基于日照溫差影響下某剛構(gòu)橋懸澆立模標(biāo)高的確定分析

劉祖縉

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋通常采用懸臂式施工，在施工時(shí)要進(jìn)行合理的線型控制，以保證成橋后的合攏精度滿足設(shè)計(jì)要求[1]。該文通過有限元計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)，研究了日照溫差對(duì)橋梁線型的影響。

1 工程概況

該橋是一座V形墩式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨徑（42+65+65+42）m。圖1顯示了橋形布局。該橋采用吊籃對(duì)稱懸臂式澆筑工藝，在V形支座中部及左右兩側(cè)各9.0 m以內(nèi)的橫梁分段為0號(hào)，懸臂梁施工分成6節(jié)，長(zhǎng)度3~4 m。

圖1 橋型布置圖

2 日照差效應(yīng)

環(huán)境氣溫的改變將直接影響到橋梁的應(yīng)力和變形，季節(jié)變化和日照變化對(duì)建筑物的影響是由大氣環(huán)境溫度場(chǎng)引起的[2-3]。該文重點(diǎn)分析了日照溫度對(duì)主梁線型的影響，并給出了解決方案。

2.1 有限元分析

采用MIDAS/Civil軟件對(duì)整個(gè)橋梁進(jìn)行了有限元模擬，其中C55混凝土主梁采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的彈性模量（3.98×104MPa），利用2號(hào)橋墩最大懸臂工況，按照設(shè)計(jì)規(guī)范中的溫度梯度控制負(fù)荷要求，對(duì)其進(jìn)行了日照溫差影響的計(jì)算。見圖2和圖3中的主梁豎向形變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖，垂直向下為負(fù)，向上為正。

圖2 主梁豎向變形示意

從圖3可知，在懸臂式結(jié)構(gòu)施工階段，V形墩剛構(gòu)橋因日照溫差作用而產(chǎn)生的豎向變形為拋物線。懸臂部分產(chǎn)生豎向下的變形，最大變形為?17.10 mm，出現(xiàn)在懸臂端。

圖3 主梁豎向變形計(jì)算曲線

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2號(hào)橋墩最大懸臂工況，利用一天之中日照溫差最大的兩個(gè)時(shí)點(diǎn)，即早6：00、下午3：00分別進(jìn)行了主梁標(biāo)高的實(shí)測(cè)。其中早晨6：00點(diǎn)，梁體結(jié)構(gòu)基本上沒有豎向的變形；在下午3：00，梁體的頂部受陽(yáng)光輻射的影響最大，隨著梁高的增大，梁體靠底面一側(cè)的溫度場(chǎng)逐漸降低，因溫差效應(yīng)使主梁的豎變形較大。實(shí)測(cè)這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的高度差，即為日照溫度對(duì)主梁的影響[4]。該橋2號(hào)墩6號(hào)節(jié)段在施工中的實(shí)測(cè)結(jié)果見圖4。

圖4 主梁豎向變形實(shí)測(cè)曲線

從圖4可知，懸臂施工階段，V形墩剛構(gòu)橋主梁在日照溫差作用下，主梁豎向位移的變化規(guī)律與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致；主梁的長(zhǎng)度為一拋物線。最大的變形量為?13.2 mm，出現(xiàn)在懸臂端。

2.3 日照溫差效應(yīng)的消除措施

由以上結(jié)果可知，日照溫度對(duì)主梁的豎向變形有明顯的影響。施工測(cè)量要避免日照過高的時(shí)段，通常是在早上太陽(yáng)升起前進(jìn)行。而在工地上進(jìn)行的立模板放樣工作，則要按照工程進(jìn)度來安排，無法利用早上最有利的時(shí)間點(diǎn)。因此在結(jié)構(gòu)施工過程中，為了保障豎模標(biāo)高的精準(zhǔn)性，達(dá)到控制設(shè)計(jì)線型的目的，必須采取措施消除日照溫差效應(yīng)。

