鋼桁梁橋合龍段應力分析與精度控制研究

摘 要：蘭家灣大橋采用無應力狀態法進行合龍段施工，本文利用Midas Civil軟件對橋梁合龍口進行溫度分析，發現溫度變化對各桿件的位移影響較小，下弦桿受溫度影響造成的應力值變化幅度最大，斜桿的應力值變化幅度受溫度影響較小，上弦桿的應力值變化幅度受溫度影響居中，因此最終將蘭家灣大橋合龍時的溫度控制在10℃～15℃，可以滿足無應力合龍施工條件。在合龍段臨時墩施加頂推力后，合龍段在Z向與X向上的位移偏差值能滿足合龍施工的要求。本研究探索了多跨連續鋼桁梁橋合龍段施工精度控制要點，為后續類似工程提供了參考。

關鍵詞：連續梁橋；鋼桁梁橋；合龍施工；無應力狀態法

中圖分類號：U 44 " 文獻標志碼：A

多跨連續鋼桁梁橋因其結構強度高、穩定性好以及能夠適應復雜地形和長跨度需求等優點被廣泛應用。但是在橋梁的施工過程中，合龍段施工是一個技術難點，特別是在考慮環境溫度、結構應力等多種因素影響下，合龍段精確合龍是保證橋梁整體質量、保障安全性的關鍵環節。

無應力狀態法是一種合龍施工技術[1]，其可以精確控制施工過程中的溫度、應力等因素，使橋梁結構合龍時達到無應力狀態，進而縮小合龍誤差，提高施工質量和橋梁的安全性。本文將從合龍段溫度影響分析與合龍施工技術要點等方面進行多跨連續鋼桁梁橋合龍施工研究，以期為類似工程提供有益的參考。

1 工程概況

本項目為蘭家灣特大橋，連接漢源城區和峨漢高速，上部結構體系為上承式變高鋼桁架連續梁橋，跨徑布置為70m+115m+6×160m+115m+70m，橋梁全長1330m，橋面寬度為25.5m。上部結構的鋼桁架梁有等高與變高兩種形式，安裝支撐體系為落地式鋼管支架，橋梁立面圖如圖1所示。

主桁架由上弦桿、下弦桿、豎腹桿、斜腹桿組成，基本為箱型截面，少部分腹桿采用“H”形截面，其斷面如圖2所示。全橋共有8個合龍口，其中6個是主跨合龍口、2個是邊跨（115m跨）合龍口。合龍順序為由中間向兩岸依次合龍，所有主跨合龍段完成后再進行邊跨（115m跨）合龍。

2 溫度對合龍段的影響分析

無應力狀態法是一種有效的合龍施工技術，其基本原理是在橋梁結構施工過程中，通過精確控制各個施工階段的溫度、應力等參數，使橋梁結構合龍時處于無應力狀態。采用這種施工方法能夠減少合龍過程中的變形和應力集中，提高合龍段的施工質量。因此用有限元模擬軟件分析溫度變化對合龍段的影響可以有效指導現場施工。

2.1 計算模型

本研究采用Midas Civil軟件對橋梁合龍口進行溫度分析[2]，按照圖紙設置結構材料與尺寸，全橋共建立4610個節點，1320個單元，其模型圖如圖3所示。將橋梁中墩的中桁支座形式設置為固定支座，邊桁支座形式設置為橫向活動支座，其他各墩支座中桁支座形式設置為縱向活動支座，邊析支座形式設置為多向活動支座，各剛構件間剛性連接。

預計在8月對橋梁進行合龍施工，且施工時間一般在早晚，溫度低對合龍施工造成的影響較小。根據當地往期的歷史溫度，確定該時段溫度為10℃～30℃，因此設置5組試驗組，并對其進行模擬試驗，每組溫度梯度為5℃。

