孫 信，劉文慧，朱 季，程 興

(1. 江蘇交通控股有限公司，南京 210019；2. 蘇州市吳中長潤交通建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，蘇州 215000； 3. 華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014)

鋼箱梁因其輕質(zhì)高強(qiáng)、裝配便捷等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大跨徑橋梁和城市橋梁建設(shè)中。然而鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能良好，對溫度變化較敏感，當(dāng)處于施工階段時(shí)鋼箱梁由于沒有鋪裝層的遮蓋，受日照作用的溫度效應(yīng)影響更為顯著[1]，較大的溫度梯度容易在結(jié)構(gòu)豎向產(chǎn)生溫度梯度效應(yīng)，從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大溫度內(nèi)力與變形[2-3]。

對于橋梁頂推施工而言，線形控制是決定施工質(zhì)量的關(guān)鍵，溫度梯度作用下施工過程中的鋼箱梁梁體會產(chǎn)生不同方向的位移。例如東營黃河公路鋼斜拉橋施工過程中，由于日照引起梁體高度方向和橫橋向的溫度梯度，主梁高程變化2～5 cm，主梁中線偏移5 cm，嚴(yán)重影響橋梁施工精度[4]。

關(guān)于溫度梯度曲線的確定，國內(nèi)外學(xué)者雖有規(guī)范依據(jù)或部分現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)[5]，但受限于地區(qū)分布范圍不同，尚不能形成統(tǒng)一的溫度梯度模式。本研究針對某大跨徑連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工過程中關(guān)鍵工況——最大懸臂工況，在鋼箱梁不同截面高度處布置溫度測點(diǎn)，得到1天內(nèi)各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況，并擬合出最大溫差下的溫度梯度模式。使用MIDAS Civil軟件分析其在溫度梯度效應(yīng)下的結(jié)構(gòu)變形，討論不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度作用下懸臂端的豎向位移，并對比自重下的位移大小，為選擇合適的頂推施工時(shí)機(jī)提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

蘇州某市政高架項(xiàng)目橋梁采用三跨等高度連續(xù)鋼箱梁橋，跨徑組合為43 m+75 m+43 m，75 m中跨上跨繞城高速，將鋼箱梁節(jié)段梁場內(nèi)預(yù)制后運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，為減少對所跨越繞城高速車輛正常通行的影響，中跨采用步履式頂推方法進(jìn)行鋼箱梁施工。頂推臨時(shí)支墩最大間距為65 m，導(dǎo)梁縱向長度為39 m，導(dǎo)梁與鋼箱梁連接。

主跨頂推施工在夏季開展，施工過程中蘇州市當(dāng)?shù)貧鉁刈罡呖蛇_(dá)38 ℃，鋼箱梁在無鋪裝狀態(tài)下長時(shí)間處于日照中，鋼箱梁表面溫度最高可達(dá)60 ℃，溫度梯度作用效應(yīng)明顯。推進(jìn)過程中，鋼箱梁及導(dǎo)梁最大懸臂狀態(tài)因自重產(chǎn)生較大的豎向位移，同時(shí)鋼箱梁及鋼導(dǎo)梁在溫度梯度荷載作用下會產(chǎn)生較大豎向變形，可能存在因懸臂端豎向變形過大造成導(dǎo)梁無法順利通過臨時(shí)墩，從而使鋼箱梁無法到達(dá)預(yù)定位置落架的情況產(chǎn)生。

為防止上述情況出現(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)場溫度監(jiān)測情況，分析不同溫度梯度模式下鋼箱梁與導(dǎo)梁的最大懸臂端變形規(guī)律，以此選擇適當(dāng)?shù)捻斖萍奥浼軙r(shí)機(jī)。

對本橋鋼箱梁在一定時(shí)間段內(nèi)所測得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究其豎向溫度梯度作用模式。

