三官堂大橋合龍段臨時鎖定溫度影響研究

閔 玉，劉 杰，陳方堯，姜 旭

（1.四川路橋華東建設有限責任公司，四川 成都 610200；2.同濟大學土木工程學院橋梁工程系，上海市 200092）

0 引 言

溫度效應是橋梁設計時必須考慮的重要問題，其作用來源于溫差引起的材料變形，而這又可細分為整體溫差作用與局部溫差作用[1]。整體溫差作用下，由于橋梁屬于縱向尺度大、橫向與豎向尺度相對較小的結構形式，縱橋向變形明顯，這部分變形一般通過設置活動支座予以釋放[2]，少數縱向位移受約束的橋梁如連續剛構橋，整體溫差產生的縱橋向變形無法消解，因而導致體系內產生相當大的溫度應力，須在設計時特別注意[3]。局部溫差則來源于橋梁各位置受日照、通風等不同環境條件，例如梁體的豎向溫度梯度會引起截面曲率變化和體系相應次內力生成[4]。

三官堂大橋位于寧波市東部城區，建成后將成為目前世界上最大跨度的連續鋼桁梁橋，跨徑布置160 m+465 m+160 m，變高度箱式主桁，立面布置如圖1所示。工程首先采用支架施工三角區桁架及邊跨部分，然后在中跨兩側各懸臂吊裝10個節段，合龍并進行體系轉換，補完后期鋪裝工作，具體施工工序如圖2所示[5]。由于懸臂長度超過150 m，組合截面高度及寬度均在30 m以上，鋼桁梁的合龍難度較高，考慮先連接主桁及斜桿，然后以此為基礎進行橋面系連接，因此主桁的精準對接尤其重要[6-7]，臨時鎖定就是在這種狀況下提出的。

圖1 寧波三官堂大橋立面布置圖（單位：m）

圖2 三官堂大橋主橋總體施工流程

所謂臨時鎖定，是指在合龍段就位之后，將已經定位好的主桁部分通過臨時連接件固定，保證后續焊接過程中兩側主桁不發生相對位移，并在主桁連接完成后拆除，使用的臨時連接件通常為粗鋼筋或型鋼件[8]。由于臨時鎖定時體系自重已完全平衡，僅可能存在溫度作用，因此，配置臨時連接件需要對其最不利受力狀態進行分析。在橋梁臨時鎖定之前，合龍段兩側均為帶錨固跨的大懸臂體系（支座條件分別為滑-固，固-滑），屬靜定結構，溫度效應不產生內力變化；臨時鎖定之后，完成合龍段連接之前，支座條件并未發生改變（滑-固-固-滑），結構成為超靜定體系，溫度效應引起的內力變化不可忽視。同時，由于該狀態下的橋梁縱橋向變形受到約束，整體溫差影響顯著，而桁架橋橋面系的豎向溫度梯度作用有限，臨時連接件的設計主要考慮整體溫差的相應內力，因此整體溫差作用下的臨時連接件強度成為保證臨時鎖定作用的關鍵。

圖3 三官堂大橋中跨鋼桁梁懸臂拼裝具體流程

此外，臨時鎖定后，原大懸臂體系的上下弦桿應力將疊加整體溫差作用下的溫度應力場，有成為施工階段最不利狀態的可能[9]。后文將針對合龍段臨時鎖定時結構的前后狀態進行有限元建模分析，確定臨時連接件的受力，并研究考慮溫度效應后的體系施工安全性，以對類似形式橋梁的合龍施工提供一定的借鑒意義。

1 有限元建模

三官堂橋為連續體系鋼桁梁橋，主桁為變截面鋼箱桁架，多道小縱梁及其上支承的正交異性橋面板組成橋面系，橋面系與主桁下弦桿固結，再連同上弦桿及腹桿組成主要受力截面，并輔以縱橫向聯結系。

在ABAQUS中采用梁單元模擬桁架各桿件，橋面系以剛度和面積等價的方式附加于下弦桿的上下底板，主墩處設置固定鉸支座，邊墩設置滑動鉸支座，建立如圖4所示有限元模型。如前所述，在小變形、線彈性范圍內討論臨時連接件的受力問題，臨時連接件僅需承擔超靜定體系因整體溫差產生的內力，而當體系剛度越大時，這一內力也越大，因此可偏于安全地將臨時鎖定考慮為固接，在模型中以全自由度耦合方式模擬。

