合龍溫度對矮墩連續剛構橋結構性能影響分析

李 果，范樹先，高 飛，曾 鑫，李 濤

（中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222）

0 引言

連續剛構橋梁因其施工簡便、跨越能力強、成本低、技術成熟等諸多優勢在國內外橋梁建設過程中得到了廣泛的應用。但由于連續剛構橋梁體系屬于超靜定結構，當環境溫度變化時，其結構的次內力會隨之變化[1-3]，進而導致試件成橋時橋梁線形和內力與設計的理想狀態存在一定誤差。設計過程中的溫度作用一般僅考慮年平均氣溫。但在實際合龍施工中，常存在一定的溫度差，該溫度差作用常被忽略。因此，不同的合龍溫度對最終成橋的力學性能有著不同的影響。為使成橋后的內力狀態更加合理，應確定最佳的合龍溫度。國內外學者針對合龍溫度對連續剛構橋梁體系結構性能影響方面展開了一系列的研究。

涂光亞等[4]以某鋼混組合斜拉橋為例，分析合龍溫度對最大懸臂狀態，成橋狀態下的標高、索力、應力等狀態參數的影響，并提出了合龍段焊接期間當溫度變化時臨時匹配件的受力計算方法。

劉文強等[5]針對高墩連續剛構橋梁中的合龍溫度對橋梁線形和內力影響問題，在考慮施工階段對其成橋力學性能的影響基礎上，分析了不同合龍溫度和合龍順序下的力學性能變化，提出了高墩連續剛構橋梁的最佳合龍順序。

萬金武[6]開展了實際工程的橋梁標高、應力和梁體長度隨環境溫度長期變化研究，并提出了鋼混組合梁橋的最佳合龍溫度。

范鑫[7]基于某橋梁的實測溫度場，進一步分析了日照溫度作用下主墩偏移和預應力水平下降對懸臂端撓度的影響規律，并給出最佳合龍溫度的建議。

目前雖然各國學者開展了溫度作用對橋梁力學性能影響的研究，但關于合龍溫度對橋梁力學性能影響方面研究較少，并且多關注于最佳合龍溫度的確定，關于合龍溫度對結構變形、內力方面的研究有所欠缺。因此，本文以某預應力混凝土剛構組合連續梁為例，開展了不同合龍溫度（結構體系溫度差）對主梁線形、主梁應力、橋墩水平位移的參數分析，得到了其對橋梁力學性能的影響規律。

1 工程背景

本文以廣西壯族自治區柳州市紅水河渡槽橋中的三跨矮墩連續剛構橋梁為例。紅水河渡槽橋梁段全長466.1 m，最大跨徑為150 m。上部結構采用83.55 m+150 m+83.55 m 的雙幅變截面預應力混凝土連續剛構形式。下部結構設計采用承臺+樁基的形式，其中2#，3#墩為主墩，墩高分別為16.5 m 和18.2 m。主墩為雙肢薄壁墩。主梁混凝土采用C55 混凝土，橋墩采用C40 混凝土。箱梁設置三向預應力鋼絞線，預應力鋼絞線采用直徑為15.2 mm 的高強度低松弛鋼絞線。普通鋼筋為HRB400。抗震設計等級為6 度。紅水河渡槽橋梁立面布置及主梁截面示意圖如圖1 所示。

圖1 橋梁布置尺寸示意圖

2 有限元模型

2.1 模型簡介

采用Midas Civil 2020 建立紅水河渡槽橋的空間三維有限元模型，主梁和橋墩采用梁單元進行模擬。對中間的2#墩和3#墩的底部施加固結約束，兩側邊跨梁端施加一般彈性支撐約束。全橋共有324 個節點，264 個單元。根據橋梁的施工過程，劃分了18 個大施工階段，63 個小施工階段。主梁的混凝土等級為C55，橋墩的混凝土等級為C40。根據現場實測值，混凝土彈性模量分別為37.2 GPa 和33.6 GPa，容重統一為26 kN/m3，泊松比為0.2。預應力鋼絞線抗拉強度為1 860 MPa，張拉控制應力為1 395 MPa，普通鋼筋采用HRB400 等級，鋼筋與鋼絞線的彈性模量取195 GPa，全橋有限元模型如圖2 所示。

