超大跨度混合梁斜拉橋中跨合龍溫度影響及對策

涂光亞, 李輝, 李亮輝

(1.長沙理工大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410114; 2.北京市首發(fā)高速公路建設管理有限責任公司)

混合梁斜拉橋一般主跨使用鋼梁，邊跨使用混凝土梁，兩者通過連接件及預應力筋或錨桿等結(jié)合在一起，使斜拉橋的受力性能、跨越能力、經(jīng)濟性能等方面得到較大改善。對于混合梁斜拉橋，中跨合龍是關鍵工況，對結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)能否達到設計所確定的理想目標起著至關重要的作用，需要分析該工況下各個參數(shù)值的影響，其中溫度是影響混合梁斜拉橋中跨合龍的一個重要因素。為了克服溫度的不利影響，目前大跨度混合梁斜拉橋中跨合龍通常采用溫度配切合龍工藝與頂推合龍工藝。溫度配切合龍工藝即通過合龍口長度以及溫度的連續(xù)監(jiān)測，考慮合龍溫差的影響，對合龍段進行切割后完成合龍；頂推合龍工藝即根據(jù)合龍溫度變化，通過千斤頂縱向頂推主梁調(diào)整合龍口實現(xiàn)中跨合龍。該文以湖北石首長江公路大橋為例，詳細介紹采用頂推合龍工藝時合龍溫度對成橋受力性能及合龍施工的影響。

1 溫度影響及對策

溫度影響包括均勻溫度影響和梯度溫度影響，但由于中跨合龍段的施工通常選擇在溫度穩(wěn)定的時間段進行，因此合龍時的溫度影響實際上主要還是均勻溫度影響。合龍施工期間的溫度對結(jié)構(gòu)的影響主要包括兩個方面：① 對成橋狀態(tài)參數(shù)有影響，由于合龍時的溫度與設計基準溫度不一致，使得成橋時在設計基準溫度下斜拉橋的塔偏、標高、索力等會顯著偏離目標值；② 對合龍段臨時匹配件的受力有影響，應根據(jù)合龍時可能的溫度變化計算臨時匹配件的最大受力，據(jù)此來對臨時匹配件進行合理設計，確保合龍段焊縫的焊接質(zhì)量。

合龍溫度對合龍段臨時匹配件的影響主要是指臨時匹配件也是合龍段在焊接過程中的臨時鎖定裝置，合龍段的焊接需要一定的時間(通常需要24～48 h)，在此期間，如果溫度升高或降低，則臨時匹配件會受壓或受拉，如果拉壓力超過了臨時匹配件的強度，則臨時匹配件會發(fā)生破壞，從而影響合龍段焊縫的焊接質(zhì)量。因此需要根據(jù)溫度影響量對臨時匹配件的最大受力進行計算，并據(jù)此合理設計臨時匹配件的結(jié)構(gòu)形式、尺寸和數(shù)量。

2 工程實例

石首長江公路大橋為半漂浮結(jié)構(gòu)體系，主橋采用雙塔混合梁斜拉橋，橋跨布置為(75+75+75) m +820 m +(300+100) m。主橋索塔采用收腿倒Y形，北邊跨主梁為預應力混凝土箱梁，南邊跨和中跨主梁為鋼箱梁，鋼混結(jié)合面位于北塔附近。主梁均為分離式雙邊箱PK箱梁斷面，箱梁全寬38.5 m，到索塔區(qū)縮小到35.98 m，鋼箱梁高3.8 m，混凝土梁高3.822 m。主橋斜拉索采用強度為1 770 MPa的低松弛高強平行鋼絲束，索面呈扇形分布，順橋向標準間距15 m，混凝土箱梁段、鋼箱梁段的標準間距分別為7.5、 12 m，全橋共有4×26對斜拉索。中跨合龍段(J 梁段)長為12.4 m，吊裝重量249.1 t。橋型布置如圖1所示。

圖1 石首長江公路大橋橋型布置圖(單位：m)

在對中跨合龍計算分析時首先要對合龍時間和溫度進行預估。石首長江公路大橋中跨合龍時間為2019年4月7日至9日，根據(jù)橋位處天氣預報，在該時間段內(nèi)，大氣溫度為20～25 ℃，而石首長江公路大橋設計基準溫度為15 ℃，因此應對合龍溫度影響進行全面計算并采取相應的應對措施。

