申樂強

（山東省高速路橋養(yǎng)護有限公司，山東 濟南 250032）

0 引言

連續(xù)梁橋具有結構體系剛度大，整體性好，安全度高，橋面伸縮縫少等優(yōu)點，在橋梁建造中被大量使用。而懸臂施工方法由于其施工簡便、結構整體性好、便于線形控制、跨越性較好，普遍用于大跨度變截面連續(xù)梁橋的施工中。在懸臂施工過程中，涉及合龍施工、體系轉換，不同合龍方案對成橋結構受力狀態(tài)及線形影響很大[1-2]。內力控制是連續(xù)梁施工控制重要任務之一，將各截面應力控制在合理范圍內，防止混凝土受拉開裂，減小恒載作用下箱梁的應力水平差是連續(xù)梁懸臂施工階段主要控制內容[3]。

郝東東等以某七跨連續(xù)梁為背景，研究了合龍順序對施工中各階段撓度及主梁應力的影響，認為自邊跨到中跨合龍為最優(yōu)合龍方案[4]。戴公連等人以三跨連續(xù)梁為例研究了不同合龍順序對成橋線形的影響，認為先邊跨合龍橋梁變形最為平順[5]。所以，選擇合理的合龍順序對控制成橋后的結構內力、變形十分重要。

除了合龍順序，溫度變化引起的結構變形在懸臂施工過程中占有很大比重[6]。在近些年對施工過程中溫度引起結構變形的研究中，發(fā)現(xiàn)溫度升高結構下?lián)显龃?，溫度降低結構下?lián)蠝p小甚至產生上撓，并且溫度引起的結構變形具有累計效應。但是外溫最高或最低，其對應產生的撓度值并不是最大值[7]。溫度作用存在滯后性，外溫是引起施工過程中線形變化的表象，梁截面溫差是導致結構變形的根本原因[8]。同時施工過程中結構尚未鋪裝，而混凝土鋪裝可以減小截面正負梯度溫差[9-10]。因此施工階段的梁截面的溫差高于成橋時的溫差，溫度梯度對施工過程中結構線形的影響較成橋后大。而且在超靜定結構中，梁體應力與外界溫度變化密切相關[11]。隨著橋梁跨徑增大，溫度效應對橋梁結構的危害增大[12]。施工過程中溫度梯度的存在，一方面影響成橋后的最終線形；另一方面會引起溫度次內力，可能會導致局部開裂，影響施工安全。因此，研究合龍順序及溫度效應等對于合龍施工的影響，對于改善結構成橋時的受力狀態(tài)尤為必要。

現(xiàn)以濟南- 青島小清河特大連續(xù)箱梁橋為工程背景，建立Midas/Civil 空間有限元模型，對比分析不同合龍順序、合龍溫度下的成橋應力狀態(tài)，并研究合龍時考慮截面梯度溫度作用對成橋結構應力、線形的影響。

1 工程概況

小清河特大橋位于濟廣高速公路路段，由東向西依次跨越小清河及南水北調干渠。主橋上部結構采用75 m+130 m+75 m 雙幅對稱預應力混凝土變截面連續(xù)梁橋，全橋共分為75 個梁段，如圖1 所示。箱梁采用直腹板的單箱雙室結構，箱梁頂板寬為20.25 m，底板寬度為12.25 m，兩端及中跨跨中梁高3.5 m，主墩墩頂處梁高8 m，主梁梁高變化采用1.8 次拋物線。墩頂橫斷面圖及合龍段橫斷面圖如圖2、圖3 所示。箱梁底板厚度30 cm，主墩墩頂根部底板厚度90 cm，底板厚度變化采用1.8 次拋物線，箱梁腹板厚度采用60、80 cm，箱梁采用C55 混凝土。主梁懸臂澆筑梁段劃分長度為4×2.5 m+4×3.0 m+3×3.5 m+3×4.0 m+3×4.5 m，采用掛籃懸臂現(xiàn)澆施工，掛籃自重780 kN（含施工荷載）；邊跨直段長度9.0 m，采用支架現(xiàn)澆施工；邊跨合龍段長度2.0 m，跨中合龍段長度2.0 m。箱梁采用縱向、橫向和豎向三向預應力，中橫梁設置橫梁預應力，采用高強度低松弛鋼絞線（Ⅱ級松弛），公稱直徑15.2 mm，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa,計算彈性模量為1.95×105MPa，預應力鋼束均采用塑料波紋管，張拉控制應力均為1 339 MPa。

