預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋溫度-撓度試驗(yàn)研究

董　旭， 蔚龍祥， 路　軍， 高大峰， 陳凱旋

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安　710055)

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預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋溫度-撓度試驗(yàn)研究

董旭， 蔚龍祥， 路軍， 高大峰， 陳凱旋

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安710055)

[摘要]在大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工中，通常因溫度變化所致主梁產(chǎn)生較大的撓度，給大橋的合攏造成嚴(yán)重的困難。結(jié)合工程實(shí)例，在龍溪港大橋0#塊端部布置溫度計(jì)，對(duì)溫度和撓度進(jìn)行一晝夜的觀測(cè)；并分析溫度和撓度數(shù)據(jù)，利用最小二乘法進(jìn)行溫度場(chǎng)分布曲線的擬合。然后，建立有限元模型，計(jì)算擬合溫度場(chǎng)下的理論溫度撓度。結(jié)果表明，溫度對(duì)主梁的撓度影響很大，最大值為32 mm；溫度變化引起的撓度與外溫呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，并且撓度值隨懸臂長(zhǎng)度的增大而逐漸增大，因此，選擇最佳的合攏時(shí)間對(duì)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋成橋后的線形和受力至關(guān)重要。

[關(guān)鍵詞]連續(xù)梁橋； 懸臂施工； 溫度分布曲線； 撓度； 溫度模式

0前言

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工過程和成橋狀態(tài)具有很大的關(guān)聯(lián)性，尤其在懸臂施工中，施工階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與成橋狀態(tài)存在較大的差異[1]。為保證合攏后主梁能達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的線形和內(nèi)力狀態(tài)以及成橋質(zhì)量和通車安全，必須嚴(yán)格控制施工過程中的主梁線形[2]。然而處于外環(huán)境中的橋梁結(jié)構(gòu)受到諸如日照輻射、外界溫度變化的影響，在梁體內(nèi)部形成不均勻的溫度場(chǎng)，致使梁體在懸臂施工中產(chǎn)生不可避免的溫度變形[3,4]。

關(guān)于橋梁溫度效應(yīng)的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做過很多相關(guān)的工作。如美國(guó)的ZUK[5]采用線性溫度分布分析了結(jié)合梁的溫度應(yīng)力;英國(guó)的D.A.Stephenson[6]以表面溫度波為依據(jù)，采用非線性指數(shù)函數(shù)分析了混凝土結(jié)構(gòu)壁厚方向的溫度分布；康為江[7]認(rèn)為，在溫度梯度作用下，頂板下緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，并且跨中混凝土應(yīng)力值較大；葉見署[8]系統(tǒng)分析了溫度對(duì)懸臂施工的影響后認(rèn)為，平行的雙幅橋梁可以按照單幅來考慮溫度分布等。雖然這些研究成果具有一定的參考價(jià)值，但是并未對(duì)大跨混凝土連續(xù)箱梁橋的溫度梯度做出規(guī)定，并且也沒有提供各種截面型式以及各個(gè)地區(qū)的詳盡說明。因此，在施工過程中，結(jié)合地區(qū)氣象觀測(cè)資料對(duì)現(xiàn)場(chǎng)橋梁溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)是很必要的。

本文以湖州市龍溪港大橋-三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過對(duì)溫度和撓度測(cè)點(diǎn)的24h觀測(cè)，擬合最不利時(shí)刻的溫度分布曲線，并利用Midas/Civil2013建立有限元模型，進(jìn)行大跨混凝土連續(xù)梁橋的溫度—撓度試驗(yàn)研究。

1溫度和撓度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1工程概括

湖州市龍溪港大橋，跨越三級(jí)航道，主橋中心樁號(hào)k2+743.3。主橋上部結(jié)構(gòu)為75m+130m+75m雙幅預(yù)應(yīng)力混凝土箱形變截面連續(xù)梁橋(見圖1)，南北走向，南為大樁號(hào)方向；箱梁頂板寬15.5m，翼緣板懸臂長(zhǎng)為3.5m，由單箱單室箱形截面組成。主墩與箱梁相連的根部斷面梁高7.8m，跨中和邊跨現(xiàn)澆段梁高為3.2m，箱梁跨中截面底板厚度0.32m，根部截面底板厚度0.915m，中間底板厚度按1.8次拋物線變化。主橋節(jié)段采用懸臂法施工，分為0～14號(hào)塊、邊跨現(xiàn)澆、邊跨合攏、中跨合攏段。

