溫差對高鐵混凝土大跨箱梁橋施工過程影響研究

胡 琦

（中鐵二十四局集團江蘇工程有限公司,江蘇 南京 210028）

0 引言

高鐵混凝土大跨箱梁橋周圍環境溫度受多種因素影響[1-2]，其中年溫度和日溫度是影響高鐵混凝土大跨箱梁橋最主要的兩種溫度作用，其他特殊天氣也會對混凝土大跨箱梁橋的溫差產生相應影響[3-5]。若橋梁結構為超靜定結構，溫度變化會使混凝土大跨箱梁產生對應的溫度應力[6-7]。該文以鹽通鐵路通張段高鐵跨S336省道混凝土大跨箱梁橋為工程背景，數值模擬分析其施工全過程，根據模擬結果分析高鐵混凝土大跨箱梁不同工況下的溫差，同時研究了不同溫差下混凝土大跨箱梁的溫差，最后總結了混凝土大跨箱梁的溫度應力變化規律。

1 高鐵混凝土大跨箱梁橋有限元模型建立

采用Midas有限元軟件模擬跨S336省道（70+120+70）m混凝土連續箱梁。有限元模型如圖1所示。在建模計算之前先明確施工方案，現場采用掛籃懸澆法施工。

圖1 高鐵混凝土大跨箱梁橋有限元模型

2 高鐵混凝土大跨箱梁溫度應力分析

對大跨高鐵混凝土大跨箱梁橋的溫差進行研究，主要研究了在溫度變化下混凝土大跨箱梁橋大跨箱梁截面溫度應力的分布規律。

2.1 橫向溫度應力計算分析

對橋梁橫向溫度應力進行分析，該文選取墩身上支座斷面及中跨跨中斷面作為計算斷面。

計算在最大溫差下大跨箱梁頂板、底板和腹板的最大橫向溫度應力分布，如表1所示。

表1 支座斷面和跨中斷面最大橫向分布應力表 /MPa

由表1知，支座斷面頂板處橫向應力為拉應力，大跨箱梁頂板橫向應力均受壓應力，頂板最大壓應力為14.9 MPa。底板均受壓，底板厚度變化對底板應力的影響幅度較小。左腹板隨著截面尺寸變化，外緣壓應力增大，內緣壓應力減小，但變化幅度較小。

不同截面大跨箱梁頂板橫向應力分布如圖2所示。

圖2 大跨箱梁支座斷面和跨中斷面頂板橫向應力分布

由圖2可知，頂板應力與距外緣的距離成正比，并在頂板中線處應力達到峰值。頂板應力受不同截面的影響較小。大跨箱梁頂板溫度應力初始較小，但隨著時間發展開始增大，其中頂板中線附近溫度應力變化最為顯著。

不同截面大跨箱梁底板橫向應力分布如圖3所示。

圖3 箱梁支座斷面和跨中斷面底板橫向應力分布

由圖3知，底板橫向溫度應力基本不受截面位置影響，底板橫向溫度應力與距外緣的距離成正比。隨著梁高和地板厚度逐漸降低，底板應力在不同截面的應力變化較小。隨著時間推移，大跨箱梁底板溫度橫向應力略有增加，但變化不大。

2.2 豎向溫度應力計算分析

最大豎向溫度應力在支座斷面和跨中斷面的分布數值，如表2所示。

由表2可知，各截面頂板豎向溫度應力較小，頂板豎向溫度應力隨支座斷面至跨中斷面梁高的不斷減小而不斷增大，應力變化最大值為0.06 MPa。底板均為壓應力，隨著支座斷面至跨中斷面底板的厚度不斷減小，底板豎向溫度應力變化幅度不大。隨著由支座斷面處至跨中斷面底板的腹板厚度不斷減小，大跨箱梁腹板內外緣豎向溫度應力都有所降低。截面頂底板豎向溫度應力初始值較小，應力變化數值也較小，腹板豎向溫度初始應力較大，應力變化數值也相對較大。

表2 支座斷面和跨中斷面豎向最大應力分布 /MPa

箱梁頂底板的豎向溫度應力遠小于腹板豎向溫度應力，在不同時刻下選取支座斷面和跨中斷面的腹板外緣豎向溫度應力值，如圖4所示。

圖4 大跨箱梁支座斷面和跨中斷面腹板外緣豎向應力分布

由圖4可知，腹板外緣豎向溫度應力的變化趨勢不受斷面位置的影響，隨著箱梁梁高不斷減少和距底板距離的增加，腹板豎向溫度應力不斷增加，應力最大值在腹板中部位置。支座斷面腹板豎向溫度應力最大差值為4.1 MPa，跨中斷面腹板豎向溫度應力最大差值為6 MPa，隨著大跨箱梁梁高不斷減小，大跨箱梁腹板豎向溫度應力分布的差值不斷增大。

不同截面大跨箱梁腹板內緣豎向應力分布如圖5所示。

由圖5可知，隨著支座斷面至跨中斷面的梁高不斷減小，大跨箱梁腹板內緣豎向溫度應力最大值也在不斷降低，溫度應力總計減小了0.3 MPa。隨著距底板距離的增加，豎向溫度應力與距底板距離不成正比關系，表現為先降低后增加再降低的波動變化。豎向溫度應力在底板處最大，在頂板處最小。不同斷面腹板內緣最大豎向溫度應力相差不大，最大差值為0.3 MPa。腹板內緣豎向溫度應力基本不隨著時間的變化而變化。

圖5 大跨箱梁支座斷面和跨中斷面腹板內緣豎向應力分布

3 溫度對高鐵混凝土大跨箱梁橋線形的影響分析

3.1 梁端豎向位移

為研究高鐵混凝土大跨箱梁橋在合龍階段最大懸臂端一天內豎向位移的變化，記錄合龍當天溫差變化，如圖6所示，并監測高鐵混凝土大跨箱梁橋最大懸臂端的豎向位移變化曲線，如圖7所示。

圖6 大跨箱梁頂底板溫差變化曲線

圖7 最大懸臂端豎向位移變化曲線

由圖6可知，大跨箱梁橋頂底板的溫差整體呈現先增加后降低的趨勢。由圖7可知，最大懸臂端豎向位移在不斷地發生變化，整體位移變化趨勢為先增大后減小，最大位移為6 mm。

綜上所述，由于白天溫差較大，混凝土大跨箱梁橋不宜在白天進行合龍，且此時懸臂端豎向位移也較大，因此建議在夜間或者凌晨進行全橋合龍。

3.2 線形監測結果分析

由最終成橋線形曲線數值可知，全橋合龍后的線形平順光滑，現場實際和理論目標基本吻合，底板實測高程和理論高程也基本相同，底板實測高程數值和設計高程數值相差在1.5 cm以內。

4 結論

該文以跨S336省道高鐵混凝土大跨箱梁橋為研究對象，首先采用數值分析法模擬了橋梁懸澆法施工全過程，然后對橋梁的溫差變化進行模擬分析，最后分析了橋梁典型斷面的溫度作用，研究了典型斷面溫差的分布狀態。該文研究主要得到以下結論：

（1）不同斷面橫向溫度應力主要分布在大跨箱梁頂底板位置。

（2）在豎向溫差下，大跨箱梁各斷面的溫度應力相差也比較大。豎向溫度對跨中斷面影響最大，大跨箱梁上緣受壓，下緣受拉；豎向溫差下橋梁豎向位移隨著懸臂端的增大而增大。

（3）豎向溫度應力對大跨箱梁腹板位置影響較大，并隨著距底板距離的增加而增大。

（4）由于白天溫差較大，建議全橋合龍時間定在夜間。