大跨徑橋梁施工控制溫度應力問題

陶文景

(貴州貴安建設投資有限公司，貴州　貴安　550025)

大跨徑橋梁施工控制溫度應力問題

陶文景

(貴州貴安建設投資有限公司，貴州貴安550025)

關鍵詞：大跨徑橋梁；溫度應力；施工控制

0引言

橋梁施工安全與成橋狀態能否符合設計要求是人們關注的重點問題，要實現高質量施工，只通過簡單的檢查與驗收顯然是具有很大難度的，所以需要對橋梁施工進行嚴格的控制，確保實際的施工狀態與設計預期一一對應。結構設計參數主要用于衡量結構狀態變化，若參數改變，則結構內力必然會出現相應變化。在眾多結構參數當中，溫度參數的確定難度較大，屬于復雜變量，和所在地理位置、方向以及材料等有關，在明確結構應力中有著十分重要的作用，而且也是最難進行識別的重要參數。因此，針對溫度應力開展深入的研究工作是施工控制的關鍵環節，是實現最佳成橋狀態的重要舉措。

1溫度應力

1.1溫度應力的產生

在分析溫度應力的早期，人們通常將年溫變化的產生與分布作為依據，隨著研究的進一步深入，人們逐漸認識到非線性特點對于研究的重要性。近幾年，伴隨研究成果的不斷更新，溫度應力研究已經從過去的單一考慮氣溫條件上升至充分考慮日照條件的高度。對于大跨徑橋梁而言，溫度應力主要分成兩種形式，分別為：結構物某種構件單元內，由于各纖維溫度不盡相同而形成的應變差在約束的作用下產生的應力，這種溫度應力被稱為溫度自應力；在結構或者是體系當中的各個構件，由于其溫度存在一定差別而形成的結構變化，會在支承約束條件下生成應力，這種應力即為溫度次應力[1]。研究還發現，溫度應力的產生與分布不僅具有非線性，還具有十分顯著的時間性。

1.2溫度應力效應類別

大跨徑橋梁由于受到自然條件等因素的影響會出現溫度效應，一般而言，這種溫度效應可以分成兩種類型，分別為：年溫差效應與局部溫差效應。其中，年溫差效應為改變遲緩的年溫差，它會影響到橋梁截面的溫升、溫降以及伸長、縮短，橋梁位移在受到一定約束后，會生成溫度次應力[2]。局部溫差效應因為日照輻射生成，其在各種截面上的傳熱形式均不相同，具有非線性分布特征，而且，截面非線性溫度分布所造成的脹縮和截面形變之間存在的差別，會使所有種類的截面都會出現自應力。

2大跨徑橋梁溫度應力計算

2.1基本假定

在對溫度應力進行計算的過程中，基本假定是首要環節，具體內容如下：

(1)假設梁長方向中的溫度分布均勻，同時省略掉局部溫度變化所造成的差別；

(2)假設混凝土結構的材料是均勻，且各向同性的，在生成裂縫前，滿足各項基本規律；

(3)假定截面不變且可用；

(4)根據溫度荷載理論對應力進行計算；

(5)采用疊加法等計算出多種荷載情況下的應力。

2.2溫度應力計算

在橋梁結構當中，若實際的分布曲線給定，如圖1所示，則可據此求出應力分布。

圖1　橋梁結構溫度分布曲線圖

首先，假定結構中各種纖維均自由伸縮，則可得應力：

εT(y)=αT(y)

(1)

式中，a——膨脹系數；

T(y)——具體溫度分布。

依據假設的平截面，可得總應變：

ε(y)=εc+ky

(2)

式中，εc——重心位置應變；

k——微段曲率。

因為總應變和溫度應變不相同，所以可以得出一定幾何關系：

ε(y)=εT(y)+εe(y)

(3)

式中，εe(y)——彈性應變，其應力可表示為：

σe(y)=Eεe(y)=E[ε(y)-εT(y)]=E[εc+ky-εT(y)]

(4)

截面內力可表示為：

NZ=∫Aσe(y)dA

=E∫A[εc+ky-εT(y)]dA

=EεcA-E∫AεT(y)dA

(5)

Mx=∫Aσe(y)ydA

=E∫A[εe+ky-εT(y)]ydA

=kEI-E∫AεT(y)ydA

(6)

根據式(5)與式(6)可得：

(7)

(8)

式中：E——彈性模量；

A——截面的面積；

I——抗彎慣矩。

針對超靜定結構而言，如果將溫度的贅余力表示為xi(i=1，2，…，n)，則在xi為1時，截面產生的內力為：

(9)

(10)

將式(9)、(10)代入式(7)、(8)中可得：

(11)

(12)

εc、k為已知條件，則可得出贅余力xi方向形變，在此基礎上，通過形變協調條件對xi進行求解后即可得出應力：

σe(y)=E[εc+ky-εT(y)]

