溫度對鋼管混凝土拱圈合龍施工影響分析

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（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶400074）

0 引言

橋梁事業(yè)發(fā)展迅速，而其中的一種發(fā)展較快的鋼管混凝土組合形式結(jié)構(gòu)，由于具有施工便利、極大提高跨徑、高強(qiáng)度、延性優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，被用于各種土工建筑中。對于鋼管混凝土拱橋來說，其鋼管骨架拼裝的過程是極為關(guān)鍵的，采用卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩相組合的系統(tǒng)，分段斜拉扣掛懸拼架設(shè)是常用的施工方法。該方法具有下列特點(diǎn)：不采用一次成型的方式，而是在施工過程中，隨著主拱圈的不斷變化，將結(jié)構(gòu)上各個(gè)位置的恒載以及臨時(shí)荷載分步驟施加于結(jié)構(gòu)整體體系上。在這個(gè)過程中，為了保證拱圈施工質(zhì)量，使拱圈的整體線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)理論值，需要對結(jié)構(gòu)的拼裝過程進(jìn)行精確的計(jì)算和控制。

1 理論基礎(chǔ)

目前，為了方便求解鋼管混凝土拱圈在纜索吊裝施工過程中內(nèi)力和線形的問題，一般采用傳統(tǒng)的經(jīng)典力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，即分別計(jì)算在每個(gè)施工階段時(shí)，將由于施工產(chǎn)生的荷載增量和結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及相應(yīng)的位移施加于橋梁結(jié)構(gòu)體系上，并把由此計(jì)算出的各階段內(nèi)力和位移進(jìn)行數(shù)值累加，從而得到拱圈施工某個(gè)中間過程或者整體成橋狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形；對于無法人為控制的大氣溫度影響，施工中一般是對高溫時(shí)刻進(jìn)行回避，以此來達(dá)到消除溫度影響的目的。

拱圈各節(jié)段在進(jìn)行吊裝施工時(shí)，監(jiān)控指令中的索力一般是假設(shè)在設(shè)計(jì)溫度，但盡管對高溫進(jìn)行回避[1]，然而現(xiàn)場的溫度難免與設(shè)計(jì)有所差異。因此即使嚴(yán)格要求施工方在氣溫穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行施工操作，也不能完全消除溫差的影響，這種做法會使監(jiān)控指令達(dá)不到理想的實(shí)施效果。

2 有限元模型建立

為了探究在一定溫度變化范圍內(nèi)，由于升溫或降溫導(dǎo)致的拱橋整體線性以及跨中合龍段施工影響[2]，現(xiàn)在使用MIDAS Civil軟件建立簡易模型進(jìn)行分析。模型概況可見圖1和圖2。

圖1 模型總體圖

圖2 拱肋截面示意圖

橋梁跨徑為150m，矢高25.2m，矢跨比為1/6。主拱截面為鋼管空心截面，截面示意圖如圖2所示。為簡化結(jié)構(gòu)使其便于建模模擬，將拱肋間的橫撐和豎腹桿和斜腹桿的兩個(gè)端點(diǎn)與拱肋段的節(jié)點(diǎn)重合，這樣可以大大減少由于節(jié)點(diǎn)不重合帶來的節(jié)點(diǎn)間彈性約束的使用量。拱肋材料使用Q420鋼材。拱腳處定義為固定約束，拱頂處設(shè)置豎向鏈桿約束。跨中合龍段長度設(shè)置為2m。設(shè)置的荷載分為以下兩類：

（1）恒載：自重；

（2）溫度荷載：從設(shè)計(jì)要求的合龍溫度15℃升溫到25℃。

邊界條件的設(shè)置：拱腳處使用固結(jié)約束，拱頂合龍段兩側(cè)，為模擬纜索吊裝施工過程中的邊界條件，設(shè)置豎向和橫向約束，并且約束x方向和z方向的轉(zhuǎn)動自由度。

3 結(jié)果分析及結(jié)論

模型分析結(jié)束后查看在自重和升溫工況組合下的位移值，該組合使用的是兩種工況各乘1.0的組合系數(shù)并疊加的方式進(jìn)行計(jì)算。其最大縱向位移為4.04cm，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在拱肋頂部，即合龍段兩側(cè)；最大豎向位移為6.41cm，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在接近拱肋L/2處，具體變形結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 組合工況下的最大縱向位移

圖4 組合工況下的最大豎向位移

可見，在溫度上升時(shí)，由于熱脹冷縮作用，導(dǎo)致已經(jīng)安裝好的拱圈部分受熱膨脹[3]，在x方向上向跨中移動了4cm左右，假設(shè)兩邊拱肋完全對稱的情況下，兩側(cè)拱肋之間的距離將減少8cm，此時(shí)跨中合龍段的2m部分就會變成1.92m。由此，跨中合龍段在溫度上升10℃的情況下，合龍段在不改變施工方式正常施工的情況下，就極有可能發(fā)生合龍段預(yù)留距離不足而拼接不上的情況[4]。

為了在施工中避免這種情況，在考慮溫度變化合龍時(shí)，如果考慮合龍溫度高于設(shè)計(jì)溫度[5]，則在拱肋合龍施工過程中應(yīng)該提前調(diào)整施工方式和方法，保證拱肋合龍工序順利。通過以上例子可以想到，如果無法保證低溫度合龍的情況下，在施工上一階段拱肋時(shí)，可以稍微將拱段往上提升一些，在溫度上升時(shí)拱肋會產(chǎn)生豎向和縱向位移，可以恰好抵消上個(gè)節(jié)段施工時(shí)預(yù)留出來的空間，此時(shí)合龍就可以保證跨中合龍段拱肋安裝順利[6]。