混凝土拱橋懸臂澆筑施工溫度效應(yīng)影響研究

李清, 張基進(jìn), 郭吉平

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550001)

拱橋在中國有著悠久的歷史、眾多的形式與數(shù)量，其中混凝土拱橋在中國應(yīng)用廣泛,取得了很高的技術(shù)成就。目前中國國內(nèi)混凝土拱橋的施工一般采用纜索吊裝、轉(zhuǎn)體施工、勁性骨架法等方法進(jìn)行，而對懸臂澆筑法涉及較少，該方法在國外的拱橋施工中有著較為廣泛的應(yīng)用。

處在大氣環(huán)境中的橋梁結(jié)構(gòu)，溫度是影響主拱線形的主要因素之一，扣錨索對溫度變化十分敏感，溫度荷載會(huì)引起扣錨索長度的變化，從而對扣塔偏位和拱圈應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響。目前中國關(guān)于溫度對結(jié)構(gòu)的影響研究不太全面，孫國富等研究了溫度對鋼管拱吊裝的影響；李金志分析了溫度對纜索吊裝施工的影響。雖然環(huán)境條件變化所產(chǎn)生的溫度荷載通過人力不可改變或者消除，但是可以采取相應(yīng)的措施減少溫度變化帶來的施工誤差。該文以貴州沙坨特大橋?yàn)橐劳?，利用Midas建立大橋施工全過程有限元模型，探究懸臂澆筑施工過程中溫度荷載的影響規(guī)律。

1 工程概況

沙坨特大橋是一座主跨為240 m的鋼筋混凝土箱形拱橋，全長626.8 m。大橋主拱圈為等高度懸鏈線鋼筋混凝土箱形截面，截面寬10 m、高4.5 m。

主拱圈采用掛籃懸臂澆筑法施工。拱圈縱向共分為37個(gè)節(jié)段，拱腳位置為支架現(xiàn)澆段，拱頂設(shè)一個(gè)吊架澆筑合龍段，其余34個(gè)節(jié)段為懸澆段。沙坨特大橋立面圖及扣錨索布置圖如圖1、2所示。

圖1 沙坨特大橋立面圖(單位:cm)

注：X-MS表示錨索

2 有限元數(shù)值理論分析

2.1 有限元模型

利用橋梁有限元軟件Midas建立施工過程有限元模型，根據(jù)實(shí)際施工過程，共劃分為75個(gè)施工階段，扣塔及拱圈采用梁單元模擬，扣索錨索采用桁架單元模擬。為方便比較，該文均選取偶數(shù)號(hào)扣索張拉階段為對象，主要施工階段劃分見表1。

表1 沙坨特大橋主要施工階段劃分

此外，62～64號(hào)施工階段為拆除掛籃、安裝吊架、勁性骨架及所有扣錨系統(tǒng)。65～74號(hào)施工階段為各排架及墊梁澆筑,75施工階段為架設(shè)橋面板。

2.2 溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響

大跨度混凝土拱橋懸臂澆筑的施工時(shí)間一般較長，扣錨索必然長期受到溫度作用的影響，下面針對沙坨特大橋懸臂澆筑過程，對體系施加均勻溫度荷載進(jìn)行有限元分析，圖3、4分別為不同溫度荷載作用下，拱肋高程和扣塔偏位隨施工過程的變化趨勢，其中圖3高程差取溫度荷載作用前后拱肋高程的變化值。

圖3 拱肋高程隨施工階段變化曲線

圖4 扣塔偏位隨施工階段變化曲線

由圖3、4可得：隨著溫度的升高扣塔偏位和拱肋高程變化都大致呈上升趨勢，不同溫度下拱肋高程隨施工階段變化的趨勢大致相同，但隨著溫度升高高程差變化幅度增加，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不斷增大。由于16#及18#扣索位于拱頂處，在扣索張拉時(shí)會(huì)對高程產(chǎn)生較大影響，故高程變化最大為-0.196 1 m，位于拱頂處。

將溫度升高15 ℃，分析計(jì)算各施工階段主拱圈的應(yīng)力，結(jié)果如圖5所示。

圖5 主拱圈上緣應(yīng)力變化曲線

由圖6可知：各節(jié)段上緣應(yīng)力變化趨勢大致相同，隨著扣索逐漸張拉，拱圈上部受壓下部受拉，節(jié)段上緣壓應(yīng)力整體呈增大趨勢，同時(shí)下緣可能會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，因此取溫度升高15 ℃時(shí)，各節(jié)段下部出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力如表2所示。

由表2可知：各節(jié)段在施工過程中均會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，但最大不會(huì)超過0.4 MPa，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表2 各節(jié)段下緣最大拉應(yīng)力

