大跨度部分斜拉橋施工控制溫度效應影響研究

孫建淵，尹成章

（同濟大學橋梁工程系，上海市 200092）

0 引言

對于大跨徑橋梁，施工中每個工況的結構狀態(tài)要達到設計所確定的理想目標，但要得到比較準確的控制調整量，必須充分考慮施工過程中各個參數(shù)值的影響，其中溫度效應就是大跨度橋梁施工控制的一個影響因素。對于懸臂施工的大跨徑部分斜拉橋施工控制，尤其是橋梁結構處于大懸臂結構狀態(tài)時，溫度效應對主橋的斜拉索索力及主梁懸臂端的撓度影響十分明顯[1,2]。大跨度部分斜拉橋的理論索力及理論標高是在設計基準溫度下計算得到的，但實際施工過程中結構的溫度是隨時間變化的，在施工工程中，斜拉索索力變化與主梁撓度的變化相互影響，并最終影響橋梁的受力，因此必須考慮由實際施工溫度與計算溫度差異引起的斜拉索索力及主梁撓度的變化。

在混凝土部分斜拉橋中，溫度效應主要表現(xiàn)在三個方面：第一，斜拉橋各構件之間的溫差效應，如索梁溫差等；第二，主梁截面不同部位的溫度效應，如主梁上緣和下緣的溫差；第三，各構件受大氣環(huán)境影響而產(chǎn)生的自身溫差效應，這其中又包括季節(jié)性溫差和日照溫差[3-6]。因此，在施工過程中，必須對溫度效應引起的索力變化和主梁撓度變化給予足夠的重視，嚴格控制主梁線形和斜拉索索力[7,8]，將溫度效應對結構施工狀態(tài)的影響降至最低。

1 工程概況

大連市長山大橋主橋橋孔布置為 140 m+260 m+140 m，采用塔墩梁固結的連續(xù)剛構部分斜拉橋體系。主梁為預應力混凝土單箱三室流線型扁平箱梁。主橋為 540 m 雙塔雙索面部分斜拉橋，橋梁凈高 27.43 m。主橋兩墩的編號分別為 14#墩、15#墩，結構布置如圖1所示。在施工控制中，該部分斜拉橋的監(jiān)控要求是主梁各個節(jié)段標高的允許誤差在± 20 mm 以內，斜拉索索力的偏差不大于± 5%。

2 溫度效應模擬分析

該橋采用橋梁結構分析軟件 Midas 進行計算模型建立。長山大橋為雙塔雙索面部分斜拉橋，每個橋墩共有 31 個施工節(jié)段，兩墩采用同時對稱懸臂施工。在計算模型的建立中，為了與實際的測量相對應，選取懸臂端長度較大的結構狀態(tài)。在主梁26#塊現(xiàn)澆段澆筑完成，主梁 C15#索張拉完成后的結構狀態(tài)時（26#塊及 C15#索的位置如圖1所示），對該狀態(tài)下的懸臂結構進行分析，Midas 分析模型如圖2所示。

為了研究橋梁整體升溫、索梁溫差，以及主梁溫度梯度對懸臂端主梁撓度及斜拉索索力的影響，考慮到當時夏季的施工環(huán)境溫度及施工計算模擬的基準溫度，將橋梁結構各構件溫度分別均勻升高 2.5℃、5℃、7.5℃、10℃、12.5℃、15℃來模擬整體升溫的溫度效應，將斜拉索溫度分別升高 2.5℃、5℃、7.5℃、10℃、12.5℃、15℃來模擬索梁溫差的溫度效應，將主梁溫度梯度（上緣溫度大于下緣）設為 2.5℃、5℃、7.5℃、10℃來模擬溫度梯度的效應影響。分別在這 3 種溫度效應下計算得出懸臂端關鍵截面的撓度及斜拉索索力的變化值。計算結果表明，邊跨和中跨的撓度變化差別不大，兩側斜拉索索力變化值差值幾乎為零，撓度變化值及斜拉索變化量如圖3、圖4所示。

2.1 整體升溫的影響

圖1 大連市長山大橋結構布置圖（單位：cm）

圖2 Midas 軟件分析模型

圖3 溫度效應對主梁撓度的影響

圖4 溫度效應對斜拉索索力的影響

季節(jié)溫差又稱年溫差，季節(jié)溫度的變化會使橋梁構件整體的溫度發(fā)生改變。從整個模擬分析結果來看，整體升溫對懸臂端撓度影響不是很大，在整體升溫 15℃時，懸臂端的撓度為 2.8 mm，主梁中跨懸臂端的撓度為 2.2 mm。懸臂端處的 C15#斜拉索索力值增加了 17 kN，占整個索力值（4 600 kN）的 0.4%。隨著溫度的均勻變化，懸臂端撓度及斜拉索索力的變化基本上呈線性變化。

