預(yù)應(yīng)力混凝土寬主梁斜拉橋成橋狀態(tài)溫度效應(yīng)研究

李 博 張精衛(wèi)

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075; 2.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075)

橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中容易受到外界因素干擾，在施工過程中產(chǎn)生施工偏差影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力及成橋線性控制等，因此施工中需要事先分析影響結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響因素，從而達到合理控制橋梁結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)與設(shè)計初始值相符合的要求[1]。斜拉橋施工過程中受環(huán)境、溫度及施工工藝、荷載等因素的影響容易產(chǎn)生施工誤差對成橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及線性與設(shè)計狀態(tài)產(chǎn)生偏差，影響斜拉橋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件受力以及運營期間的長久持力性能。如何盡可能的降低或者消除大跨徑斜拉橋在施工過程中的關(guān)鍵影響因素，保證斜拉橋的關(guān)鍵受力構(gòu)件可以精確長久有效受力與橋梁接近或者吻合最初的設(shè)計值，是斜拉橋施工過程質(zhì)量控制的精髓之處[3]。為減小施工誤差對成橋結(jié)構(gòu)的影響，必須考慮施工中對結(jié)構(gòu)受力影響較大的關(guān)鍵因素，在施工中有效的消除其可能造成的影響。

溫度場往往是個隨機變量，與結(jié)構(gòu)材料、位置、外界環(huán)境條件等密切相關(guān)而難以識別。結(jié)構(gòu)溫度場變化為非線性分布，溫度變化引起結(jié)構(gòu)的變形，且產(chǎn)生溫度自約束應(yīng)力和溫度約束應(yīng)力[2,4]。Fritz Leonhardt指出，箱型和板橋梁的頂?shù)拙壷g的溫度差值可達到27 ℃～33 ℃[5]。因此，在大跨度斜拉橋橋梁施工控制中應(yīng)考慮環(huán)境溫度變化對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件受力及位移變化的影響[6]。預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的主梁受環(huán)境溫度變化的影響特別大，因此其施工過程的混凝土梁的標(biāo)高控制往往比較困難。而溫度變化相當(dāng)復(fù)雜，包括日照溫差、驟然溫差、殘余溫度等影響。實測溫度與理論溫度值容易產(chǎn)生偏差，對施工中主梁豎向撓度控制造成影響，需要分析不同溫度效應(yīng)對斜拉橋索力及主梁線性的影響程度。其中，季節(jié)性溫差使主梁、索和塔均勻升降溫，而日照溫度變化對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件如混凝土梁和斜拉索的受力及變形影響顯著[7]。一般受日照平均溫度變化的影響，混凝土梁和主塔容易在不同方向上產(chǎn)生不同位移以致發(fā)生撓曲變形；拉索受溫度變化迅速，而主梁和主塔受外界溫度變化緩慢，容易造成主梁、索塔、拉索之間產(chǎn)生溫度差異。而且，這種溫度差效應(yīng)對于成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)的線性及內(nèi)力影響不容忽視。

1 溫度測點分布

斜拉橋主梁梁寬41 m，底板寬21.6 m，梁高4.0 m。溫度測試斷面位于1號塊、15號塊，各測試斷面內(nèi)布置46個傳感器，如圖1所示。斜拉索的溫度測點布置圖如圖2所示。

索塔高112 m，選取索塔a—a截面(距塔底30 m)、b—b截面(距塔底75 m)進行溫度測試，索塔a—a截面溫度測點布置如圖3所示?；炷两Y(jié)構(gòu)物表面溫度梯度較大，內(nèi)部溫度梯度較小，溫度測點距表面的測點布置間距較小，距表面遠(yuǎn)的測點布置距離較大。

2 溫度對結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響

斜拉橋在施工環(huán)境中溫度的變化對其成橋運營期間結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力構(gòu)件的干擾比較明顯，計算溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移的影響，確定溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響程度。選擇橋面二期鋪裝后的半漂浮結(jié)構(gòu)體系，分別對不同構(gòu)件及組合結(jié)構(gòu)的溫度變化形式在有限元模型里面進行溫度影響量化分析，考慮不同構(gòu)件溫度變化形式下的關(guān)鍵受力構(gòu)件的受力及位移變化情況。