針對(duì)懸臂式剛構(gòu)橋在施工過程中因日照溫差作用而產(chǎn)生的豎向變形，采用拉格朗日插值原理，采用二次實(shí)測(cè)插值計(jì)算法。該方法的基本原理是：在日照溫差作用下，對(duì)待立模節(jié)段相鄰的三個(gè)澆注塊的豎向變形進(jìn)行曲線擬合，由此進(jìn)行插值計(jì)算法的中間數(shù)據(jù)段的插補(bǔ)；根據(jù)日照溫差的影響，對(duì)待澆筑節(jié)塊進(jìn)行了立模標(biāo)高修正值fx計(jì)算[5]。在拉格朗日二次方程的基礎(chǔ)上，得到了如下的豎向形變曲線，見公式（1）：

式中，下標(biāo)3、2、1分別是3個(gè)在待立模節(jié)塊前方鄰近的澆注塊的編碼；其分別為各節(jié)塊末端受到日照的影響而發(fā)生的豎向形變。結(jié)構(gòu)立模節(jié)段的標(biāo)高控制值fx,需考慮日照溫差作用進(jìn)行修正，其計(jì)算公式如下：

式中，Lij——i號(hào)塊與j號(hào)塊之間的距離，i>j時(shí)，取正值，i

Lxj——待立模節(jié)塊與j號(hào)塊之間的距離，取正值。

2.4 兩次實(shí)測(cè)插值法工程應(yīng)用

以該橋2號(hào)橋墩6號(hào)節(jié)段澆筑混凝土之前的模板位置為例，在下午5：00進(jìn)行了定位。采用二次實(shí)測(cè)插值計(jì)算方法，對(duì)6號(hào)節(jié)塊體立模標(biāo)高進(jìn)行了修正，并對(duì)其進(jìn)行了兩次測(cè)量。

利用公式（2）進(jìn)行了計(jì)算，6號(hào)節(jié)段的立模標(biāo)高修正值最終計(jì)算確定為?9.8 mm；施工立模放樣時(shí)，在原設(shè)計(jì)的理論豎模標(biāo)高基礎(chǔ)上減少9.8 mm，以確定其真實(shí)水平。當(dāng)晚，該段混凝土澆筑完畢。第2日上午，再次測(cè)量了6號(hào)區(qū)塊的標(biāo)高，測(cè)量結(jié)果與理論目標(biāo)一致。為了準(zhǔn)確地控制主梁的線型，對(duì)二次實(shí)測(cè)插入值計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

表1 兩次實(shí)測(cè)結(jié)果

3 立模標(biāo)高的設(shè)置

3.1 立模標(biāo)高計(jì)算

立模標(biāo)高放樣的基準(zhǔn)值是設(shè)計(jì)圖紙上明示的設(shè)計(jì)線型標(biāo)高，設(shè)計(jì)線型標(biāo)高的數(shù)據(jù)及其他參數(shù)，由設(shè)計(jì)單位提供。成橋的目標(biāo)線型標(biāo)高是根據(jù)設(shè)計(jì)線型，將運(yùn)行中活荷及成橋后期的混凝土收縮徐變作用考慮在內(nèi)，得出了一種較為理想的竣工線型[6]。

在計(jì)算立模高度的時(shí)候，必須注意：1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)資料；2）節(jié)段的自重、預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)載荷；3）混凝土在施工后期收縮徐變、活荷載；4）吊籃的彈性變形和修正日照溫差的改變。懸臂梁施工段節(jié)塊立模板高度（Hl）的計(jì)算公式如下：

式中，Hs——各分段的設(shè)計(jì)標(biāo)高值；

fy——施工階段的預(yù)拱度；

fq——活載引起的預(yù)拱度；

fg——吊籃彈性變形值；

fx——日照溫差影響下的修正值。

3.2 施工預(yù)拱度

橋梁結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期荷載約束下的預(yù)拱度設(shè)計(jì)，不僅要綜合考慮施工過程中的各種載荷，而且還要考慮成橋后期的收縮徐變和1/2靜活載。成橋混凝土收縮徐變結(jié)束后，在常規(guī)工況下，其線型基本趨于設(shè)計(jì)線型。梁塊的施工預(yù)拱度（fy）計(jì)算公式如下：

