王 達，任 燦

(1. 中南林業(yè)科技大學 土木工程學院，長沙 410114；2. 長沙理工大學 土木工程學院，長沙 410114)

斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，而合龍段作為施工的關鍵部位，其施工質(zhì)量對成橋內(nèi)力變化及線型的平順影響很大.因此，合龍前需要在考慮環(huán)境、時機及工藝的前提下，制定合理的合龍施工方案[1-2].余少華等[3]在五口河斜拉橋合龍技術(shù)研究中考慮了合龍溫度對解除臨時約束時的主梁標高、應力及索塔的影響；趙艷磊等[4]在斜拉橋合龍影響分析中考慮了合龍溫度對主梁位移和索力的影響；姜磊[5]對雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋關鍵施工技術(shù)進行了分析，并介紹了一些重要工序的施工控制方法.

實際上，溫度對于混凝土斜拉橋的影響也是一個不可忽略的影響因素.目前，研究溫度對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的斜拉橋影響的比較多[6-8].隨著施工控制方法的完善[9-11]，溫度影響便顯得尤為重要.通過分析溫度對每道工序的影響，才能制定更加合理的合龍施工方案，使得成橋內(nèi)力狀態(tài)更接近理論值，進而提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性.筆者根據(jù)水東灣大橋?qū)嶋H情況，基于有限元軟件Midas/Civil 建立空間桿系模型，詳細分析了不同溫度下合龍對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線型的影響，壓重對成橋結(jié)構(gòu)的影響以及不同溫度下體系轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形的影響.

1 工程概況

水東灣大橋為預應力混凝土雙塔斜拉橋，主橋橋跨組合為150 m+328 m+150 m，為一級公路兼城市道路.斜拉索采用雙索面對稱扇形布置，主梁內(nèi)布置雙向預應力鋼束，主體結(jié)構(gòu)為3 跨連續(xù)半漂浮體系.索塔采用門型索塔，塔柱采用外帶弧形空心箱形橫截面，其底部截面高程為5 m，頂部高程為130 m，總高度為125 m，并設置上、下2 道箱形截面的橫梁.塔座斷面按照梯形設計，高2 m，上、下2 底面均為啞鈴型.斜拉索采用高強平行鋼絲拉索，抗拉強度為1 770 MPa，并根據(jù)索長的不同分為8 種不同型號，全橋共有176根斜拉索.PK 預應力混凝土主梁梁段分為0 號段、標準段、邊跨現(xiàn)澆段和過渡段4 種，標準段長7 m，邊跨現(xiàn)澆段長27 m，梁寬35.2 m，橋面設2%雙向橫坡，采用C55 高強性能混凝土.梁端斜拉索索距有7 和4.4 m 2 種，中跨和邊跨合龍段長度均為2 m，每個合龍段混凝土總方量為47.14 m3.該橋主要材料特性見表1，總體布置見圖1，主梁標準斷面三維圖見圖2.

表1 水東灣大橋主橋材料特性

圖1 水東灣大橋總體布置 /cm

圖2 水東灣大橋主梁標準斷面三維圖 /cm

2 有限元模型建立

本文使用Midas/Civil建立全橋有限元模型進行分析，其中墩臺、索塔及混凝土主梁用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬.墩底固結(jié)，兩側(cè)梁端與輔助墩處進行豎向約束；0 號塊主梁與主塔之間進行豎向和橫向約束；拉索與索塔采用剛性連接；拉索與主梁通過0 容重剛臂連接.全橋計算模型共劃分成22 571 個單元，其中梁單元22 395 個，只受拉的桁架單元176 個，模型見圖3.