2.1 計算模型

石首長江公路大橋采用平面桿系程序BDCMS進行理論計算分析，全橋共有552個節(jié)點，670個單元。斜拉索的單元類型為兩端帶剛臂的索單元，主塔和主梁為普通梁單元，鋼混結(jié)合段及混凝土梁段支架的單元類型為只受壓的桁架單元。大橋根據(jù)實際施工過程共劃分了31個大工況，185個小工況。

2.2 合龍溫度對合龍口寬度、標高和塔偏的影響

在合龍前的最大懸臂狀態(tài)根據(jù)實際溫度情況進行溫度影響分析，由于主橋合龍時大氣溫度為20～25 ℃，與設計基準溫度的溫差為5～10 ℃，經(jīng)理論計算，在最大懸臂狀態(tài)溫度影響計算結(jié)果如表1所示。

表1 最大懸臂狀態(tài)溫度影響結(jié)果

由表1可知：合龍溫度對最大懸臂狀態(tài)的影響主要是合龍口寬度，對于主梁標高、塔偏的影響較小，對于主梁應力及索力的影響也比較小(限于篇幅，應力與索力的計算結(jié)果沒有列出)。

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2.3 對成橋狀態(tài)參數(shù)的影響

按20、25 ℃合龍施工試算至成橋，然后將溫度回到設計基準溫度(15 ℃)，所得成橋狀態(tài)與目標成橋狀態(tài)標高、索力、應力偏差如圖2～4所示；北塔塔偏偏差最大為0.3 mm，南塔塔偏偏差最大為99.3 mm。

圖2 25、20 ℃合龍對主梁標高的影響

圖3 25、20 ℃合龍對成橋索力的影響

由圖2～4可知：合龍溫度與設計基準溫度不一致對成橋鋼主梁部分主塔的塔偏影響最大，其次是主梁標高，對索力、應力影響較小。當在20、25 ℃下合龍時對南塔塔偏的影響最大為99.3 mm，對主梁標高的影響最大為35 mm，對索力的影響最大為-65 kN，對應力的影響最大為3.6 MPa。由此可見，如果不采取相關舉措，最后得到的成橋狀態(tài)塔偏和標高會顯著偏離目標狀態(tài)。

圖4 25、20 ℃合龍對鋼箱梁上、下緣應力的影響

2.4 頂推措施

為了克服合龍溫度對成橋目標參數(shù)的影響，在鋼箱梁的塔梁之間設置頂推裝置，頂推方向與溫度影響的方向相反。當合龍溫度比設計基準溫度高時將主梁往邊跨方向頂推，當合龍溫度比設計基準溫度低時將主梁往中跨方向頂推。頂推的行程理論上與溫度對合龍口寬度的影響量相等即可。對于石首長江公路大橋假設按25 ℃合龍來計算，由表1可知：頂推量為往邊跨方向頂推96.5 mm。確定了頂推量可通過施工控制有限元計算模型算得相應的頂推力。頂推力主要由以下3部分組成：支座摩阻力，當前狀態(tài)下中、邊跨水平不平衡索力和因頂推行程所引起的中、邊跨水平不平衡索力增量。

在合龍段起吊前南塔鋼箱梁部分各墩的支座反力如表2所示。

表2 合龍段起吊前各墩支座反力 kN

由表2可知：南塔總的豎向力為6 857+5 583+5 076=17 516 kN，取摩擦系數(shù)為0.05，則需要克服的摩擦力為17 516×0.05=875 kN。

由施工控制仿真計算模型結(jié)果可知：當前狀態(tài)下中、邊跨水平不平衡索力為1 761 kN，方向為向中跨方向。

經(jīng)試算，頂推行程與頂推力的關系為11.45 kN/mm，則當頂推行程為96.5 mm時，需要的頂推力增量為：11.45×96.5=1 105 kN。也就是由96.5 mm的頂推行程會引起新的中、邊跨水平不平衡索力增加1 105 kN。

則總的頂推力為：875+1 761+1 105=3 741 kN。

在合龍前將結(jié)構(gòu)升溫10 ℃，然后去掉南塔臨時固結(jié)，對南塔主梁施加向邊跨的頂推力3 741 kN，經(jīng)合龍施工后，在成橋時將結(jié)構(gòu)降溫10 ℃，所得成橋狀態(tài)與目標成橋狀態(tài)相比，北塔塔偏偏差為0.2 mm，南塔塔偏偏差為-0.2 mm，標高、索力、應力偏差見圖5～7。