2.2 結果分析

橋梁中墩處合龍桿件在不同溫度下的內力與位移情況見表1。

由表1可知，因為結構由靜定轉向超靜定中體系有多余約束，所以溫度變化對各桿件的位移影響較小，合龍后構件共同變形，在溫度荷載作用下的伸縮變形量受限，構件最大位移為8.5mm。但各桿件的應力值在不同溫度下變化明顯，為直觀看出桿件應力值的變化情況，須繪制合龍桿件在不同溫度值的應力變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，各桿件在不同溫度下合龍時的應力值不同。隨著溫度升高，各桿件的應力值變大，其中，下弦桿受溫度影響造成的應力值變化幅度最大，中桁下弦桿最大值達到51.5MPa，斜桿的應力值變化幅度受溫度影響較小，上弦桿的應力值變化幅度受溫度影響居中，可以看出中桁與邊桁的應力值有差別，但變化趨勢一致。結合表1與圖4，將蘭家灣大橋合龍時的溫度控制在10℃～15℃，此時結構伸縮量有限，溫度應力較小，最大為7.4MPa，滿足無應力合龍施工條件，結構的安全性能可以得到保障。

3 無應力合龍誤差分析調整

以橋梁左邊第一個合龍口為計算實例，在合龍工況下，采用Midas Civil軟件對該合龍口合龍前桿件的狀態進行預測，結果見表2。

當實際施工時，需要在該合龍口設置臨時墩，可通過起頂臨時墩抵消合龍口的豎向與轉角發生的施工誤差，該臨時墩在最大頂推力（350t）作用下中跨位移最大可達到270mm、邊跨可達到160mm，通過調整臨時墩的起頂力可對合龍口的桿件進行位移調整，在施加起頂力后，合龍口的位移情況見表3。

在臨時墩施加頂推力后，該合龍段在Z向與X向上的位移偏差值滿足合龍施工的要求。在合龍口豎向轉角誤差消除后，合龍段在縱向上誤差值為6mm，即中跨側須向邊跨側移動6mm。本次模擬未考慮在施工誤差與溫度應力下引起的位移偏差值，施工時應考慮上述兩個因素造成的偏差值，即可確定最終位移調整量。對Y向（橫向）的偏差來說，在10mm內可通過張拉設置在合龍口節點位置的鋼絞線調整橫向偏差[3]。

4 合龍段施工精度控制要點

4.1 溫度控制

溫度對鋼材的熱脹冷縮特性有顯著影響，進而會影響橋梁結構的應力分布，因此，在無應力合龍施工中，必須嚴格控制施工環境的溫度。通常會選擇在溫度較為穩定的時段進行施工，例如清晨或傍晚，避免日照引起溫度變化[4]。同時，需要使用溫度傳感器對施工現場的溫度進行實時監測，保證溫度波動在±2℃。除此之外，要利用熱力學模型和有限元分析，預測結構在不同溫度下的變形和應力變化，為施工提供準確的溫度控制參數。

由于日照、風速等自然因素影響，橋梁結構表面和內部可能會產生溫度梯度，導致結構變形和應力集中。因此，在施工過程中應采取措施減少溫度梯度影響，例如合理布置遮陽設施、調整施工順序等。

4.2 應力監測與調整

應力監測的主要目的是實時掌握合龍段及相鄰結構在施工過程中的應力變化情況，及時發現并預防因應力集中或異常分布導致的結構破壞或開裂問題，從而保證橋梁的整體受力性能、保障施工安全。對多跨連續鋼桁梁橋來說，其監測的構件主要為桁架的上弦桿、下弦桿、豎桿與斜桿等截面的應力大小情況。

在項目合龍段施工中，須在懸臂段桁架的斷面布置兩個應力計，采用鋼弦應力計（包括測溫元件）和配套的頻率接收儀進行應力監測。鋼弦應力計具有溫度誤差小、性能穩定、抗干擾能力強等優點，適合長期觀測。將測點布置在箱型截面與“工”形截面的沿桿件軸線的端點處，如圖5所示。

