斜拉橋施工過程中溫度對主梁的影響效應(yīng)分析

肖勇剛， 彭江

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

在大跨度混凝土斜拉橋施工過程中，影響主梁線形精度的因素很多，其中溫度對主梁線形控制的影響最大，造成的后果也最嚴重。斜拉橋主梁的施工周期較長，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地受到日照輻射、外部溫度變化的影響。由于混凝土是熱量的不良導體，溫度在梁體的傳遞存在滯后，隨著溫度的變化，主梁內(nèi)部產(chǎn)生不均勻溫度場，導致主梁在懸臂施工過程中產(chǎn)生溫度變形。

針對橋梁溫度場的分布，相關(guān)學者已進行了大量試驗研究。王毅等系統(tǒng)分析了溫度對懸臂施工的影響，認為平行的雙幅橋梁可以按照單幅來考慮溫度分布。樊健生等基于可靠度理論和組合梁溫度荷載模型，提出可實現(xiàn)任意組合橋梁結(jié)構(gòu)溫度場的精確計算并提高其計算效率的方法。顧斌等基于傳熱學理論和有限元理論，提出了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)三維日照溫度場的模擬方法。劉誠采用橋梁結(jié)構(gòu)模型，分析了太陽輻射作用下溫度場和溫度應(yīng)變的變化規(guī)律，提出了橋梁日照溫度場的3種不利溫度分布模式，并通過有限元軟件驗證了精細數(shù)值模型的準確性和可靠性。Clark J. H.將箱梁溫度場簡化為二維溫度場，分析認為截面溫度分布與兩天以來的平均氣溫有關(guān)，并提出了一個相對簡易的結(jié)構(gòu)溫度場計算二維模型。本文以湖南郴州赤石特大橋為研究背景，結(jié)合實際施工控制情況，利用BDCMS有限元模型進行分析，研究溫度場對斜拉橋主梁的影響效應(yīng)。

1 工程概況

赤石特大橋是廈門—成都高速公路湖南段的控制性工程，主橋長1 470 m，寬28 m,為跨徑165 m+3×380 m+165 m四塔預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。

采用H形橋塔，為雙曲線形空心薄壁索塔，豎向分為上、中、下塔柱三部分，主橋各塔均布置23對斜拉索。主梁截面為單箱四室箱形，橋面設(shè)置雙向橫坡。橋型布置見圖1。

圖1 赤石特大橋橋型布置 (單位：m)

2 溫度實測結(jié)果與分析

2.1 溫度測點布置

箱形截面溫度測點布置在1號塔21號截面上(見圖2)。溫度計采用JMT-36C電阻式溫度傳感器，每小時自動采集各測點溫度。

圖2 截面溫度測點布置 (單位：cm)

2.2 截面測點溫度分析

(1) 頂板。通過對一天實測溫度的分析，得到頂板溫度變化曲線(見圖3)。由圖3可知：頂板溫度在一天中的變化十分明顯，14:00時變化最大，溫差達12.4 ℃。從測點1～5的溫度來看，同一位置不同深度的溫度變化幅度有所不同，這是因為隨著深度的增加，外界溫度對混凝土的影響逐漸減小。對比不同位置相同深度測點的溫度，頂板中點溫度上升較快，中腹板正上方頂板的溫度上升滯后，這與混凝土的厚度有關(guān)。依據(jù)混凝土的熱傳導性及截面對稱性，頂板溫度由頂板中點向腹板方向遞減。隨著時間的增加，橫向溫度加大，一段時間后，頂板中點溫度上升速度下降。

圖3 頂板溫度變化曲線

(2) 腹板。通過對一天實測溫度的分析，得到腹板溫度變化曲線(見圖4)。由圖4可知：腹板溫度基本保持不變，隨著深度的增加溫度降低，變化幅度基本一致。箱內(nèi)溫度變化很小且呈上升趨勢，這是因為箱內(nèi)是一個封閉的環(huán)境，空氣不流通，散熱慢，溫度上升。

圖4 腹板溫度變化曲線

(3) 底板。通過對一天實測溫度的分析，得到底板溫度變化曲線(見圖5)。由圖5可知：底板不同深度處的溫差很小，在2 ℃左右；測點9、10因為靠近底板，受大氣溫度影響，溫度變化幅度有所增加。

圖5 底板溫度變化曲線

3 主梁截面沿梁高溫度梯度擬合

橋梁結(jié)構(gòu)的溫度場分布為三維溫度場，由于橋梁豎向高度和橫向?qū)挾冗h小于橋梁縱向長度，其溫度場對橋梁結(jié)構(gòu)的影響很小，可忽略縱向溫度場，把三維溫度場轉(zhuǎn)化為一維豎向高度或橫向?qū)挾葴囟葓鲞M行分析。這里只分析沿梁高的豎向溫度場來研究豎向溫度梯度。

根據(jù)文獻[9]，單箱多室截面的中腹板左右兩側(cè)受箱內(nèi)溫度影響溫度變化幅度較小，其他部分溫度變化與單箱單室箱梁溫度場分布類似。最不利時刻(14:00時)溫度沿截面豎向的分布見表1、表2。