圖4 三官堂大橋有限元模型

結構的初始狀態為合龍段吊裝工況，兩側帶錨固跨的大懸臂體系承擔結構自重和桁上吊機的前后支點力作用，合龍段自重與吊機的吊點力平衡，懸臂端與合龍段間斷開，即暫不激活鎖定區域單元。此時施加自重荷載，兩端為懸臂受力狀態，合龍段以吊點處的豎向約束模擬吊裝過程受力；待自重荷載作用完成后，激活鎖定區域單元，去除原吊點邊界條件并代以相應吊點力，分別定義整體升溫10℃和整體降溫10℃溫度場，進行自重與溫度共同影響下的體系受力分析。

2 結果與分析

以下匯總環境溫度升降10℃時的結構計算結果，具體分析整體溫差對于臨時連接件受力的決定性作用，并探討合龍過程中溫度作用影響下的結構應力水平。

2.1 溫度效應

整體升溫10℃時，溫度效應的計算結果如圖5所示。結構有向外膨脹的趨勢，豎曲線變陡，此時中跨因跨徑較大，變形相對邊跨大得多，在體系受力中起決定性作用。對超靜定結構，該變形將在體系中產生次內力，可以說次內力是結構抵抗該變形的結果。三官堂橋為三跨連續鋼桁梁橋，整體升溫時，中跨縱向擴張受到支座限制，因此呈現明顯的壓力作用，但由于中跨豎曲線的設計，實際受力形態類似于兩鉸拱，下緣壓應力水平較上緣為更高；邊跨水平位移不受約束，作為中跨變形協調的結果向下反拱，下緣出現明顯的拉應力。正應力的計算結果體現了這一趨勢，最大拉應力19.1 MPa出現在邊跨下弦桿，最大壓應力34.1 MPa出現在中跨下弦桿。整體降溫與升溫狀態剛好相反，中跨受拉，上緣拉應力更大。

圖5 整體升溫10℃截面正應力分布示意圖（單位：P a）

作為臨時鎖定關鍵構造之一的臨時連接件，僅承擔溫度作用引起的內力，其設計由溫度效應控制，在有限元模擬中主要反映為相應區域梁單元的軸力及彎矩，匯總于表1。表中軸力以拉為正，彎矩以逆時針方向為正，由計算結果可知，臨時連接件中軸力數值相當高，彎矩與軸力相比可忽略不計，這一點可通過換算偏心距體現。對大跨度橋梁，跨中梁高通常大于2 m，而本橋作為鋼桁梁橋，采用變高度箱式主桁，箱室腹板的最小高度為2.2 m，若采用橋面上下同時鎖定的方式，僅需依照軸力要求進行設計，彎矩限值自動滿足。

表1 主桁臨時連接件內力計算結果匯總表

2.2 溫度與自重組合效應

結構初始狀態為臨時鎖定前的合龍段吊裝工況，此時兩懸臂體系承受結構自重與施工荷載（主要為桁上吊機的前后支點力），合龍段自重與吊點力平衡，兩者之間無連接。該狀態下的Mises應力分布如圖6所示，極值249.6 MPa出現在大懸臂根部下弦桿，該部位主要承受壓應力作用；與此同時，上弦桿出現最大拉應力249.1 MPa。

圖6 初始狀態結構Mis e s應力分布示意圖（單位：P a）

整體升溫10℃后，將在原初始狀態上疊加一個前述升溫溫度應力場，中跨下弦桿壓應力進一步增加，上弦桿拉應力減小，因此危險截面出現在中跨下弦桿處。圖7所示Mises應力云圖，極值281.8 MPa出現在懸臂中部，為壓應力作用區域。極值點的轉移是溫度應力場與初始應力場在空間分布上的區別所致，兩者的聚集區域并不一致。此時上弦桿拉應力最值為231.2 MPa。而整體降溫時的溫度應力場與升溫狀態相反，拉應力的增長使得上弦桿成為結構受力最不利位置，Mises應力分布如圖8所示，極值極值278.8 MPa出現在懸臂中部。

