大跨度連續(xù)梁橋施工階段溫度梯度測定及其影響分析

鄭明保 徐旖旎

（1山東科技大學 交通學院， 山東 青島 266590 2山東科技大學 礦業(yè)與安全學院， 山東 青島 266590）

大跨度連續(xù)梁橋施工階段溫度梯度測定及其影響分析

鄭明保1徐旖旎2

（1山東科技大學 交通學院， 山東 青島 266590 2山東科技大學 礦業(yè)與安全學院， 山東 青島 266590）

以張家港市跨越沿江高速客貨共線鐵路連續(xù)梁橋為工程背景，通過對連續(xù)箱梁截面溫度數(shù)據(jù)采集及計算分析，得出了施工階段預應力混凝土箱梁截面的溫度梯度模式，并將此與《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構設計規(guī)范》中的溫度梯度模式進行對比，溫度曲線變化形式非常相似，基本吻合。在此基礎上，詳細的闡述了溫度梯度對懸臂施工階段撓度的影響，并提出了在施工過程中減小溫度梯度影響的有效方法。

連續(xù)梁橋；施工階段；溫度梯度；實測溫度場；撓度

0 引言

大跨度連續(xù)梁橋作為一種工程結(jié)構物，處于自然環(huán)境中，不可避免的受到各種自然環(huán)境的影響，其中大氣溫度的變化對橋梁的影響較為明顯[1]。目前，處理溫度對橋梁施工線形控制的方法主要是：在凌晨00:00-7:30這段時間完成標高測量，因為這個時段內(nèi)溫度波動范圍較小，對橋梁撓度的影響也最小。雖然這種方法從理論上在一定程度上減少了溫度對橋梁撓度的影響，但卻不能完全符合實際施工情況。因為在工期較緊的情況下，無法在此時間段完成測量工作。因此迫切的需要我們準確的計算出，在非此時間段完成立模測量，溫度對橋梁撓度的影響，以便準確的指導橋梁施工，這對在工期緊張的情況下縮短工期具有非常重要的意義。本文結(jié)合布置在橋梁關鍵截面的溫度傳感器的實測數(shù)據(jù)，對張家港市滬通鐵路跨越沿江高速大橋主橋的溫度效應進行了分析。

1 工程概況

跨越沿江高速大橋主橋為單箱單室預應力混凝土連續(xù)梁橋，其跨徑為64m+108m+64m，主橋共長236m。0號塊長度13m，直線段梁長9.75m，箱梁頂寬12.1m，箱梁底寬7m，頂板厚度37～60cm，底板厚度46～70～97.1cm，腹板厚度40～90～110cm，中支點梁高7.5m，跨中梁高4.5m，從中支點到跨中按1.2次拋物線變化?？缭窖亟咚倥c線路交角139°，南至上海、北至南通，為一客貨共線鐵路連續(xù)梁橋。主梁采用C55混凝土、為三向預應力結(jié)構體系。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及分析

2.1 高程及溫度測點的布設

為了掌握每道工序過后橋梁標高的變化量，需要提前布設一些測點，具體布置方法為：在0#塊兩側(cè)擋匝墻和聲屏障之間對稱布置兩個測點，作為橋上高程基準點，以便梁上高程測量。另外以地面控制點為基準對該高程點進行定期標定，以防止橋墩沉降產(chǎn)生測量誤差。其他梁塊高程控制點則布置在橫橋向頂板和腹板交界位置及橋面中心處、縱橋向離塊件前端10cm位置處（具體如圖1所示）。采用 ?16鋼筋在垂直方向與頂板上下層鋼筋點焊牢固，并要求豎直。測點（鋼筋）露出混凝土 3cm，測頭磨平并用紅漆標記。溫度測量點的布設，為了解溫度沿箱梁截面的具體分布情況，考慮到在兩個T構的相似性，任選一T構，在梁體0#塊上布設溫度觀測點進行觀測（具體如圖2所示）。在箱梁截面腹板和頂、底板的交界位置處，豎向每隔10cm布置一個溫度傳感器，截面上下每側(cè)各布6個，兩側(cè)腹板中心也各布一個，總計26個觀測點。溫度傳感器采用的是丹東市遼丹儀表廠生產(chǎn)的帶有溫度的振弦式ZX16應力計及配套的接收儀作為應力和溫度觀測儀器。此溫度傳感器具有溫度誤差小、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強，測量方便等優(yōu)點，適合于長期觀測。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

