日照作用對連續(xù)鋼構(gòu)橋梁體應(yīng)力及撓度的影響研究

班貴生，黃志發(fā)

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁體結(jié)構(gòu)的受力及變形受溫度的影響較大，對日照作用尤其敏感。而在采用Midas Civil有限元軟件對橋梁梁體施工過程進(jìn)行模擬分析時，因無法模擬梁體結(jié)構(gòu)的實(shí)際日照作用，通常都是將控制理想狀態(tài)定位在某一特定溫度，將其作為控制所需實(shí)測數(shù)據(jù)的采集時間[1]。如果在施工監(jiān)控過程中忽略了該項因素的影響，就必然難以保證施工監(jiān)控的有效性且難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)合龍，所以需結(jié)合橋址處的環(huán)境條件，研究日照作用對該橋梁體應(yīng)力及撓度的影響。

1 工程概況

本文以某新建高速公路的某連續(xù)鋼構(gòu)橋(懸臂澆筑法)為研究對象，該大橋左幅全長478.7 m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用(50+77+50) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。主橋連續(xù)箱梁預(yù)應(yīng)力采用三向預(yù)應(yīng)力體系。該主橋在施工過程中，形成一個T構(gòu)和一個簡支懸臂，T構(gòu)采用掛籃懸臂現(xiàn)澆法分段對稱施工。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，施工單位委托相關(guān)監(jiān)測單位對該橋在施工過程中梁節(jié)段線形及應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測控制，保證該橋在各施工階段及成橋后的梁體應(yīng)力應(yīng)變及位移在設(shè)計控制的范圍內(nèi)，并保證成橋線形滿足設(shè)計要求[2]。

2 日照作用對梁體應(yīng)力及撓度的影響研究

溫度是影響橋梁梁體內(nèi)力和形變的主要因素之一，而日溫度變化比較復(fù)雜，尤其是日照作用，會引起梁體頂板、底板形成溫度差，使梁體發(fā)生反復(fù)撓曲變形[3-4]。因此，該橋施工監(jiān)控中，需要研究日照作用對梁體應(yīng)力及梁端撓度的影響。在該橋合龍前，對日照作用進(jìn)行一次全天測試，研究T構(gòu)處于最大懸臂段狀態(tài)下梁體應(yīng)力及梁端撓度變化規(guī)律。在2018-10-03早上8：00至2018-10-04早上8：00對大氣溫度及該橋梁體應(yīng)力和梁端撓度進(jìn)行了24 h不間斷地監(jiān)測，其測點(diǎn)布置位置如圖1、圖2所示，本文僅選取鐘山側(cè)的測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。應(yīng)力數(shù)據(jù)集應(yīng)力測量與溫度測量于一體的應(yīng)力-溫度傳感器進(jìn)行采集，撓度采集通過精密水準(zhǔn)儀。

圖1 測點(diǎn)布置示意圖(cm)

圖2 截面測點(diǎn)布置示意圖(cm)

2.1 日照作用對梁體應(yīng)力變化的影響分析

2018-10-03早上8：00至2018-10-04早上8：00對選定應(yīng)力測試點(diǎn)進(jìn)行了24 h不間斷監(jiān)測，橋址處大氣溫度隨日照作用的變化情況如表1所示；而該橋所測試截面處應(yīng)力隨日照作用所產(chǎn)生的變化情況結(jié)果如表2所示。

表1 大氣溫度隨日照作用變化監(jiān)測數(shù)值表

表2 梁體頂板和底板應(yīng)力隨日照作用變化監(jiān)測數(shù)值表

從表1可以看出，大氣溫度受日照作用的影響比較明顯，上午大氣溫度隨日照作用快速增強(qiáng)而快速上升，到中午12：00時，日照作用最強(qiáng)而大氣溫度也達(dá)到當(dāng)天的最高溫度值38 ℃，而后隨著日照作用逐漸減弱而先快速降低后緩慢降低，到晚上8：00時，橋址處大氣溫度趨于穩(wěn)定?？傮w而言，大氣溫度基本與日照作用呈線性正相關(guān)，因而可以采用所測的大氣溫度間接表示該橋梁體結(jié)構(gòu)所受日照作用的強(qiáng)弱關(guān)系。

從表2可以看出，梁體頂板的應(yīng)力受日照作用影響比較明顯。結(jié)合表1數(shù)據(jù)，梁體頂板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在達(dá)到大氣最高溫度約2 h之后，而又在測點(diǎn)處最高溫度到達(dá)前約2 h，即梁體頂板應(yīng)力隨日照作用快速上升，在下午2：00時才達(dá)到其最大值13.63 MPa，隨后梁體頂板應(yīng)力快速降低，到第二天凌晨2：00基本趨于穩(wěn)定。

從表2還可以看出，梁體底板應(yīng)力受日照作用影響相對較弱。在24 h不間斷監(jiān)測周期內(nèi)，梁體頂板的應(yīng)力差為4.16 MPa，而梁體底板應(yīng)力差為1.32 MPa，僅為頂板應(yīng)力差的32%。梁體底板最大應(yīng)力滯后于梁體頂板最大應(yīng)力約2 h，在下午4：00時才達(dá)到其最大值9.64 MPa。

