李 果,范樹先,高 飛,曾 鑫,李 濤
(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司,天津 300222)
連續(xù)剛構(gòu)橋梁因其施工簡便、跨越能力強(qiáng)、成本低、技術(shù)成熟等諸多優(yōu)勢在國內(nèi)外橋梁建設(shè)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于連續(xù)剛構(gòu)橋梁體系屬于超靜定結(jié)構(gòu),當(dāng)環(huán)境溫度變化時,其結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力會隨之變化[1-3],進(jìn)而導(dǎo)致試件成橋時橋梁線形和內(nèi)力與設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)存在一定誤差。設(shè)計(jì)過程中的溫度作用一般僅考慮年平均氣溫。但在實(shí)際合龍施工中,常存在一定的溫度差,該溫度差作用常被忽略。因此,不同的合龍溫度對最終成橋的力學(xué)性能有著不同的影響。為使成橋后的內(nèi)力狀態(tài)更加合理,應(yīng)確定最佳的合龍溫度。國內(nèi)外學(xué)者針對合龍溫度對連續(xù)剛構(gòu)橋梁體系結(jié)構(gòu)性能影響方面展開了一系列的研究。
涂光亞等[4]以某鋼混組合斜拉橋?yàn)槔?,分析合龍溫度對最大懸臂狀態(tài),成橋狀態(tài)下的標(biāo)高、索力、應(yīng)力等狀態(tài)參數(shù)的影響,并提出了合龍段焊接期間當(dāng)溫度變化時臨時匹配件的受力計(jì)算方法。
劉文強(qiáng)等[5]針對高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁中的合龍溫度對橋梁線形和內(nèi)力影響問題,在考慮施工階段對其成橋力學(xué)性能的影響基礎(chǔ)上,分析了不同合龍溫度和合龍順序下的力學(xué)性能變化,提出了高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁的最佳合龍順序。
萬金武[6]開展了實(shí)際工程的橋梁標(biāo)高、應(yīng)力和梁體長度隨環(huán)境溫度長期變化研究,并提出了鋼混組合梁橋的最佳合龍溫度。
范鑫[7]基于某橋梁的實(shí)測溫度場,進(jìn)一步分析了日照溫度作用下主墩偏移和預(yù)應(yīng)力水平下降對懸臂端撓度的影響規(guī)律,并給出最佳合龍溫度的建議。
目前雖然各國學(xué)者開展了溫度作用對橋梁力學(xué)性能影響的研究,但關(guān)于合龍溫度對橋梁力學(xué)性能影響方面研究較少,并且多關(guān)注于最佳合龍溫度的確定,關(guān)于合龍溫度對結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力方面的研究有所欠缺。因此,本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)組合連續(xù)梁為例,開展了不同合龍溫度(結(jié)構(gòu)體系溫度差)對主梁線形、主梁應(yīng)力、橋墩水平位移的參數(shù)分析,得到了其對橋梁力學(xué)性能的影響規(guī)律。
本文以廣西壯族自治區(qū)柳州市紅水河渡槽橋中的三跨矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁為例。紅水河渡槽橋梁段全長466.1 m,最大跨徑為150 m。上部結(jié)構(gòu)采用83.55 m+150 m+83.55 m 的雙幅變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)形式。下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用承臺+樁基的形式,其中2#,3#墩為主墩,墩高分別為16.5 m 和18.2 m。主墩為雙肢薄壁墩。主梁混凝土采用C55 混凝土,橋墩采用C40 混凝土。箱梁設(shè)置三向預(yù)應(yīng)力鋼絞線,預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用直徑為15.2 mm 的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。普通鋼筋為HRB400??拐鹪O(shè)計(jì)等級為6 度。紅水河渡槽橋梁立面布置及主梁截面示意圖如圖1 所示。
