懸臂拼裝鋼箱梁的溫度場效應及控制

摘要：橋梁處于自然環境中，不可避免會受到太陽輻射和周邊環境的影響，其溫度效應直接影響橋梁的成橋質量。文章首先通過對一個懸臂施工中的鋼箱梁進行現場實測，得出鋼箱梁的溫度主要以豎向溫度梯度為主，但還是會產生一定的橫向溫差的結論；其次，通過ABAQUS軟件的溫度-位移計算得出懸臂施工中的橋梁結構狀態不同于成橋后的狀態，如果忽略了橫向溫差，會產生較大得的誤差的結論，所以在橋梁監控中，橫向溫差雖然較小，但也需要考慮不可忽略。

關鍵詞：懸臂拼裝法"溫度效應"撓度"橋梁監控"有限元模擬

中圖分類號：U441+.5""""""""""""""""""""""""""文獻標識碼：A

The"Temperature"Field"Effect"and"Control"of"the""Steel"Box"Girder"in"Cantilever"Assembly

CEHN"Junjun

（Shanghai"Civil"Engineering"Co.，"Ltd."of"CREC，"Shanghai，"201906"China）

Abstract：The"bridge"is"in"the"natural"environment"and"is"inevitably"affected"by"solar"radiation"and"the"surrounding"environment，"and"its"temperature"effect"directly"affects"the"quality"of"the"finished"bridge."Firstly，"this"paper"concludes"that"the"temperature"of"the"steel"box"girder"is"mainly"dominated"by"the"vertical"temperature"gradient，"but"therenbsp;will"still"be"a"certain"lateral"temperature"difference"through"the"field"measurement"of"a"steel"box"girder"in"cantilever"construction."Secondly，"through"the"temperature-displacement"calculation"of"ABAQUS"software，"it"also"concludes"that""the"structural"state"of"the"bridge"in"cantilever"construction"is"different"from"the"state"after"the"bridge"is"completed，""and"a"large"error"will"occur"if"the"lateral"temperature"difference"is"ignored."Therefore，"in"bridge"monitoring，"although"the"lateral"temperature"difference"is"relatively"small，"it"also"needs"to"be"considered"and"cannot"be"ignored.

Key"Words："Cantilever"assembly"method;"Temperature"effect;"Deflection;"Bridge"monitoring;"Finite"element"simulation

橋梁處于大自然中，受到太陽輻射和周邊環境溫度的影響，會產生溫度梯度[1]，進而產生較大的應力及變形，產生的熱應力甚至會大于活載產生的應力，導致結構開裂甚至倒塌[2-3]，處于懸臂拼裝狀態下的鋼箱梁整體穩定性較差，對于溫度效應更為敏感，鋼箱梁溫度場確定的精準程度直接影響橋梁施工監控的效果。

現階段，多數學者認為鋼箱梁為一維溫度模式。例如：王亞飛[4]基于氣象數據計算了鋼箱梁的溫度差，表明溫度為一維溫度模式；祝志文[5]通過實測與有限元模擬得出鋼箱梁的溫度分布主要以豎向溫度梯度為主，但橫向也可能產生5°左右的溫度梯度；許翔[6]對南京長江大橋進行觀測，得出鋼箱梁頂板最大溫差出現在冬季數值為10"℃，與豎向溫度處于同一量級；高倩[7]通過對廈門天圓大橋的觀測也得出橫向溫度梯度的存在；董旭[8]對其一個懸臂施工中的橋進行了溫度-撓度分析，得出溫度效應對撓度影響很大，并隨著懸臂的增加而增加。文章首先通過多天的現場實測，得出鋼箱梁不僅產生豎向溫度梯度還會產生一定的橫向溫差，這與祝志文[5]的結果類似。其次，通過ABAQUS溫度-位移計算可得：懸臂施工中的橋梁結構狀態，不同于成橋后的結構狀態，若忽略橫向溫差，便會產生較大的位移誤差，所以橋梁監控中雖然橫向溫差較小，但也要考慮，不可忽略。

1"鋼箱梁的溫度場實測

1.1"工程概況

文章依托工程為濟寧大道改擴建京杭運河橋，采用（85+100+70+65）m連續鋼箱梁，橋寬19.5m。單箱雙室，跨中和邊支點梁高為2.5"m，JH04、JH05處梁高5.0"m，JH06處梁高4.0"m，橋面板采用正交異性板結構。JH04～JH05墩采用懸臂法施工，橋型布置圖見圖1。

1.2"箱梁溫測點布置

測量時間為2022年的9月21日至10月23日，分析了鋼箱梁縱、橫、豎3個方向的分布，其中縱向沿中軸線選取5個點，橫向在頂板取7個，底板取3個，豎向9個。測點布置如圖2所示。

1.3"鋼箱梁縱向的溫差數據分析

縱向的5個溫度測點具體分布在支座處、懸臂端頭，以及在該懸臂端段的1/4、2/4、3/4處。由于數據相似度較大，僅列出4天實測數據繪制于圖3，其中包括兩天是高溫天氣和兩天低溫天氣。通過數據可反映出縱向溫度波動很小。

