考慮溫度影響的系桿拱橋施工控制研究

徐江順，宋郁民

（上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620）

0 引言

隨著國內橋梁建設的飛速發展，鋼管混凝土拱橋因其較強的跨越能力、優美的外觀、較低的建設成本等優點得到了廣泛應用。在自然環境中，鋼管混凝土拱橋受到收縮徐變、溫度變化等因素的影響，應力和線性產生改變。對于鋼管混凝土拱橋的收縮徐變效應，已經有學者從預測模型、計算方法、溫度影響、終止時間等角度做出深入研究。對于大跨度橋梁的溫度效應，已經有學者從混凝土凝固特性、外加劑的使用、施工技術等方面進行研究。然而，關于橋梁施工過程中的實際溫度對成橋應力和線形的影響研究較少。

在橋梁設計階段，通常考慮橋梁建設地址年平均溫度、均勻升降溫和梯度升降溫。而在實際施工過程中，組合體系橋梁不同構件施工溫度具有較大差別，通常鋼管混凝土拱橋系梁和拱肋建設于不同季節，建設時溫度差異較大。由于組合體系橋梁，成橋過程發生多次體系轉換，因此有必要研究施工過程中已施工構件的變形和位移對成橋線形和應力的影響。本文結合福廈鐵路新建鋼管混凝土系桿拱橋項目，建立有限元模型模擬計算施工過程，研究實際施工溫度對鋼管混凝土系桿拱橋的影響。

1 工程概況

新建鐵路福州至廈門客運專線72 m 鋼管混凝土系桿拱橋，體系結構為剛性系桿剛性拱。主橋立面布置見圖1。圖1 中，各尺寸單位均為cm。

圖1 主橋立面布置圖Fig.1 Elevation layout of main bridge

系梁采用單箱三室預應力混凝土箱型截面，橋面箱寬17.1 m，梁高2.5 m，底板厚度為0.3 m，頂板厚度為0.3 m，邊腹板厚度為1.3 m，中腹板厚度為0.3 m。吊點處設置橫梁，每個箱室均設檢查孔，系梁兩端設置進入孔，拱腳處6 m 范圍內設置實體截面梁端。

拱肋采用懸鏈線線型，矢跨比為1／5，矢高為14.4 m，研究推得的懸鏈線方程（1）可表示為：

其中，為計算矢高，取值14.4；為拱軸系數，取值1.127；為計算跨徑，取值72；為拱頂至計算點處的距離。

拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土截面，鋼管直徑為1 m，截面高度為3 m，由厚16 mm 鋼板卷制而成，鋼管內填充C55 混凝土。每根拱肋的兩鋼管之間用厚為16 mm 腹板連接，腹腔內不填充混凝土，僅在拱腳范圍1 m 填充C55 無收縮混凝土。鋼管和腹板均采用Q345qD 鋼材。兩拱肋之間共設3 道橫撐，拱頂處設X 型橫撐，拱頂至兩拱腳間設2 道K 型橫撐，橫撐內部不填充混凝土。拱肋截面如圖2 所示。圖2 中，各尺寸單位均為mm。

圖2 拱肋截面圖Fig.2 Section diagram of arch rib

吊桿布置采用縱向雙吊桿體系，共設18 對吊桿，吊桿中心縱向間距為6 m，雙吊桿中心距為0.6 m。吊桿均采用73 根φ7 高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄墩頭錨，索體采用PES 低應力防腐索體，并外包不銹鋼防護層。各階段單根吊桿索力值見表1。

表1 單根吊桿索力值Tab.1 Single derrick cable force value

2 計算模型

使用有限元軟件進行全橋建模，根據實際工程圖紙，共建立401 個節點，454 個單元，包括36 個桁架單元、418 個梁單元。系梁和拱腳采用梁單元模擬，拱肋采用施工聯合截面模擬，吊桿采用桁架單元模擬。拱肋截面的聯合程序與實際施工程序一致，首先吊裝拼接鋼管，其次泵送下弦桿管內混凝土，最后泵送上弦桿管內混凝土。模型中施加的靜力荷載包括自重、二期恒載、預應力荷載、溫度荷載；列車荷載采用ZK 活載；混凝土材料（C50、C55）的材齡為3 d。本文通過該模型模擬施工溫度對成橋的影響，為方便分析處理數據，每組2 根吊桿取其吊桿力的平均值。根據混凝土材料的特殊性質，混凝土澆筑凝固即開始產生收縮變形，并在橋梁自重等荷載作用下產生徐變變形。收縮徐變使節點位置發生改變，將邊界條件激活方式定義為“變形后”，此時節點保留前期施工階段發生的位移，節點不產生強制位移和反力。有限元模型如圖3 所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