2 實(shí)測溫度分析

為研究鋼箱梁的溫度梯度效應(yīng)作用模式，選取中跨跨中截面為溫度測試斷面[6]，鋼箱梁斷面如圖1 所示。鋼箱梁梁高為3.2 m，在中腹板上布置6個(gè)溫度測點(diǎn)，中腹板溫度測點(diǎn)布置如圖2所示(1#測點(diǎn)布設(shè)在頂板下緣、2#測點(diǎn)距1#測點(diǎn)100 mm、3#測點(diǎn)距2#測點(diǎn)400 mm、4#測點(diǎn)距3#測點(diǎn)600 mm，5# 測點(diǎn)距4#測點(diǎn)1 000 mm，6#測點(diǎn)距5#測點(diǎn) 1 146 mm)。

圖1 鋼箱梁斷面

圖2 中腹板溫度測點(diǎn)布置(單位：mm)

選取夏季某一時(shí)間段內(nèi)(7月24日)典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)的實(shí)測溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，7月24日典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)實(shí)測溫度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 7月24日典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)實(shí)測溫度數(shù)據(jù)

3 鋼箱梁溫度梯度擬合

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[7]對鋼箱梁溫度梯度分布規(guī)律描述較簡單，與實(shí)際情況有一定差別[8]，參考《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.3—2005/J 462—2005)[9]規(guī)定的溫度梯度表達(dá)式，通過現(xiàn)場實(shí)測的溫度數(shù)據(jù)擬合施工階段鋼箱梁以及導(dǎo)梁的溫度梯度模式[1]，如式(1)所示。

T=T0e-αy

(1)

式中，T為沿腹板豎向計(jì)算點(diǎn)y處的溫差；T0為箱梁沿梁高最大溫差；α為指數(shù)系數(shù)。

選擇7月24日14：00的溫度曲線作為最不利狀況觀測曲線，根據(jù)規(guī)范規(guī)定的溫度梯度表達(dá)式對實(shí)測溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到該時(shí)間節(jié)點(diǎn)的溫度梯度擬合公式，如式(2)所示。

T=26.7e-5y

(2)

擬合溫差曲線與實(shí)測溫差曲線對比如圖3所示。

圖3 擬合溫差曲線與實(shí)測溫差曲線對比

由圖3可知，擬合溫差曲線能夠包絡(luò)現(xiàn)場實(shí)測溫差曲線，溫度梯度作用計(jì)算偏安全。

4 鋼箱梁最大懸臂工況不同溫度梯度作用分析

4.1 結(jié)構(gòu)建模

采用桿系模型模擬橋梁施工過程，建立全橋梁單元模型，全橋共計(jì)312個(gè)節(jié)點(diǎn)和315個(gè)單元，鋼箱梁為等截面形式，導(dǎo)梁為變截面工字鋼形式，導(dǎo)梁根據(jù)高度分為3種類型，分別為導(dǎo)梁1(高為3.146 m)、導(dǎo)梁2(高為2.5 m)和導(dǎo)梁3(高為1.6 m)，根據(jù)實(shí)際約束情況模擬主墩以及臨時(shí)墩的邊界條件，結(jié)構(gòu)分析模型如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)分析模型

由于鋼箱梁與導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)存在一定差異，對兩種結(jié)構(gòu)分別施加溫度梯度荷載，以7月24日14：00 擬合的溫度曲線為例，分別在MIDAS Civil軟件的“梁截面溫度”中施加鋼箱梁與導(dǎo)梁的溫度梯度荷載，鋼箱梁及導(dǎo)梁的溫度梯度作用數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鋼箱梁及導(dǎo)梁的溫度梯度作用數(shù)據(jù)

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

按照擬合方法擬合不同時(shí)段曲線，根據(jù)擬合曲線計(jì)算不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的鋼箱梁及導(dǎo)梁的變形，結(jié)構(gòu)自重作用下最大懸臂端變形如圖5所示；7月24日02：00擬合曲線計(jì)算的最大懸臂端變形如圖6所示；7月24日14：00擬合曲線計(jì)算的最大懸臂端變形如圖7所示。

圖5 結(jié)構(gòu)自重作用下最大懸臂端變形(單位：mm)

圖6 7月24日02：00擬合曲線計(jì)算的最大懸臂端變形(單位：mm)

