溫度對橋梁合龍位置預應力的影響研究

摘 要：預應力混凝土結構給多跨公路橋梁的合龍施工提供了支撐性的技術條件。本文對預應力混凝土結構橋梁的合龍問題進行研究，給出了具體的施工案例、工程參數，并對施工難點進行分析。本文提出橋梁合龍的施工步驟和具體流程圖，分析了溫度對預應力混凝土結構橋梁合龍施工的影響，建立了熱傳導方程并設定了5組試驗。試驗結果表明：如果環境初始溫度較低，那么合龍施工導致溫度升高對合龍位置的橋梁結構軸向力影響較大；如果環境初始溫度較高，那么溫度降低對合龍位置的橋梁結構軸向力影響較大。

關鍵詞：公路大橋；合龍；施工技術；施工流程

中圖分類號：U 44" " 文獻標志碼：A

公路是我國交通系統的重要組成部分，承擔了全國范圍內大量旅客運輸、貨物運輸，也是國家經濟發展中不可或缺的關鍵要素[1]。橋梁則是公路系統中負責連接，實現跨河、跨江、跨澗的重要結構。與公路的其它部分相比，橋梁在抗震、抗裂、承載能力等多方面，都具有了更高的要求[2]。目前，公路橋梁不僅跨度不斷增加，施工周期也不斷縮短，這給橋梁建造提出了更苛刻的要求。對多跨度公路橋梁來說，合龍是非常重要的施工階段，對施工工藝、施工流程、施工技術、影響因素等多方面都有嚴格要求。預應力混凝土結構給多跨公路橋梁的合龍施工提供了支撐性的技術條件[3]。但合龍施工時的溫度，對預應力混凝土結構的橋梁合龍，有著很大的影響。因此，本文以具體的工程案例為研究對象，在探討合龍施工相關技術和工藝后，進一步分析溫度對橋梁合龍的影響。

1 工程概況和施工難點

1.1 工程概況

試驗大橋主橋為（60+110+200+110）m預應力混凝土連續剛構，掛籃懸澆箱梁2聯8跨，共230個節段，橋梁采用分幅設計，箱梁為縱向、豎向及橫向三向預應力結構，采用單箱單室直腹板箱形截面。箱頂板寬16.25m，底板寬8.65m，兩側翼緣懸臂長3.8m。箱梁合龍段長2m，分別為28#邊跨合龍段、29#中跨合龍段、箱梁采用C60混凝土。大橋主橋合龍段參數見表1。

1.2 施工難點

1.2.1 預應力施工

試驗大橋主橋采用三向預應力交錯布置，鋼絞線錨具和波紋管種類較多，預應力管道較長且易于箱梁鋼筋沖突。

1.2.2 箱梁裂縫控制

將試驗大橋主橋主跨設計為200m，國內類似跨徑的連續剛構橋普遍存在不同程度的開裂現象。引起裂縫的原因有很多，例如荷載、溫度、混凝土的收縮、鋼筋銹蝕、原材料質量、施工工藝等，這要求在施工全過程中對這些影響因素進行控制，在進度和質量之間尋求一個平衡點。

1.2.3 箱梁線型控制

箱梁線型受多種因素影響，施工中加強與監控單位、設計單位溝通，對荷載水箱、立模標高、頂推力等參數進行動態調整。

2 公路橋梁合龍施工工藝和流程

合龍共分為兩次進行，第一次合龍邊跨合龍段，第二次合龍中跨合龍段，完成42#墩～43#墩及46#墩邊跨現澆段、44#墩T構、45#墩T構施工至27#號塊，進行邊跨合龍施工，按照骨架鎖定、合龍段施工順序進行。在合龍段混凝土達到設計95%以上強度后，拆除鎖定骨架，張拉邊跨合龍束預應力。邊跨合龍不頂推大小里程可分別獨立進行合龍施工。在邊跨兩個合龍段施工完成后，中跨合龍段大小里程同時頂推、鎖定、合龍段施工。合龍段混凝土達到設計95%以上強度后，拆除鎖定骨架，張拉中跨合龍束預應力。具體步驟如下。

步驟1：邊跨現澆段支座解除約束→掛籃就位合龍位置→設置平衡水箱→指定溫度下注水配重鎖定勁性骨架→合龍段混凝土澆筑。

步驟2：在邊跨合龍段混凝土達到設計要求強度后，拆除勁性骨架，按設計及規范要求進行合龍束預應力張拉。

步驟3：要進行中跨合龍準備工作，建立監控溫度場，確定合龍溫度及頂推力，轉移與合龍無關的懸臂端荷載至墩頂附近。設置平衡水箱，合龍勁性骨架、頂推梁、千斤頂以及位移觀測剛尺等就位。用44#墩中跨掛籃后退一個節段至25#號塊段。

步驟4：進行中跨合龍施工，45#墩中跨掛籃就位合龍位置，進行鋼筋、模板、埋件工程初步施工。在指定溫度下水箱注水配重、頂推、鎖定勁性骨架。完善鋼筋、模板、埋件工程，合格后在指定溫度下澆筑砼，并等量放水減重。

步驟5：在中跨合龍混凝土達到設計要求強度后，拆除勁性骨架，按設計要求和規范進行合龍束預應力張拉。預應力張拉完成后，拆除合龍掛籃底籃和側模，44#墩、45#墩中跨掛籃底籃直接下放至平板船上運輸至岸邊進行拆除、主桁在橋面進行分解拆除。