2.1 拉索與混凝土梁的溫度差異影響

通過建立MIDAS有限元全橋模型，計算拉索與混凝土索梁之間的溫度差異變化對索斜拉索索力的大小、混凝土寬主梁標(biāo)高和混凝土主塔頂端的位移變化的影響。

由圖4中變化規(guī)律可以看出，斜拉索與混凝土梁之間的溫度差異變化對靠近混凝土索塔周邊的短拉索以及斜拉橋跨中和邊跨的長索的索力影響比較顯著。當(dāng)拉索索力與混凝土梁的溫度差異變化為正值時，中跨部分Z9號～Z21號索力值增大，而斜拉索的其他索力值均減小。當(dāng)索梁溫差達到10 ℃時，Z1索的索力減小值最大為-129.32 kN，增加值最大為Z16的27.69 kN；溫差變化值相反時，索力變化規(guī)律相反。當(dāng)索梁溫差變化幅度為10 ℃時，斜拉索B2號索力變化量最大是其設(shè)計成橋索力值的2.62%，因此索梁溫差對成橋索力值的影響不容忽視。

由圖5可知，索梁溫差變化對主梁豎向位移的影響成正比，且索梁溫差對主梁中跨撓度影響值最大。其中，索梁負(fù)溫差變化使中跨主梁豎向位移變大，索梁正溫差變化使中跨主梁豎向位移變小，Z29號主梁對應(yīng)的豎向位移變化最大，邊跨主梁豎向位移變化較小。當(dāng)溫差變化為10 ℃時，Z29號主梁豎向位移變化值最大為8.47 cm。

表1 塔頂偏移與拉索和混凝土梁的溫度差異的關(guān)系

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，混凝土主塔的塔頂端部位移變化受拉索與混凝土梁之間的溫度差異值的影響較大，當(dāng)索梁溫差變化為8 ℃時，塔頂偏位值為16.82 mm。當(dāng)索梁溫差變化為正時，塔頂向中跨偏移；當(dāng)索梁溫差變化為負(fù)時，塔頂向邊跨偏移。

2.2 混凝土梁豎向溫度差異影響分析

通過建立全橋有限元模型計算分析拉索索力大小值、混凝土梁標(biāo)高值變化及主塔頂端位移值的變化量。

由圖6可知，當(dāng)主梁豎向溫度升溫時，邊跨兩端端部的7對長拉索和中跨的跨中部分9對長索的索力逐漸增加，而靠近主塔周邊的邊跨和中跨部分的短索索力值逐漸減小。當(dāng)混凝土梁的豎向溫度差異降低10 ℃時，B12號索力增幅最大為19.06 kN，B28號索力減幅最大為29.47 kN。當(dāng)主梁豎向溫度增大時索力值減小，當(dāng)主梁豎向溫度減小時索力值增大。當(dāng)主梁豎向溫差變化10 ℃時，B5號索力的變化量最顯著其索力的變化值僅為成橋階段拉索設(shè)計索力值的0.59%。因此，混凝土梁的豎向溫度差異值變化量對成橋階段設(shè)計索力值的大小影響不明顯。

由圖7可知當(dāng)主梁豎向溫度升高時，邊跨靠近端部的7段混凝土梁節(jié)段的豎向標(biāo)高值減小，而邊跨靠近主塔周邊的混凝土節(jié)段的梁端標(biāo)高增加；跨中靠近主塔周邊的15節(jié)段混凝土梁的豎向標(biāo)高值變大，而跨中部分其余的混凝土梁節(jié)段的標(biāo)高值減小。當(dāng)豎向溫度增加10 ℃時，B28號主梁豎向位移最大減幅為0.45 cm，B28號主梁豎向位移增幅最大為0.23 cm，主梁豎向溫度升溫時其豎向位移值減小，主梁豎向位移受豎向溫度梯度變化影響較小。

2.3 結(jié)構(gòu)整體溫度變化影響分析

通過建立全橋結(jié)構(gòu)有限元計算模型，計算斜拉索索力大小的變化量、混凝土梁豎向標(biāo)高的變化量及主塔塔頂端部的偏移量。

從圖8中變化規(guī)律可以看出，結(jié)構(gòu)的整體受環(huán)境的溫度變化對靠近索塔部分短索的索力、跨中的短索的索力以及結(jié)構(gòu)邊跨部分跨中拉索索力的影響較大。當(dāng)整體升溫時，索塔7對拉索(B1號～B7號，Z1號～Z7號)，中跨7對拉索(Z23號～Z29號)的索力大小值均逐漸減小，而其他的斜拉索索力值均逐漸增大。當(dāng)結(jié)構(gòu)的整體溫度變化降低20 ℃時，拉索索力的大小最大增幅為46.13 kN，拉索索力的大小最大減幅為26.49 kN。當(dāng)溫差變化20 ℃時，B1號拉索索力的變化值最大為成橋索力值的0.92%。因此，整體升降溫對成橋狀態(tài)索力的影響較小。

