三官堂大橋合龍段臨時(shí)鎖定溫度影響研究

閔 玉，劉 杰，陳方堯，姜 旭

（1.四川路橋華東建設(shè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610200；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁工程系，上海市 200092）

0 引 言

溫度效應(yīng)是橋梁設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要問(wèn)題，其作用來(lái)源于溫差引起的材料變形，而這又可細(xì)分為整體溫差作用與局部溫差作用[1]。整體溫差作用下，由于橋梁屬于縱向尺度大、橫向與豎向尺度相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)形式，縱橋向變形明顯，這部分變形一般通過(guò)設(shè)置活動(dòng)支座予以釋放[2]，少數(shù)縱向位移受約束的橋梁如連續(xù)剛構(gòu)橋，整體溫差產(chǎn)生的縱橋向變形無(wú)法消解，因而導(dǎo)致體系內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度應(yīng)力，須在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意[3]。局部溫差則來(lái)源于橋梁各位置受日照、通風(fēng)等不同環(huán)境條件，例如梁體的豎向溫度梯度會(huì)引起截面曲率變化和體系相應(yīng)次內(nèi)力生成[4]。

三官堂大橋位于寧波市東部城區(qū)，建成后將成為目前世界上最大跨度的連續(xù)鋼桁梁橋，跨徑布置160 m+465 m+160 m，變高度箱式主桁，立面布置如圖1所示。工程首先采用支架施工三角區(qū)桁架及邊跨部分，然后在中跨兩側(cè)各懸臂吊裝10個(gè)節(jié)段，合龍并進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，補(bǔ)完后期鋪裝工作，具體施工工序如圖2所示[5]。由于懸臂長(zhǎng)度超過(guò)150 m，組合截面高度及寬度均在30 m以上，鋼桁梁的合龍難度較高，考慮先連接主桁及斜桿，然后以此為基礎(chǔ)進(jìn)行橋面系連接，因此主桁的精準(zhǔn)對(duì)接尤其重要[6-7]，臨時(shí)鎖定就是在這種狀況下提出的。

圖1 寧波三官堂大橋立面布置圖（單位：m）

圖2 三官堂大橋主橋總體施工流程

所謂臨時(shí)鎖定，是指在合龍段就位之后，將已經(jīng)定位好的主桁部分通過(guò)臨時(shí)連接件固定，保證后續(xù)焊接過(guò)程中兩側(cè)主桁不發(fā)生相對(duì)位移，并在主桁連接完成后拆除，使用的臨時(shí)連接件通常為粗鋼筋或型鋼件[8]。由于臨時(shí)鎖定時(shí)體系自重已完全平衡，僅可能存在溫度作用，因此，配置臨時(shí)連接件需要對(duì)其最不利受力狀態(tài)進(jìn)行分析。在橋梁臨時(shí)鎖定之前，合龍段兩側(cè)均為帶錨固跨的大懸臂體系（支座條件分別為滑-固，固-滑），屬靜定結(jié)構(gòu)，溫度效應(yīng)不產(chǎn)生內(nèi)力變化；臨時(shí)鎖定之后，完成合龍段連接之前，支座條件并未發(fā)生改變（滑-固-固-滑），結(jié)構(gòu)成為超靜定體系，溫度效應(yīng)引起的內(nèi)力變化不可忽視。同時(shí)，由于該狀態(tài)下的橋梁縱橋向變形受到約束，整體溫差影響顯著，而桁架橋橋面系的豎向溫度梯度作用有限，臨時(shí)連接件的設(shè)計(jì)主要考慮整體溫差的相應(yīng)內(nèi)力，因此整體溫差作用下的臨時(shí)連接件強(qiáng)度成為保證臨時(shí)鎖定作用的關(guān)鍵。

圖3 三官堂大橋中跨鋼桁梁懸臂拼裝具體流程

此外，臨時(shí)鎖定后，原大懸臂體系的上下弦桿應(yīng)力將疊加整體溫差作用下的溫度應(yīng)力場(chǎng)，有成為施工階段最不利狀態(tài)的可能[9]。后文將針對(duì)合龍段臨時(shí)鎖定時(shí)結(jié)構(gòu)的前后狀態(tài)進(jìn)行有限元建模分析，確定臨時(shí)連接件的受力，并研究考慮溫度效應(yīng)后的體系施工安全性，以對(duì)類(lèi)似形式橋梁的合龍施工提供一定的借鑒意義。