圖1 橋梁布置尺寸示意圖
采用Midas Civil 2020 建立紅水河渡槽橋的空間三維有限元模型,主梁和橋墩采用梁單元進(jìn)行模擬。對中間的2#墩和3#墩的底部施加固結(jié)約束,兩側(cè)邊跨梁端施加一般彈性支撐約束。全橋共有324 個節(jié)點(diǎn),264 個單元。根據(jù)橋梁的施工過程,劃分了18 個大施工階段,63 個小施工階段。主梁的混凝土等級為C55,橋墩的混凝土等級為C40。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測值,混凝土彈性模量分別為37.2 GPa 和33.6 GPa,容重統(tǒng)一為26 kN/m3,泊松比為0.2。預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa,張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa,普通鋼筋采用HRB400 等級,鋼筋與鋼絞線的彈性模量取195 GPa,全橋有限元模型如圖2 所示。
圖2 全橋有限元模型
根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髿鉁仫@示,該橋所處的平均最高氣溫約為39 ℃,最低溫度約為-3 ℃。橋梁的設(shè)計(jì)合龍溫度為(10±2)℃。因此,本文考慮不同合龍溫度與最高、最低年平均溫度的溫差來模擬體系溫差對橋梁的線形、應(yīng)力、橋墩變形及合龍時所需頂推力的影響。主要分析合龍溫度為15 ℃,20 ℃,25 ℃三種溫度工況下的影響。合龍順序根據(jù)施工進(jìn)度與設(shè)計(jì)方案采用先邊跨合龍后中跨合龍的方式。在分析過程中,考慮混凝土10 年的收縮徐變影響。
為明確結(jié)構(gòu)體系溫度差對橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,基于上述建立的施工階段模型,本文詳細(xì)分析了三種不同合龍溫度工況下的主梁截面上、下翼緣的應(yīng)力,主梁的豎向位移及橋墩的水平位移的影響。得到合龍溫度對連續(xù)剛構(gòu)橋梁上述橋梁指標(biāo)的影響規(guī)律。
主梁的線形是橋梁的重要指標(biāo)之一,其會影響到成橋后的行車舒適度及美觀度。本文基于三維空間有限元模型,分析了三種合龍溫度工況下的主梁成橋線形及最大懸臂狀態(tài)下的主梁位移變化,具體結(jié)果如圖3 與表1 所示。
表1 最大懸臂狀態(tài)下的主梁最大位移
圖3 成橋狀態(tài)下主梁線形
從圖3 可以看出,在成橋階段,不同的溫度下,主梁線形趨勢基本一致。隨著合龍溫度的不斷增加,主梁的位移逐漸增大。當(dāng)合龍溫度分別為15 ℃,20 ℃,25 ℃時,對應(yīng)的中跨跨中最大位移分別為-33.6 mm,-41.7 mm,-49.2 mm。當(dāng)溫度從15 ℃升高至25 ℃時,溫度每增加5 ℃,中跨跨中最大位移分別增加了8.1 mm,7.5 mm;中跨跨中的最大位移分別增長了24.1%,18%。從表1 可以看出,對于橋梁的最大懸臂狀態(tài)下的主梁變形,由于該三跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁為對稱體系。每個T 構(gòu)的左右兩端的位移相差不大。2#T 構(gòu)和3#T 構(gòu)由于主梁橋墩的高度影響,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果略有區(qū)別。從計(jì)算結(jié)果來看,當(dāng)合龍溫度從15 ℃增加到25 ℃時,溫度每增加5 ℃,2#T構(gòu)左右兩端的最大位移分別增加4.4 mm,4.0 mm。最大位移分別增長了35.7%,23.6%;3#T 構(gòu)左右兩端的最大位移分別增加5.2 mm,4.2 mm。最大位移分別增長了39.7%,22.9%。隨著體系溫差的升高,主梁的最大位移在不斷增大,但增長幅度有所下降。因此,選擇與設(shè)計(jì)合龍溫度差較小的溫度下進(jìn)行合龍最佳。可明顯降低體系溫度差對成橋后主梁變形的影響,更有利于橋梁后期通車階段的正常運(yùn)營。
本文給出了溫度為20 ℃情況下主梁的最大應(yīng)力分布圖(見圖4),成橋階段下跨中截面和橋墩截面(見圖5)及最大懸臂狀態(tài)下的懸臂截面的主梁上、下翼緣應(yīng)力(見表2~表3)。