從圖9可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)的整體溫度升高時混凝土梁跨中的梁段的豎向標(biāo)高值減小，變化量越大；而邊跨位移增加，影響量較小。當(dāng)整體降溫20 ℃時，Z29號增幅最大為2.41 cm，B8號減幅最大為0.97 cm。整體降溫時，主梁豎向位移變化量減小。

表2 整體升降溫對塔頂偏移的影響

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)的整體溫度變化對成橋階段的索塔偏位的影響較大。當(dāng)溫度變化升高30 ℃時，塔頂向邊跨偏移46.85 mm。中跨合龍一般選擇在較低溫度時合龍，合龍后體系升溫，索塔向邊跨偏移使中跨主梁標(biāo)高增加達到設(shè)計成橋線性。

2.4 拉索與主塔溫度差異影響分析

通過建立斜拉全橋有限元模型，計算分析拉索與混凝土梁之間溫度差異對拉索索力的影響量、混凝土梁標(biāo)高的變化量以及主塔塔頂端部的縱向偏移量。

由圖10可知，當(dāng)索塔順橋溫度升溫時，B3號、B4號索力值減小、增加變化規(guī)律及變化量相同。當(dāng)索塔順橋溫度升溫10 ℃時，B28號索力減幅最大為25.33 kN，B13號索力增幅最大為16.81 kN。當(dāng)索塔順橋向溫度變化10 ℃時，B11號索力的變化值最大其變化量僅為成橋階段設(shè)計索力值的0.38%。因此，混凝土梁的豎向溫度變化差異對成橋階段的拉索索力的影響不明顯。

從圖11可知，當(dāng)索塔順橋溫度降溫時，B3號與B4號主梁的位移增加、減小變化規(guī)律及變化量相同。當(dāng)索塔順橋溫度升溫10 ℃時，位移最大減幅為0.42 cm，最大增幅為0.42 cm。因此，主梁豎向位移受索塔順橋溫度變化影響較小。

表3 索塔順橋溫度梯度對塔頂偏移的影響

由表3可知，索塔順橋溫度差異變化對成橋階段的主塔塔頂端部的偏移量影響比較顯著。當(dāng)拉索與主塔之間的溫度差異變化值達到8 ℃時，其主塔的塔頂水平偏位最大值為74.09 mm。因此，在斜拉橋合龍施工中應(yīng)選擇溫度變化較小時間合龍。

3 結(jié)語

1)大跨徑寬主梁斜拉橋整體結(jié)構(gòu)的不同組合溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)成橋階段的拉索索力的影響均比較小，最大變化量是受拉索與混凝土梁之間的溫度差異的影響僅為成橋索力值的2.62%。2)混凝土梁 斜拉橋施工過程標(biāo)高控制是保證運營期間行車平順舒適的關(guān)鍵，各種溫度變化差異工況中拉索與混凝土梁之間溫度差異對混凝土梁標(biāo)高的影響最顯著。因此，混凝土梁合龍的時候要選擇夜間溫度變化較小的時間進行。3)混凝土主塔塔頂偏位影響主塔的結(jié)構(gòu)受力安全以及運營階段橋面線性下沉撓曲影響行車舒適性，特別是大跨徑混凝土斜拉橋縱向溫度差異對其塔頂?shù)目v向偏移影響最顯著。因此，在混凝土梁合龍的時候要考慮混凝土塔縱向溫度差值的影響，減小成橋階段的影響。

參考文獻：

[1] 陳德偉,鄭信光,項海帆.混凝土斜拉橋的施工控制[J].土木工程學(xué)報,1993,26(1):7-9.

[2] 喻正富,張筱雨,劉來君,等.基于遺傳算法的大體積混凝土熱力學(xué)參數(shù)反演分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2015,32(5):81-88.

[3] 陳德偉,許 俊,周宗澤,等.預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋施工控制新進展[J].同濟大學(xué)學(xué)報,2006,29(1):99-103.

[4] 劉興發(fā).混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析[M].北京:人民交通出版社,1991.

[5] 陳衡治.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的溫度場和應(yīng)力場[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2005,39(12):1885-1890.

[6] 劉興發(fā).預(yù)應(yīng)力鹼箱梁溫度應(yīng)力計算方法[J].土木工程學(xué)報,1986,19(1):46-56.

[7] 馬文田,韓大建.混凝土斜拉橋施工控制的最佳成橋狀態(tài)法[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1999,27(11):1-2.