圖7 （自重+升溫10℃）結構Mis e s應力分布圖（單位：P a）

圖8 （自重+降溫10℃）結構Mis e s應力分布圖（單位：P a）

組合效應的計算結果表明，合龍段吊裝工況并非一定是懸臂施工結構的最不利狀態，當合龍段臨時鎖定、支座體系未調整至成橋狀態時，超靜定體系將因溫度效應產生相應溫度應力場，使結構的應力分布發生變化，此時應力極值可能更高。三官堂大橋中跨在懸臂拼裝過程中，臨時鎖定階段將受到溫度效應影響，在整體升溫或降溫10℃時均會出現應力水平超出限值的狀況，這說明需要合理設計合龍時的環境溫度及工作時間（環境溫差不宜過大，工作時間不宜過長），以保證施工安全。

3 總結

鋼桁梁合龍段臨時鎖定時，合龍段的自重由兩懸臂端的桁上吊機承擔，但整體升降溫引起的臨時鎖定區域內力將完全依賴于臨時連接件，因此臨時連接件在整體溫差下的強度問題成為保證臨時鎖定作用的關鍵。此外，臨時鎖定使得原大懸臂體系的靜定結構轉變為超靜定結構，整體溫差的影響作用于三跨連續梁的整體，使原懸臂體系的上下弦桿應力產生變化。在小變形、線彈性的情形下，原上下弦桿的初始狀態將疊加升降溫溫度應力場，需考慮最不利情況分別分析。

對單純溫度作用下的臨時連接件內力，和自重與溫度共同作用下的結構整體強度進行計算分析后，得出以下結論：

（1）臨時連接件主要承受軸力，彎矩及換算偏心距的數量級明顯較小。上弦桿連接件所受軸力在升降溫10℃時為3 260 kN（壓拉），彎矩為291 kN·m，換算偏心距89 mm；下弦桿連接件所受軸力在升降溫10℃時為4 330 kN（壓拉），彎矩為727 kN·m，換算偏心距163 mm。在考慮一定的安全儲備后，以上內力值可作為臨時連接件的設計參考，且由于臨時鎖定看作固接后體系剛度相對于實際情況有所提升，按剛度分配的原則該數值本身有一定的保守性。

（2）懸臂施工工法通常由橋梁兩側對稱行進直至合龍，在合龍完成前兩懸臂體系需各自約束縱向自由度，因此在臨時鎖定時結構在縱向是超靜定的。多數懸臂施工橋梁先合龍邊跨，再合龍中跨，縱向約束通常設置在主墩上，因而整體溫差導致的中跨縱向變形將在結構中產生數值極高的軸向力。但由于橋梁在線形設計時往往采取向上預拱的方式來抵抗長期撓度的影響，實際臨時鎖定時的中跨受力類似于兩腳拱，整體升溫受負彎矩，進一步向上拱起，降溫時受正彎矩，拱頂下移。次內力可以抵消一部分變形，但無法改變整體的變形趨勢，因而結構在整體溫差下的溫度應力最終呈現出類似于小偏心受壓或受拉的分布。

（3）臨時鎖定后結構體系發生轉變，溫度影響下的上下弦桿應力可能超出其在之前施工狀態中的極值，甚至達到屈服。三官堂大橋合龍段臨時鎖定過程中，升降溫10℃時相應下弦桿或上弦桿應力值都將超出設計強度值。應當注意到，懸臂施工過程中結構為帶錨固跨的懸臂梁，懸臂部分受負彎矩控制，負彎矩數值隨節段增長持續增加；合龍結束完成體系轉換，橋面鋪裝等二期荷載由三跨連續梁整體承擔，僅在主墩附近疊加負彎矩（三角區桁架的形式剛度較大），原中跨危險截面將疊加正彎矩，應力水平有所降低。因此，中跨施工的最危險工況應當是臨時鎖定后，體系轉換前，并綜合考慮結構自重、施工荷載及溫度效應。

（4）橋梁結構的合龍施工，必需嚴格保證環境溫度范圍，縮減合龍連接工作量及工作時間，這不僅是解決傳統的合龍精度、線形要求、合龍段配切等問題的需要，更是結構受力的要求。此外，對于大跨長橋，一方面可以考慮減少臨時鎖定時結構的縱向約束，相應的溫度效應將大大減小，但這在懸臂施工過程中較難做到；另一方面可以探索臨時連接件的具體形式，通過合理設計（如插銷式構造）削弱連接件縱向剛度，但缺點在于不能控制合龍段的嵌補尺寸，需要更多千斤頂等輔助設施幫助合龍。