1 有限元建模

三官堂橋?yàn)檫B續(xù)體系鋼桁梁橋，主桁為變截面鋼箱桁架，多道小縱梁及其上支承的正交異性橋面板組成橋面系，橋面系與主桁下弦桿固結(jié)，再連同上弦桿及腹桿組成主要受力截面，并輔以縱橫向聯(lián)結(jié)系。

在ABAQUS中采用梁?jiǎn)卧M桁架各桿件，橋面系以剛度和面積等價(jià)的方式附加于下弦桿的上下底板，主墩處設(shè)置固定鉸支座，邊墩設(shè)置滑動(dòng)鉸支座，建立如圖4所示有限元模型。如前所述，在小變形、線彈性范圍內(nèi)討論臨時(shí)連接件的受力問(wèn)題，臨時(shí)連接件僅需承擔(dān)超靜定體系因整體溫差產(chǎn)生的內(nèi)力，而當(dāng)體系剛度越大時(shí)，這一內(nèi)力也越大，因此可偏于安全地將臨時(shí)鎖定考慮為固接，在模型中以全自由度耦合方式模擬。

圖4 三官堂大橋有限元模型

結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)為合龍段吊裝工況，兩側(cè)帶錨固跨的大懸臂體系承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重和桁上吊機(jī)的前后支點(diǎn)力作用，合龍段自重與吊機(jī)的吊點(diǎn)力平衡，懸臂端與合龍段間斷開(kāi)，即暫不激活鎖定區(qū)域單元。此時(shí)施加自重荷載，兩端為懸臂受力狀態(tài)，合龍段以吊點(diǎn)處的豎向約束模擬吊裝過(guò)程受力；待自重荷載作用完成后，激活鎖定區(qū)域單元，去除原吊點(diǎn)邊界條件并代以相應(yīng)吊點(diǎn)力，分別定義整體升溫10℃和整體降溫10℃溫度場(chǎng)，進(jìn)行自重與溫度共同影響下的體系受力分析。

2 結(jié)果與分析

以下匯總環(huán)境溫度升降10℃時(shí)的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，具體分析整體溫差對(duì)于臨時(shí)連接件受力的決定性作用，并探討合龍過(guò)程中溫度作用影響下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。

2.1 溫度效應(yīng)

整體升溫10℃時(shí)，溫度效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。結(jié)構(gòu)有向外膨脹的趨勢(shì)，豎曲線變陡，此時(shí)中跨因跨徑較大，變形相對(duì)邊跨大得多，在體系受力中起決定性作用。對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)，該變形將在體系中產(chǎn)生次內(nèi)力，可以說(shuō)次內(nèi)力是結(jié)構(gòu)抵抗該變形的結(jié)果。三官堂橋?yàn)槿邕B續(xù)鋼桁梁橋，整體升溫時(shí)，中跨縱向擴(kuò)張受到支座限制，因此呈現(xiàn)明顯的壓力作用，但由于中跨豎曲線的設(shè)計(jì)，實(shí)際受力形態(tài)類(lèi)似于兩鉸拱，下緣壓應(yīng)力水平較上緣為更高；邊跨水平位移不受約束，作為中跨變形協(xié)調(diào)的結(jié)果向下反拱，下緣出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力。正應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)了這一趨勢(shì)，最大拉應(yīng)力19.1 MPa出現(xiàn)在邊跨下弦桿，最大壓應(yīng)力34.1 MPa出現(xiàn)在中跨下弦桿。整體降溫與升溫狀態(tài)剛好相反，中跨受拉，上緣拉應(yīng)力更大。

圖5 整體升溫10℃截面正應(yīng)力分布示意圖（單位：P a）

作為臨時(shí)鎖定關(guān)鍵構(gòu)造之一的臨時(shí)連接件，僅承擔(dān)溫度作用引起的內(nèi)力，其設(shè)計(jì)由溫度效應(yīng)控制，在有限元模擬中主要反映為相應(yīng)區(qū)域梁?jiǎn)卧妮S力及彎矩，匯總于表1。表中軸力以拉為正，彎矩以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，由?jì)算結(jié)果可知，臨時(shí)連接件中軸力數(shù)值相當(dāng)高，彎矩與軸力相比可忽略不計(jì)，這一點(diǎn)可通過(guò)換算偏心距體現(xiàn)。對(duì)大跨度橋梁，跨中梁高通常大于2 m，而本橋作為鋼桁梁橋，采用變高度箱式主桁，箱室腹板的最小高度為2.2 m，若采用橋面上下同時(shí)鎖定的方式，僅需依照軸力要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，彎矩限值自動(dòng)滿(mǎn)足。

