獨塔非對稱斜拉橋π梁溫度監控及受力分析

楊怡瑩，孫全勝

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

π梁與大體積混凝土相比較，具有與外界接觸相對面積較大、橫斷面不規則等特點，這也導致其溫度場效應分析較為復雜。因此該文以吉林省某在建斜拉橋為背景，研究探討混凝土π梁各部位混凝土水化熱反應變化規律及對產生裂縫進行理論分析。同時，在施工過程中，發現當單獨張拉橫向預應力鋼束時，主梁會發生起拱，引起主梁提前脫架，脫架延伸至兩側主梁梁肋，待后期橋梁受力體系轉變、張拉拉索時，很容易導致支架失穩，造成嚴重的施工事故。為此，筆者通過Midas/Civil 2013建模分析，調整施工順序，以便解決該問題。

1 工程概況

實例橋位于吉林省，主橋采用(39.9+89.1+151)m“H”形獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，按兩幅橋設計，全橋采用滿堂支架施工工藝，主橋全長280 m，每幅橋寬27 m，采用墩塔梁固結體系，橋面以上部分塔高67 m，主梁端部高2.3 m，索塔高度與主跨的比約為1/2.3，主梁主跨的高跨比為1/65.7，主橋兩側分別布置18對空間斜拉索，斜拉索在梁上的索距為7.8 m，邊跨隨著節段長度的變化，索距相應為7.8、7.3和4.25 m。主梁的基本斷面形式為π形梁，截面頂全寬26.5 m，截面中心高2.565 m，設雙向2%橫坡。塔頂高程117.318 m，承臺以上塔柱總高85.018 m，兩上塔柱橫向凈距20.9 m。塔柱采用空心矩形截面，上塔柱及中塔柱順橋向全寬6.8 m，橫橋向全寬4.0 m。下塔柱順橋向全寬由6.8 m向底部加寬到8.8 m，橫橋向寬度漸變為7.5 m。全橋橋型總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁整體布置圖(單位：cm)

2 現場測試及分析計算

2.1 測點布置

π梁比大體積混凝土承臺等的溫度分析還復雜，為研究其溫度場變化規律，根據其對稱性及截面特點，進行1/2斷面溫度傳感器(型號JMT-36B)和應變傳感器(型號JMZX-215A)測點布置，分別在主梁頂板(12個測點)、主梁肋(5個測點)、主梁橫隔板(6個測點)布置，共計23測點，采用JMZX2001綜合測試儀進行數據采集。具體測點布置如圖2、3所示。

圖2 主梁一般構造圖(單位：cm)

圖3 主梁測點布置示意圖

2.2 Midas/Civil計算模擬

斜拉橋屬于超高靜定結構體系，在橋梁體系轉化過程中，要嚴格控制各部分受力的整體性和協調性。在張拉橫向應力鋼束時，引起主梁起拱，主梁與支架提前脫空，待張拉拉索時，很容易引起支架失穩，導致嚴重的安全事故。橫隔板一般構造圖如圖4所示。

圖4 橫隔板一般構造圖

計算分析軟件采用Midas/Civil 2013對橋梁施工進行仿真模擬計算和施工荷載影響分析，模型共建立536個節點，378個單元。全橋模型如圖5示。

針對張拉橫隔板鋼束起拱問題，筆者運用Midas/Civil 2013進行局部模擬，以確保有限元模型與實際工程絕對吻合。

圖5 全橋空間有限元模型

單元建立：單元總長度取橫隔梁長度和主梁肋寬度總和作為模擬單元總長度；截面選取：橫隔梁截面取2.3 m高、0.3 m寬，橫隔梁截面和4.0 m寬橋面板T形作為橫隔梁長度段模擬截面；邊界條件：按照簡支梁進行模擬計算，兩端鉸接。模型如圖6～8所示。

圖6 橫隔板空間有限元模型圖

由圖6～8可知：單獨張拉鋼束N1，主梁跨中撓度為-0.3 mm，未脫離支架，張拉鋼束N1、N2主梁跨中撓度為13 mm，已經脫離支架。

圖7 張拉鋼束N1主梁位移圖(單位：mm)

圖8 張拉鋼束N1、N2主梁位移圖(單位：mm)

2.3 現場數據采集

為總結π梁混凝土水化熱反應時間規律，筆者對主梁進行30 d連續溫度數據采集，2015年5月31日澆筑試驗段混凝土，于2015年6月1日—2015年6月30日對混凝土溫度進行連續監測，測試時間安排為：澆筑后達到峰值前，每隔2 h進行一次測量，峰值后，每隔6 h進行一次測量；待溫度值達到一個趨于平穩的狀態時，每天進行2次測量。同時，對大氣溫度進行實時采集，經過實際測量，整月溫度較為平穩，無特殊天氣，夜間最低溫度為8～12 ℃，白天最高氣溫為19～28 ℃。

在博弈中涉及到關于主體的邏輯，可以在動態邏輯中引入更新，但語言的的深層次的使用是建立在時間上的決策行為。語言涉及每一主體和多個主體之間均衡(equilibrium)的重復的社會知識，兩者都涉及到博弈論中的處理方法。

同時，待后期張拉橫向預應力鋼束時，在橫隔板斷面處，橋面均勻布置5個測點(圖2)，進行標高的測定，并采集預先埋置好的應變傳感器進行相關讀數，根據應變、應力、彈性模型之間的關系，換算應力值。

