溫度對大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋受力性能的影響分析

馬健

作者簡介：馬??。?992—），工程師，研究方向：道路與橋梁技術(shù)研究和施工管理。

文章以主跨160 m跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋為例，采用有限元軟件精細化建模并考慮施工階段的影響，分析了四種不同合龍溫度對結(jié)構(gòu)變形、應力及頂推力的影響。研究表明：高溫合龍對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生降溫效應，使結(jié)構(gòu)成橋階段豎向變形增大，但結(jié)構(gòu)截面上下緣應力對合龍溫度變化并不敏感。同時，基于理論分析確定了該橋頂推位移及頂推力計算公式，使該橋在施加頂推力后結(jié)構(gòu)墩頂位移得到顯著改善。

合龍溫度；變形；應力；墩頂位移；頂推力

U448.23A351253

0?引言

混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋因其能采用懸臂施工法，施工便捷、修建成本低、跨越能力強，設(shè)計施工技術(shù)成熟等諸多特點，在國內(nèi)外橋梁建設(shè)中得到廣泛采用。連續(xù)剛構(gòu)橋采用懸臂施工時，要經(jīng)歷體系轉(zhuǎn)換，從靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)，而超靜定結(jié)構(gòu)在溫度作用下將產(chǎn)生次內(nèi)力，從而導致結(jié)構(gòu)成橋內(nèi)力與線性與設(shè)計理想成橋狀態(tài)產(chǎn)生差異。因此連續(xù)剛構(gòu)橋在合龍時選取合理的溫度及頂推力尤為重要。目前國內(nèi)外學者就合龍溫度對連續(xù)剛構(gòu)橋力學性能的影響進行了系列研究：

任海濤［1］分析了合龍溫度對變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)性能影響分析，得出隨著合龍溫度的升高，頂推力需不斷加大的結(jié)論。

李果等［2］對合龍溫度對矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)性能進行分析，研究表明合龍溫度對主梁應力影響較小，對結(jié)構(gòu)縱向位移影響較大。

田亞洪［3］對整體溫度與溫度梯度對連續(xù)剛構(gòu)橋跨中合龍的影響進行分析，得出環(huán)境溫度變化對跨中合龍縱向及豎向位移影響較大，作用于橋墩的溫度梯度主要影響其橫橋向位移。

目前學者進行了大量溫度作用對橋梁力學性能影響的研究，并且多集中于不同氣候下最佳合龍溫度的確定，對合龍溫度對結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力、溫度變化后頂推力的計算方面的研究有所欠缺且相對較少。鑒于此，本文以某跨徑為（87+160+87）m的預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，開展不同合龍溫度下對結(jié)構(gòu)主梁成橋線性、應力及橋墩頂推力計算的影響研究。

1?工程背景

本文以某三跨預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋為工程依托。該橋全長334 m，跨徑布置為（87+160+87）m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用三向預應力混凝土結(jié)構(gòu)，主梁為單箱單室截面，下部結(jié)構(gòu)采用雙肢薄壁墩，基礎(chǔ)采用承臺接樁基礎(chǔ)。該橋主墩分別為1#墩高35.229 m，2#墩高37.829 m，主梁及橋墩分別采用C55和C50混凝土，預應力采用φs 15.2 mm的高強度低松弛鋼絞線，地震動峰值加速度為0.1 g。該橋立面布置及主梁橫截面如圖1、圖2所示。

2?有限元模型

本文采用Midas Civil分析軟件建立該橋空間有限元模型，主梁及橋墩采用七自由度梁單元模擬。橋墩底部為固結(jié)，邊跨與交界墩之間連接采用彈性連接模擬，通過支座型號計算彈性連接各方向剛度。該有限元模型共包含147個節(jié)點、136個單元，建模時依據(jù)施工方案共劃分為71個施工階段，有限元模型如圖3所示。

進行有限元分析時需對主梁及橋墩混凝土材料進行容重修正，該橋主要材料計算參數(shù)如表1所示。

該橋所在地平均最低溫度為0 ℃，最高溫度為42 ℃，設(shè)計要求合龍溫度為15 ℃?；诋?shù)貧夂蚣笆┕嶋H溫度情況，本文選取了15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃ 4種合龍溫度，研究不同合龍溫度對成橋狀態(tài)下主梁成橋線形、應力、橋墩順橋向位移及跨中合龍頂推力的影響。