圖2 全橋有限元模型

2.2 分析工況

根據當地的氣象氣溫顯示，該橋所處的平均最高氣溫約為39 ℃，最低溫度約為-3 ℃。橋梁的設計合龍溫度為（10±2）℃。因此，本文考慮不同合龍溫度與最高、最低年平均溫度的溫差來模擬體系溫差對橋梁的線形、應力、橋墩變形及合龍時所需頂推力的影響。主要分析合龍溫度為15 ℃，20 ℃，25 ℃三種溫度工況下的影響。合龍順序根據施工進度與設計方案采用先邊跨合龍后中跨合龍的方式。在分析過程中，考慮混凝土10 年的收縮徐變影響。

3 力學性能分析

為明確結構體系溫度差對橋梁結構力學性能的影響，基于上述建立的施工階段模型，本文詳細分析了三種不同合龍溫度工況下的主梁截面上、下翼緣的應力，主梁的豎向位移及橋墩的水平位移的影響。得到合龍溫度對連續剛構橋梁上述橋梁指標的影響規律。

3.1 主梁線形

主梁的線形是橋梁的重要指標之一，其會影響到成橋后的行車舒適度及美觀度。本文基于三維空間有限元模型，分析了三種合龍溫度工況下的主梁成橋線形及最大懸臂狀態下的主梁位移變化，具體結果如圖3 與表1 所示。

表1 最大懸臂狀態下的主梁最大位移

圖3 成橋狀態下主梁線形

從圖3 可以看出，在成橋階段，不同的溫度下，主梁線形趨勢基本一致。隨著合龍溫度的不斷增加，主梁的位移逐漸增大。當合龍溫度分別為15 ℃，20 ℃，25 ℃時，對應的中跨跨中最大位移分別為-33.6 mm，-41.7 mm，-49.2 mm。當溫度從15 ℃升高至25 ℃時，溫度每增加5 ℃，中跨跨中最大位移分別增加了8.1 mm，7.5 mm；中跨跨中的最大位移分別增長了24.1%，18%。從表1 可以看出，對于橋梁的最大懸臂狀態下的主梁變形，由于該三跨連續剛構橋梁為對稱體系。每個T 構的左右兩端的位移相差不大。2#T 構和3#T 構由于主梁橋墩的高度影響，導致計算結果略有區別。從計算結果來看，當合龍溫度從15 ℃增加到25 ℃時，溫度每增加5 ℃，2#T構左右兩端的最大位移分別增加4.4 mm，4.0 mm。最大位移分別增長了35.7%，23.6%；3#T 構左右兩端的最大位移分別增加5.2 mm，4.2 mm。最大位移分別增長了39.7%，22.9%。隨著體系溫差的升高，主梁的最大位移在不斷增大，但增長幅度有所下降。因此，選擇與設計合龍溫度差較小的溫度下進行合龍最佳。可明顯降低體系溫度差對成橋后主梁變形的影響,更有利于橋梁后期通車階段的正常運營。

3.2 主梁應力

本文給出了溫度為20 ℃情況下主梁的最大應力分布圖（見圖4），成橋階段下跨中截面和橋墩截面（見圖5）及最大懸臂狀態下的懸臂截面的主梁上、下翼緣應力（見表2～表3）。