合龍段均利用掛籃進行合龍施工。在合龍前通過壓重調整梁段兩端中心線標高，立模、綁扎鋼筋、安裝預應力管道，在最低恒溫時間段進行頂推（一般在晚上0：00—4：00）鎖定勁性骨架，并在升溫之前完成臨時鎖定，同時觀測氣溫，澆筑混凝土。在當日氣溫最低的時刻進行砼澆筑，在混凝土澆筑完成后，做好收漿和養護工作，待合龍段混凝土強度達到張拉強度后，拆除勁性骨架，嚴格按設計規定的張拉順序和要求進行張拉和壓漿工作。合龍段施工工藝流程圖如圖1所示。

3 溫度對預應力混凝土結構橋梁合龍施工的影響分析

預應力混凝土結構本身的溫度場比較復雜，受到多種因素的影響。正常的日照溫度、溫度的起伏變化、年均溫差，都會對橋梁結構形成影響。同時，從內部情況看，混凝土這種材料本身的導熱性能就不理想，結構表面和內部溫度存在較大的溫差。這些因素同時作用會對參與合龍的結構產生影響，從而影響合龍效果和后期橋梁使用。因此，要重點考慮溫度對預應力混凝土結構橋梁合龍施工的影響。

在受到外部溫度影響并產生內部溫度變化的過程中，預應力混凝土橋梁結構內部任意一點的溫度可以按照公式（1）計算。

T=F（x，y，z，t） " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：T為預應力混凝土結構橋梁某一點的溫度；x為預應力混凝土結構橋梁某一點的x方向坐標；y為預應力混凝土結構橋梁某一點的y方向坐標；z為預應力混凝土結構橋梁某一點的z方向坐標；t為溫度測量的時間；F（）為多參函數。

假定預應力混凝土結構是各向同性的，那么對這種結構可以建立熱傳導方程如公式（2）所示。

（2）

式中：λ為預應力混凝土結構的導熱系數；C為預應力混凝土結構的比熱；γ為預應力混凝土結構的容重；q為預應力混凝土結構單位體積釋放的熱量；T為預應力混凝土結構橋梁某一點的溫度。

借助上述溫度表達和溫度傳導方法，對橋梁合龍過程中的溫度變化以及所受的影響進行測算和分析。首先，設定5組試驗條件。

第一組試驗條件：當整個環境溫度為10℃，合龍施工導致整體溫度升至34℃，隨后又冷卻到-1℃。

第二組試驗條件：當整個環境溫度為15℃，合龍施工導致整體溫度升至34℃，隨后又冷卻到-1℃。

第三組試驗條件：環境溫度為4℃，合龍施工導致整體溫度升至34℃，隨后又冷卻到-1℃。

第四組試驗條件：環境溫度為20℃，合龍施工導致整體溫度升至34℃，隨后又冷卻到-1℃。

第五組試驗條件：環境溫度為24℃，合龍施工導致整體溫度升至34℃，隨后又冷卻到-1℃。

其次，觀察5組試驗條件下，當從環境溫度達到合龍施工最高溫度時，預應力混凝土橋梁的軸向力變化，如圖2所示。

從圖2中可以看出，在5組試驗條件下，隨著施工溫度升高，橋梁合龍位置的軸向力有較大幅度下降。其中，環境溫度從4℃升至34℃時，軸向力下降了近2000kN，下降幅度最大。環境溫度從24℃升至34℃時，軸向力下降了600kN，下降幅度最小。由此可見，如果環境初始溫度較高，那么合龍施工導致溫度升高對合龍位置的橋梁結構軸向力影響較小；如果環境初始溫度較低，那么合龍施工導致溫度升高對合龍位置的橋梁結構軸向力影響較大。

再次，觀察5組試驗條件下，當從環境溫度達冷卻到最低溫度時，預應力混凝土橋梁的軸向力變化，如圖3所示。

從圖3中可以看出，在5組試驗條件下，隨著溫度降低，橋梁合龍位置的軸向力出現較大幅度升高。其中，環境溫度從24℃降至-1℃時，軸向力升高了近1600kN，升高幅度最大。環境溫度從4℃降至-1℃時，軸向力升高了300kN，升高幅度最小。由此可見，如果環境初始溫度較高，那么溫度降低對合龍位置的橋梁結構軸向力影響較大；如果環境初始溫度較低，那么溫度降低對合龍位置的橋梁結構軸向力影響較小。

進一步比較主橋梁合龍后各位置的上方應力，結果如圖4所示。

4 結論

研究預應力混凝土結構對提高公路橋梁建設質量具有重要意義。本文以橋梁合龍位置的混凝土結構為研究對象，重點分析了這個位置上的預應力變化。為了分析溫度對橋梁合龍位置處預應力的影響，本文構建了熱傳導模型。在這個理論研究的基礎上，本文進行試驗研究，試驗結果表明：在預應力混凝土結構下，橋梁合龍位置受溫度的重要影響，結合施工環境的初始溫度條件，溫度的反向變化會引起合龍位置軸向應力的大幅度變化。

參考文獻

[1] 嚴建科，張海龍，彭榮貴.多跨大縱坡剛構-連續梁組合體系橋受縱坡影響分析研究[J].公路交通科技（應用技術版），2020，44（3）：125-128.

[2] 易錦，賀國京，陸杰，等.合龍及體系轉換順序對多跨剛構—連續組合梁橋影響分析[J].鐵道科學與工程學報，2022，31（5）：23-27.

[3] 馬玉榮，陳海波，呂改鋒，等.基于一次性合龍方式的多跨連續剛構橋梁頂推力[J].沈陽大學學報（自然科學版），2021，35（4）：319-325.