3?合龍溫度對力學性能的影響

成橋線形與設(shè)計偏差過大會影響運營階段行車舒適性及結(jié)構(gòu)的美觀，因而合理的合龍溫度尤為重要，在不同合龍溫度下（未施加頂推力及預拱度），考慮10年收縮徐變下主梁成橋階段豎向位移值見圖4和表2。

由圖4和表2可看出，不同合龍溫度下，主梁變形趨勢一致。隨著合龍溫度的升高，主梁成橋階段的變形不斷加大，這是因為高溫合龍對于主梁而言是降溫效果，當結(jié)構(gòu)合龍后體系轉(zhuǎn)換為超靜定結(jié)構(gòu)，降溫使結(jié)構(gòu)變形增大。當合龍溫度為15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃時，對應工況下結(jié)構(gòu)跨中豎向位移值分別為：-21.19 mm、-26.29 mm、-31.40 mm、-36.50 mm。合龍溫度每升高5 ℃，跨中豎向位移增大5.1 mm、10.21 mm和15.31 mm，變化幅度為24.06%、48.18%和72.25%，不難發(fā)現(xiàn)跨中豎向位移與合龍溫度成線性關(guān)系，因此結(jié)構(gòu)在合龍進行體系轉(zhuǎn)換時，應盡量選取與設(shè)計合龍溫度相差較小的溫度合龍為最佳。避免由于溫度差引起成橋階段橋面線形偏離設(shè)計線過大影響運營階段行車舒適性。

不同合龍溫度下結(jié)構(gòu)控制截面應力如表3所示，由計算結(jié)果可知，不同合龍溫度下，各跨跨中截面與墩底截面應力變化較小。從設(shè)計合龍溫度15 ℃升高至30 ℃時，左、右邊跨跨中截面頂緣應力增大均為0.13 MPa，底緣應力減小左邊跨為0.17 MPa，右邊跨為0.18 MPa。中跨跨中截面頂緣減小0.02 MPa，底緣增大0.02 MPa。雙薄壁墩墩底截面頂?shù)拙墤龃?.06 MPa。在30 ℃合龍溫度下，所有截面中均受壓，應力最大變化幅度為2.65%，這表明結(jié)構(gòu)應力對合龍溫度變化并不敏感。

3.1?墩頂位移與頂推力

3.1.1?墩頂位移分析

當實際合龍溫度與設(shè)計合龍溫度不一致時，溫度會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順橋向長度變化，進而使橋墩產(chǎn)生水平向的位移［4］。如不加處理，結(jié)構(gòu)在后期不利荷載及徐變作用下將進一步增大該位移，這將對邊跨支座和主跨豎向位移產(chǎn)生不利影響。在4種不同合龍溫度下結(jié)構(gòu)墩頂水平位移見表4和圖5。

由表4和圖5可知，隨著合龍溫度升高，墩頂位移不斷增大，總體呈線性關(guān)系。當合龍溫度從15 ℃升高至30 ℃時，1#、2#墩頂位移分別增大1.37 mm和1.68 mm。1#墩每增加1 ℃，墩頂位移增加δ1=0.092 mm/℃，2#墩每增加1 ℃，墩頂位移增加δ2=0.112 mm/℃。

墩高不一致使墩頂水平位移在相同溫度下變化不一致，此外跨中合龍是通過千斤頂施加頂推力，因此頂推力必須考慮此剛度的差異。該橋兩橋墩剛度接近，故采用溫度—位移增量的平均值來度量不同溫度兩墩的位移增量δ。

頂推力的確定首先應計算合龍溫度下墩頂順橋向位移值，其次還需計算各墩的水平抗推剛度。如兩墩剛度差距過大下仍采用相同頂推力則對于剛度較大的墩達不到頂推效果，而對剛度較小的墩存在失穩(wěn)風險。各墩的抗推剛度可在跨中合龍階段于最大懸臂節(jié)點處施加單位荷載計算各墩的荷載位移曲線得出。