對現(xiàn)場進行連續(xù)多天觀測，選取天氣晴朗、溫度較高、太陽輻射較強的天氣中所測的結(jié)果作為研究對象[2]，從早晨7：00—19：00每隔2個小時對橋梁各塊標高和溫度進行一次觀測。其中2016.8.13天氣較為晴朗而且光照充足，所以選擇此天數(shù)據(jù)進行研究分析。2016.8.13時T構已經(jīng)施工到12#塊（具體如圖3所示），懸臂長度達到49.5m，合攏塊為14#塊。

由測量可知，7：00以后隨著光照強度的增大，溫度的升高，橋梁的撓度越來越大。細致觀察可知，最大溫度梯度和最大撓度變化是同步的，箱梁截面在15：00-16：00時達到最大溫度梯度，同時懸臂端撓度也達到了最大值，且為（16+15+15）/3=15.33mm。除此之外還可得知，最大溫度梯度的與大氣溫度達到最高點時是不同步的，一般要晚于大氣溫度達到最高溫度的時間，大約在 1-2小時左右，是因為混凝土傳熱速度較慢，熱量傳遞有一個滯后效應[3]。

2.3 實測數(shù)據(jù)的分析

為進一步了解溫度沿箱梁截面的變化規(guī)律，選取較具代表性的15:00時的測量數(shù)據(jù)進行分析，為減小計算誤差，分別對頂板、腹板、底板相同高度位置的傳感器數(shù)據(jù)取平均值再進行分析，并以腹板中心溫度傳感器測量值的平均值作為零點，計算截面其他位置的相對溫度值。15:00時的箱梁截面各溫度傳感器的實測數(shù)據(jù)如表 2所示。箱梁頂板表面溫度通過酒精溫度計測量完成的，測量時待酒精溫度計數(shù)值穩(wěn)定5分鐘左右后再進行讀取，在15:00時箱梁頂板表面的溫度為43.2℃。

將表 2中度的數(shù)據(jù)取平均值后，為了表示方便，按照其對應位置重新進行編號，仍采用1、2、3…表示。整理后的分布圖形如圖4所示。

由圖 4可知，實測箱梁截面豎向溫度梯度曲線是非線性的，在頂板的上半位置溫度變化較快，在頂板下半位置和腹板部分變化較慢。將此變化形式與規(guī)范[4]進行對比，基本一致。為排除測量的偶然性，規(guī)范中的溫度模式仍可利用做進一步分析。

規(guī)范中溫度梯度變化曲線如圖5所示。公式中的參數(shù)取值如表5所示，從表5中可知規(guī)范僅考慮了成橋狀態(tài)時溫度對箱梁的影響，而且溫差為一恒定值。然實際箱梁截面溫差卻不為一個恒定數(shù)值，它是隨著當?shù)貧鉁刈兓兓?，因此采用?guī)范成橋狀態(tài)下的溫差值來指導施工階段掛籃立模值是不準確的。因此在利用此溫度模式指導橋梁施工時，需要對參數(shù)T0進行修正，即采用實際日照溫差值，這樣才能更加符合事實[5]。最終溫度加載方式定為：a值不變、T0為立模時與當天早晨7:00的溫差。

3 有限元理論分析

通過Midas/Civil 2015有限元分析軟件，進行模擬日照溫差對橋梁施工過程中撓度的影響，按照上述修正后的豎向溫度梯度模式和未修正的溫度梯度模式分別進行加載，計算最大懸臂端12#塊在一天中各時間段的最大撓度。并在建模的過程中做了如下簡化:①假設橋墩是剛性的，不考慮其沉降對懸臂端撓度產(chǎn)生影響；②假設橋梁沿橫向不存在溫度梯度，只考慮單向即豎向溫度梯度變化模式，因為橫向溫度梯度主要影響橋梁中心線的橫向偏移和箱梁截面的側(cè)向扭轉(zhuǎn)，對撓度影響較小[6, 7]。模型采用梁單元進行模擬，單個T構共分為80個單元，具體如圖6所示。

