高溫差對懸臂施工預應力混凝土連續梁成橋變形及應力影響研究

楊 博

(中鐵十一局集團第三工程有限公司,湖北十堰442000)

0 引言

國內外的橋梁施工和使用過程中，常發現有一些裂縫，造成極大的危害，受到國內外橋梁專家和研究工作者的重視。理論分析和實驗證明，在大跨度預應力混凝土箱型梁橋中，特別是超靜定結構體系連續梁中，溫度應力可以達到甚至超過活載應力，已被認為是預應力混凝土橋梁產生裂縫的主要原因。在德國，Jagst厚腹板箱梁橋通車第五年發現了嚴重裂縫，估算溫度應力高達2.6 MPa。由溫度引起損傷的預應力橋梁中，有兩座橋幾乎倒塌。新西蘭一座位于高速公路上Auckland的預應力混凝土箱型高架橋因溫差導致嚴重開裂。美國Champigny箱形梁橋日照溫差拉應力高達3.92 MPa。湖北光化大橋箱梁頂板底面有明顯的縱向裂縫(1984年發現)，其頂板溫度拉應力高達2.6 MPa。我國鐵路上的通惠河連續箱型橋和九江大橋簡支梁橋也因溫度差產生嚴重開裂現象。溫度應力是混凝土箱梁發生裂縫的主要原因。

橋梁施工中的溫度場分布及其所引起的撓度和應力效應，以及在此基礎上的施工溫度控制引起國內外橋梁專家和研究工作者的重視。在這個方面，各國橋梁設計標準中溫度荷載都制定了相應的規范，各國規范對溫度場的分布規律均有規定，且各不相同。即使在我國，鐵路橋規與公路橋規的規范條文也相距甚遠。但是，不同的溫度場規定對箱梁的溫度應力和撓度計算的影響都是巨大的。使用不同的溫度梯度模式進行計算得到的梁內溫度應力相差非常大，甚至可能出現異號應力，如果溫度場分布的梯度模式不對，即使增大溫度設計值，也不能保證結構不產生裂縫。

因此，有必要根據我國的地理環境，氣候條件等外部環境及橋梁的位置和走向、太陽的輻射、當地的風速、日和年的空氣溫度變化幅度等參數，以及橋梁的橫截面幾何參數，通過實驗和理論等研究工作，得到合適于我國或某一地區的大跨度PC連續梁橋的溫度場分布規律及其溫度效應，可以用于指導設計，以及在此基礎上對關鍵的施工工序進行適當的溫度控制。本文以一座位于新疆高溫差地區的四跨預應力混凝土連續梁橋為背景，分析了施工過程中懸臂結構在高溫差地區日照溫度荷載下的變形和應力響應。

1 工程概況

某鐵路（40+2×64+40）m預應力混凝土連續梁，梁體采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，現澆段處梁高3.10 m，梁底曲線為二次拋物線。箱梁頂寬11.46 m，底寬6.0 m，中支點處梁底加寬至7.0 m，單側懸臂長2.73 m，懸臂端厚20 cm，懸臂根部厚65 cm。箱梁腹板厚50～80 cm，底板厚35～65 cm，梁中心頂板厚38 cm，頂板設90 cm×30 cm的梗肋。箱梁中支點設置厚150cm橫隔墻，橫隔墻設置（高）160 cm×（寬）150 cm的過人洞；邊支點橫隔墻厚110 cm，橫隔墻設置（高）150 cm×（寬）140側面的過人洞。距梁頂1.5 m處各梁段兩側腹板設置直徑10 cm的通風孔，在中支點兩側及邊跨端部附近箱梁底板設置直徑16 cm的排水孔，在箱梁頂面懸臂處沿橋縱向每隔4.0 m左右設置直徑12.5 cm的橋面排水孔。

2 主要建筑材料及施工過程

梁體采用C50混凝土，預應力采用縱向、橫向及豎向三向預應力體系，連續梁梁體縱、橫向預應力采用符合現行國家標準《預應力混凝土用鋼絞線》（GB 5224-2003）規定的鋼絞線,錨固體系采用與之對應規格的群錨裝置，張拉采用與之配套的機具設備，采用金屬波紋管成孔。豎向預應力筋采用Φ32 mmPSB830預應力混凝土用高強精軋螺紋鋼筋，抗拉強度標準值fpk＝830，錨下控制應力為705 MPa。錨具采用JLM錨具錨固，采用內徑為Φ50 mm鐵皮管成孔。普通鋼筋采用符合現行國家標準的HPB235級、HRB335級鋼筋（分別符合GB 1499.1-2008和GB 1499.2-2007標準）。支座采用高速鐵路及客運專線橋梁球型支座產品系列。

該連續梁采用輕型掛籃分段懸臂澆注施工。先在主墩墩頂灌注臨時支座，再在托架上灌注0#梁段，而后對稱向兩側順序灌注1#～7#梁段形成2個T構。然后，先合邊跨，張拉邊跨頂板和底板預應力束；合龍中跨，張拉所有剩余預應力束。

3 我國鐵路橋涵設計規范關于溫度作用的規定

我國現行《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB100023—2005）對箱梁日照溫差分布的計算公式定義為：

式中：Tx、Ty 為計算點 y、x處的溫度，℃；T01、T02為箱梁梁高、梁寬方向溫度差，一般設計可按表1取值；x、y為計算點距箱梁外表面的距離，m；a為系數，可按表1取值，（m-1）。

表1 日照溫差曲線的a與T0值一覽表

本文根據現場實測的溫差對結構進行計算分析。箱梁高度方向溫差取40℃，箱梁寬度方向的溫差取20℃。

4 有限元模型

根據設計圖反映的內容，對全橋總體結構建立能反映施工荷載的有限元模型，對該橋進行了正裝分析，得到各階段主梁變形狀態。計算模型中根據懸臂施工梁段的劃分、支點、跨中、截面變化點等控制截面將全橋劃分為53個結點和52個單元。

全橋總體計算模型如圖1所示。

圖1 橋計算模型

圖1為成橋階段模型，2＃墩設置固定支座，其余墩設置活動支座。圖1還示出了預應力鋼束。根據設計圖紙所示施工階段及需完成工作將該橋劃分為32個施工階段

5 計算結果分析

施工至7號塊時有限元模型見圖2所示，溫度引起的結構位移見圖3～圖5所示，溫度引起的應力見圖6～圖18所示，具體數值見表2所列。

圖2 有限元模型

圖3 豎向變形圖示

圖4 橫向變形圖示

圖5 縱向變形圖示

圖15 12號節點箱梁截面應力分布圖示

圖16 13號節點箱梁截面應力分布圖示

圖17 14號節點箱梁截面應力分布圖示

圖18 15號節點箱梁截面應力分布圖示

表2 最大懸臂段施工后位移及應力表

5 結論

（1）施工至7號塊時，即最大懸臂狀態，溫度對結構的位移影響最為顯著。溫度引起的豎向、橫向及縱向位移分別達到1.4 cm、1.6 cm及0.3 cm。

（2）施工至7號塊時，即最大懸臂狀態，溫度引起結構的應力為：箱梁最大拉應力為2.9MPa,最大壓應力約為10 MPa左右。

從以上的結論可以看出，溫度對結構的內力及位移產生的影響較大。應重視溫度對結構產生的拉應力，防止箱梁產生溫度裂縫。同時，在結構線形監控的過程中，應合理考慮溫度引起的位移效應。