2.2 日照作用對梁體撓度變化的影響分析

橋梁梁體在日照作用下會產(chǎn)生溫度場的變化，進(jìn)而導(dǎo)致懸臂澆筑法施工的T構(gòu)懸臂端發(fā)生較大的撓度變形。本文選取該橋鐘山側(cè)的T構(gòu)懸臂端進(jìn)行分析，具體測點(diǎn)布置位置如圖1所示，其監(jiān)測結(jié)果如表3所示。

表3 梁端撓度隨日照作用變化監(jiān)測數(shù)值表

從表3可以看出，所測梁端撓度受日照作用影響也比較明顯。結(jié)合表2數(shù)據(jù)，所測梁端最大撓度滯后于梁體頂板最大應(yīng)力約2 h，基本與梁體底板最大應(yīng)力的時間點(diǎn)吻合。梁體梁端撓度變化規(guī)律與梁體底板應(yīng)力變化規(guī)律呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，梁體梁端隨日照作用快速下?lián)?，在下?：00時達(dá)到其最大值13.7 mm，而后隨著日照作用逐漸減弱而先快速回升后趨于緩慢，但其不能完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，在本次24 h監(jiān)測周期中，測試梁端約存在2.3 mm的殘余撓度。所以，在橋梁梁體達(dá)到合龍條件時應(yīng)盡快選擇合適的時間點(diǎn)進(jìn)行合龍，減少T構(gòu)懸臂狀態(tài)下所產(chǎn)生的不可恢復(fù)累積殘余撓度。

2.3 各合龍段的監(jiān)測結(jié)果分析

通過上述監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果可知：約在凌晨2：00時該橋梁體內(nèi)力及形變趨于穩(wěn)定，是進(jìn)行合龍施工的最佳時間節(jié)點(diǎn)。該橋合龍順序?yàn)椋合冗M(jìn)行小樁號側(cè)邊跨合龍，接著進(jìn)行大樁號側(cè)邊跨合龍，最后進(jìn)行中跨合龍，各合龍段均選擇在凌晨2：00前后進(jìn)行合龍施工，各合龍段的控制標(biāo)高及各工況下的實(shí)測標(biāo)高如表4～6所示。

表4 小樁號側(cè)邊跨合龍標(biāo)高監(jiān)測結(jié)果表

表5 大樁號側(cè)邊跨合龍標(biāo)高監(jiān)測結(jié)果表

表6 中跨合龍標(biāo)高監(jiān)測結(jié)果表

從表4可知，該橋的小樁號側(cè)邊跨合龍節(jié)段的各工況實(shí)測標(biāo)高偏差為-2～9 mm，合龍后同跨對稱點(diǎn)高程差為11 mm；從表5可知，該橋的大樁號側(cè)邊跨合龍節(jié)段的各工況實(shí)測標(biāo)高偏差為-2～12 mm，合龍后同跨對稱點(diǎn)高程差為13 mm；從表6可知，該橋的中跨合龍節(jié)段的各工況實(shí)測標(biāo)高偏差為1～3 mm，合龍后同跨對稱點(diǎn)高程差為0 mm?？偠灾?，該橋各合龍段的各工況下的同跨對稱點(diǎn)高程差均在《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊 土建工程》(JTG F80/1-2017)表8.7.4-1中規(guī)定的允許偏差(合龍后同跨對稱點(diǎn)高程差≤20 mm)范圍內(nèi)，各測點(diǎn)的實(shí)測標(biāo)高偏差也滿足該標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，從而保證了該橋?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)合龍。

3 結(jié)語

(1)梁體頂板應(yīng)力及梁端撓度受日照作用影響比較明顯。但梁體頂板最高溫度和梁端最大撓度均滯后于大氣最高溫度約4 h，而梁體頂板最大應(yīng)力滯后于大氣最高溫度約2 h。

(2)梁體底板應(yīng)力受日照作用影響相對較弱。在24 h不間斷監(jiān)測周期內(nèi)，大氣溫差為22 ℃，梁體頂板溫差為12.3 ℃，而梁體底板溫差僅為3.0 ℃；梁體頂板應(yīng)力差約為4.16 MPa，而梁體底板應(yīng)力差約為1.32 MPa。梁體底板最大應(yīng)力出現(xiàn)在達(dá)到大氣最高溫度約4 h之后。

(3)梁體頂、底板應(yīng)力隨著溫度場回到初始狀態(tài)而基本恢復(fù)到初始值，但梁端撓度不能完全恢復(fù)到初始狀態(tài)。在本次24 h監(jiān)測周期中，測試梁端約存在2.3 mm的殘余撓度，所以在橋梁梁體達(dá)到合龍條件時應(yīng)盡快選擇合適時間點(diǎn)進(jìn)行合龍，以減少T構(gòu)懸臂狀態(tài)下所產(chǎn)生的不可恢復(fù)的累積殘余撓度。

(4)該橋各合龍段的各工況下的同跨對稱點(diǎn)高程差均在《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊 土建工程》(JTG F80/1-2017)表8.7.4-1中規(guī)定的允許偏差(合龍后同跨對稱點(diǎn)高程差≤20 mm)范圍內(nèi)，保證了該橋?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)合龍。