圖3 水東灣大橋有限元模型

3 溫度對合龍施工的影響

3.1 合龍方案

主梁采用前支點掛籃懸臂澆筑的施工方法，劃分為中跨22 個和邊跨16 個懸臂澆筑節(jié)段，每個節(jié)段長7 m；3 個合龍節(jié)段(2 個邊跨合龍段+1個中跨合龍段).在懸臂澆筑過程中，各節(jié)段主梁梁面標高通過分級張拉斜拉索索力進行控制；合龍段則利用兩側(cè)梁段及掛籃布置吊架，進行吊架施工.斜拉橋合龍段是該工程施工的重點部位，而體系轉(zhuǎn)換是控制全橋內(nèi)力重分布和主梁線形的關鍵工序.因此，在施工前必須考慮當?shù)販囟茸兓瘜淆埵┕さ挠绊?，以便施工進展順利及保證橋梁合龍后受力合理與線形平順.合龍方案分7個步驟：

1)材料和工具清除.東西兩側(cè)22 號節(jié)段澆筑完后及時清除橋面和箱室內(nèi)的施工材料和工具，將用于合龍段施工的鋼筋、模板和設備放在橋塔附近的主梁上，以便最大限度地減少對懸臂段梁端高度的影響.合龍前對主梁溫度、撓度、合龍口寬度等變化進行48 h 跟蹤觀測，以便選擇合理的合龍時間，且合龍溫度應控制在20 ℃左右.

2)掛籃改造.由于東西側(cè)掛籃主縱梁相互干涉，需根據(jù)兩側(cè)施工進度對西側(cè)掛籃進行割除并加固，且割除部位應放至西側(cè)梁端，避免荷載減少影響懸臂端標高變化.

3)水箱配重.中跨合龍段梁段長2 m，混凝土方量為47.14 m3，梁段重122 t.合龍段配重設置在懸臂端，每端配重為122 t÷2=61 t，配重用6個直徑為2.1 m，高度為3 m 的鋼護筒作為水箱，采用分級平衡配重方法，每注滿10 t 水對兩側(cè)主梁標高進行監(jiān)測.

4)外模安裝.合龍段外模采用木模，吊架分配梁上鋪設10×10 方木(方木上面鋪設15 mm 厚竹膠板)，間距30 cm.外模施工部位為斜底板、底板、腹板和頂板.為使東西兩側(cè)梁體的變形盡可能協(xié)調(diào)一致，并確保混凝土連接平順及兩邊梁體的穩(wěn)定，須在合龍段梁端的頂板、腹板和底板設置12 組2 m 長的I30 a 工字鋼.該工字鋼通過與兩側(cè)梁端預埋件焊接，形成剛性連接.

5)勁性骨架鎖定.在合龍段施工時，為了縮短勁性骨架的安裝、焊接時間和規(guī)避溫度影響，分2 次完成.也就是說，先焊接固定西側(cè)勁性骨架，待達到預計鎖定時間后立刻焊接固定東側(cè).勁性骨架必須在安裝前預先放樣，將毛刺和氧化膜從預埋鋼板的頂部表面上清除，以確保精確安裝并與預埋鋼板緊密焊接.在安裝焊接過程中，先采用點焊后用間斷對稱焊接，當焊接到預埋鋼板周圍的混凝土時，注意不要灼燒到混凝土.

6)體系轉(zhuǎn)換.解除臨時錨固，讓支座受力，使斜拉橋主梁處于半漂浮狀態(tài).在解除臨時錨固時，東西側(cè)臨時錨固需同一時間解除，利于結(jié)構(gòu)內(nèi)力對稱分布.

7)混凝土澆筑.混凝土澆筑時，應根據(jù)新澆混凝土的重量分級卸去配重(分級放水).為了防止混凝土在凝固過程中出現(xiàn)裂縫，混凝土澆筑應選擇在一天中溫度較低時進行，使其在溫升作用下處于受壓狀態(tài).

3.2 溫度對最大懸臂端及塔偏的影響

在最大懸臂狀態(tài)下，主梁標高、合龍口寬度和主塔塔偏等關鍵參數(shù)均受合龍溫度的影響.準確預測合龍溫度便于對施工工序時間進行修正.因此，在最大懸臂狀態(tài)下的主梁合龍前需根據(jù)現(xiàn)場溫度情況進行理論分析.主橋合龍時現(xiàn)場溫度為22～25 ℃，與設計參考溫度差值為2～7 ℃.通過理論計算，在合龍施工前溫度影響計算結(jié)果見表2.表2 中負值指合龍段收縮，主梁下?lián)?，塔偏向中跨偏?

