T構懸臂施工溫度場的測定及對主梁變形的影響與控制

段凱亮， 李傳習， 張依濛

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

大跨度T形剛構懸臂節段多，施工周期長，施工中線形受外界因素影響更顯著，主梁線形控制難度大。相關研究表明砼箱梁的溫度梯度會使橋梁產生變形，在懸臂施工階段更顯著，這種溫度變形會直接影響各節段的立模標高，從而使成橋狀態線形偏離設計目標；高橋墩在日照溫差下，墩頂各方向會產生不可忽視的位移。因此，應選擇在日出前后穩定的溫度場進行立模標高放樣。但為保證連續施工，節省工期，實際施工中在每個梁段預應力張拉后就會進行立模放樣。因此，施工中通過對橋墩和箱梁溫度的測量得到橋墩和箱梁的溫度梯度模式，掌握橋墩和箱梁溫度梯度對主梁標高的影響，據此修正立模標高，對線形精確控制必不可少。目前對溫度梯度對主梁、橋墩產生的標高、偏位影響越來越重視。但對橋墩溫度梯度的影響分析大多針對橋墩施工階段橋墩本身，對主梁因溫度梯度產生的變形分析大部分只考慮箱梁溫度場，對橋墩受溫度梯度的影響墩頂發生的轉角導致主梁發生的變形關注較少。此外，橋梁溫度場有著典型的周期性時程特征和不均勻空間特征，主要受結構形式、氣候和地理環境的影響，存在明顯的橋型間和地域性差異，不同地域、不同環境下橋梁結構溫度場可能存在差異，需現場實測溫度場。結合以上情況，該文在實測橋墩和箱梁溫度場的基礎上，采用MIDAS/Civil預測各結構產生的溫度變形，根據計算溫度變形對立模標高加以修正，從而精確控制橋梁線形。

1 工程背景

太洪長江特大橋引橋跨徑布置為120 m+120 m變截面砼箱梁T形剛構，全長260 m。箱梁縱向為預應力砼結構，采用左右幅分離的單箱單室箱梁截面，箱梁頂板寬15.75 m，底板寬8.25 m，翼緣板懸臂長3.75 m。墩梁固結處箱梁中心高度14 m，邊跨支座處箱梁中心梁高4.50 m，梁高以1.75次拋物線變化。頂板厚0.32 m；翼緣板端部厚0.2 m，根部厚1.25 m；腹板厚度由0.90、0.80、0.70、0.60 m呈4個階段變化，底板厚度按1.75次拋物線由1.80 m變化到0.35 m。采用矩形空心墩，尺寸為12.00 m×8.25 m，壁厚1 m。

橋梁上部結構采用掛籃對稱懸臂澆筑施工。整個主梁劃分成33個梁段，其中最短2.50 m，最長5.00 m(見圖1)。

圖1 箱梁節段劃分示意圖(單位：cm)

2 溫度場測定

2.1 測點布置

橋梁是一個縱向長度遠大于豎向、橫向長度的狹長結構物，若忽略某些局部區域的三維傳導性質，可認為橋梁在沿長度方向的溫度變化一致。因此，選取一個箱梁斷面采集溫度。考慮到0#梁段最先澆筑，在0#和1#梁段交界處埋置8個溫度傳感器(見圖2)。

圖2 箱梁溫度測點布置(單位：cm)

橋墩高40.8 m，考慮到其為狹長結構，選取墩高1/2處斷面布置16個溫度傳感器(見圖3)。

圖3 橋墩溫度測點布置(單位：cm)

2.2 溫度采集與分析

橋梁主體結構施工時間為2018年初—2019年10月。橋梁懸臂長度較小(小50 m)時，其最大撓度在10 mm以內，可忽略不計；懸臂長度較大(大于50 m)時，其最大撓度均大于10 mm，超過JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術規范》的允許值±10 mm。考慮到該橋需分析橋墩和箱梁共同影響下的溫度變形，當箱梁施工到第14節段(懸臂長45 m)時開始采集溫度。選取天氣晴朗、溫度較高的一天，從6：00點開始，每隔2 h采集一次，于20:00結束。

