基于實測溫差模式的頂推鋼箱梁拼裝時機研究

侯亞輝,宋濤,邵偉,崔立恒,張成明

1.山東省公路橋梁建設集團有限公司, 山東 濟南 250021;2.山東交通學院交通土建工程學院,山東 濟南 250357

0 引言

鋼箱梁的抗扭和抗彎性能較好,適用于大跨度橋梁,鋼箱梁的頂推施工方法在國內外應用廣泛。施工過程中鋼箱梁受力復雜,焊接殘余應力和大氣溫度變化等因素使得梁體的線形控制難度增大。鋼箱梁的導熱性能較好。在大氣環境中,年溫度變化和日照局部溫差變化顯著,梁體截面非線性溫差變化較大,對施工過程中梁體的受力和線形影響較大。溫度作用較復雜,現多采用半理論、半經驗的計算方法對基于溫差模式的鋼箱梁拼裝進行受力分析[1-3]。

郝超[4]研究非線性溫度對大跨度鋼箱梁斜拉橋施工階段的影響,認為應考慮溫度對鋼箱梁架設的影響,并根據場地實測溫差修正梁體架設高程;鄧小偉等[5]從梁體溫差、主塔溫差、索梁塔溫差及體系溫差等方面分別討論大跨徑鋼箱梁斜拉橋的溫差效應及溫度參數敏感性;潘文禮等[6]研究橫橋向和豎向溫差對鋼箱梁斜拉橋的影響,發現二者對梁體位移和索力均有影響;丁幼亮等[7-9]認為鋼箱梁截面溫度對稱,且鋼箱梁頂底板間存在正溫差梯度;孫君等[10]、周廣東等[11]研究發現鋼箱梁頂板的橫橋向溫度差異明顯;王高新等[12-13]、Wang等[14]認為可用正態分布函數的加權和描述扁平鋼箱梁的溫度概率密度分布;錢鯤等[15]認為各國規范的溫度梯度與場地實測溫度梯度差異較大,應制定更貼近實際情況的溫度梯度模式;郭棋武等[16]、何畏等[17]、黃濤[18]研究表明,結構整體升降溫差對結構豎向位移影響較小,但對縱向位移影響較大;當胎架溫度與設計溫度不一致時,梁體局部溫差形成的非線性溫差對梁體的豎向位移產生較大影響。因此,梁體豎向非線性溫差對梁體線形有較大影響,但研究成果多集中于懸臂拼裝或成橋階段,對頂推施工鋼箱梁拼裝線形的影響研究較少。

針對鋼箱梁拼裝受溫差影響較大的問題,本文基于場地實測溫差數據,擬合適合場地現場的溫差模式,研究溫差對鋼箱梁拼裝的影響,確定最佳鋼箱梁拼裝時機,以期合理指導鋼梁拼裝。

1 溫差模式的選取

某矮塔斜拉橋主橋結構為145 m+240 m+145 m,主梁為單箱三室鋼箱梁,鋼箱梁高4.8 m,全寬28.5 m。鋼箱梁全長530 m,共劃分為56個節段,標準節段長9.6 m,最長梁段長13.0 m。主梁采用頂推法施工,梁體頂推作業需跨夏、秋、冬等季節。

為研究鋼梁拼裝過程中溫差對梁體的影響,采用空間梁單元進行分析,以橫隔板、節段分隔線等劃分單元,按結構實際建立截面尺寸。分析中僅考慮梁體豎向溫差,未考慮橫橋向溫差效應及負溫差效應。以典型斷面處為溫度測試斷面,布設30個溫度測點,如圖1所示。

根據現場實測溫度,研究7月中旬某典型時間段典型斷面的溫度變化,不同測點鋼箱梁中腹板沿高度方向48 h的溫度變化如圖2所示。由圖2可知,不同測點在48 h內的溫度變化具有明顯的周期性。

圖2 不同測點鋼箱梁中腹板沿高度方向的溫度變化曲線 圖3 擬合溫差模式與不同規范溫差模式對比

根據橋位的大氣溫度,取7月中旬48 h內溫度變化,每2 h為時間節點擬合溫度梯度曲線為[13]:

Ty=T0e-ay,

式中:Ty為距箱梁頂板y處的溫差,y為測點到箱梁頂板的距離,T0為箱梁沿高度方向的最大溫差,a為指數參數。

將最大溫差的溫度荷載作為溫度控制荷載,對實測溫度數據進行擬合,并與文獻[19-20]比較,如圖3所示。由圖3可知,擬合溫度曲線與文獻[20]較接近。

2 基于場地實測溫差模式梁端夾角分析

梁段間夾角βi如圖4所示,通過控制βi完成鋼箱梁在胎架上的拼裝,可保證實現梁體的無應力線形。采用傳遞矩陣計算待拼梁端的安裝高程,需確定βi。

a)正夾角 b)負夾角圖4 梁段間夾角示意圖

若已知梁段ABCD和梁段EFGH的制造線形及截面尺寸,拼裝角

(2)