表2 中腹板溫度沿截面豎向的分布

由于溫度在混凝土中的梯度是非線性的，通過指數(shù)函數(shù)對數(shù)據(jù)進行擬合，擬合公式為：

Ty=T0e-ay

式中：Ty為計算點的溫差值；T0為箱梁截面豎向高度方向的最大溫差；a為系數(shù)；y為計算點到箱梁頂面的距離。

將溫度在梁高1.6 m處分成兩部分，取腹板平均溫度作為此處的溫度，并假定此處溫差為0 ℃。運用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，得出內(nèi)腹板處T0=14.74 ℃、a=5.92，中腹板處T0=10.47 ℃、a=8.96。對上述兩種情況的T0和a取整，擬合得Ty1=15e-6y，Ty2=10e-9y。利用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見圖6。

圖6 擬合溫度分布曲線

由圖6可知：單箱多室箱梁由于日照溫差在沿梁高的溫差擬合曲線的變化規(guī)律與《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中由于日照溫差在沿梁高方向的溫差曲線相同，但由于內(nèi)腹板受到太陽輻射的影響較小，豎向溫差值有所減小；越接近邊緣，腹板上的溫差變化與《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的溫度梯度更接近，這是因為該規(guī)范一般是針對單箱單室截面，沒有考慮內(nèi)腹板的溫度分布。梁高0.5 m內(nèi)的溫差明顯，梁高大于0.5 m時溫度分布較均勻，說明太陽輻射對箱形梁頂板的影響深度在0.5 m左右。

4 溫差對主梁撓度的影響

為研究不同溫度對主梁梁端撓度的影響，確保合龍后主梁達到設(shè)計線形和內(nèi)力狀態(tài)，保證成橋質(zhì)量，對21#塊梁端標高進行24 h連續(xù)監(jiān)控，監(jiān)控結(jié)果見圖7。

圖7 時間-撓度-溫度變化曲線

由圖7可知：1) 隨著溫度上升，箱梁上下表面溫差逐漸增大，梁端向下?lián)隙戎饾u增加，14:30時達到最大，為-27.2 mm；之后隨著溫度降低，梁端向下?lián)隙戎饾u減小，向上撓度逐漸增加，在7:30時達到最大，為12.7 mm。2) 在上午和下午相同氣溫下，梁端撓度有較大區(qū)別，這是因為混凝土是熱量的不良導體，經(jīng)過中午和下午的太陽照射，箱梁內(nèi)部溫度升高，雖然晚上溫度降低，但梁的變形恢復較慢，形成由溫度造成的變形恢復滯后效應(yīng)。大氣溫度降到最低時向上撓度不是最大的，溫度上升至最高時向下?lián)隙纫膊皇亲畲蟮摹?/p>

5 有限元分析

采用BDCMS軟件進行建模分析，將所測各時刻截面上下緣溫度數(shù)據(jù)輸入BDCMS軟件中，分析不同溫度對梁端撓度的影響。觀察發(fā)現(xiàn)經(jīng)過夜晚的散熱，可以近似認為在太陽出來之前箱梁截面的溫度基本一致。以7:00時的溫度為標準值，計算結(jié)果見表3。

表3 各時刻溫度對主梁21#塊撓度影響的理論值和實測值 ℃

由表3可知：1) 在大氣溫度影響下，梁端撓度變化很大，14:00時撓度為-27.2 mm，22:00時撓度為-6.1 mm。若忽略溫度影響進行施工控制，會給施工精確性帶來很大影響。在斜拉橋主梁懸臂施工過程中要嚴格控制溫度變化對主梁的影響，這對主梁線形控制及合龍時間選擇至關(guān)重要。2) 實測撓度比理論撓度稍大，這是因為在實際測量過程中主梁受到各種因素耦合作用的影響。可通過溫控模擬分析方法對實測數(shù)據(jù)進行校核，從而定性地對實測數(shù)據(jù)進行分析。

6 結(jié)論

(1) 溫度變化對主梁撓度有很大影響，不能忽略不計，且溫度變化對主梁的影響存在滯后，在大跨徑斜拉橋施工監(jiān)控中要把溫度監(jiān)控放在重點位置。

(2) 撓度變化與溫度變化呈相反的趨勢，溫度上升則撓度向下發(fā)展，溫度下降則撓度向上發(fā)展。主梁撓度的形成與大氣溫度并無直接的聯(lián)系，而與梁上下表面溫差有關(guān)。

(3) 單箱多室箱梁在頂板上存在橫向溫度梯度，且與混凝土深度有關(guān)。有腹板的頂板溫度上升慢，沒有腹板的頂板溫度上升快，頂板溫度由頂板中點向腹板方向遞減，隨著時間的增加這種現(xiàn)象減弱。

(4) 單箱多室箱梁由于內(nèi)腹板的存在溫度梯度的溫差值減小，靠近邊緣腹板的溫差分布曲線與《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的溫差分布曲線更接近。