2.2 局部溫差的影響

局部溫差是由斜拉橋各構件之間的溫差效應（索梁溫差等）和主梁截面不同部位的溫度效應（主梁上緣和下緣的溫差）構成。隨著大氣的溫度變化，斜拉橋各個部分對溫度所表現(xiàn)出來的敏感程度也存在著巨大的差異。斜拉索是由鋼絲制成，其溫度變化比較均勻，對溫度的敏感程度也比較高，而主梁的溫度場分布復雜，隨溫度的變化表現(xiàn)明顯的滯后性，且受光表面和構件內部呈現(xiàn)出較大的溫度梯度。主梁梁高較高，一般是主梁上緣部分受到陽光的直射，溫度較高；而主梁下緣部分處于蔭涼的位置，溫度較低[9,10]。

從圖3、圖4可以看出，索梁溫差對懸臂端主梁撓度影響較大，當索梁溫差達到 15℃時，主梁下?lián)?40 mm，懸臂端斜拉索索力增加了 91.7 kN，占整個索力的 1.9%。主梁溫度梯度達到 7.5℃時，主梁就已經(jīng)下?lián)狭?40 mm，此時懸臂端斜拉索索力增加了 137.76 kN，占整個索力的 3%。隨著溫度的均勻升高，懸臂端主梁撓度及斜拉索索力也在非線性的變化。

在局部溫度效應的累計分析中，假定主梁上、下緣溫差為 5℃，索梁溫差為 2℃，來分析局部溫差對關鍵截面的撓度及關鍵索力的影響。從分析結果上來看，主梁邊跨懸臂端的撓度為 25.3 mm，主梁中跨懸臂端的撓度為 25.4 mm。懸臂端處 C15索索力值增加了 184 kN，占整個索力值的 4.0%。

以上理論計算模擬分析結果表明，局部溫差的主梁撓度變化較整體升溫的影響更為明顯，且局部溫差的變化比較復雜，呈現(xiàn)非線性。對于斜拉索索力的變化情況，兩種溫度效應對索力的大小影響都比較可觀，所以在施工監(jiān)控中也不容忽略。

3 溫度效應的現(xiàn)場監(jiān)測及結果分析

長山大橋的施工方法是懸臂節(jié)段澆筑施工，當懸臂結構長度較大時，主梁標高和斜拉索索力大小對溫度的變化比較敏感，而且隨著懸臂長度的增加，這種敏感的程度也會加劇。為了掌握溫度效應對主梁撓度和斜拉索索力的影響，選取天氣較好，溫差較大的一天進行現(xiàn)場實測。長山大橋主橋在縱橋向是對稱結構，而且兩墩處主梁同時施工，因此，選取其中一個橋墩進行測量分析。每跨標高測量選取具有典型的 3 個測點，即距離橋墩中心線 45 m 處的第 9 施工節(jié)段（Z1、B1）、距離橋墩中心線 77 m 處的第 18 施工節(jié)段（Z2、B2）、距離橋墩中心線 109 m 處的第 26 施工節(jié)段（Z3、B3），其中 Z 代表中跨、B 代表邊跨。由于斜拉索數(shù)量較多，只對索力大小變化較大的斜拉索的索力進行監(jiān)測，即中跨和邊跨的 C15#索。測點布置如圖5所示。

3.1 溫度測試結果

在一天內的 6 個關鍵時間點，分別對長山大橋主橋橋塔，主梁上、下緣，斜拉索及大氣的溫度進行測量。在橋塔根部，主梁上、下緣處，通過預先埋設的高精度溫度傳感器來測量它們的溫度。將溫度傳感器深入斜拉索 PE 套管，并緊貼鋼絞線來測量斜拉索的溫度。測量結果如表1所示。

從溫度測試結果可以看出，橋塔溫度一天變化為 0.9℃，梁上緣溫度一天變化為 3.8℃，梁下緣溫度一天變化為 0.7℃，大氣溫度一天變化為 5℃，斜拉索溫度一天變化為 4.5℃。其中索梁溫差最大為 4.7℃，索塔溫差最大為 3.8℃，塔梁溫差最大為 4.4℃。圖6為溫度變化圖。