1.4"鋼箱梁橫向的溫差數據分析

橋梁的橫向溫度分析選用6組實測數據，其中3組氣溫較高，3組氣溫較低。通過對比發現在外界氣溫較高時，橋梁頂板會產生溫差，且呈現非線性變化，近似于折線分布（見圖4），在外界氣溫較低時，頂板的橫向溫差也同樣變小。底板由于沒有直接太陽照射，整體溫度低且幾乎沒有溫差，如圖5所示。

1.5"豎向溫度梯度分析

由于頂板直接接受太陽照射，而腹板和底板日照相對較小，頂板相對腹板和底板吸收熱量大許多，所以豎向溫差最為劇烈，具體數值如表1所示。

由表1數據可知，在距頂板0.8"m'的范圍內變化最為劇烈，大于0.8"m后溫度變化逐漸緩和。

1.6"鋼箱梁溫度場分布

通過以上3個方向的溫度分布，鋼箱梁的溫度場分布主要以豎向溫度梯度為主，橫向誤差相對小，在外界溫度較高時，橫向溫差可產生5℃左右，可以得：在環境溫度較高時，鋼箱梁的溫度場分布一個二維溫度場，示意如圖6所示

2"鋼箱梁溫度場效應分析

2.1"有限元建模

本文借助ABAQUS有限元分析程序，以殼體單元建立變截面詳細模型，單元類型為S4RT："四結點熱力耦合曲面薄殼。邊跨85"m懸臂段40"m，對15號塊懸臂狀態進行分析，主要建模系數如表2所示，有限元模型如圖7、圖8所示。

2.2"溫度效應分析

橫向溫差取4"℃，豎向溫差取10"℃，梯度模式如圖9所示。通過熱傳導模擬出二維溫度場，溫度場如圖10所示

計算結果表明：結構產生的溫度應力很小，僅在支座處產生少許應力，并且沒有因橫向溫差的存在而導致橋梁產生較大的橫向位移，主要以撓度為主，其次是縱向位移，如圖11所示。

現在的橋梁施工監控中，無論外界環境氣溫高低，均已以一維溫度模式進行計算，未考慮橫向溫差，顯然與實際情況不符，再加上懸臂結構對溫度效應更為敏感，所以在橋梁施工計算或橋梁監控中使用一維度溫度模式會產生更大的誤差。筆者利用ABAQUS分析了一維和二維溫度模式下的位移，其溫度豎向溫度梯度為10"℃，計算結果見下表3所示。

通過對比兩者的計算結果，3個方向的位移具有不小的差異，一維溫度模式與實際溫度場分布不符，那么勢必會造成較大的誤差。所以在橋梁施工計算或橋梁監控中宜采用二維溫度模式計算，更符合實際情況。

3"溫度場效應對懸臂拼裝施工的影響與控制

3.1"溫度場效應對懸臂施工的影響

連續梁在懸臂施工狀態下，不可避免地受到溫度影響。通過以上分析可得：對結構影響主要變現為懸臂端出現下撓，其次為順橋向位移。橋梁體系無論在施工中還是合龍后，均屬于靜定結構，溫度效應僅在支座處產生少許應力，其他部位可以忽略。溫度效應產生的位移會給橋梁合龍和成橋質量造成影響，施工應注意環境溫度，監測鋼箱梁截面的溫度梯度，如果在連續梁橋施工中因某些原因產生較大的控制誤差，由于這類橋型可調手段較少而主梁剛度較大，在后續施工中很難將誤差調整過來。

3.2"控制技術

對于大跨懸臂拼裝鋼結構橋而言，成橋后的主梁線形主要取決于施工過程中的橋面及箱梁梁底標高的實施準確程度，為此，在拼裝的標高放樣時，考慮溫度影響的主動修正是十分必要的。

經過有限元分析可得，在溫度的影響下的撓度曲線是一個規律的函數曲線，所以依據這種特性，可以依據已知的標高擬合出函數關系，然后推算出未知的標高，具體做法如圖12所示，可以以主梁設計標高為基準線，在其任意溫度情況下，對主梁標高進行補償修正。選取若干個測量點位，并測出其相對設計標高的高差，然后進行數據擬合，推算出下一段梁端頭的位移。通過反加擬合的位移數據進行溫度影響修正。

理論解析如圖13所示，δ1，δ2，δ3，…，δn為溫差引起的梁的撓度變化，現在需要確定δn。即通過擬合δ1，δ2，δ3，…，δn-1推算出δn。

4"結論

文章通過實測數據和有限元分析得出如下結論：

（1）在高溫天氣下，橋梁的溫度場分布為二維溫度模式；

（2）溫度效應引起的變形主要以豎向撓度為主，其次是縱向；

（3）橋梁施工計算或橋梁監控中，宜采用二維溫度模式。

參考文獻

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