在無應力合龍過程中，應力調整會影響結構的安全與穩定。因此可以通過預應力張拉、臨時支撐等技術對結構進行微調，達到最佳的應力狀態。可采用液壓千斤頂對關鍵桿件進行微調，每次調整量為±1mm，保證結構可以平穩過渡[5]。同時，利用應變片和應力傳感器實時監測關鍵部位的應力變化，保證應力值在設計允許的范圍內，通常將其控制在材料屈服強度的60%以下，防止結構發生塑性變形。

4.3 誤差控制

誤差精度控制是無應力合龍施工的關鍵。因此，在施工前，須利用全站儀、激光測距儀等高精度測量設備，對橋梁結構的各個關鍵點位進行精確測量，保證施工基準的準確性。在施工過程中，需要定期對結構進行復測，及時調整施工誤差，保證合龍段的精度滿足設計要求。通常，合龍段的對接精度要求控制在±1mm。

4.4 懸臂拼裝線形監控

在多跨連續鋼桁梁橋合龍施工過程中，如果不對懸臂段安裝線形進行檢測監控，就會直接影響合龍時的精度。因此在懸臂拼裝過程中，須進行線形監控。工程共布置6個懸臂拼裝的線型監控測點，分別在懸拼桁架階段的端點、跨中處，沿橋面橫向布置如圖6所示。

在懸臂拼裝施工期間，要對測點進行常規監測，每天對中線和高程進行一次測量，保證施工過程中的線形穩定性。在合龍段施工過程中，如果在溫度變化較大的時間段內（例如早晚溫差大時）施工，就應該增加監測頻率。例如，在每天溫度最低和最高時段進行監測，掌握溫度對線形的影響規律。同時，在合龍段鎖定前后，應該增加監測頻率，保證鎖定過程中的線形穩定性。在橋梁成橋后，仍須進行長期監測，評估橋梁在使用過程中的線形穩定性和安全性。

4.5 施工組織和管理

高效的施工組織和管理是無應力合龍施工順利進行的重要保障，因此在施工前，須制定詳細的施工計劃和應急預案，明確各施工隊伍的職責和協作方式。在施工過程中，要實行嚴格的施工日志制度，記錄每一個施工步驟的詳細情況，以便后續的質量追溯和問題排查[6]。同時，利用項目管理軟件對施工進度、資源分配等進行動態管理，保證施工順利進行。通過優化施工流程、提高施工效率，可以顯著縮短施工周期，降低工程成本和提高工程質量。

5 結論

本文對多跨連續鋼桁梁橋合龍段施工技術進行研究，由研究結果得出以下結論。1）溫度變化對各桿件的位移影響較小，結構由靜定轉向超靜定中體系有多余約束，合龍后構件共同變形，在溫度荷載作用下的伸縮變形量受限，構件最大位移為8.5mm。2）下弦桿受溫度影響造成的應力值變化幅度最大，中桁下弦桿最大值達到51.5MPa，斜桿的應力值變化幅度受溫度影響較小，上弦桿的應力值變化幅度受溫度影響居中。3）應該將蘭家灣大橋合龍時的溫度控制在10℃～15℃，此時結構伸縮量有限，溫度應力較小，最大為7.4MPa，滿足無應力合龍施工條件，結構的安全性能得到保障。4）臨時墩施加頂推力后，該合龍段在Z向與X向上的位移偏差值滿足合龍施工的要求。在合龍口豎向轉角誤差消除后，合龍段在縱向上誤差值為6mm，即中跨側須向邊跨側移動6mm。

參考文獻

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[2]李小祥.無合龍段變高度連續鋼箱梁橋頂推施工關鍵技術研究[J].結構工程師，2024，40（1）：150-157.

[3]高袁.橋梁工程連續鋼桁梁施工控制技術[J].交通世界，2024（合刊1）：241-243.

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[6]嚴永陽.懸臂施工中連續鋼桁梁橋結構性能分析與控制技術研究[D].南京：東南大學，2018.