大跨度部分斜拉橋施工控制溫度效應(yīng)影響研究

孫建淵，尹成章

（同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海市 200092）

0 引言

對(duì)于大跨徑橋梁，施工中每個(gè)工況的結(jié)構(gòu)狀態(tài)要達(dá)到設(shè)計(jì)所確定的理想目標(biāo)，但要得到比較準(zhǔn)確的控制調(diào)整量，必須充分考慮施工過程中各個(gè)參數(shù)值的影響，其中溫度效應(yīng)就是大跨度橋梁施工控制的一個(gè)影響因素。對(duì)于懸臂施工的大跨徑部分斜拉橋施工控制，尤其是橋梁結(jié)構(gòu)處于大懸臂結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí)，溫度效應(yīng)對(duì)主橋的斜拉索索力及主梁懸臂端的撓度影響十分明顯[1,2]。大跨度部分斜拉橋的理論索力及理論標(biāo)高是在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度下計(jì)算得到的，但實(shí)際施工過程中結(jié)構(gòu)的溫度是隨時(shí)間變化的，在施工工程中，斜拉索索力變化與主梁撓度的變化相互影響，并最終影響橋梁的受力，因此必須考慮由實(shí)際施工溫度與計(jì)算溫度差異引起的斜拉索索力及主梁撓度的變化。

在混凝土部分斜拉橋中，溫度效應(yīng)主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，斜拉橋各構(gòu)件之間的溫差效應(yīng)，如索梁溫差等；第二，主梁截面不同部位的溫度效應(yīng)，如主梁上緣和下緣的溫差；第三，各構(gòu)件受大氣環(huán)境影響而產(chǎn)生的自身溫差效應(yīng)，這其中又包括季節(jié)性溫差和日照溫差[3-6]。因此，在施工過程中，必須對(duì)溫度效應(yīng)引起的索力變化和主梁撓度變化給予足夠的重視，嚴(yán)格控制主梁線形和斜拉索索力[7,8]，將溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)的影響降至最低。

1 工程概況

大連市長山大橋主橋橋孔布置為 140 m+260 m+140 m，采用塔墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋體系。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱三室流線型扁平箱梁。主橋?yàn)?540 m 雙塔雙索面部分斜拉橋，橋梁凈高 27.43 m。主橋兩墩的編號(hào)分別為 14#墩、15#墩，結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。在施工控制中，該部分斜拉橋的監(jiān)控要求是主梁各個(gè)節(jié)段標(biāo)高的允許誤差在± 20 mm 以內(nèi)，斜拉索索力的偏差不大于± 5%。

2 溫度效應(yīng)模擬分析

該橋采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件 Midas 進(jìn)行計(jì)算模型建立。長山大橋?yàn)殡p塔雙索面部分斜拉橋，每個(gè)橋墩共有 31 個(gè)施工節(jié)段，兩墩采用同時(shí)對(duì)稱懸臂施工。在計(jì)算模型的建立中，為了與實(shí)際的測量相對(duì)應(yīng)，選取懸臂端長度較大的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在主梁26#塊現(xiàn)澆段澆筑完成，主梁 C15#索張拉完成后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí)（26#塊及 C15#索的位置如圖1所示），對(duì)該狀態(tài)下的懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，Midas 分析模型如圖2所示。

為了研究橋梁整體升溫、索梁溫差，以及主梁溫度梯度對(duì)懸臂端主梁撓度及斜拉索索力的影響，考慮到當(dāng)時(shí)夏季的施工環(huán)境溫度及施工計(jì)算模擬的基準(zhǔn)溫度，將橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件溫度分別均勻升高 2.5℃、5℃、7.5℃、10℃、12.5℃、15℃來模擬整體升溫的溫度效應(yīng)，將斜拉索溫度分別升高 2.5℃、5℃、7.5℃、10℃、12.5℃、15℃來模擬索梁溫差的溫度效應(yīng)，將主梁溫度梯度（上緣溫度大于下緣）設(shè)為 2.5℃、5℃、7.5℃、10℃來模擬溫度梯度的效應(yīng)影響。分別在這 3 種溫度效應(yīng)下計(jì)算得出懸臂端關(guān)鍵截面的撓度及斜拉索索力的變化值。計(jì)算結(jié)果表明，邊跨和中跨的撓度變化差別不大，兩側(cè)斜拉索索力變化值差值幾乎為零，撓度變化值及斜拉索變化量如圖3、圖4所示。