式中，f1——施工過程中自重引起的豎向變形；

f2——施工過程中由于預(yù)應(yīng)力作用而引起的豎向變形；

f3——混凝土徐變?cè)谑┕るA段及成橋后期引起的豎向變形；

f4——由于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的過渡而引起的豎向變形；

f5——因工程施工荷載而引起的豎向變形。

3.3 活載預(yù)拱度

活荷載預(yù)拱的計(jì)算，先求取1/2靜載荷作用下的最大跨中最大變形，再以該點(diǎn)為二次拋物線的頂點(diǎn)，橋墩支點(diǎn)處變形設(shè)置為0，其他梁節(jié)段則按插值法計(jì)算得出變形量(“方法1”）,但該方法所設(shè)置的活荷載預(yù)拱線，在橋墩頂部會(huì)產(chǎn)生彎角，從而影響到行車的平順性。

根據(jù)實(shí)際情況，采用等值置換的思路，設(shè)計(jì)了活荷預(yù)拱度。在全橋面上增加一個(gè)作用在全橋面上的荷載，使得其跨中的位移等于靜態(tài)荷載1/2的最大位移，并將全橋上各個(gè)部位的變形值的負(fù)值作為對(duì)應(yīng)的梁的活載預(yù)拱度（“方法2”）。圖5顯示了2種方法設(shè)定的活載荷預(yù)拱度線型。方法2所設(shè)定的活載預(yù)拱線形狀平滑，使全橋在正常受力作用下的線型趨向于設(shè)計(jì)線型。

圖5 活載預(yù)拱度設(shè)置示意

3.4 吊籃的彈性變形

該項(xiàng)目在吊籃荷載實(shí)驗(yàn)中，使用了堆載方法，其重量與最大梁的重量相等。試驗(yàn)結(jié)果表明，該吊籃具有20.2 mm的非彈性變形和23.6 mm的彈性變形。由于各個(gè)節(jié)段的重量不同，其彈性變形也不同。根據(jù)塊體的重量，將每個(gè)塊體的彈性變形進(jìn)行線性插值計(jì)算求解。

4 線形控制結(jié)果

采用兩次實(shí)測(cè)插值計(jì)算法計(jì)算主梁立模標(biāo)高，并以此標(biāo)高計(jì)算值作為控制數(shù)據(jù)，最終對(duì)成橋條件下主梁的頂板中心標(biāo)高值進(jìn)行了測(cè)量，見圖6。由圖6可知，成橋后橋面線型平滑，標(biāo)高與設(shè)計(jì)值之間的誤差符合設(shè)計(jì)要求，表明線型控制取得了較好的效果，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的線型。

圖6 成橋狀態(tài)下主梁頂板中心處標(biāo)高曲線

5 結(jié)論

綜上所述，在懸臂式施工中，連續(xù)梁橋或連續(xù)剛構(gòu)橋由于日照溫差作用，導(dǎo)致主梁的豎向變形呈現(xiàn)拋物線型，產(chǎn)生了明顯的變形作用。施工測(cè)量時(shí)，應(yīng)盡可能在清晨太陽(yáng)升起前進(jìn)行測(cè)量，除此之外，還要注意下列技術(shù)要點(diǎn)：

（1）利用拉格朗日插值原理，在非日照影響理想時(shí)間段，進(jìn)行立模標(biāo)高放樣，給出了一種二次測(cè)量插值計(jì)算法。實(shí)際應(yīng)用表明，這種方法可以很好地克服太陽(yáng)溫差對(duì)豎模產(chǎn)生的負(fù)面影響。

（2）在施工過程中，由于橋梁的合攏頂推而引起的豎向變形是預(yù)拱度的主要控制關(guān)鍵點(diǎn)。施工預(yù)拱度的測(cè)定，是應(yīng)不斷測(cè)量、識(shí)別、修正的動(dòng)態(tài)計(jì)算過程。

（3）在計(jì)算活載預(yù)拱度時(shí)，建議采用等效置換的方法，即在全橋面上施加均勻荷載，將全橋上各個(gè)部位的變形值的負(fù)值作為對(duì)應(yīng)梁的活載預(yù)拱。該方法設(shè)定的活載預(yù)拱線形狀較為平滑，從而使全橋在正常受力作用下的線型趨向于設(shè)計(jì)線型。

該文所述方法，對(duì)V形墩式連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行了線型控制。計(jì)算結(jié)果顯示，成橋的線型達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，證明了所提出的計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。