表2 最大懸臂狀態(tài)下的懸臂截面上翼緣應(yīng)力
表3 最大懸臂狀態(tài)下的懸臂截面下翼緣應(yīng)力
圖4 主梁溫度應(yīng)力分布圖
由圖5 可知,在成橋階段,不同合龍溫度工況下,該橋梁的主梁上、下翼緣應(yīng)力差值較小。其中除橋墩對應(yīng)截面上翼緣受拉,下翼緣受壓外,其余跨中截面上、下翼緣均處于受壓狀態(tài)。最大應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)在中跨跨中截面,當(dāng)合龍溫度分別為15 ℃,20℃,25 ℃時,上翼緣的應(yīng)力較前者工況差值分別為0.26 MPa,0.43 MPa;而下翼緣的應(yīng)力較前者工況差值分別為0.7 MPa,0.96 MPa。最大差值達(dá)到11.6%。可以看出,隨著合龍溫度的升高,截面最大應(yīng)力差值也在不斷增加,但應(yīng)力差值總體變化不大,這說明合龍溫度的變化對成橋階段主梁的應(yīng)力影響并不顯著。
由表2~表3 可知,在最大懸臂狀態(tài)下,由于2#T 構(gòu)和3#T 構(gòu)結(jié)構(gòu)體系對稱,兩端截面應(yīng)力總體相差不大。上、下翼緣應(yīng)力總體呈現(xiàn)出隨溫度升高而逐漸增大的趨勢,上、下翼緣應(yīng)處于受壓狀態(tài)。以3#T 構(gòu)為例,當(dāng)合龍溫度分別為15 ℃,20 ℃,25 ℃時,上翼緣的應(yīng)力較前者工況差值分別為0.9 MPa,1.1 MPa;而下翼緣的應(yīng)力較前者工況差值分別為0.8 MPa,1.0 MPa。最大差值達(dá)到13.7%。由此可見,合龍溫度的增加對于最大懸臂狀態(tài)下的主梁應(yīng)力影響程度略大于成橋狀態(tài)下的主梁應(yīng)力。綜合成橋狀態(tài)和最大懸臂狀態(tài)下的主梁截面應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn),隨著合龍溫度的增加,該橋梁體系與設(shè)計(jì)合龍的溫差逐漸增大,導(dǎo)致截面應(yīng)力也在不斷增加。但增加的幅度較小,當(dāng)合龍溫度為25 ℃(與設(shè)計(jì)合龍溫差相差15 ℃)。最大應(yīng)力差僅為1.0 MPa。
在三種不同溫度工況下,對該橋梁進(jìn)行有限元計(jì)算。得到2#墩和3#墩在最大懸臂狀態(tài)下的橋墩縱向水平位移,具體結(jié)果見表4。
表4 最大懸臂狀態(tài)下的墩頂水平位移
從表4 可以看出,隨著溫度的逐漸增加,橋墩的縱向水平位移逐漸增大。不同溫度下的橋墩縱向水平位移相差較大。橋墩縱向水平位移的最大值出現(xiàn)在3#墩處,這是由于3#墩高度大于2#墩。當(dāng)合龍溫度分別為15 ℃,20 ℃,25 ℃時,2#T 構(gòu)的縱向水平位移較前者相差分別為14.1 mm,16.5 mm,相差幅度分別為36.9%,31.5%;3#T 構(gòu)的縱向水平位移較前者相差分別為14.7 mm,18.5 mm,相差幅度分別為34.5%,32.3%。對比分析可以發(fā)現(xiàn),隨著體系溫差的增大,墩頂水平位移不斷增加,并且不同溫度下,相差較大。從15 ℃~25 ℃時,最大位移相差33.2 mm。由此可見,合龍溫度對墩頂水平位移影響顯著。因此,在合龍階段,選擇合理的合龍溫度尤為重要。
本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)組合連續(xù)梁為工程背景。在不同合龍溫度下,對矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁的力學(xué)性能影響,采用數(shù)值分析的方式研究了合龍溫度對主梁線形、應(yīng)力、橋墩縱向水平位移的影響,結(jié)論如下。
1)三種不同合龍溫度下,在成橋階段和最大懸臂狀態(tài)下時,主梁的上、下翼緣應(yīng)力隨溫度的升高而逐漸增大。當(dāng)溫度由15 ℃增加到25 ℃,跨中截面最大應(yīng)力相差為1.0 MPa,表明合龍溫度對連續(xù)剛構(gòu)體系橋梁主梁上、下緣壓應(yīng)力的影響較小。
2)三種不同合龍溫度下,合龍溫度對剛構(gòu)-連續(xù)組合體系梁橋主梁線形與橋梁墩頂縱向水平位移影響較大。當(dāng)溫度由15 ℃增加到25 ℃,跨中截面處位移增加了9.4 mm;墩頂縱向水平位移增加了33.2 mm。因此,應(yīng)選擇合適的合龍溫度來降低主梁變形和橋墩墩頂縱向水平位移。