圖1 全橋立面圖（單位：m）

圖2 墩頂橫斷面圖（單位：cm）

圖3 合龍段橫斷面圖（單位：cm）

2 合龍方案對結構受力的影響

2.1 合龍方案擬定

不同的合龍方案導致成橋狀態(tài)內力不同，體系轉換引起的內力重分布也不同。為了討論不同合龍方案對成橋時結構內力的影響，比較了兩種不同的合龍順序，分別是：先邊跨合龍后中跨合龍；先中跨合龍后邊跨合龍（中墩臨時固結采用梁與臨時支墩澆筑成整體的連接方式）。詳細方案如表1 所列。

表1 合龍方案一覽表

2.2 合龍方案有限元建模及分析

按照以上合龍方案，建立有限元模型如圖4 所示，分析合龍施工方案對成橋后結構應力的影響。

圖4 有限元建模效果圖

兩種合龍方案成橋后頂板、底板應力值見圖5、圖6 所示。應力負值代表受壓，正值代表受拉。

圖5 成橋頂板應力值曲線圖

圖6 成橋底板應力值曲線圖

如圖5、圖6 所示，兩種合龍方案成橋后主梁全截面頂、底板為受壓狀態(tài)，應力分布規(guī)律基本一致。頂板最大應力都出現(xiàn)在中跨合龍段端部，底板應力最大值則都位于0# 塊根部。但CS0 工況下中跨截面應力變化更加平緩。

如圖7 所示，兩種合龍方案邊跨截面頂、底板應力差很小，中跨截面頂、底板應力最大差值出現(xiàn)在中跨合龍段端部，分別為0.44 MPa、-0.95 MPa，說明CS0 方案跨中頂板壓應力略小于CS1 方案，底板壓應力較CS1 工況大10%，更有利于預防運營階段梁底開裂。綜上，CS0 合龍方案更加合理。

圖7 成橋頂板、底板應力差值曲線圖

3 合龍溫度對結構受力的影響

3.1 合龍施工整體升降溫的影響

小清河特大橋設計的合龍溫度為10～20℃。為研究合龍溫度對成橋后內力、變形的影響，采用先邊跨后中跨合龍方案，考慮4 種結構整體升降溫方案，如表2 所列。

表2 整體溫度荷載工況一覽表

合龍前考慮4 種溫度工況，并在合龍后撤銷。在合龍前整體升降溫作用下，主梁頂、底板的變形相同，溫度作用撤銷后頂、底板變形均已恢復，合龍前溫度作用引起的頂、底板應力未超過0.01 MPa，因此合龍前的整體升降溫對成橋階段結構應力的影響可忽略不計。

3.2 合龍?zhí)荻葴囟茸饔玫挠绊?/h3>

結構在溫度作用下產生變形、內力的根本原因是梁截面溫差[7]，所以研究截面溫度梯度對結構的影響很有必要。為得到溫度沿梁截面高度方向的分布，在邊跨合龍前對梁截面溫度進行連續(xù)兩周的觀測。溫度傳感器布置在2# 塊與1# 塊交界截面中腹板位置，測點布置如圖8 所示。

圖8 2# 塊測點布置圖（單位：cm）

溫度觀測期間，每天早上8 點及下午1 點對溫度實測值進行提取，測點1、2、3 溫度實測值分別用t1、t2、t3表示，如表3、表4 所列。

表3 8:00 各測點溫度實測值一覽表

表4 13:00 各測點溫度實測值一鑒表

由于測試時間為夏天，梁截面溫差基本表現(xiàn)為正溫度梯度。下午1 時溫度沿梁截面變化明顯，且最大正溫差為15.4℃。選取正溫度梯度為15℃，參照《公路橋涵設計通用規(guī)范JTG D60—2015》,選取正溫梯度的-0.5 倍作為負溫度梯度，數(shù)值模擬采用梯度溫度方案如表5 所列。