2.1 整體升溫的影響

圖1 大連市長山大橋結(jié)構(gòu)布置圖（單位：cm）

圖2 Midas 軟件分析模型

圖3 溫度效應(yīng)對(duì)主梁撓度的影響

圖4 溫度效應(yīng)對(duì)斜拉索索力的影響

季節(jié)溫差又稱年溫差，季節(jié)溫度的變化會(huì)使橋梁構(gòu)件整體的溫度發(fā)生改變。從整個(gè)模擬分析結(jié)果來看，整體升溫對(duì)懸臂端撓度影響不是很大，在整體升溫 15℃時(shí)，懸臂端的撓度為 2.8 mm，主梁中跨懸臂端的撓度為 2.2 mm。懸臂端處的 C15#斜拉索索力值增加了 17 kN，占整個(gè)索力值（4 600 kN）的 0.4%。隨著溫度的均勻變化，懸臂端撓度及斜拉索索力的變化基本上呈線性變化。

2.2 局部溫差的影響

局部溫差是由斜拉橋各構(gòu)件之間的溫差效應(yīng)（索梁溫差等）和主梁截面不同部位的溫度效應(yīng)（主梁上緣和下緣的溫差）構(gòu)成。隨著大氣的溫度變化，斜拉橋各個(gè)部分對(duì)溫度所表現(xiàn)出來的敏感程度也存在著巨大的差異。斜拉索是由鋼絲制成，其溫度變化比較均勻，對(duì)溫度的敏感程度也比較高，而主梁的溫度場分布復(fù)雜，隨溫度的變化表現(xiàn)明顯的滯后性，且受光表面和構(gòu)件內(nèi)部呈現(xiàn)出較大的溫度梯度。主梁梁高較高，一般是主梁上緣部分受到陽光的直射，溫度較高；而主梁下緣部分處于蔭涼的位置，溫度較低[9,10]。

從圖3、圖4可以看出，索梁溫差對(duì)懸臂端主梁撓度影響較大，當(dāng)索梁溫差達(dá)到 15℃時(shí)，主梁下?lián)?40 mm，懸臂端斜拉索索力增加了 91.7 kN，占整個(gè)索力的 1.9%。主梁溫度梯度達(dá)到 7.5℃時(shí)，主梁就已經(jīng)下?lián)狭?40 mm，此時(shí)懸臂端斜拉索索力增加了 137.76 kN，占整個(gè)索力的 3%。隨著溫度的均勻升高，懸臂端主梁撓度及斜拉索索力也在非線性的變化。

在局部溫度效應(yīng)的累計(jì)分析中，假定主梁上、下緣溫差為 5℃，索梁溫差為 2℃，來分析局部溫差對(duì)關(guān)鍵截面的撓度及關(guān)鍵索力的影響。從分析結(jié)果上來看，主梁邊跨懸臂端的撓度為 25.3 mm，主梁中跨懸臂端的撓度為 25.4 mm。懸臂端處 C15索索力值增加了 184 kN，占整個(gè)索力值的 4.0%。

以上理論計(jì)算模擬分析結(jié)果表明，局部溫差的主梁撓度變化較整體升溫的影響更為明顯，且局部溫差的變化比較復(fù)雜，呈現(xiàn)非線性。對(duì)于斜拉索索力的變化情況，兩種溫度效應(yīng)對(duì)索力的大小影響都比較可觀，所以在施工監(jiān)控中也不容忽略。