表2 最大懸臂狀態下的懸臂截面上翼緣應力

表3 最大懸臂狀態下的懸臂截面下翼緣應力

圖4 主梁溫度應力分布圖

由圖5 可知，在成橋階段，不同合龍溫度工況下，該橋梁的主梁上、下翼緣應力差值較小。其中除橋墩對應截面上翼緣受拉，下翼緣受壓外，其余跨中截面上、下翼緣均處于受壓狀態。最大應力狀態出現在中跨跨中截面，當合龍溫度分別為15 ℃，20℃，25 ℃時，上翼緣的應力較前者工況差值分別為0.26 MPa，0.43 MPa；而下翼緣的應力較前者工況差值分別為0.7 MPa，0.96 MPa。最大差值達到11.6%。可以看出，隨著合龍溫度的升高，截面最大應力差值也在不斷增加，但應力差值總體變化不大，這說明合龍溫度的變化對成橋階段主梁的應力影響并不顯著。

由表2～表3 可知，在最大懸臂狀態下，由于2#T 構和3#T 構結構體系對稱，兩端截面應力總體相差不大。上、下翼緣應力總體呈現出隨溫度升高而逐漸增大的趨勢，上、下翼緣應處于受壓狀態。以3#T 構為例，當合龍溫度分別為15 ℃，20 ℃，25 ℃時，上翼緣的應力較前者工況差值分別為0.9 MPa，1.1 MPa；而下翼緣的應力較前者工況差值分別為0.8 MPa，1.0 MPa。最大差值達到13.7%。由此可見，合龍溫度的增加對于最大懸臂狀態下的主梁應力影響程度略大于成橋狀態下的主梁應力。綜合成橋狀態和最大懸臂狀態下的主梁截面應力可以發現，隨著合龍溫度的增加，該橋梁體系與設計合龍的溫差逐漸增大，導致截面應力也在不斷增加。但增加的幅度較小，當合龍溫度為25 ℃（與設計合龍溫差相差15 ℃）。最大應力差僅為1.0 MPa。

3.3 橋墩縱向水平位移

在三種不同溫度工況下，對該橋梁進行有限元計算。得到2#墩和3#墩在最大懸臂狀態下的橋墩縱向水平位移，具體結果見表4。

表4 最大懸臂狀態下的墩頂水平位移

從表4 可以看出，隨著溫度的逐漸增加，橋墩的縱向水平位移逐漸增大。不同溫度下的橋墩縱向水平位移相差較大。橋墩縱向水平位移的最大值出現在3#墩處，這是由于3#墩高度大于2#墩。當合龍溫度分別為15 ℃，20 ℃，25 ℃時，2#T 構的縱向水平位移較前者相差分別為14.1 mm，16.5 mm，相差幅度分別為36.9%，31.5%；3#T 構的縱向水平位移較前者相差分別為14.7 mm，18.5 mm，相差幅度分別為34.5%，32.3%。對比分析可以發現，隨著體系溫差的增大，墩頂水平位移不斷增加，并且不同溫度下，相差較大。從15 ℃～25 ℃時，最大位移相差33.2 mm。由此可見，合龍溫度對墩頂水平位移影響顯著。因此，在合龍階段，選擇合理的合龍溫度尤為重要。

4 結論

本文以某預應力混凝土剛構組合連續梁為工程背景。在不同合龍溫度下，對矮墩連續剛構橋梁的力學性能影響，采用數值分析的方式研究了合龍溫度對主梁線形、應力、橋墩縱向水平位移的影響，結論如下。

1）三種不同合龍溫度下，在成橋階段和最大懸臂狀態下時，主梁的上、下翼緣應力隨溫度的升高而逐漸增大。當溫度由15 ℃增加到25 ℃，跨中截面最大應力相差為1.0 MPa，表明合龍溫度對連續剛構體系橋梁主梁上、下緣壓應力的影響較小。

2）三種不同合龍溫度下，合龍溫度對剛構-連續組合體系梁橋主梁線形與橋梁墩頂縱向水平位移影響較大。當溫度由15 ℃增加到25 ℃，跨中截面處位移增加了9.4 mm；墩頂縱向水平位移增加了33.2 mm。因此，應選擇合適的合龍溫度來降低主梁變形和橋墩墩頂縱向水平位移。