表5 梯度溫度荷載工況一覽表

合龍前考慮T5～T8 溫度荷載工況，并在合龍后撤銷。主梁頂板、底板應力結果如圖9～圖12 所示，變形結果如圖13、圖14 所示（撓度為負代表下?lián)?，為正代表上撓）?/p>

圖9 T5 溫度作用下成橋頂?shù)装鍛χ登€圖

圖12 T8 溫度作用下成橋頂?shù)装鍛χ登€圖

圖13 T5、T6 溫度作用下成橋撓度值曲線圖

圖14 T7、T8 溫度作用下成橋后撓度值曲線圖

由圖9、圖10 可知，在T5 荷載溫度作用下，成橋后頂板受拉、底板受壓；在T6 溫度荷載作用下的頂、底板受力情況相反。但由于中墩臨時固結拆除釋放結構撤溫變形，溫度效應對結構應力影響很小。在T7、T8 溫度荷載作用下，頂板、底板應力結果如圖11、圖12 所示。中跨合龍前梯度升溫15℃，合龍后撤銷。成橋狀態(tài)，梯度溫度作用下全截面頂板受拉、底板受壓，拉、壓應力最大值分別為3.2 MPa、-4.7 MPa，位于中跨合龍段端部。中跨合龍前梯度降溫7.5℃，成橋僅溫度作用下截面受力情況與升溫相反，拉、壓應力最大值分別為2.4 MPa、-1.7 MPa，位于中跨合龍段端部。

圖10 T6 溫度作用下成橋頂?shù)装鍛χ登€圖

圖11 T7 溫度作用下成橋頂、底板應力值曲線圖

從上述結果可知，由于體系轉換的影響，邊跨合龍前梯度溫度作用對成橋應力的影響可不計。而中跨合龍前梯度溫度作用對成橋應力影響較大，所以中跨合龍需要重視合龍溫度的影響。

如圖13 所示，在T5 溫度荷載作用下，邊跨下?lián)?、中跨上撓，T6 溫度荷載作用下主梁變形方向相反。T5、T6 溫度荷載作用下主梁變形最大值的絕對值分別為57.3 mm、29.8 mm。邊跨懸臂變形與中跨懸臂變形都關于0# 塊頂部極對稱。產生此現(xiàn)象的原因是：溫度梯度作用撤銷后，中跨懸臂的溫度下變形變?yōu)?，而邊跨溫度下變形僅減小一部分且邊跨產生溫度次內力；中墩臨時固結拆除后，旋轉約束釋放，此時邊跨應力部分釋放導致其梯度溫度下變形增大，同時邊跨結構的變形導致中跨懸臂產生與其等值反向的變形。

在T7、T8 溫度荷載作用下，主梁變形如圖14 所示。在T7 溫度荷載作用下，邊、中跨變形最大值分別為8.3 mm、-48.8 mm；在T8 溫度荷載工況下，邊中跨變形最大值分別為-4.5 mm、23.6 mm。結合圖11、圖12 可知，T7、T8 溫度荷載作用下邊跨撓度、應力值隨距邊跨端部的距離先增大后減小，呈現(xiàn)二次曲線線型，最大值位于邊跨合龍段端部。中跨撓度、應力值隨距0# 塊距離增大而增大，最大值位于中跨懸臂端部，而應力值在中跨合龍段出現(xiàn)驟然減小。

綜合來看，存在溫度梯度作用時進行合龍口鎖定，溫度效應對結構成橋后的應力、變形都影響較大，因此應選擇截面溫差較小時合龍。

4 結論

（1）先邊跨后中跨與先中跨后邊跨合龍兩種合龍方案下頂板、底板壓應力差值不大，但先邊跨后中跨合龍的應力變化更加平順。因此，先邊跨合龍方案更優(yōu)。

（2）在邊跨合龍時，梯度升降溫對成橋階段主梁應力無影響，但對主梁線形影響較大。而中跨合龍時，梯度升降溫，對成橋主梁應力、變形均有較大影響。

（3）主梁線形、內力受合龍時梯度溫度作用的影響較大，合龍前整體升降溫對結構應力影響不大。由于溫度作用滯后性的存在，合龍時應關注梁截面梯度溫度，選擇梁截面梯度溫度較小時進行合龍施工。