經(jīng)計算，T構最遠懸臂端12#塊在不同溫度梯度模式下的撓度值，如表6所示。

由表6數(shù)據(jù)可知，如果直接采用規(guī)范值，取T0=20，那么懸臂端12#塊的計算最大撓度為19mm，而且在一天中各個時刻為一定值，顯然不能符合實際的情況，因為在一天中不同的時刻，氣溫是變化的，溫差不恒定。如果利用此數(shù)據(jù)進行指導掛籃立模，勢必會產(chǎn)生較大的誤差。因此，在利用 Midas/Civil來模擬計算日照溫差對懸臂端撓度影響時，務必要對其T0值做修正，即采用實際的溫差值代入模型計算，這樣才能更加符合事實。如果在早晨7:00以前不能完成測量，但可以預先量測一下頂板最上面兩個溫度傳感器數(shù)值，然后在立模時再次測量一下這兩個溫度器傳感器數(shù)值，取平均值、得出溫差值，并將此溫差輸入到模型中進行計算，便可以得到較理想的撓度值。取15:00的數(shù)據(jù)進行誤差分析，16-15=1mm＜5mm，規(guī)范[8]要求立模標高允許誤差為±5mm，因此滿足要求。13:00時，11-10=1mm＜5mm，滿足要求。17:00時，14-12=2mm＜5mm，滿足要求。因此表明此方法是正確的、合理的。所以通過此方法便可以解決了，在一天中不同時刻進行立模日照溫差對懸臂端撓度影響問題。此方法不僅提高了施工效率，保證了施工的流暢性，而且簡單可靠，在工期緊張的情況下，具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)量測和分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）最長懸臂端的撓度值隨著氣溫的升高而逐漸增大，否則相反，并且懸臂長度越大撓度變形也就越大。

（2）箱梁截面達到最大溫度梯度和懸臂端達到最大撓度的時刻相同，由于滯后效應，達到最大撓度或最大溫度梯度的時間要晚于大氣溫度。

（3）沿箱梁截面的實測溫度梯度曲線由上往下呈指數(shù)形式分布，變化較大的位置主要集中在結(jié)構的上半部分，這與規(guī)范中的溫度梯度曲線相似。不同之處是實測數(shù)據(jù)同樣顯示出，箱梁底板也存在溫度梯度。由于這部分變化比較小，規(guī)范[4]中給予了省略。為了更加客觀的反映實際情況，建議設計規(guī)范也這部分影響也納入考慮范圍。

（4）在利用Midas/Civil 進行計算日照溫差對懸臂端影響時，需要對溫差參數(shù)做修正，修正的方法即為采用實際立模溫差值，否則將會產(chǎn)生較大的誤差。

[1]張明遠, 盧哲安, 劉飛鵬, et al. 某大跨預應力混凝土連續(xù)梁橋的溫度效應分析 [J]. 武漢理工大學學報, 2007, 02): 110-3.

[2]鄭羽, 王宗林, 高慶飛, et al. 大跨連續(xù)箱梁橋施工期溫度場測定及其影響分析 [J]. 科學技術與工程, 2012, 22): 5672-5+84.

[3]潘志炎, 吳重男, 喬仲發(fā). 浙江省公路橋梁混凝土箱梁溫度梯度分布模式研究 [J]. 公路, 2009, 12): 30-5.

[4]中鐵工程設計咨詢集團有限公司. 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構設計規(guī)范 [M]. 行業(yè)標準-鐵道. 2005.

[5]李宏江, 李湛, 王迎軍, et al. 廣東虎門輔航道連續(xù)剛構橋混凝土箱梁的溫度梯度研究 [J]. 公路交通科技, 2005, 05): 67-70.

[6]項貽強, 龔世康, 朱漢華, et al. 考慮豎向和橫向溫度梯度的橋梁溫度應力分析 [J]. 中國市政工程, 2008, 01): 29-31+93.

[7]肖勇剛, 陳海兵, 胡斯亮. 混凝土連續(xù)箱梁施工中的溫度效應分析 [J]. 中外公路, 2008, 02): 106-9.

[8]鐵道第三勘察設計院. 鐵路橋涵設計基本規(guī)范 [M]. 行業(yè)標準-鐵道. 2005.

U448

A

1007-6344（2017）10-0227-01

鄭明保（1991-），男，漢族，山東省青島市黃島區(qū)。山東科技大學交通學院、碩士研究生、橋梁工程專業(yè)。