基于日照溫差影響下某剛構橋懸澆立模標高的確定分析

劉祖縉

（貴州橋梁建設集團有限責任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

大跨連續剛構橋通常采用懸臂式施工，在施工時要進行合理的線型控制，以保證成橋后的合攏精度滿足設計要求[1]。該文通過有限元計算與現場實際觀測，研究了日照溫差對橋梁線型的影響。

1 工程概況

該橋是一座V形墩式預應力混凝土連續剛構橋，其跨徑（42+65+65+42）m。圖1顯示了橋形布局。該橋采用吊籃對稱懸臂式澆筑工藝，在V形支座中部及左右兩側各9.0 m以內的橫梁分段為0號，懸臂梁施工分成6節，長度3~4 m。

圖1 橋型布置圖

2 日照差效應

環境氣溫的改變將直接影響到橋梁的應力和變形，季節變化和日照變化對建筑物的影響是由大氣環境溫度場引起的[2-3]。該文重點分析了日照溫度對主梁線型的影響，并給出了解決方案。

2.1 有限元分析

采用MIDAS/Civil軟件對整個橋梁進行了有限元模擬，其中C55混凝土主梁采用現場實測的彈性模量（3.98×104MPa），利用2號橋墩最大懸臂工況，按照設計規范中的溫度梯度控制負荷要求，對其進行了日照溫差影響的計算。見圖2和圖3中的主梁豎向形變數據統計圖，垂直向下為負，向上為正。

圖2 主梁豎向變形示意

從圖3可知，在懸臂式結構施工階段，V形墩剛構橋因日照溫差作用而產生的豎向變形為拋物線。懸臂部分產生豎向下的變形，最大變形為?17.10 mm，出現在懸臂端。

圖3 主梁豎向變形計算曲線

2.2 現場實測

2號橋墩最大懸臂工況，利用一天之中日照溫差最大的兩個時點，即早6：00、下午3：00分別進行了主梁標高的實測。其中早晨6：00點，梁體結構基本上沒有豎向的變形；在下午3：00，梁體的頂部受陽光輻射的影響最大，隨著梁高的增大，梁體靠底面一側的溫度場逐漸降低，因溫差效應使主梁的豎變形較大。實測這兩個時間點的高度差，即為日照溫度對主梁的影響[4]。該橋2號墩6號節段在施工中的實測結果見圖4。

圖4 主梁豎向變形實測曲線

從圖4可知，懸臂施工階段，V形墩剛構橋主梁在日照溫差作用下，主梁豎向位移的變化規律與有限元計算結果基本一致；主梁的長度為一拋物線。最大的變形量為?13.2 mm，出現在懸臂端。

2.3 日照溫差效應的消除措施

由以上結果可知，日照溫度對主梁的豎向變形有明顯的影響。施工測量要避免日照過高的時段，通常是在早上太陽升起前進行。而在工地上進行的立模板放樣工作，則要按照工程進度來安排，無法利用早上最有利的時間點。因此在結構施工過程中，為了保障豎模標高的精準性，達到控制設計線型的目的，必須采取措施消除日照溫差效應。

針對懸臂式剛構橋在施工過程中因日照溫差作用而產生的豎向變形，采用拉格朗日插值原理，采用二次實測插值計算法。該方法的基本原理是：在日照溫差作用下，對待立模節段相鄰的三個澆注塊的豎向變形進行曲線擬合，由此進行插值計算法的中間數據段的插補；根據日照溫差的影響，對待澆筑節塊進行了立模標高修正值fx計算[5]。在拉格朗日二次方程的基礎上，得到了如下的豎向形變曲線，見公式（1）：

式中，下標3、2、1分別是3個在待立模節塊前方鄰近的澆注塊的編碼；其分別為各節塊末端受到日照的影響而發生的豎向形變。結構立模節段的標高控制值fx,需考慮日照溫差作用進行修正，其計算公式如下：

式中，Lij——i號塊與j號塊之間的距離，i>j時，取正值，i

Lxj——待立模節塊與j號塊之間的距離，取正值。

2.4 兩次實測插值法工程應用

以該橋2號橋墩6號節段澆筑混凝土之前的模板位置為例，在下午5：00進行了定位。采用二次實測插值計算方法，對6號節塊體立模標高進行了修正，并對其進行了兩次測量。

利用公式（2）進行了計算，6號節段的立模標高修正值最終計算確定為?9.8 mm；施工立模放樣時，在原設計的理論豎模標高基礎上減少9.8 mm，以確定其真實水平。當晚，該段混凝土澆筑完畢。第2日上午，再次測量了6號區塊的標高，測量結果與理論目標一致。為了準確地控制主梁的線型，對二次實測插入值計算方法進行了驗證。