3 數據結果與分析

3.1 溫度測試結果

根據30 d混凝土溫度監測結果，水化熱反應大致可以分為3個階段：升溫階段、降溫階段、穩定階段。從澆筑混凝土到升至最高溫度，大約需要14 h，從最高溫度降至穩定溫度，大約需要200 h，而對于π梁不同位置所達到的最高溫度也不一樣，梁肋最高溫度明顯高于其他位置，橫隔板和頂板最高溫度較低一些。由于各個位置混凝土水化熱反應整體規律大致一樣，限于篇幅，筆者僅給出頂板截面1-1～1-4的溫度-時刻曲線作為參考(圖9)，具體溫度變化規律如表1～3所示。

從實測數據和表1～3可以明顯看出：主梁梁肋峰值溫度要高于頂板和橫隔板，頂板和橫隔板厚度較小，

圖9 頂板截面1橫斷面圖

表1 主梁梁肋各測點峰值溫度

表2 主梁頂板各測點峰值溫度

表3 橫隔板各測點峰值溫度

其各自峰值溫度大致相同，且各自經歷時間也相差不多；同時，梁肋中心溫度要高出其周圍位置20～35 ℃，大于施工規范要求的25 ℃，這也是引起主梁裂縫的重要原因之一。

3.2 標高測試結果

預應力鋼束可大大改善混凝土受力性能、提高耐久性等，在橋梁設計和施工過程中是不可缺少的部分。在該斜拉橋施工過程中，采用WILDNAK2型水準儀配套GFS1平板測微器(可估讀至0.01 mm)量測主梁起拱，發現當張拉橫向預應力鋼束時，主梁跨中起拱最大值達到13.12 mm(理論計算值為13.47 mm)，且起拱脫架延伸至主梁兩側梁肋處，待張拉拉索時，很可能會發生支架失穩，主梁倒塌的嚴重施工后果。為安全起見，僅選擇d0～d2,e0～e2(具體編號見圖2、3)橫隔板作為試驗對象，具體數據如表4所示。

從表4可以明顯看出：當張拉鋼束N1、N2后，主梁橫向會發生明顯的起拱現象，如果按照原設計施工順序進行施工，即鋼束張拉完畢后進行拉索張拉，將會有嚴重的安全隱患，如果不張拉鋼束進行索力張拉，很可能會使主梁跨中產生拉應力，引起裂縫。

表4 主梁各測點起拱數據

4 問題分析及解決辦法

4.1 裂縫分析及處理方法

根據該橋的試驗研究和國內外研究理論可以總結出π梁裂縫產生原因主要有：① 混凝土水化熱反應，引起中心和外層混凝土溫差較大，最終導致開裂；② 混凝土澆筑時間過長，時間一般要大于混凝土初凝時間12 h，在這期間，混凝土沒有得到較好的養護，硬化過程中缺少灑水而導致裂縫；③ 振搗質量不好，有大量氣泡；④ 拆模時間過早，水面會有較強烈的風，在這種情況下，混凝土會因水分過快收縮，容易產生裂縫。

根據以上分析，建議采取以下方法避免混凝土π梁發生早期開裂：① 根據混凝土溫度變化規律，選擇合適的澆筑時間，同時采取合理的時間進行混凝土養護，降低內外溫差過大的影響；② 加強混凝土振搗質量，防止振搗不均勻；③ 選擇合理時間進行模板拆除，避免過早拆模產生裂縫，同時注意拆模后混凝土的保溫、灑水等養生工作；④ 混凝土澆筑過程中，禁止隨意加大水量，要求控制好混凝土坍落度。

在該橋主梁施工過程中，嚴格依靠所述方法和理論進行控制，未發現大面積裂縫出現，起到了較好的預防作用。

4.2 起拱問題解決方案

考慮工期等原因，該橋索力采用2次張拉到位的方案。結合Midas/Civil模型，將張拉拉索和張拉鋼束較好地結合進行施工。在模型分析及實際工程中，采取了以下幾種對比方案：① 單獨張拉鋼束N1，然后2次張拉索力到成橋索力，會引起主梁頂板上緣拉應力最大值達到2.24 MP，接近混凝土抗拉極限強度；② 張拉鋼束N1、N2，而后張拉索力，索力未全部張拉到位前，會導致主梁脫架失穩；③ 首先張拉鋼束N1，然后初張拉索力，而后二次張拉拉索，同時張拉此拉索附近的鋼束N2(如張拉1#索，此時張拉d0、d1、d2、e0、e1、e2的鋼束N2)，這樣施工安全問題迎刃而解。

5 結論

結合Midas/Civil建立有限元模型，與實際工程相結合，針對斜拉橋π梁各部分混凝土水化熱反應規律和張拉橫向鋼束起拱問題進行研究，得出以下結論：

(1)混凝土水化熱反應大致可以分為3個階段：升溫階段，降溫階段，穩定階段。大約14 h可以達到溫度峰值，經過200 h會達到溫度穩定階段；π梁頂板和橫隔板各個位置溫度相差不大，而對于梁肋處，其中心溫度要高于周圍溫度20～35 ℃。基于此規律，筆者提出選擇合適時間澆筑混凝土、提高振搗質量、控制澆筑混凝土坍落度、注意拆模時間和養護等方法解決早期溫度場開裂問題，應用于實際工程，起到了良好的效果。

(2)針對張拉橫向預應力鋼束引起主梁起拱、脫架，導致主梁失穩。筆者運用Midas/Civil建立有限元模型，結合實際工程，提出“張拉鋼束N1→初張拉索力→二次張拉索力(同時張拉附近鋼束N2)”的方案，確保施工安全，很好地解決該問題。