圖1　龍溪港大橋主橋縱向布置圖(單位： cm)Figure 1　The layout diagram of long xi gang bridge(unit: cm)

1.2溫度觀測(cè)與溫度梯度擬合

溫度計(jì)布置在離左幅31號(hào)墩中心線6.5m處的A-A截面，其橫向布置圖見圖2；溫度計(jì)采用的是長(zhǎng)沙金馬高科技有限公司生產(chǎn)的JMT-36B半導(dǎo)體溫度計(jì)；從2014年10月19日凌晨01:30到夜晚23:30，進(jìn)行24h監(jiān)測(cè)，每2h觀測(cè)一次，得到頂板、腹板以及底板的溫度-時(shí)間觀測(cè)結(jié)果，見表1和表2；

觀察表1和表2可知：

圖2　溫度計(jì)布置圖(單位： cm)Figure 2　The section layout diagram of temperature measuring pointsr(unit: cm)

表1 頂板和底板溫度-時(shí)間觀測(cè)結(jié)果Table1 Theobservationoftemperature-timeinroofandfloor時(shí)刻頂板溫度/℃底板溫度/℃1點(diǎn)2點(diǎn)3點(diǎn)10點(diǎn)11點(diǎn)12點(diǎn)01:3020.720.321.019.920.823.003:3020.219.420.219.920.922.805:3019.318.519.019.820.722.407:3019.919.018.919.520.522.109:3020.419.419.319.320.122.011:3024.322.220.019.619.922.013:3028.125.422.820.720.522.115:3029.026.724.421.120.822.617:3027.625.823.621.921.923.019:3024.823.822.920.721.122.921:3023.422.522.520.921.623.123:3022.120.921.420.220.923.0

表2 腹板溫度-時(shí)間觀測(cè)結(jié)果Table2 Theobservationoftemperature-timeinweb時(shí)刻左腹板溫度/℃右腹板溫度/℃4點(diǎn)5點(diǎn)6點(diǎn)7點(diǎn)8點(diǎn)9點(diǎn)01:3020.021.121.220.722.222.703:3020.321.421.720.522.122.505:3019.721.221.520.222.022.507:3019.821.121.320.121.922.309:3019.921.021.220.021.722.211:3020.621.021.220.321.622.113:3021.020.320.420.620.921.515:3021.420.420.521.020.821.517:3021.320.420.521.121.021.419:3021.120.920.921.222.222.421:3021.020.821.020.922.122.523:3019.720.520.720.422.122.5

① 頂板溫度變化明顯，而底板溫度整體變化緩和；

② 在升降溫過程中，頂板和底板在下午15:30溫差最大，為8.2 ℃；在早晨07:30溫差最小，為-3.2 ℃；

③ 左右腹板溫度變化趨勢(shì)大致相同，左腹板溫度變化大于右腹板，這主要因?yàn)樽蟾拱逦挥跂|側(cè)，受到日照的細(xì)微輻射，而右腹板處于兩幅之間(兩幅之間僅25cm)；

橋梁結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)屬于三維溫度場(chǎng)，由于縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橋梁豎向高度和橫向?qū)挾?，其溫度?chǎng)對(duì)橋梁的影響微弱，因而忽略縱向的溫度場(chǎng)，把三維的溫度場(chǎng)轉(zhuǎn)化為一維的豎向高度或者橫向?qū)挾葴囟葓?chǎng)進(jìn)行研究[9-11]，考慮到橫向?qū)挾确较虻臏夭詈苄?，所以本文只?duì)沿梁高方向的溫度分布進(jìn)行研究。

最不利時(shí)刻(15:30)溫度沿梁高方向分布見表3，取左右腹板6個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值作為3.613m梁高處的溫度，并且假定此處溫度為0 ℃。

表3 梁高方向溫度分布Table3 Thetemperaturedistributionofthebeam'sheight離梁表面距離y/m溫差T/℃離梁表面距離y/m溫差T/℃0.048.23.61300.146.056.3510.050.243.756.769-0.11.10.27.1860.3

