修正。

2.2 温度对斜拉桥索力的影响

温度变化对斜拉桥索力影响极大。由于斜拉桥主要由两种材料组成，即钢绞线和混凝土，二者强度线膨胀系数相差较大，相同的温度变化引起的变形不一致。而且由于斜拉索与混凝土构件对外界温度变化响应的程度和快慢不同从而在同一时刻结构的温度变形不同，并且因各部位日照强度和方向不同而导致结构中温度场的变化不同。鉴于温度变化对斜拉桥的线型影响较大而且非常复杂，在施工中一般采用避免温度变化和消除温度影响相结合的办法控制温度影响。近年来人们根据晚上无日照，温度变化小的特点，认为此时结构构件各部分温度已基本接近，而且因温差及其他外力因素引起的滞后变形也已产生。因此建议现场索力日常读数及索力调整应选择在夜间或清晨气温比较平稳时，其效果较理想。

2.3 实桥监测分析

本次试验数据为第一根索也就是现浇块6#块。

图1实测数据

图2温度与时间关系

图3索力与温度关系

2.3.1总结

（1）研究表明，当温度升高时，缆索索力由内向外表现出由受压力转向受拉力的变化趋势；反之，当温度降低时，则表现出由受拉力转向受压力的趋势；

（2）鉴于温度对斜拉桥索力的影响，在施工过程中必须认真做好斜拉桥温度监测工作，要求提供索、梁、塔各测试断面温度及其短期变化曲线。对于斜拉索，尚应提供索内外温差和中心点温差的对应关系曲线;根据施工期温度场的变化规律控制斜拉索张拉的最佳时刻，进行人为地主动避开昼夜温差影响或进行温度影响修正。

3温度对合龙段的影响

中跨合龙前，我们对中跨合龙段两端的南北两岸19#块顶板和底板标高随气温变化进行了跟踪测量。合龙段实测高程随温度变化趋势见附图1和附图2。由图可见：温度变化对合龙段高程影响较大，温度升高时合龙段高程降低，目前一日内高程变化最大达到了10cm左右，因此有必要对合龙施工的时机进行严格控制，否则难以达到设计高程。建议合龙段施工安排在顶板和底板高程随温度变化较小，而且控制在设计要求的合龙控制温度范围内进行并完成。

附图1合龙段顶板实测高程随温度变化趋势图

附图2合龙段底板实测高程随温度变化趋势图

参考文献:

[1] 林元培.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，1994.

[2]（JTJ02796）公路斜拉桥设计规范[S].北京：人民交通出版社，1990.

[3] 淮安市通甫路大运河桥工程实施性施工组织设计.