2.3 錨索長度不同時(shí)溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響

由于鋼材具有熱導(dǎo)體的特性，對溫度的變化非常敏感，施工中采用不同長度的扣錨索會(huì)影響結(jié)構(gòu)對溫度的敏感性。因此，該文選取扣錨索長度相等、扣錨索長度相近及扣錨索長度相差較大共3種情況分別建立有限元模型進(jìn)行分析對比，3種情況下扣塔偏位及拱肋高程隨施工階段變化曲線如圖6、7所示。

由圖6可以看出：在相同溫度荷載作用下，靠近拱腳處節(jié)段施工時(shí)，扣錨索長度相差較大會(huì)產(chǎn)生較大偏位，這是由于施工初始階段扣錨索數(shù)量較少，長度相差較大的扣錨索對溫度的敏感性差別較大，從而使扣塔產(chǎn)生較大偏位。隨著施工過程不斷進(jìn)行，扣錨索對溫度的敏感性差別逐漸降低，扣塔偏位減小。因此扣塔偏位最大值出現(xiàn)在拱腳處節(jié)段施工時(shí)。

圖6 扣塔偏位隨施工階段變化曲線

由圖7可以看出：拱腳處節(jié)段施工過程中，由于已施工節(jié)段較少，改變扣錨索長度，結(jié)構(gòu)對溫度的敏感性變化不大；隨著澆筑節(jié)段不斷增加，錨索長度增加會(huì)對拱肋高程變化產(chǎn)生較大影響，高程差最大值出現(xiàn)在18#扣索張拉時(shí)。

圖7 拱肋高程隨施工階段變化曲線

2.4 扣塔高度不同時(shí)溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響

扣塔高度不同會(huì)使扣錨索的長度及角度發(fā)生變化，從而影響結(jié)構(gòu)對溫度的敏感性。該文選取扣塔高度增加5、10、15 m及降低5、10、15 m共6種情況分別進(jìn)行有限元分析，對比結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 扣塔偏位隨施工階段變化

由圖8可以看出:扣塔高度增加，扣塔偏位隨施工階段逐漸減小，最大偏位出現(xiàn)在2#扣索張拉時(shí)；扣塔高度減小，扣塔偏位隨施工階段逐漸增大，最大偏位出現(xiàn)在18#扣索張拉時(shí)。同時(shí)，在靠近拱腳處的扣索張拉時(shí)，隨著扣塔高度增加，溫度荷載引起的扣塔偏位增大，而在靠近拱頂處節(jié)段施工時(shí)結(jié)果相反，這表明在施工初期溫度變化對扣塔安全性有著不利影響。

由圖9可以看出:改變扣塔高度對拱肋高程影響不大，不同高度下高程隨施工階段變化趨勢大致相同。在靠近拱頂處節(jié)段扣索張拉時(shí)，隨著扣塔高度增加，溫度荷載引起的高程變化增大。這是由于已施工節(jié)段增加，結(jié)構(gòu)對溫度荷載敏感性也不斷增加。

圖9 拱肋高程隨施工階段變化曲線

3 結(jié)論

(1)由于鋼材對溫度變化十分敏感，扣錨索在溫度荷載作用下會(huì)出現(xiàn)較大變形，計(jì)算分析表明施工過程中溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響不可忽略。

(2)溫度荷載對扣塔偏位會(huì)產(chǎn)生較大影響，溫度升高，扣塔偏位隨施工階段變化不斷增大，溫度降低，扣塔偏位隨施工階段變化不斷減小。

(3)在扣索長度一定的情況下，改變錨索長度會(huì)影響結(jié)構(gòu)對溫度變化的敏感性，錨索長大于扣索時(shí)結(jié)構(gòu)對溫度變化最敏感，并且隨施工的不斷進(jìn)行，溫度對結(jié)構(gòu)影響增大。同時(shí)，在相同溫度條件下，扣錨索長度相差越大，扣塔偏位及拱肋高程變化越大。因此，為保證施工過程中扣塔安全性及主拱圈線形，在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取合理的錨索長度。

(4)改變扣塔高度會(huì)使扣錨索的長度及角度發(fā)生變化，因此也會(huì)改變溫度對結(jié)構(gòu)的影響。在靠近拱腳處的扣索張拉時(shí)，隨著扣塔高度增加，溫度荷載引起的扣塔偏位增大，而在靠近拱頂處節(jié)段施工時(shí)結(jié)果相反。改變扣塔高度對拱肋高程影響較小，在靠近拱頂處節(jié)段施工時(shí)，高程變化出現(xiàn)最大值。