(13)

式中：

NT=E∫AεT(y)dAMT=E∫AεT(y)ydA

由式(13)得知，溫度應力主要由兩部分構成，分別為次應力與自應力：

(14)

(15)

3工程案例分析

3.1工程概況

總干渠高大跨渡槽C2標由河溝頭、焦家2座渡槽組成，河溝頭渡槽主槽采用(80.55+2×150+80.55)m共461.1 m連續剛構體系；焦家渡槽主槽采用(95.95+2×180+95.95)m共551.9 m連續剛構體系。渡槽平面、縱向均位于直線上，渡槽箱梁頂面縱坡1/1 500，靠進口側高，靠出口側低。其中，河溝頭箱梁跨中截面梁高4.6 m，是主跨徑的1/32.61，墩頂梁高11.5 m，是主跨徑的1/13.04；焦家箱渡槽梁跨中截面梁高4.6 m，是主跨徑的1/39.13，墩頂梁高13.8 m，是主跨徑的1/13.04。

3.2溫度觀測

研究發現，溫度的改變是使主梁出現撓度的主要原因之一。相對之下，日溫變化趨于復雜，特別是在受到日照等作用時，主梁的頂、底板溫差較為明顯，使得主梁出現撓曲現象，而且還有可能使墩身發生位移。而季溫造成的實際影響則較為簡單，變化趨勢可以保持恒定，對各節段溫度進行準確收集，并輸入至計算機當中，借助相關軟件進行計算分析，即可求出撓度數值。為進一步掌握截面溫差情況，還要在被測梁體上設置多個測點，以及時獲取溫度變化情況。

3.2.1測點設置

設置兩個截面，每個截面分別設置14個測點，把鉑電阻設置在鋼筋上，經防潮處理以后，埋置混凝土中，再將導線布置在結構表面。

3.2.2觀測結果

分析得知，梁高溫度分布和T(y)=T0ye-Cyy十分接近，如圖2所示。

圖2　溫度分布示意圖

3.3計算分析

基于觀測結果方面的考慮，使用T(y)=T0ye-Cyy分布函數，根據應力疊加規律可得總應力為：σe(y)=σt(y)+σtx(y)。

結合上述公式，算出應力。首先，計算非線性溫度條件下所產生的截面應變；然后，獲取初應力，使用形變協調理論計算次應力與次內力。為對結構形變所造成的溫度變化進行分析，箱梁頂板的升溫與降溫分別選為1 ℃、3 ℃與5 ℃，可表示為：T0y=20 ℃±(1 ℃、3 ℃、5 ℃)，cy=5，同時按照溫度遞增工況實施運算，只考慮溫度造成的影響。

3.4施工溫度應力控制方法

3.4.1結構形變控制

充分結合計算成果與實測數據，調整監控參數，得出不同階段對應的形變數值，保證不同塊件標高的實際值、預測值與設計值保持相同的變化趨勢。

3.4.2結構應力控制

綜合考慮溫度、徐變與收縮等因素，通過實測、計算結果對比，對監控參數進行實時調整，確保結構應力的實際情況與預測結果變化保持一致[3]。

4結語

(1)溫度參數是一種極其復雜的變量，對于應力與形變確定至關重要，所以在施工中應對溫度控制給予足夠的重視。

(2)在研究溫度應力的同時，可根據假定的條件提出一系列計算公式，同時充分使用這些公式得出溫度變化造成的形變影響。

(3)結構變位與溫度分布存在緊密的聯系，施工時應確保數據結果的真實性，進而保證施工控制更具合理性與有效性。

參考文獻

[1]王力強，高猛.大跨徑橋梁施工控制溫度應力研究[J].廣東公路交通，2010(1)：24-27，30.

[2]張浩.橋梁施工控制中的溫度應力研究[J].交通標準化，2010(13)：75-79.

[3]吳文陽.大跨徑橋梁施工控制溫度效應研究[J].科技資訊，2006(2)：111-112.

摘要：文章分析了大跨徑橋梁溫度應力產生的形式與效應類別，提出了一套實用的應力計算方法，并結合實例介紹了大跨徑橋梁施工溫度應力控制方法。

Large-span Bridge Construction Control Temperature Stress

TAO Wen-jing

(Guizhou Gui’an Construction Investment Co.，Ltd.，Gui’an，Guizhou，550025)

Abstract：This article analyzed the forms and effect category of large-span bridge temperature stress，put forward a set of practical stress calculation methods，and in combination with examples，it intro-duced the construction temperature stress control method of large-span bridges.

Keywords：Large-span bridges；Temperature stress；Construction control

作者簡介

中圖分類號：U445.4

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.021

文章編號：1673-4874(2016)04-0075-03

收稿日期：2016-03-27

陶文景(1974—)，高級工程師，研究方向：高墩大跨橋梁施工。