3 溫度效應(yīng)的現(xiàn)場監(jiān)測及結(jié)果分析

長山大橋的施工方法是懸臂節(jié)段澆筑施工，當(dāng)懸臂結(jié)構(gòu)長度較大時(shí)，主梁標(biāo)高和斜拉索索力大小對(duì)溫度的變化比較敏感，而且隨著懸臂長度的增加，這種敏感的程度也會(huì)加劇。為了掌握溫度效應(yīng)對(duì)主梁撓度和斜拉索索力的影響，選取天氣較好，溫差較大的一天進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。長山大橋主橋在縱橋向是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，而且兩墩處主梁同時(shí)施工，因此，選取其中一個(gè)橋墩進(jìn)行測量分析。每跨標(biāo)高測量選取具有典型的 3 個(gè)測點(diǎn)，即距離橋墩中心線 45 m 處的第 9 施工節(jié)段（Z1、B1）、距離橋墩中心線 77 m 處的第 18 施工節(jié)段（Z2、B2）、距離橋墩中心線 109 m 處的第 26 施工節(jié)段（Z3、B3），其中 Z 代表中跨、B 代表邊跨。由于斜拉索數(shù)量較多，只對(duì)索力大小變化較大的斜拉索的索力進(jìn)行監(jiān)測，即中跨和邊跨的 C15#索。測點(diǎn)布置如圖5所示。

3.1 溫度測試結(jié)果

在一天內(nèi)的 6 個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，分別對(duì)長山大橋主橋橋塔，主梁上、下緣，斜拉索及大氣的溫度進(jìn)行測量。在橋塔根部，主梁上、下緣處，通過預(yù)先埋設(shè)的高精度溫度傳感器來測量它們的溫度。將溫度傳感器深入斜拉索 PE 套管，并緊貼鋼絞線來測量斜拉索的溫度。測量結(jié)果如表1所示。

從溫度測試結(jié)果可以看出，橋塔溫度一天變化為 0.9℃，梁上緣溫度一天變化為 3.8℃，梁下緣溫度一天變化為 0.7℃，大氣溫度一天變化為 5℃，斜拉索溫度一天變化為 4.5℃。其中索梁溫差最大為 4.7℃，索塔溫差最大為 3.8℃，塔梁溫差最大為 4.4℃。圖6為溫度變化圖。

3.2 高程測試結(jié)果

主梁在各時(shí)段的絕對(duì)標(biāo)高測試結(jié)果見表2，相對(duì)標(biāo)高變化結(jié)果見表3。主梁在各時(shí)段的相對(duì)標(biāo)高是相對(duì)于 6：00 測試結(jié)果的差值。表中 B 表示邊跨，Z 表示中跨。

從表2、表3中可以看出：

（1）主梁標(biāo)高隨著溫度的升高逐漸降低，隨著溫度的降低逐漸升高，一天中從 6：00-18：00 變化的基本過程為先一段平穩(wěn)期，標(biāo)高降低，再標(biāo)高升高。這主要是主梁對(duì)大氣的溫度變化有一定的滯后性所導(dǎo)致的。

（2）主梁標(biāo)高在 6：00-10：30 節(jié)段變化較小，相對(duì)于 6：00 時(shí)而言，標(biāo)高變化最大為 6 mm。大氣溫度在這個(gè)時(shí)間段里變化較小，此時(shí)溫度效應(yīng)對(duì)主梁的撓度影響不是很明顯。

（3）中跨梁端在 15：30 時(shí)下?lián)献畲?，?2.3 cm，邊跨在 13：30 時(shí)下?lián)献畲螅瑸?2.6 cm。這段時(shí)間段里，大氣溫度迅速上升，橋梁各個(gè)構(gòu)件對(duì)溫度場的變化開始有所反應(yīng)。在局部溫差較大和各個(gè)構(gòu)件溫度升高的情況下，勢(shì)必對(duì)主梁懸臂端的撓度產(chǎn)生較大的影響。