2.2.1 橋墩溫度采集結果與分析

橋墩各測點溫度采集結果見圖4。由圖4可知：日出后各壁板溫度顯著上升，東南側外壁在14：00前后達到溫度最大值41.7 ℃，內外溫差出現最大值12.8 ℃；西南側外壁在16：00左右達到溫度峰值48.6 ℃，內外溫差出現最大值19.9 ℃；東北側、西北側墩壁因其與太陽光線的夾角較小，接近平行，太陽垂直照射的面積較小，測點溫度變化比東南、西南側小，基本無異于大氣溫度的變化。由于太陽東升西落，西側墩壁的溫度上午上升速度慢于東側，且溫度峰值延后東側2 h左右；靠近西側的墩壁在上午環境升溫后，加上下午日照直射的續力，其溫度峰值大于東側，內外溫差也大于東側。太陽下山后，外壁開始降溫，基于砼導熱性不良的特點，外部降溫速度比內部快，內部出現延后。

圖4 橋墩壁的溫度變化

2.2.2 箱梁溫度采集結果與分析

圖5為箱梁溫度變化情況。由圖5可知：頂板外壁溫度因受日照的作用變化明顯，于14：00前后達到峰值51.5 ℃；由于砼的傳導性能差，頂板內部測點溫度變化速率小于頂板外壁溫度，且溫度峰值出現時間遲于頂板；腹板和底板因受頂板的遮陰作用，且橋梁基本為東西走向，腹板、底板受日照直接照射的影響較小，其測點溫度變化不大，里外測點的溫差也較小。

圖5 箱梁的溫度變化

2.3 溫度場擬合

2.3.1 橋墩溫度場擬合

選取溫差明顯的日照溫度場數據進行分析，得到橋墩東南和西南側壁板在10：00、12：00、14：00、16：00時沿壁板厚度的日照溫度分布(見圖6)。由圖6可知：在日照作用下，日照溫度場由橋墩外壁至內近似呈指數分布。

圖6 東南、西南側墩壁沿壁厚的溫度分布

令擬合曲線為式(1)，利用origin軟件，采用最小二乘法對溫度梯度進行回歸擬合，結果見表1。

表1 橋墩溫度梯度擬合結果

T=T0eαx

(1)

式中：T為計算點處與內壁0.8 m處的溫差(℃)；T0為內外壁溫差(℃)；α為指數系數；x為距橋墩外壁的距離(cm)。

2.3.2 箱梁溫度場擬合

10：00、12：00、14：00、16：00、18：00時箱梁沿豎向高度的日照溫度分布見圖7。由圖7可知：由頂板外壁深入腹板約0.6 m范圍內受日照溫差的影響最大，其次為底板外壁深入0.4 m范圍內。腹板位置豎向溫差不超過1 ℃，可認為二者溫度一致。

圖7 箱梁沿豎向高度的溫度分布

按式(1)擬合頂板外壁向下深入0.6 m、底板外壁向上深入0.4 m范圍內的溫差，結果見表2。

表2 箱梁溫度梯度擬合結果

3 有限元模型建立與實測撓度

3.1 主梁溫變撓度實測值

于6：00和16：00對箱梁頂面標高進行實測。為減少其他偶然因素的影響，提高測量數據的可靠性，將測量范圍定為14#、13#、12#梁段，每個梁段測3個點。基于保證2次測量為同一位置的目的，在每個梁段前端同一橫斷面的頂板位置預埋3個鋼筋頭作為測點，布置位置見圖8。

圖8 箱梁標高測點布置(單位：cm)

選取精度高的NA2水準儀，測量時避開塔吊施工、主梁受重物沖擊等不利時刻，在6：00—16：00時段箱梁上沒有較大臨時荷載增減、掛籃移動和預應力張拉時進行標高測量，測量結果見表3。

表3 箱梁標高測量結果

相關研究表明，結構在整體溫升與溫降作用下會引起截面變形，但主要是順橋向位移且數值極小，是由體系溫差作用下砼結構縱向收縮所致，而結構在豎向的變形較小。因此，可忽略整體溫度對箱梁豎向標高的影響，基本可認為箱梁于6：00—16：00時段產生的豎向撓度變形是由橋墩和箱梁的溫度梯度作用所致。

3.2 主梁溫變效應分析有限元模型

懸臂施工階段箱梁屬于靜定結構，在某個特定的時刻某點的變形并不依賴梁段是否存在，也就是說只需建立一個最大懸臂狀態的計算模型即可。因此，采用MIDAS/Civil建立T構施工過程中最大懸臂模型(見圖9)。