式中:lCD、lHE、lDE分別為線段CD、HE、DE的長。

箱梁頂底板焊縫寬度差

(3)

箱梁頂底板的焊縫寬度差與hi間的關系如表1所示。由表1可知:隨梁高增大,兩相鄰箱梁間的焊縫寬度增大。梁高5 m,箱梁頂板焊縫寬度為5 mm時,對應的βi=0.057 3°。

表1 不同βi和hi下的箱梁頂底板焊縫寬度差

通過控制箱梁頂底板焊縫寬度差實現控制βi,保證梁體間平順過渡。在梁體拼裝過程中,制造誤差、安裝誤差及大氣溫度等因素均影響βi,可采取調整千斤頂的高程、焊縫間寬度或壓重等措施消除其他因素對βi的影響。

一般選擇在夜間根據場地實際情況進行梁體拼裝,夜間箱梁頂底板的溫差較小。根據圖3所示曲線,選取代表性溫度梯度分析梁體變形。根據代表性溫度,采用文獻[20]的三折線模式進行分析,不同的距頂板距離yi和溫差模式下,基于場地實測溫差模式的溫度如表2所示。

表2 基于場地實測溫差模式的溫度

不同溫差模式下的梁體夾角

βi=arctan(Δli/hi),

式中Δli為溫差引起的頂(底)板縱向變形。

不同溫差模式下的βi計算結果如表3所示。由表3可知:不同溫差模式下βi都存在,按βi從小到大的順序排列依次為M-1、M-2、M-3、M-4、M-5,因此只需控制M-1、M-5模式下的βi。溫差模式M-1下的SB11端口的Δli=31.63 mm,已超過5 mm,應在拼裝梁體時采取一定措施限制βi。

表3 不同溫差模式下的βi

3 最佳拼裝時機的確定

選擇最佳拼裝作業時機,使頂底板溫差對梁體βi的影響最小或可忽略不計。若不考慮溫度梯度的影響,在其他作用下βi為正;若考慮溫度作用,βi為負。

基于現場實時溫度指導梁體拼裝時機有一定難度,假定溫差變化與箱梁頂底板溫差變化等效,選擇冬、夏季典型時刻的箱梁頂底板溫差變化,確定梁體最佳拼裝時機。2021年7月中旬和12月中旬的箱梁頂底板溫差變化如圖5所示。由圖5可知:冬、夏季梁體頂底板溫差變化規律基本一致,每天15:00—17:00溫差較大。

圖5 冬、夏季典型時刻頂底板溫差變化曲線

在拼裝臺上進行梁體拼裝,拼裝梁體滿足拼裝精度后,可在梁體頂底板及腹板處用臨時構件固定,控制梁體間的焊縫寬度,形成拼裝線形,然后焊接成形,完成兩梁體間的連接。匹配構件與已拼裝梁體間采用碼板臨時固結,其焊縫寬度差一般控制在8～12 mm。如頂底板溫差過大,βi過大,梁體間的相對變形過大,焊縫寬度可能不滿足上述限制。控制梁體間的相對變形約為10 mm,對應的梁體端部最大轉角為0.119 4°,超過此范圍將影響梁體拼裝作業。

梁體最佳拼裝時間段的溫度變化范圍為0～10 ℃,不同梁體端口的最佳拼裝時間段如表4所示。由表4可知:不同梁段的最佳拼裝時間段不同,適合的頂底板溫差不同,同一天拼裝時間也不同。夏季不適合較長時間拼裝作業,早上9:00前梁體未受到太陽直射,梁體頂底板溫差未達限值,20:00后適宜作業;冬季適合作業時間較長,甚至可全天候作業。應根據表4確定的溫差及作業時間,結合當天溫度變化等因素確定箱梁拼裝作業時間。

表4 不同梁體端口的最佳拼裝時間段

4 結束語

溫差對鋼箱梁梁體間的夾角有顯著影響,不同的溫差模式作用下梁體間的夾角均可能超過0.119 4°,一旦超過此限值,將無法進行鋼箱梁拼裝作業,影響正常施工,實際施工應考慮溫差因素。

應合理選擇梁體頂底板溫差及不同時間段進行不同節段的梁體拼裝作業,合理選擇梁體頂底板溫差限值及作業時間,保證梁體拼裝順利進行。

本研究僅考慮沿梁體高度上的正溫差,下一步可考慮梁體橫橋向溫差及負溫差對拼裝作業的影響。