表1 主桁臨時(shí)連接件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總表

2.2 溫度與自重組合效應(yīng)

結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為臨時(shí)鎖定前的合龍段吊裝工況，此時(shí)兩懸臂體系承受結(jié)構(gòu)自重與施工荷載（主要為桁上吊機(jī)的前后支點(diǎn)力），合龍段自重與吊點(diǎn)力平衡，兩者之間無(wú)連接。該狀態(tài)下的Mises應(yīng)力分布如圖6所示，極值249.6 MPa出現(xiàn)在大懸臂根部下弦桿，該部位主要承受壓應(yīng)力作用；與此同時(shí)，上弦桿出現(xiàn)最大拉應(yīng)力249.1 MPa。

圖6 初始狀態(tài)結(jié)構(gòu)Mis e s應(yīng)力分布示意圖（單位：P a）

整體升溫10℃后，將在原初始狀態(tài)上疊加一個(gè)前述升溫溫度應(yīng)力場(chǎng)，中跨下弦桿壓應(yīng)力進(jìn)一步增加，上弦桿拉應(yīng)力減小，因此危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在中跨下弦桿處。圖7所示Mises應(yīng)力云圖，極值281.8 MPa出現(xiàn)在懸臂中部，為壓應(yīng)力作用區(qū)域。極值點(diǎn)的轉(zhuǎn)移是溫度應(yīng)力場(chǎng)與初始應(yīng)力場(chǎng)在空間分布上的區(qū)別所致，兩者的聚集區(qū)域并不一致。此時(shí)上弦桿拉應(yīng)力最值為231.2 MPa。而整體降溫時(shí)的溫度應(yīng)力場(chǎng)與升溫狀態(tài)相反，拉應(yīng)力的增長(zhǎng)使得上弦桿成為結(jié)構(gòu)受力最不利位置，Mises應(yīng)力分布如圖8所示，極值極值278.8 MPa出現(xiàn)在懸臂中部。

圖7 （自重+升溫10℃）結(jié)構(gòu)Mis e s應(yīng)力分布圖（單位：P a）

圖8 （自重+降溫10℃）結(jié)構(gòu)Mis e s應(yīng)力分布圖（單位：P a）

組合效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果表明，合龍段吊裝工況并非一定是懸臂施工結(jié)構(gòu)的最不利狀態(tài)，當(dāng)合龍段臨時(shí)鎖定、支座體系未調(diào)整至成橋狀態(tài)時(shí)，超靜定體系將因溫度效應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)溫度應(yīng)力場(chǎng)，使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布發(fā)生變化，此時(shí)應(yīng)力極值可能更高。三官堂大橋中跨在懸臂拼裝過(guò)程中，臨時(shí)鎖定階段將受到溫度效應(yīng)影響，在整體升溫或降溫10℃時(shí)均會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力水平超出限值的狀況，這說(shuō)明需要合理設(shè)計(jì)合龍時(shí)的環(huán)境溫度及工作時(shí)間（環(huán)境溫差不宜過(guò)大，工作時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)），以保證施工安全。

3 總結(jié)

鋼桁梁合龍段臨時(shí)鎖定時(shí)，合龍段的自重由兩懸臂端的桁上吊機(jī)承擔(dān)，但整體升降溫引起的臨時(shí)鎖定區(qū)域內(nèi)力將完全依賴(lài)于臨時(shí)連接件，因此臨時(shí)連接件在整體溫差下的強(qiáng)度問(wèn)題成為保證臨時(shí)鎖定作用的關(guān)鍵。此外，臨時(shí)鎖定使得原大懸臂體系的靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)，整體溫差的影響作用于三跨連續(xù)梁的整體，使原懸臂體系的上下弦桿應(yīng)力產(chǎn)生變化。在小變形、線彈性的情形下，原上下弦桿的初始狀態(tài)將疊加升降溫溫度應(yīng)力場(chǎng)，需考慮最不利情況分別分析。