3.2 高程測試結果

主梁在各時段的絕對標高測試結果見表2，相對標高變化結果見表3。主梁在各時段的相對標高是相對于 6：00 測試結果的差值。表中 B 表示邊跨，Z 表示中跨。

從表2、表3中可以看出：

（1）主梁標高隨著溫度的升高逐漸降低，隨著溫度的降低逐漸升高，一天中從 6：00-18：00 變化的基本過程為先一段平穩(wěn)期，標高降低，再標高升高。這主要是主梁對大氣的溫度變化有一定的滯后性所導致的。

（2）主梁標高在 6：00-10：30 節(jié)段變化較小，相對于 6：00 時而言，標高變化最大為 6 mm。大氣溫度在這個時間段里變化較小，此時溫度效應對主梁的撓度影響不是很明顯。

（3）中跨梁端在 15：30 時下?lián)献畲螅瑸?2.3 cm，邊跨在 13：30 時下?lián)献畲?，?2.6 cm。這段時間段里，大氣溫度迅速上升，橋梁各個構件對溫度場的變化開始有所反應。在局部溫差較大和各個構件溫度升高的情況下，勢必對主梁懸臂端的撓度產(chǎn)生較大的影響。

圖5 測點布置示意圖

表1 溫度測量結果

圖6 溫度變化圖

表2 主梁絕對標高測試結果

表3 主梁相對標高測試結果

（4）同一測量時間點，隨著縱向距離的、增加，主梁撓度基本上是按著越來越大的趨勢發(fā)展的。這說明隨著懸臂結構長度的增加，溫度效應對懸臂端撓度的影響也越來越大。

3.3 索力測試結果

斜拉索由于其材料的勻質性，其軸線及斷面上溫度分布較為均勻，但由于斜拉索材料特性與主梁、主塔不同，其溫度最大值、最小值出現(xiàn)的時間與梁塔也不同步。在一天內不同的時間段對懸臂端 C15#索的索力值進行測量，測量的結果如表4所示。

表4 主梁 C15#索測試結果（單位：kN）

斜拉索索力值在一天的時間內的變化情況，同主梁撓度變化類似。一天中從 6：00-18：00 變化的基本過程為先一段平穩(wěn)期，這段時間大氣溫度變化較小，氣溫上升的較慢；隨著大氣溫度的增加，主橋各個構件溫度會有不同程度的上升，由于各個構件對溫度的敏感程度不同，必然會產(chǎn)生各個構件的局部溫差，同時，斜拉索溫度的變化對斜拉索的索力也會有一定的影響。因此，在 15:30 這個時間點，斜拉索索力的變化達到了一個最大值，變化幅度達到了整個索力張拉量的 4.2%。雖然變化幅度在施工監(jiān)控誤差允許的范圍之內，但由于偏差較大，對施工控制索力值的監(jiān)控也會有一定的影響。圖7為主梁 C15#索索力值變化圖。

圖7 主梁 C15#索索力值變化圖

4 結論

（1）在理論模擬中，無論是溫度效應單項還是局部溫度效應累加，懸臂端主梁撓度變化值在溫度變化較大時都大于該橋的允許誤差，斜拉索的偏差值也比較大，不容忽略，所以，溫度效應對大跨度部分斜拉橋施工控制影響較大，應著重考慮。計算結果顯示整體升溫對主梁撓度和斜拉索索力的影響較小，而局部溫差對主梁撓度和斜拉索索力的影響較大。為了避開局部溫差對結構的影響，對結構受力有明顯影響的重要施工工序應在結構處于較為均勻溫度狀態(tài)下進行。

（2）從現(xiàn)場實測的結果可以看出，在主橋進行大懸臂施工時，主梁標高隨溫度變化較為明顯。主橋在立模標高定位、絕對標高測試及斜拉索測量時應在溫度較低或溫差較小的時間段進行，以減少溫度變化對大跨度部分斜拉橋施工監(jiān)控產(chǎn)生的不利影響。

（3）主梁、主塔及斜拉索的實際溫度變化比較復雜，尤其是橋梁各個構件之間以及同一構件不同部位存在著復雜多變的局部溫差，在理論計算中很難精確模擬。從索梁溫差及主梁溫度梯度的累計上來看，理論計算與現(xiàn)場實測存在著一定的誤差，但主梁懸臂端的撓度變化相差不大，斜拉橋索力值變化基本吻合。

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