經(jīng)計算1#、2#墩的抗推剛度分別為γ1=105.26 kN/mm，γ1=85.47 kN/mm，兩墩剛度相差較小，因此本文選取兩墩抗推剛度均值γ進行后續(xù)頂推力的計算。

3.1.2?頂推力分析

計算頂推力時，首先應明確實際墩頂位移的組成及其計算。橋梁經(jīng)歷施工階段至成橋運營過程中墩頂位移主要包括3項：結(jié)構(gòu)成橋時墩頂位移Δ成橋、結(jié)構(gòu)合龍溫度差引起的墩頂位移Δ溫度、十年收縮徐變引起墩頂位移Δ收縮徐變。

采用Midas Civil軟件進行建模計算時，采用滑動支座模擬邊跨支座，兩端均釋放DX與RY，但橋梁在實際運營過程中梁底與支座間存在摩擦力。因此在計算收縮徐變引起墩頂位移時需引入修正系數(shù)α1，本文采用修正系數(shù)α1=0.8［5］。此外結(jié)構(gòu)收縮徐變的發(fā)展是一個緩慢的過程，當結(jié)構(gòu)處于跨中合龍階段時，混凝土收縮徐變已經(jīng)發(fā)生部分［6］，此時應根據(jù)此階段收縮徐變完成量以及橋梁所選取支座的順橋向位移量進行選取Δ收縮徐變的修正系數(shù)α2。

該橋在跨中合龍、運營十年收縮徐變階段產(chǎn)生的墩頂順橋向位移見表5。

由表5可知，在合龍階段收縮徐變引起的墩頂位移Δ收縮徐變已經(jīng)完成16%左右。該橋邊跨采用的支座為JQZ（Ⅱ）5DX與JQZ（Ⅱ）5SX球形支座，此支座在活動方向位移量為±100 mm，遠大于十年收縮徐變階段產(chǎn)生的墩頂順橋向位移。因此本文選取Δ收縮徐變的修正系數(shù)α2=1。因此該橋計算頂推力時墩頂位移Δ可由式（3）確定：

3.2?工程實例分析

該橋于2020-09-22完成跨中合龍。

該橋?qū)嶋H合龍溫度為23 ℃，此溫度下各墩頂水平位移見表6。

由表6計算得該橋?qū)嶋H頂推位移為Δ平均=19.66 mm，因此該橋?qū)嶋H頂推力為F=Δ平均×γ=1 874.97 kN。按此頂推力進行施工后，成橋運營階段墩頂順橋向位移如表7所示。

施加頂推力后，1#墩墩頂水平位移減小97.4%，2#墩墩頂水平位移減小98.8%。由此可看出頂推力可顯著改善成橋運營階段墩頂水平位移。

4?結(jié)語

本文根據(jù)工程實例，結(jié)合有限元計算研究了不同合龍溫度對連續(xù)剛構(gòu)橋主梁、橋墩位移及應力的影響，分析了剛構(gòu)橋頂推力的計算，基于計算結(jié)果得出施加頂推力前后墩頂位移的變化，并得出以下主要結(jié)論：

（1）高溫合龍對結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生降溫效應，隨著合龍溫度升高，結(jié)構(gòu)主梁成橋階段豎向位移不斷增大，且呈現(xiàn)出中跨變化大于邊跨，當合龍溫度高于設(shè)計合龍溫度15 ℃時，結(jié)構(gòu)跨中豎向位移增大72.25%。

（2）結(jié)構(gòu)主梁及墩關(guān)鍵截面的上下緣應力對合龍溫度變化并不敏感，即使高出設(shè)計合龍溫度15 ℃時，應力變化幅度僅為2.65%。

（3）頂推位移由三部分組成，其中Δ成橋為不變值，Δ溫度需根據(jù)結(jié)構(gòu)實際合龍溫度確定，而Δ收縮徐變因其具有時間連續(xù)性且周期長，該部分位移需根據(jù)結(jié)構(gòu)邊界條件、施工至合龍成橋經(jīng)歷時間長短選取合適的修正系數(shù)進行計算。

（4）施加頂推力能顯著改善結(jié)構(gòu)成橋后墩頂順橋向位移，進而提高結(jié)構(gòu)運營階段的使用性能及耐久性，對于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋而言，頂推是不可缺失的施工步驟。

參考文獻

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