對(duì)單純溫度作用下的臨時(shí)連接件內(nèi)力，和自重與溫度共同作用下的結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析后，得出以下結(jié)論：

（1）臨時(shí)連接件主要承受軸力，彎矩及換算偏心距的數(shù)量級(jí)明顯較小。上弦桿連接件所受軸力在升降溫10℃時(shí)為3 260 kN（壓拉），彎矩為291 kN·m，換算偏心距89 mm；下弦桿連接件所受軸力在升降溫10℃時(shí)為4 330 kN（壓拉），彎矩為727 kN·m，換算偏心距163 mm。在考慮一定的安全儲(chǔ)備后，以上內(nèi)力值可作為臨時(shí)連接件的設(shè)計(jì)參考，且由于臨時(shí)鎖定看作固接后體系剛度相對(duì)于實(shí)際情況有所提升，按剛度分配的原則該數(shù)值本身有一定的保守性。

（2）懸臂施工工法通常由橋梁兩側(cè)對(duì)稱(chēng)行進(jìn)直至合龍，在合龍完成前兩懸臂體系需各自約束縱向自由度，因此在臨時(shí)鎖定時(shí)結(jié)構(gòu)在縱向是超靜定的。多數(shù)懸臂施工橋梁先合龍邊跨，再合龍中跨，縱向約束通常設(shè)置在主墩上，因而整體溫差導(dǎo)致的中跨縱向變形將在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生數(shù)值極高的軸向力。但由于橋梁在線形設(shè)計(jì)時(shí)往往采取向上預(yù)拱的方式來(lái)抵抗長(zhǎng)期撓度的影響，實(shí)際臨時(shí)鎖定時(shí)的中跨受力類(lèi)似于兩腳拱，整體升溫受負(fù)彎矩，進(jìn)一步向上拱起，降溫時(shí)受正彎矩，拱頂下移。次內(nèi)力可以抵消一部分變形，但無(wú)法改變整體的變形趨勢(shì)，因而結(jié)構(gòu)在整體溫差下的溫度應(yīng)力最終呈現(xiàn)出類(lèi)似于小偏心受壓或受拉的分布。

（3）臨時(shí)鎖定后結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)變，溫度影響下的上下弦桿應(yīng)力可能超出其在之前施工狀態(tài)中的極值，甚至達(dá)到屈服。三官堂大橋合龍段臨時(shí)鎖定過(guò)程中，升降溫10℃時(shí)相應(yīng)下弦桿或上弦桿應(yīng)力值都將超出設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。應(yīng)當(dāng)注意到，懸臂施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)為帶錨固跨的懸臂梁，懸臂部分受負(fù)彎矩控制，負(fù)彎矩?cái)?shù)值隨節(jié)段增長(zhǎng)持續(xù)增加；合龍結(jié)束完成體系轉(zhuǎn)換，橋面鋪裝等二期荷載由三跨連續(xù)梁整體承擔(dān)，僅在主墩附近疊加負(fù)彎矩（三角區(qū)桁架的形式剛度較大），原中跨危險(xiǎn)截面將疊加正彎矩，應(yīng)力水平有所降低。因此，中跨施工的最危險(xiǎn)工況應(yīng)當(dāng)是臨時(shí)鎖定后，體系轉(zhuǎn)換前，并綜合考慮結(jié)構(gòu)自重、施工荷載及溫度效應(yīng)。

（4）橋梁結(jié)構(gòu)的合龍施工，必需嚴(yán)格保證環(huán)境溫度范圍，縮減合龍連接工作量及工作時(shí)間，這不僅是解決傳統(tǒng)的合龍精度、線形要求、合龍段配切等問(wèn)題的需要，更是結(jié)構(gòu)受力的要求。此外，對(duì)于大跨長(zhǎng)橋，一方面可以考慮減少臨時(shí)鎖定時(shí)結(jié)構(gòu)的縱向約束，相應(yīng)的溫度效應(yīng)將大大減小，但這在懸臂施工過(guò)程中較難做到；另一方面可以探索臨時(shí)連接件的具體形式，通過(guò)合理設(shè)計(jì)（如插銷(xiāo)式構(gòu)造）削弱連接件縱向剛度，但缺點(diǎn)在于不能控制合龍段的嵌補(bǔ)尺寸，需要更多千斤頂?shù)容o助設(shè)施幫助合龍。