圖7 7月24日14：00擬合曲線計(jì)算的最大懸臂端變形(單位：mm)

7月24日最大懸臂工況端部豎向變形計(jì)算統(tǒng)計(jì)(僅考慮溫度荷載)如表3所示。

表3 7月24日最大懸臂工況端部豎向變形計(jì)算統(tǒng)計(jì)

由表3可知，最大懸臂施工工況在夏季全天的端部最大變形值差別較大，14:00最大變形可達(dá)216.1 mm(僅考慮溫度荷載)。在考慮結(jié)構(gòu)自重的情況下，端部最大變形值約390 mm，變形過大會導(dǎo)致導(dǎo)梁端部無法順利通過臨時(shí)墩，從而造成鋼箱梁無法到達(dá)預(yù)定位置落架的情況產(chǎn)生。

對最大懸臂工況在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下最大懸臂變形計(jì)算結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下最大懸臂變形計(jì)算值如圖8所示。

圖8 不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下最大懸臂變形計(jì)算值

由圖8可知，最大懸臂施工工況宜選擇在3：00～5：00進(jìn)行頂推落架，在此時(shí)間段內(nèi)端部豎向變形較小，溫度梯度作用效應(yīng)的影響也較小。

現(xiàn)場施工綜合考慮多種因素，選擇下午開展頂推施工，最大懸臂落架時(shí)間為16:50左右。根據(jù)理論計(jì)算分析，該時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度梯度作用下的導(dǎo)梁前端下?lián)狭繛?60～170 mm，考慮結(jié)構(gòu)自重荷載，該時(shí)間節(jié)點(diǎn)導(dǎo)梁前端總下?lián)狭繛?35～345 mm，現(xiàn)場實(shí)測下?lián)狭考s為320 mm，存在較小偏差，該偏差處于施工可控范圍內(nèi)。導(dǎo)梁前端落架前根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)，對臨時(shí)墩墩頂千斤頂標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的千斤頂頂面標(biāo)高下降約370 mm，有較大富余量，頂推后導(dǎo)梁順利通過千斤頂完成落架。

通過分析與應(yīng)用，總結(jié)出針對鋼結(jié)構(gòu)頂推施工消除溫度梯度效應(yīng)影響的方法，即參考相關(guān)規(guī)范規(guī)定的溫度梯度表達(dá)式，通過現(xiàn)場實(shí)測的溫度數(shù)據(jù)擬合出施工階段鋼結(jié)構(gòu)橋梁溫度梯度作用模式，根據(jù)作用模式計(jì)算在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的結(jié)構(gòu)變形量，給出最優(yōu)頂推施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)或時(shí)間段。

此外，考慮施工現(xiàn)場實(shí)際影響因素較多，當(dāng)不具備在指定時(shí)間節(jié)點(diǎn)或時(shí)間段施工的條件時(shí)，建議參考以上分析方法計(jì)算最大懸臂工況下的變形值，調(diào)整臨時(shí)墩墩頂千斤頂標(biāo)高，滿足順利通過臨時(shí)墩并落架的需求。

5 結(jié)論

(1) 太陽輻射強(qiáng)度是鋼箱梁溫度梯度形成的主要因素，所研究的鋼箱梁一天內(nèi)最大溫差可達(dá)26.7 ℃，無太陽輻射下梁體溫差較小。

(2) 對于無橋面鋪裝的情況，根據(jù)規(guī)范擬合的溫度梯度模式更為適用，擬合曲線可以較好地包絡(luò)實(shí)測數(shù)據(jù)。

(3) 最大懸臂端豎向位移隨溫度梯度增大而增大，其最大豎向位移超過自重作用下位移，建議導(dǎo)梁懸臂端部選擇在溫度梯度較小時(shí)通過臨時(shí)墩。

(4) 頂推施工落架須選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)，若不具備在指定時(shí)機(jī)頂推落架的條件，建議根據(jù)本文分析方法計(jì)算并調(diào)整不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的變形量，保證頂推施工順利完成。