表2 最大懸臂狀態(tài)下溫度影響結(jié)果

由表2 可知，合龍溫度主要影響最大懸臂狀態(tài)下的主梁標高，其次是塔偏，對合龍口寬度的影響較小.此外，合龍溫度對塔底應力以及主梁應力的影響也比較小.

3.3 溫度對成橋狀態(tài)參數(shù)的影響

在實際施工中，由于當?shù)貧鉁夭町?，合龍溫度不一定能達到設計參考溫度，因此，有必要預測現(xiàn)場合龍溫度和設計參考溫度對結(jié)構(gòu)影響的差值，以便及時采取措施.將25 和30 ℃合龍施工所得成橋狀態(tài)與設計參考溫度(20 ℃)目標成橋狀態(tài)進行比較，得到溫度對標高和索力的影響，分別見圖4 和圖5.該橋為對稱結(jié)構(gòu)，圖中數(shù)據(jù)取西塔側(cè)邊跨與中跨的數(shù)據(jù)，其中東、西塔最大塔偏偏差為5.8 mm.

圖4 合龍溫度對主梁標高的影響

圖5 合龍溫度對成橋索力的影響

由圖4 和圖5 可知，當合龍溫度與設計參考溫度不一致時，對預應力混凝土斜拉橋而言，影響最大的是主梁標高，其次是索力，而對塔偏的影響較小.當在25 和30 ℃時合龍，對主梁中跨最大影響是18#梁段截面標高，標高偏低了26.6 mm；對邊跨索力最大影響值為167 kN，中跨索力影響最大值為110.8 kN；對索塔偏位的最大影響值為5.8 mm.因此，在主橋合龍時，如果不規(guī)避溫度影響，會導致最終的主梁標高明顯偏低于目標成橋狀態(tài).

3.4 配重對主梁應力及塔偏的影響

對于預應力混凝土斜拉橋而言，合龍配重是合龍施工必不可少的一道工序.但此時合龍段為最大懸臂狀態(tài)，若承受荷載作用，中跨跨中截面必然會成為最不利截面，且此處也是最大撓度發(fā)生的位置.因此，合理地配重才能確保配重后橋梁結(jié)構(gòu)始終處于健康狀態(tài).該項目在22#主梁端頭配重61 t，以提供截面預壓應力.

通過Midas/Civil 計算分析，結(jié)果見圖6 和圖7.由圖6 和圖7 可知，在22#主梁端頭配重61 t對邊跨應力的影響比較小，其中邊跨16#塊梁端處主梁上緣應力增大，最大增大了0.157 MPa；下緣應力減小，最大減小了0.012 MPa.在離橋塔一定距離的主梁下緣應力增大，最大增大了0.038 MPa；上緣應力減小，最大減小了0.08 MPa.索塔處主梁上下緣應力變化小.而在跨中最不利截面處施加配重，使得跨中截面下緣應力增大，最大增大了0.1 MPa；上緣應力減小，最大減小了0.22 MPa.

圖6 主梁邊跨截面應力變化值

圖7 主梁中跨截面應力變化值

配重61 t 使得索塔向跨中多偏移了7.4 mm，這表明配重對成橋后的索塔受力有一定的影響.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在配重作用下，塔底應力變化量非常小(見表3)，即配重對索塔不利但能提高后期結(jié)構(gòu)運行的安全性.因此，配重對全橋結(jié)構(gòu)而言是有必要的.