圖9 T構最大懸臂狀態三維視圖

模型中橋墩和箱梁的溫度梯度模式選取16：00時擬合的溫度梯度曲線，箱梁、橋墩東南和西南側壁的溫度梯度分別為：

式中：x為距箱梁頂板外壁的距離(m)；h為箱梁截面高度(m)。

T=10.99e-0.11x,0≤x≤80

(3)

T=18.74e-0.16x,0≤x≤80

(4)

式中：x為距橋墩外壁的距離(cm)。

在橋墩和箱梁溫度梯度共同作用下主梁產生的撓度理論值見表4。由表4可知：在橋墩溫度梯度作用下墩頂出現轉動位移，使主梁發生豎向位移，最

表4 溫度梯度作用下撓度理論值

大為±15 mm；在箱梁溫度梯度作用下，主梁兩側出現向下的豎向變形，最大值為-31 mm；在橋墩和箱梁溫度梯度共同作用下，主梁發生的豎向位移最大值為-46 mm，遠超出立模放樣誤差范圍(一般情況下允許誤差值為±5 mm，個別情況下允許誤差極限值為±8 mm)，說明溫度梯度產生的撓度影響在施工放樣中不可忽略，需根據溫度梯度產生的撓度影響對立模標高進行修正。

3.3 主梁溫變效應撓度理論值與實測值對比

為了驗證計算模型和擬合溫度梯度的正確性，將主梁溫變效應撓度理論值與實測值進行對比，結果見表5。

表5 撓度理論值與實測值對比

由表5可知：12#、13#、14#梁段因溫度效應發生的實際撓度與計算理論值基本吻合，誤差在±2 mm之內，計算模型和擬合溫度梯度正確、可靠。

4 立模標高溫度修正

4.1 立模標高溫度修正方法

根據上述分析，橋墩和箱梁溫度梯度作用下箱梁產生的豎向撓度較大，不可忽略，在施工立模放樣時應考慮溫度梯度的影響并對立模標高進行修正，以保證成橋線形與設計目標吻合。因現場調模通常需2～3 h，給溫度采集、有限元計算溫度梯度作用下主梁撓度值提供了充足的時間，基于實測溫度場，有限元計算溫度梯度對主梁撓度的影響值進行立模標高修正的方法可行。修正程序為施工方在立模2 h前通知監控方→施工方根據理論立模標高hi進行粗調→監控方實測溫度數據，擬合溫度梯度→監控方根據擬合溫度梯度得到修正值Δhi→施工方根據修正值Δhi精調模板標高→監控方復測驗收。立模標高修正公式如下：

Hi=hi+Δhi

(5)

式中：Hi為第i個梁段修正后的立模標高；hi為第i個梁段計算理論立模標高；Δhi為第i個梁段因溫度梯度產生的撓度值，以向上為正、向下為負，可在現場測得溫度梯度的基礎上，利用MIDAS/Civil軟件計算得到。

4.2 線形控制成果

太洪長江特大橋引橋120 m+120 m T形剛構施工中，采取上述修正程序和式(5)進行立模標高修正。該橋合龍貫通后，對全橋主梁的橋面標高進行通測，實測標高數據與該階段理論標高數據對比見圖10。根據《公路橋涵施工技術規范》，懸臂澆筑預應力砼梁橋施工頂面的高程允許最大偏差為±l/5 000，該橋l=120 m，允許最大偏差為±24 mm。通測240個點的標高數據中，與該階段理論偏差超過±24 mm的點有7個點，合格率達97%，成橋線形控制良好。

圖10 成橋標高數據對比

5 結語

(1) 在懸臂施工中，隨著梁段的增長，箱梁溫度梯度作用下主梁產生的變形較大，不可忽略，立模時應考慮其影響。

(2) 橋墩受日照溫差的影響，在墩梁固結處產生轉動位移，使主梁一側抬升、另一側降低，主梁因此產生的位移最大超過10 mm，對橋墩溫度梯度對主梁產生的豎向撓度的影響應予以重視。

(3) 針對懸臂施工中溫度梯度使主梁產生較大變形的問題，現場監控中應在實測溫度梯度的基礎上計算溫度梯度作用下變形值對立模標高進行修正，保證線形的精確控制，同時節約工期。