運(yùn)用MATLAB軟件擬合溫度分布曲線，得ΔT=10.17 ℃，c=3.978；對(duì)ΔT和c取整，于是得擬合溫度分布曲線(見圖3)：Ty=10 e-4y；由擬合溫度分布曲線可知：離梁表面距離1m內(nèi)溫差最明顯，大于1m的溫度分布比較均勻。

圖3　擬合溫度分布曲線Figure 3　Fitting temperature distribution curve

1.3溫度撓度觀

該橋懸臂施工段共分為14塊(3×3.5+5×4.0+6×4.5m)，為保證順利合攏，在13號(hào)塊張拉之后，對(duì)11、12、13號(hào)塊梁端進(jìn)行24h標(biāo)高監(jiān)測(cè)，假定01:30時(shí)刻溫度引起的撓度為0，其他時(shí)刻溫度引起的撓度采用相對(duì)值，懸臂施工梁段見圖4；每個(gè)梁端布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)(見圖5)，取其平均值作為溫度引起的撓度，觀測(cè)結(jié)果見表4；圖6為11、12、13號(hào)塊梁端的溫度—撓度—時(shí)間變化曲線。

圖4　懸臂施工梁段Figure 4　 The girder section of cantilever constuction

圖5　梁端測(cè)點(diǎn)Figure 5　 The points of girder end

表4 溫度—撓度—時(shí)間Table4 Thetemperature-deflection-time時(shí)刻箱外環(huán)境溫度/℃梁端撓度/mm11號(hào)塊12號(hào)塊13號(hào)塊01:301400003:3012.723305:3011.834507:3013.856609:3020-10111:3020.9-15-17-1913:3025.7-27-29-3315:3025.1-29-30-3217:3021.7-20-19-2219:3016.8-12-13-1521:3014.5-8-9-1123:3013.8-4-4-6

圖6　溫度—撓度—時(shí)間變化曲線Figure 6　The change curve of temperature-deflection-time

①通過溫度—撓度—時(shí)間曲線(見圖6)可知: 隨著溫度的降低，箱梁上下表面溫差逐漸減小，箱梁向上撓度逐漸增大，當(dāng)溫差到達(dá)最小(5:30時(shí)刻)時(shí)，最遠(yuǎn)端13號(hào)塊撓度為+5mm；之后，隨著溫度的升高，箱梁上下表面溫差逐漸增大，箱梁向下?lián)隙戎饾u增大，當(dāng)溫差達(dá)到最大(15:30時(shí)刻)時(shí)，最遠(yuǎn)端13號(hào)塊撓度為-32mm。

②梁上下表面溫差越大，梁端下?lián)现翟酱?，但二者不成線性關(guān)系。

③溫度引起的撓度有一定的滯后性。當(dāng)外溫降至最小時(shí)，上撓并不是最大；同樣，當(dāng)外溫升至最大時(shí)，下?lián)弦膊⒉皇亲畲蟆?/p>

2有限元建模分析

采用空間梁?jiǎn)卧蛄悍治瞿Ｐ?，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，有限元計(jì)算時(shí)將結(jié)構(gòu)離散為78個(gè)梁?jiǎn)卧?，模型示意圖見圖7，梁段采用C55混凝土，混凝土熱膨脹系數(shù)為1.0×10- 5，容重取2.6×103kg/m3,彈性模量為3.45×104MPa。

圖7　有限元模型Figure 7　Calculation model diagram of FME

3溫度-撓度的計(jì)算分析

在獲得主梁截面高度方向的溫度分布曲線后，對(duì)龍溪港大橋13號(hào)塊懸臂狀態(tài)下進(jìn)行有限元分析，得出最不利時(shí)刻下的分析結(jié)果，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，見表5，圖8。

表5 臂長(zhǎng)—撓度結(jié)果Table5 Theresultsofarmlength-deflection施工塊懸臂長(zhǎng)度/m撓度/mm溫度理論溫度實(shí)測(cè)其他荷載110-4-2-0.2213.5-5.6-7-0.37317-7.3-12-0.82421-9.4-13-1.66525-11.6-16-2.80629-13.8-19-4.33733-16.2-19-6.10837-18.5-23-8.43941.5-21.2-24-10.71046-23.7-26-12.91150.5-26.1-29-14.31255-28.1-30-16.71359.5-29.7-32-19.0