表3 配重對塔底應力及索塔偏位的影響

3.5 配重后溫升溫降對橋梁結(jié)構(gòu)的影響

懸臂梁橋施工通常通過配重來調(diào)整成橋線型和主梁內(nèi)力，從而達到合龍所需要的效果.在實際施工時，由于存在溫度的影響，使得實際主梁標高偏離目標標高.因此，需要對配重后溫度變化時主梁標高及應力的變化進行研究.通過計算分析發(fā)現(xiàn)，溫度對主梁標高的影響大于配重的影響.由圖8 可知，配重后溫度不發(fā)生變化的情況下，邊跨主梁上拱最大為5.35 mm，中跨懸臂端主梁下?lián)献畲鬄?5.47 mm；當溫度升高10 ℃時，邊跨主梁下?lián)献畲鬄?.34 mm，中跨懸臂端主梁下?lián)献畲鬄?8.03 mm；當溫度降低10 ℃時，邊跨主梁上拱最大為40.10 mm，中跨懸臂端主梁上拱最大為34.99 mm，邊跨3#塊至中跨12#塊標高均下降.在升溫時，主梁上、下緣壓應力增大，其值超過了2 MPa，而降溫時，主梁上、下緣拉應力也增大，其值超過了2 MPa.雖然升溫使得主梁應力儲備增加，但同時也使得中跨主梁標高明顯低于目標標高；降溫更是使得主梁壓應力降低，撓度變化幅度增大.

圖8 配重后溫度變化對主梁標高的影響

配重后裝完模板的下一道工序是勁性骨架鎖定，若是在此過程中溫度發(fā)生較大變化，將導致成橋狀態(tài)明顯偏離目標狀態(tài).因此，要嚴格控制好配重時的溫度，盡量選擇在溫度變化小的環(huán)境下配重，并且縮短模板安裝時間.

3.6 不同溫度下體系轉(zhuǎn)換對橋梁結(jié)構(gòu)的影響

由于主梁懸臂施工的需要，需將0#塊主梁與索塔臨時固結(jié)，而在中跨合龍時則需解除臨時約束，即體系轉(zhuǎn)換.在此過程中，主梁撓度和主梁應力將受到較大的影響.通過計算分析可知，體系轉(zhuǎn)換將導致邊跨主梁下?lián)希锌缰髁荷瞎?，且標高影響量與體系轉(zhuǎn)換時的溫度有關，見圖9.

圖9 不同溫度下體系轉(zhuǎn)換對主梁標高的影響

當體系轉(zhuǎn)換與合龍環(huán)境溫度變化非常小時，邊跨主梁下?lián)现底畲鬄?6.8 mm，中跨主梁上拱值最大為7.2 mm.體系轉(zhuǎn)換還使得邊跨主梁壓應力增大，最大增加了2.05 MPa，中跨主梁壓應力最大增加了1.73 MPa.而當體系轉(zhuǎn)換比合龍后溫度低10 ℃后再解除臨時約束時，邊跨主梁下?lián)现底畲鬄?3.9 mm，中跨主梁上拱值最大為24.3 mm.體系轉(zhuǎn)換還使得邊跨主梁壓應力最大，最大增加了1.72 MPa，中跨主梁壓應力最大增加了1.53 MPa.

在解除臨時固結(jié)約束后，主梁壓應力增加，截面能儲備一定的壓應力，但當合龍后溫度驟降，此時再解除臨時約束時，邊跨主梁標高會明顯低于目標值；當選擇在白天高溫進行體系轉(zhuǎn)換時也會是同樣的效果.所以，合龍施工應該在夜間氣溫低的時候進行，并且在合龍施工完成后應及時解除臨時約束.

4 結(jié)論

1)合龍溫度對主梁標高的影響最大，最大懸臂處主梁撓度隨著溫度升高而增大；其對合龍寬度、塔偏、塔底應力與主梁應力影響較小.

2)當現(xiàn)場合龍溫度高于設計參考溫度時，主要影響目標成橋狀態(tài)主梁標高，使得邊跨、中跨跨中線型偏低；其次是索力；對塔偏的影響較小.

3)配重雖會使得索塔向中跨偏移，但能使主梁增加一定的應力儲備，因此，配重對橋梁結(jié)構(gòu)受力是有利的.配重后若溫度發(fā)生變化，將直接影響主梁的梁面標高，并對主梁應力影響較大.

4)體系轉(zhuǎn)換時主梁標高變化受溫度影響較大，降溫會使主梁標高變化幅度增大.

5)合龍施工應選擇在適宜的溫度(夜間或凌晨)下進行，并且在勁性骨架鎖定后應及時解除臨時約束.