圖5 測點(diǎn)布置示意圖

表1 溫度測量結(jié)果

圖6 溫度變化圖

表2 主梁絕對(duì)標(biāo)高測試結(jié)果

表3 主梁相對(duì)標(biāo)高測試結(jié)果

（4）同一測量時(shí)間點(diǎn)，隨著縱向距離的、增加，主梁撓度基本上是按著越來越大的趨勢(shì)發(fā)展的。這說明隨著懸臂結(jié)構(gòu)長度的增加，溫度效應(yīng)對(duì)懸臂端撓度的影響也越來越大。

3.3 索力測試結(jié)果

斜拉索由于其材料的勻質(zhì)性，其軸線及斷面上溫度分布較為均勻，但由于斜拉索材料特性與主梁、主塔不同，其溫度最大值、最小值出現(xiàn)的時(shí)間與梁塔也不同步。在一天內(nèi)不同的時(shí)間段對(duì)懸臂端 C15#索的索力值進(jìn)行測量，測量的結(jié)果如表4所示。

表4 主梁 C15#索測試結(jié)果（單位：kN）

斜拉索索力值在一天的時(shí)間內(nèi)的變化情況，同主梁撓度變化類似。一天中從 6：00-18：00 變化的基本過程為先一段平穩(wěn)期，這段時(shí)間大氣溫度變化較小，氣溫上升的較慢；隨著大氣溫度的增加，主橋各個(gè)構(gòu)件溫度會(huì)有不同程度的上升，由于各個(gè)構(gòu)件對(duì)溫度的敏感程度不同，必然會(huì)產(chǎn)生各個(gè)構(gòu)件的局部溫差，同時(shí)，斜拉索溫度的變化對(duì)斜拉索的索力也會(huì)有一定的影響。因此，在 15:30 這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，斜拉索索力的變化達(dá)到了一個(gè)最大值，變化幅度達(dá)到了整個(gè)索力張拉量的 4.2%。雖然變化幅度在施工監(jiān)控誤差允許的范圍之內(nèi)，但由于偏差較大，對(duì)施工控制索力值的監(jiān)控也會(huì)有一定的影響。圖7為主梁 C15#索索力值變化圖。

圖7 主梁 C15#索索力值變化圖

4 結(jié)論

（1）在理論模擬中，無論是溫度效應(yīng)單項(xiàng)還是局部溫度效應(yīng)累加，懸臂端主梁撓度變化值在溫度變化較大時(shí)都大于該橋的允許誤差，斜拉索的偏差值也比較大，不容忽略，所以，溫度效應(yīng)對(duì)大跨度部分斜拉橋施工控制影響較大，應(yīng)著重考慮。計(jì)算結(jié)果顯示整體升溫對(duì)主梁撓度和斜拉索索力的影響較小，而局部溫差對(duì)主梁撓度和斜拉索索力的影響較大。為了避開局部溫差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有明顯影響的重要施工工序應(yīng)在結(jié)構(gòu)處于較為均勻溫度狀態(tài)下進(jìn)行。

（2）從現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果可以看出，在主橋進(jìn)行大懸臂施工時(shí)，主梁標(biāo)高隨溫度變化較為明顯。主橋在立模標(biāo)高定位、絕對(duì)標(biāo)高測試及斜拉索測量時(shí)應(yīng)在溫度較低或溫差較小的時(shí)間段進(jìn)行，以減少溫度變化對(duì)大跨度部分斜拉橋施工監(jiān)控產(chǎn)生的不利影響。

（3）主梁、主塔及斜拉索的實(shí)際溫度變化比較復(fù)雜，尤其是橋梁各個(gè)構(gòu)件之間以及同一構(gòu)件不同部位存在著復(fù)雜多變的局部溫差，在理論計(jì)算中很難精確模擬。從索梁溫差及主梁溫度梯度的累計(jì)上來看，理論計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測存在著一定的誤差，但主梁懸臂端的撓度變化相差不大，斜拉橋索力值變化基本吻合。

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