合龍溫度對矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)性能影響分析

李 果，范樹先，高 飛，曾 鑫，李 濤

（中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋梁因其施工簡便、跨越能力強、成本低、技術(shù)成熟等諸多優(yōu)勢在國內(nèi)外橋梁建設(shè)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于連續(xù)剛構(gòu)橋梁體系屬于超靜定結(jié)構(gòu)，當環(huán)境溫度變化時，其結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力會隨之變化[1-3]，進而導(dǎo)致試件成橋時橋梁線形和內(nèi)力與設(shè)計的理想狀態(tài)存在一定誤差。設(shè)計過程中的溫度作用一般僅考慮年平均氣溫。但在實際合龍施工中，常存在一定的溫度差，該溫度差作用常被忽略。因此，不同的合龍溫度對最終成橋的力學(xué)性能有著不同的影響。為使成橋后的內(nèi)力狀態(tài)更加合理，應(yīng)確定最佳的合龍溫度。國內(nèi)外學(xué)者針對合龍溫度對連續(xù)剛構(gòu)橋梁體系結(jié)構(gòu)性能影響方面展開了一系列的研究。

涂光亞等[4]以某鋼混組合斜拉橋為例，分析合龍溫度對最大懸臂狀態(tài)，成橋狀態(tài)下的標高、索力、應(yīng)力等狀態(tài)參數(shù)的影響，并提出了合龍段焊接期間當溫度變化時臨時匹配件的受力計算方法。

劉文強等[5]針對高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁中的合龍溫度對橋梁線形和內(nèi)力影響問題，在考慮施工階段對其成橋力學(xué)性能的影響基礎(chǔ)上，分析了不同合龍溫度和合龍順序下的力學(xué)性能變化，提出了高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁的最佳合龍順序。

萬金武[6]開展了實際工程的橋梁標高、應(yīng)力和梁體長度隨環(huán)境溫度長期變化研究，并提出了鋼混組合梁橋的最佳合龍溫度。

范鑫[7]基于某橋梁的實測溫度場，進一步分析了日照溫度作用下主墩偏移和預(yù)應(yīng)力水平下降對懸臂端撓度的影響規(guī)律，并給出最佳合龍溫度的建議。

目前雖然各國學(xué)者開展了溫度作用對橋梁力學(xué)性能影響的研究，但關(guān)于合龍溫度對橋梁力學(xué)性能影響方面研究較少，并且多關(guān)注于最佳合龍溫度的確定，關(guān)于合龍溫度對結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力方面的研究有所欠缺。因此，本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)組合連續(xù)梁為例，開展了不同合龍溫度（結(jié)構(gòu)體系溫度差）對主梁線形、主梁應(yīng)力、橋墩水平位移的參數(shù)分析，得到了其對橋梁力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 工程背景

本文以廣西壯族自治區(qū)柳州市紅水河渡槽橋中的三跨矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁為例。紅水河渡槽橋梁段全長466.1 m，最大跨徑為150 m。上部結(jié)構(gòu)采用83.55 m+150 m+83.55 m 的雙幅變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)形式。下部結(jié)構(gòu)設(shè)計采用承臺+樁基的形式，其中2#，3#墩為主墩，墩高分別為16.5 m 和18.2 m。主墩為雙肢薄壁墩。主梁混凝土采用C55 混凝土，橋墩采用C40 混凝土。箱梁設(shè)置三向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用直徑為15.2 mm 的高強度低松弛鋼絞線。普通鋼筋為HRB400?？拐鹪O(shè)計等級為6 度。紅水河渡槽橋梁立面布置及主梁截面示意圖如圖1 所示。

圖1 橋梁布置尺寸示意圖

2 有限元模型

2.1 模型簡介

采用Midas Civil 2020 建立紅水河渡槽橋的空間三維有限元模型，主梁和橋墩采用梁單元進行模擬。對中間的2#墩和3#墩的底部施加固結(jié)約束，兩側(cè)邊跨梁端施加一般彈性支撐約束。全橋共有324 個節(jié)點，264 個單元。根據(jù)橋梁的施工過程，劃分了18 個大施工階段，63 個小施工階段。主梁的混凝土等級為C55，橋墩的混凝土等級為C40。根據(jù)現(xiàn)場實測值，混凝土彈性模量分別為37.2 GPa 和33.6 GPa，容重統(tǒng)一為26 kN/m3，泊松比為0.2。預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強度為1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，普通鋼筋采用HRB400 等級，鋼筋與鋼絞線的彈性模量取195 GPa，全橋有限元模型如圖2 所示。