3 計算分析

廈門市屬于亞熱帶海洋性季風氣候，氣候溫暖濕潤。根據公開的氣象資料，廈門市年平均溫度在20 ℃左右，1～12 月的平均溫度、平均最高溫度、平均最低溫度見表2。

表2 廈門市氣象資料Tab.2 Meteorological data of Xiamen

由表2 可知，廈門市一年中2 月平均溫度最低，為12.4 ℃；7 月平均溫度最高，為27.8 ℃。月度平均最高溫度為32.3 ℃，月度平均最低溫度為9.8 ℃。為研究實際施工溫度對鋼管混凝土系桿拱橋的影響，本文共探討3 種情況：

（1）工況1：根據設計資料，系梁和拱肋同時安裝，安裝時溫度為20 ℃，拱肋和系梁采用相同的最高溫度和最低溫度。

（2）工況2：夏季成橋，系梁初始溫度為2 月份12.4 ℃，拱肋初始溫度為7 月份27.8 ℃，拱肋和系梁采用相同的最高溫度和最低溫度。

（3）工況3：冬季成橋，系梁初始溫度為7 月27.8 ℃，拱肋初始溫度為2 月份12.4 ℃，拱肋和系梁采用相同的最高溫度和最低溫度。

3 種工況下，有限元模型中單元均勻升降溫參數設定見表3。

表3 單元均勻升降溫參數Tab.3 Unit uniform temperature rise and fall parameters ℃

3.1 系梁和拱肋線形

成橋系梁和拱肋在自重、二期荷載、活載和收縮徐變等因素的共同作用下發生豎向變形。考慮實際施工溫度的影響，成橋系梁和拱肋的豎向變形值如圖4 和圖5 所示。

圖4 系梁豎向變形值Fig.4 Vertical deformation value of the beam

圖5 拱肋豎向變形值Fig.5 Vertical deformation value of arch rib

由圖4 可知，工況1 全橋采用相同的初始溫度20 ℃，系梁跨中撓度最大為32.09 mm；工況2 夏季成橋，系梁初始溫度為12.4 ℃，拱肋初始溫度為27.8 ℃，系梁跨中撓度最大為31.90 mm；工況3 冬季成橋，系梁初始溫度為27.8 ℃，拱肋初始溫度為12.4 ℃，系梁跨中撓度最大為34.99 mm。工況1 和工況2 系梁變形曲線基本相同，工況3 系梁豎向變形值有明顯增長。對比工況1，工況3 在8、4、2 處系梁豎向變形值分別增加32.77%、24.16%、9.04%，呈現明顯的增長趨勢。

由圖5 可知，工況1 鋼管拱肋拱頂撓度最大為33.28 mm；工況2 拱肋拱頂撓度最大為33.02 mm；工況3 拱肋拱頂撓度最大為33.58 mm，3 種施工工況下拱肋變形曲線較為接近。工況3 靠近拱腳兩端拱肋豎向位移值偏大，對比工況1，工況3 在8、4、2 處拱肋豎向變形值分別增加15.44%、8.90%、0.90%。

對比圖4 和圖5 可知，施工溫度對于成橋系梁的線形影響較大，在較高的施工溫度下，系梁豎向變形值呈現明顯的增長。鋼管混凝土系桿拱橋作為一種組合體系的橋梁，系梁線形的變化將導致拱肋線形隨之變化。

3.2 系梁和拱腳應力

3 種工況下系梁和拱腳（鋼管、上弦桿核心混凝土、下弦桿核心混凝土）應力見表4、表5。表4、表5中，壓應力表示為負值。

表4 成橋系梁應力Tab.4 The stress of the beam MPa

表5 成橋拱腳應力Tab.5 The stress of arch foot MPa

由表4 和表5 可知，3 種工況下成橋系梁應力基本相同，工況2 系梁4 跨徑截面應力減小0.2 MPa。工況1 和工況2 拱腳應力無變化，鋼管拱肋應力為149.0 MPa，上弦桿內核心混凝土應力為4.5 MPa，下弦桿內核心混凝土應力為2.2 MPa。對比工況1 和工況2，工況3 拱腳上弦桿內核心混凝土應力增加0.3 MPa，增長幅值為6.67%；下弦桿內核心混凝土應力減小0.2 MPa，增長幅值為-9.10%。工況3 系梁和拱肋線形的變化較為明顯，拱腳應力隨之發生改變。

4 結束語

通過對福廈鐵路新建鋼管混凝土系桿拱橋進行有限元建模，對比分析有關數據，得出以下結論：

（1）實際施工溫度對成橋系梁線形影響較大，對鋼管混凝土拱肋線形影響不顯著；施工溫度較高時，成橋系梁豎向變形值增大，但跨中截面的變形值增幅較小。

（2）實際施工溫度對成橋系梁應力影響較小；系梁施工溫度較高時，隨著系梁和拱肋變形值的增加，拱腳上弦桿核心混凝土應力有所增大、下弦桿核心混凝土應力有所減小。

組合體系橋梁施工控制應考慮實際施工溫度的影響，建議將橋梁不同結構的溫度參數按照實際施工溫度進行設定。