圖8　臂長(zhǎng)—撓度曲線Figure 8　The curve of length-deflection

臂長(zhǎng)—撓度曲線見圖8，由表5和圖8可知：

① 無論是溫度理論撓度和實(shí)測(cè)撓度，還是其他荷載撓度(恒載、收縮徐變、預(yù)應(yīng)力組合作用下的主梁撓度)都與懸臂長(zhǎng)度成線性關(guān)系。

② 最不利時(shí)刻下實(shí)測(cè)溫度撓度相比理論溫度撓度稍大些，但是大致吻合，因此可以認(rèn)為，本文擬合的溫度分布曲線較符合實(shí)際的溫度分布曲線，可以為以后該地區(qū)同類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

③ 13號(hào)塊懸臂端溫度引起的最大撓度值為32mm，由其他荷載引起的撓度值為19mm，溫度撓度值是其他溫度撓度的1.5倍。因此，在大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工過程中，溫度撓度是起主導(dǎo)作用的，選擇最佳的合攏時(shí)間是至關(guān)重要。

④ 根據(jù)溫度實(shí)測(cè)撓度得出最不利時(shí)刻溫度撓度擬合線為y=-0.5556 x-0.6655，也可以得出其他時(shí)刻溫度撓度擬合線，以此可以推測(cè)出14號(hào)塊懸臂端在各個(gè)時(shí)刻由溫度產(chǎn)生的撓值，這樣可以避免因觀測(cè)時(shí)間不同而帶來的誤差。

4結(jié)論

本文通過對(duì)溫度—撓度的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和計(jì)算分析，得出溫度對(duì)撓度有很大的影響，且不可以忽略，尤其是在大跨徑連續(xù)梁橋懸臂施工中，其主要結(jié)論如下：

① 由溫度—撓度—時(shí)間變化曲線可知，溫度產(chǎn)生的撓度與外溫呈現(xiàn)一種相反的趨勢(shì)，即：隨著溫度的降低，撓度逐漸向上；溫度升高，撓度逐漸向下。

② 在其他條件不變的情況下，懸臂越長(zhǎng)，由溫度引起的撓度越大，因此，在大跨徑懸臂施工中需要加強(qiáng)施工溫度的控制。

③ 此次試驗(yàn)可為14號(hào)塊的立模以及合攏段提供直接依據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)可知，應(yīng)選擇在7:30之前立模；也可知合攏的最佳時(shí)期為1:30～7:30，這一時(shí)期內(nèi)，懸臂端溫度撓度變化較小，同時(shí)也要糾正施工中認(rèn)為外溫低(19:30～23:30)就可以合攏的錯(cuò)誤觀念，外溫高低和撓度大小沒有直接聯(lián)系，與撓度直接聯(lián)系的是梁上下表面的溫差。

④ 在最不利時(shí)刻，溫度引起的最大撓度值為32mm，其他荷載引起的撓度值為19mm，溫度撓度為其他荷載撓度的1.5倍；因而，在合攏前進(jìn)行溫度—撓度觀測(cè)分析是至關(guān)重要的。

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TestandResearchonTemperature-deflectionforPrestressedConcreteContinuousGirderBridges

DONGXu，WEILongxiang,LUjun，CHENKaixuan

(Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an，Shanxi710055，China)

[Abstract]In cantilever construction of long span prestressed concrete continuous girder bridge, the change of temperature often generates large deflection of the main girder, and brings serious difficults to closed period. Combined with engineering instance,to decorate thermometer and strain gauge in the Longxigang bridge of 0 block, and observe the temperature and deflection during day and night on the spot. To analyze the data of temperature and deflection, and get temperature field distribution curve fitting according to the least square method. Then, to calculate theoretical temperature deformation under the temperature field according to the finite element mode. The results showed that temperature has a great influence on the deflection ,the maximum value is 32mm.The deflection caused by temperature change and outside temperature are showing the opposite trend, and with the increase of the cantilever ,the deflection increases; so it is very important to choose the best closing times on the linear and stress of long span prestressed concrete continuous girder bridge.

[Key words]girder bridge； cantilever construction； temperature distribution curve； deformation； temperature

[收稿日期]2015-10-28

[基金項(xiàng)目]陜西省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(E01004)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408453)

[作者簡(jiǎn)介]董旭(1990-)，男，江蘇沭陽人，碩士研究生，主要研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)抗震。

[中圖分類號(hào)]U 448.21+5

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0198-05