圖2 全橋有限元模型

2.2 分析工況

根據(jù)當?shù)氐臍庀髿鉁仫@示，該橋所處的平均最高氣溫約為39 ℃，最低溫度約為-3 ℃。橋梁的設(shè)計合龍溫度為（10±2）℃。因此，本文考慮不同合龍溫度與最高、最低年平均溫度的溫差來模擬體系溫差對橋梁的線形、應(yīng)力、橋墩變形及合龍時所需頂推力的影響。主要分析合龍溫度為15 ℃，20 ℃，25 ℃三種溫度工況下的影響。合龍順序根據(jù)施工進度與設(shè)計方案采用先邊跨合龍后中跨合龍的方式。在分析過程中，考慮混凝土10 年的收縮徐變影響。

3 力學(xué)性能分析

為明確結(jié)構(gòu)體系溫度差對橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，基于上述建立的施工階段模型，本文詳細分析了三種不同合龍溫度工況下的主梁截面上、下翼緣的應(yīng)力，主梁的豎向位移及橋墩的水平位移的影響。得到合龍溫度對連續(xù)剛構(gòu)橋梁上述橋梁指標的影響規(guī)律。

3.1 主梁線形

主梁的線形是橋梁的重要指標之一，其會影響到成橋后的行車舒適度及美觀度。本文基于三維空間有限元模型，分析了三種合龍溫度工況下的主梁成橋線形及最大懸臂狀態(tài)下的主梁位移變化，具體結(jié)果如圖3 與表1 所示。

表1 最大懸臂狀態(tài)下的主梁最大位移

圖3 成橋狀態(tài)下主梁線形

從圖3 可以看出，在成橋階段，不同的溫度下，主梁線形趨勢基本一致。隨著合龍溫度的不斷增加，主梁的位移逐漸增大。當合龍溫度分別為15 ℃，20 ℃，25 ℃時，對應(yīng)的中跨跨中最大位移分別為-33.6 mm，-41.7 mm，-49.2 mm。當溫度從15 ℃升高至25 ℃時，溫度每增加5 ℃，中跨跨中最大位移分別增加了8.1 mm，7.5 mm；中跨跨中的最大位移分別增長了24.1%，18%。從表1 可以看出，對于橋梁的最大懸臂狀態(tài)下的主梁變形，由于該三跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁為對稱體系。每個T 構(gòu)的左右兩端的位移相差不大。2#T 構(gòu)和3#T 構(gòu)由于主梁橋墩的高度影響，導(dǎo)致計算結(jié)果略有區(qū)別。從計算結(jié)果來看，當合龍溫度從15 ℃增加到25 ℃時，溫度每增加5 ℃，2#T構(gòu)左右兩端的最大位移分別增加4.4 mm，4.0 mm。最大位移分別增長了35.7%，23.6%；3#T 構(gòu)左右兩端的最大位移分別增加5.2 mm，4.2 mm。最大位移分別增長了39.7%，22.9%。隨著體系溫差的升高，主梁的最大位移在不斷增大，但增長幅度有所下降。因此，選擇與設(shè)計合龍溫度差較小的溫度下進行合龍最佳?？擅黠@降低體系溫度差對成橋后主梁變形的影響,更有利于橋梁后期通車階段的正常運營。

3.2 主梁應(yīng)力

本文給出了溫度為20 ℃情況下主梁的最大應(yīng)力分布圖（見圖4），成橋階段下跨中截面和橋墩截面（見圖5）及最大懸臂狀態(tài)下的懸臂截面的主梁上、下翼緣應(yīng)力（見表2～表3）。

