一种针对超静定桥梁结构的温度内力控制方法研究

沈金飞

沈金飞

华汇工程设计集团股份有限公司重庆分公司

摘要：超静定桥梁结构处于自然环境中不可避免地要受到外界环境温差的作用产生温度次内力，这种影响有时甚至是控制设计的。由于对桥位处年平均温度等情况的调查不可能都全面，有时甚至存在较大的偏差；另外，设计的合拢温度通常和实际的合拢温度也会存在差异，这些都导致在设计中精确地考虑环境温度的影响将是不可能的。基于此，初步提出了一种自适应环境温差的温度内力控制方法。该方法巧妙利用预先设置的钢拉索，当环境温度变化对结构产生不利影响时，拉索随环境温度变化自适应伸缩产生附加力/力矩抵消环境温差对原结构的不利影响。该方法可广泛用于超静定桥梁结构的温度内力控制，有效减小由于环境温差引起的超静定结构的附加内力。

关键词：超静定桥梁；环境温差；温度内力；自适应控制；方法

引言

桥梁结构处于自然环境中不可避免地要受到外界条件的影响，如环境温度、湿度及大风、地震等的影响，其中环境温度的变化对桥梁的影响较为常见，由温度作用产生的内力和变形必然会对桥梁结构的正常使用及安全运营产生影响。

桥梁结构在设计时，应当在可变作用中考虑温度作用（均匀温度和梯度温度）已经成为共识。公路桥涵设计规范规定在计算桥梁结构因均匀温度作用引起外加变形或次内力时，要求从受到约束时的结构温度开始，考虑最高和最低有效温度的作用效应。由此可知，当前在超静定桥梁结构设计中对于温度次内力的处理方式，是通过在设计时计入温度作用的影响从而反应在荷载效应组合中。然而，由于对桥位处年平均温度等情况的调查不可能都全面，有时甚至存在较大的偏差；另外，设计的合拢温度通常和实际的合拢温度也会存在差异，这些都导致在设计中精确地考虑环境温度的影响将是不可能的。受项海帆教授结构概念设计的启发，笔者提出一种针对超静定桥梁结构的温度内力主动且自适应的控制思路。基于桥梁概念设计的理念，本文仅对措施提出的背景及主要思路、原理等进行介绍，具体的可行性论证及工程应用尚需进一步研究。

1、超静定结构温度次内力及其危害

大跨度超静定结构往往受温度影响较大，对于部分桥梁温度效应甚至超过了设计活载效应，而温度效应已经被认为是混凝土桥梁产生裂缝的主要原因之一。例如，某主跨3×100m的上承式混凝土拱桥，其温度效应在某些截面甚至超过了车辆活载效应。

当环境温度变化，由于拱圈材料的热胀冷缩性质，势必导致拱圈内会产生温度变形，当变形受到约束时，拱圈内部就会产生相当大的温度附加内力。通常，降温会导致无铰拱桥的拱脚产生负弯矩，而在拱顶产生正弯矩，引起拱脚上部及拱顶下部的开裂；因而，对于无铰拱桥而言，降温通常是不利的。近年来，通过对实桥进行检测，已经发现大量的空腹式无铰拱桥拱脚截面上缘及拱顶截面下缘开裂的病害，也印证了这一点，如下图所示。

2、一种自适应的控制措施

温度次内力是由于材料受环境温度s变化引起的自由伸缩受到约束而产生，受此启发，如果设想有额外的附加材料的自由伸缩受桥梁主要受力构件的约束，则在环境温度作用下，将会对桥梁结构产生一个额外的附加温度力。如果该附加力项恰好能够抵消桥梁结构本身由于温度作用引起的不利影响，则可以达到自适应控制的效果。同样跨径布置（90+180+90m）的连续梁桥及斜拉桥在相同温度情况（降温15℃）下的弯矩分布是不一致的，由于斜拉索的布置，使得斜拉桥主梁中几乎仅有正弯矩，且斜拉桥的温度效应较连续梁桥的显著。这主要是由于斜拉索的布置方式使得在降温情况下，斜拉索的收缩对主梁产生了正弯矩效果。如图2及图3所示，

图2连续梁桥温度内力示意图

图3斜拉桥温度内力示意图

对于连续梁桥而言，自重及其他活载效应使得主梁在桥墩附近产生负弯矩，因而，环境降温对连续梁桥而言是不利的。而基于以上分析，斜拉桥中斜拉索的布置方式会使得主梁在降温情况下产生较大的正弯矩，从图3可知，斜拉索能够有效的抵抗环境降温对主梁的不利影响。也就是说，假如斜拉桥中斜拉索不具有索力，而不使其成为斜拉桥，而只是在降温情况下起作用，则斜拉索的布置就起到了抵抗环境降温的效果，当然如果仅仅为了抵抗温度效应而布置如此多的斜拉索肯定是不经济的。为了进一步了解斜拉索布置方式的不同会对结构在环境温差情况下产生什么样的影响，我们在连续梁设置固定支座的桥墩上张拉一对斜拉索，从图4可见，该墩附近主梁中由于降温引起的正弯矩减小了约35%。

图4下部布置拉索的情况

3、结论

尽管桥梁设计中已经考虑了温度效应的影响，但是鉴于对环境温度的调查不都全面，有的甚至存在大的偏差，那么寻求一种针对环境温度进行自适应控制的措施就显得尤其重要。本文在考察同样跨径布置的连续梁桥和斜拉桥的温度内力情况下，提出了一种针对超静定结构的温度内力控制措施，即在合适温度情况下在合理部位设置刚拉索，使得刚拉索在环境温度变化情况下能够削弱甚至完全抵消结构中的次内力。本文仅仅是从桥梁概念设计的理念出发，定性地提出了一种方法，具体的可行性论证以及工程应用尚需进一步研究。

参考文献：

[1]袁瑞.钢筋混凝土肋拱桥病害处治及加固技术研究[D].重庆交通大学，2010.

[2]张麒蛰.钢筋混凝土箱形拱桥病害分析与加固技术探讨[J].水利与建筑工程学报.2009（03）：94-95.

[3]凯尔别克F.太阳辐射对桥梁结构的影响[M].1981.

[4]房贞政，黄润，郑则群.箱型截面空腹式刚架拱桥温度场的实测与研究[J].福州大学学报（自然科学版）.2005（02）：212-217.

[5]项海帆.桥梁概念设计[M].北京：人民交通出版社，2011.

[6]马扬前.连续箱梁桥的温度梯度和汽车荷载效应研究分析[J].广东公路交通.2012（03）：22-25.