圖5 主梁標高偏差

圖6 斜拉索索力偏差

圖7 主梁應力偏差

由圖5～7可知：在對主梁進行合理頂推之后，雖然合龍溫度與設計基準溫度不一致，但所得成橋狀態(tài)與目標成橋狀態(tài)的偏差已非常小，對于塔偏的影響為0.2 mm，對于標高的影響為13.7 mm，對于索力的影響為-12 kN，對于上緣應力的影響為0.5 MPa，對于下緣應力的影響為0.8 MPa，合龍溫度對成橋狀態(tài)參數(shù)的影響基本可以忽略不計。

2.5 溫度對臨時匹配件的影響

合龍段焊接施工期間，當溫度變化時，其受力主要由臨時匹配件來承擔。溫度升高承受壓力，溫度降低承受拉力。合龍段焊接施工時間通常為24～48 h。假設這段時間的最不利溫度變化為±20 ℃，可據(jù)此算出臨時匹配件的最大受力。當鋼箱梁與主塔之間的縱向約束解除之后，臨時匹配件的受力也由3部分組成：溫度位移所引起的支座摩阻力，當前狀態(tài)下中、邊跨水平不平衡索力和因頂推行程所引起的中、邊跨水平不平衡索力增量。

當溫度變化為-20 ℃時，臨時匹配件的受力為：-96.5×2×11.45+1 761-875=-1 324 kN(拉力)。

當溫度變化為20 ℃時，臨時匹配件的受力為：96.5×2×11.45+1 761+875=4 846 kN(壓力)。

當鋼箱梁與主塔之間存在縱向約束時，臨時匹配件的受力可按以下公式進行估算：

F=εtEsAs

(1)

式中:εt為溫度應變;Es為鋼的彈性模量;As為鋼箱梁的面積。

當溫度變化20 ℃時，F(xiàn)=1.2×10-5×20×2.1×1011×1.696=19 382 kN

石首長江公路大橋合龍段臨時匹配件的布置如圖8所示。

圖8 合龍段臨時匹配件布置圖

由圖8可知：合龍段臨時匹配件在頂板布置了8套，在底板布置了6套。每套臨時匹配件包含M24高強螺栓6個，按單個高強螺栓的極限承載力為200 kN計算，則全部臨時匹配件的受拉承載力為：14×6×200=16 800 kN，與高強螺栓匹配的連接筋板和頂?shù)装逯g焊縫的承載力不小于高強螺栓的受拉承載力，因此全部臨時匹配件的受壓承載力不會小于16 800 kN。由于4 846 kN<16 800 kN<19 382 kN，可見當臨時匹配件連接之后，應迅速解除鋼箱梁與主塔之間的縱向約束和頂推千斤頂，這樣臨時匹配件的拉壓承載力遠大于由溫度所引起的拉壓力荷載，臨時匹配件在合龍段焊縫施工期間受力安全。否則，如果鋼箱梁與主塔之間的縱向約束不及時解除，臨時匹配件將有可能因受力過大而破壞，從而影響合龍段焊縫的焊接質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1) 當回避梯度溫度影響時，在中跨合龍前的最大懸臂狀態(tài)，實際合龍溫度與設計溫度不一致主要影響合龍口的寬度，對該狀態(tài)下的標高、索力、塔偏、應力影響不大。

(2) 如果不采取任何措施，實際合龍溫度與設計基準溫度不一致主要影響目標成橋狀態(tài)塔偏，其次是標高，對索力和應力影響不大。

(3) 按精確計算的頂推行程進行頂推施工后，能大大降低實際合龍溫度與設計基準溫度不一致對成橋狀態(tài)塔偏、標高、索力和應力的影響，對塔偏效果最好，標高次之，索力和應力誤差也進一步減小。

(4) 合龍段臨時匹配件通常也是合龍段臨時鎖定裝置，應對其進行受力分析；在臨時匹配件連接完之后，宜迅速解除鋼箱梁部分塔梁臨時縱向約束，防止合龍段焊接期間由于溫度變化而使臨時匹配件受力超限發(fā)生破壞。