表2 最大懸臂狀態(tài)下的懸臂截面上翼緣應(yīng)力

表3 最大懸臂狀態(tài)下的懸臂截面下翼緣應(yīng)力

圖4 主梁溫度應(yīng)力分布圖

由圖5 可知，在成橋階段，不同合龍溫度工況下，該橋梁的主梁上、下翼緣應(yīng)力差值較小。其中除橋墩對應(yīng)截面上翼緣受拉，下翼緣受壓外，其余跨中截面上、下翼緣均處于受壓狀態(tài)。最大應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)在中跨跨中截面，當合龍溫度分別為15 ℃，20℃，25 ℃時，上翼緣的應(yīng)力較前者工況差值分別為0.26 MPa，0.43 MPa；而下翼緣的應(yīng)力較前者工況差值分別為0.7 MPa，0.96 MPa。最大差值達到11.6%?？梢钥闯觯S著合龍溫度的升高，截面最大應(yīng)力差值也在不斷增加，但應(yīng)力差值總體變化不大，這說明合龍溫度的變化對成橋階段主梁的應(yīng)力影響并不顯著。

由表2～表3 可知，在最大懸臂狀態(tài)下，由于2#T 構(gòu)和3#T 構(gòu)結(jié)構(gòu)體系對稱，兩端截面應(yīng)力總體相差不大。上、下翼緣應(yīng)力總體呈現(xiàn)出隨溫度升高而逐漸增大的趨勢，上、下翼緣應(yīng)處于受壓狀態(tài)。以3#T 構(gòu)為例，當合龍溫度分別為15 ℃，20 ℃，25 ℃時，上翼緣的應(yīng)力較前者工況差值分別為0.9 MPa，1.1 MPa；而下翼緣的應(yīng)力較前者工況差值分別為0.8 MPa，1.0 MPa。最大差值達到13.7%。由此可見，合龍溫度的增加對于最大懸臂狀態(tài)下的主梁應(yīng)力影響程度略大于成橋狀態(tài)下的主梁應(yīng)力。綜合成橋狀態(tài)和最大懸臂狀態(tài)下的主梁截面應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，隨著合龍溫度的增加，該橋梁體系與設(shè)計合龍的溫差逐漸增大，導(dǎo)致截面應(yīng)力也在不斷增加。但增加的幅度較小，當合龍溫度為25 ℃（與設(shè)計合龍溫差相差15 ℃）。最大應(yīng)力差僅為1.0 MPa。

3.3 橋墩縱向水平位移

在三種不同溫度工況下，對該橋梁進行有限元計算。得到2#墩和3#墩在最大懸臂狀態(tài)下的橋墩縱向水平位移，具體結(jié)果見表4。

表4 最大懸臂狀態(tài)下的墩頂水平位移

從表4 可以看出，隨著溫度的逐漸增加，橋墩的縱向水平位移逐漸增大。不同溫度下的橋墩縱向水平位移相差較大。橋墩縱向水平位移的最大值出現(xiàn)在3#墩處，這是由于3#墩高度大于2#墩。當合龍溫度分別為15 ℃，20 ℃，25 ℃時，2#T 構(gòu)的縱向水平位移較前者相差分別為14.1 mm，16.5 mm，相差幅度分別為36.9%，31.5%；3#T 構(gòu)的縱向水平位移較前者相差分別為14.7 mm，18.5 mm，相差幅度分別為34.5%，32.3%。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著體系溫差的增大，墩頂水平位移不斷增加，并且不同溫度下，相差較大。從15 ℃～25 ℃時，最大位移相差33.2 mm。由此可見，合龍溫度對墩頂水平位移影響顯著。因此，在合龍階段，選擇合理的合龍溫度尤為重要。

4 結(jié)論

本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)組合連續(xù)梁為工程背景。在不同合龍溫度下，對矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁的力學(xué)性能影響，采用數(shù)值分析的方式研究了合龍溫度對主梁線形、應(yīng)力、橋墩縱向水平位移的影響，結(jié)論如下。

1）三種不同合龍溫度下，在成橋階段和最大懸臂狀態(tài)下時，主梁的上、下翼緣應(yīng)力隨溫度的升高而逐漸增大。當溫度由15 ℃增加到25 ℃，跨中截面最大應(yīng)力相差為1.0 MPa，表明合龍溫度對連續(xù)剛構(gòu)體系橋梁主梁上、下緣壓應(yīng)力的影響較小。

2）三種不同合龍溫度下，合龍溫度對剛構(gòu)-連續(xù)組合體系梁橋主梁線形與橋梁墩頂縱向水平位移影響較大。當溫度由15 ℃增加到25 ℃，跨中截面處位移增加了9.4 mm；墩頂縱向水平位移增加了33.2 mm。因此，應(yīng)選擇合適的合龍溫度來降低主梁變形和橋墩墩頂縱向水平位移。