表1 兩次實測結果

3 立模標高的設置

3.1 立模標高計算

立模標高放樣的基準值是設計圖紙上明示的設計線型標高，設計線型標高的數據及其他參數，由設計單位提供。成橋的目標線型標高是根據設計線型，將運行中活荷及成橋后期的混凝土收縮徐變作用考慮在內，得出了一種較為理想的竣工線型[6]。

在計算立模高度的時候，必須注意：1）設計基準資料；2）節段的自重、預應力、結構載荷；3）混凝土在施工后期收縮徐變、活荷載；4）吊籃的彈性變形和修正日照溫差的改變。懸臂梁施工段節塊立模板高度（Hl）的計算公式如下：

式中，Hs——各分段的設計標高值；

fy——施工階段的預拱度；

fq——活載引起的預拱度；

fg——吊籃彈性變形值；

fx——日照溫差影響下的修正值。

3.2 施工預拱度

橋梁結構在長期荷載約束下的預拱度設計，不僅要綜合考慮施工過程中的各種載荷，而且還要考慮成橋后期的收縮徐變和1/2靜活載。成橋混凝土收縮徐變結束后，在常規工況下，其線型基本趨于設計線型。梁塊的施工預拱度（fy）計算公式如下：

式中，f1——施工過程中自重引起的豎向變形；

f2——施工過程中由于預應力作用而引起的豎向變形；

f3——混凝土徐變在施工階段及成橋后期引起的豎向變形；

f4——由于結構系統的過渡而引起的豎向變形；

f5——因工程施工荷載而引起的豎向變形。

3.3 活載預拱度

活荷載預拱的計算，先求取1/2靜載荷作用下的最大跨中最大變形，再以該點為二次拋物線的頂點，橋墩支點處變形設置為0，其他梁節段則按插值法計算得出變形量(“方法1”）,但該方法所設置的活荷載預拱線，在橋墩頂部會產生彎角，從而影響到行車的平順性。

根據實際情況，采用等值置換的思路，設計了活荷預拱度。在全橋面上增加一個作用在全橋面上的荷載，使得其跨中的位移等于靜態荷載1/2的最大位移，并將全橋上各個部位的變形值的負值作為對應的梁的活載預拱度（“方法2”）。圖5顯示了2種方法設定的活載荷預拱度線型。方法2所設定的活載預拱線形狀平滑，使全橋在正常受力作用下的線型趨向于設計線型。

圖5 活載預拱度設置示意

3.4 吊籃的彈性變形

該項目在吊籃荷載實驗中，使用了堆載方法，其重量與最大梁的重量相等。試驗結果表明，該吊籃具有20.2 mm的非彈性變形和23.6 mm的彈性變形。由于各個節段的重量不同，其彈性變形也不同。根據塊體的重量，將每個塊體的彈性變形進行線性插值計算求解。

4 線形控制結果

采用兩次實測插值計算法計算主梁立模標高，并以此標高計算值作為控制數據，最終對成橋條件下主梁的頂板中心標高值進行了測量，見圖6。由圖6可知，成橋后橋面線型平滑，標高與設計值之間的誤差符合設計要求，表明線型控制取得了較好的效果，實現了預期的線型。

圖6 成橋狀態下主梁頂板中心處標高曲線

5 結論

綜上所述，在懸臂式施工中，連續梁橋或連續剛構橋由于日照溫差作用，導致主梁的豎向變形呈現拋物線型，產生了明顯的變形作用。施工測量時，應盡可能在清晨太陽升起前進行測量，除此之外，還要注意下列技術要點：

（1）利用拉格朗日插值原理，在非日照影響理想時間段，進行立模標高放樣，給出了一種二次測量插值計算法。實際應用表明，這種方法可以很好地克服太陽溫差對豎模產生的負面影響。

（2）在施工過程中，由于橋梁的合攏頂推而引起的豎向變形是預拱度的主要控制關鍵點。施工預拱度的測定，是應不斷測量、識別、修正的動態計算過程。

（3）在計算活載預拱度時，建議采用等效置換的方法，即在全橋面上施加均勻荷載，將全橋上各個部位的變形值的負值作為對應梁的活載預拱。該方法設定的活載預拱線形狀較為平滑，從而使全橋在正常受力作用下的線型趨向于設計線型。

該文所述方法，對V形墩式連續剛構橋進行了線型控制。計算結果顯示，成橋的線型達到了設計標準，證明了所提出的計算方法的準確性。