大跨刚构连续梁劲性骨架和托架设计的温度作用力

刘巨海

（中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西 西安710043）

0 引言

采用挂篮悬臂浇筑的连续梁或连续刚构桥，其合龙段一般采用劲性骨架加固，通过配重使两悬臂端在合龙前高差保持固定，从而使在浇筑合龙段过程中，两悬臂端变形一致，更加有利于保证其线形[1]。此外，在合龙混凝土灌筑后，强度增长的过程中，若梁面在日照作用下产生温度梯度，悬臂端下挠势必对合龙混凝土产生挤压及剪切，此时就需依靠劲性骨架来保护合龙混凝土不被挤压剪切破坏[2-3]；当环境温度降低时，两侧悬臂混凝土收缩，将对合龙混凝土产生拉力，此时不仅要进行劲性骨架锁定，还要张拉部分预应力钢绞线（刚构连续梁采取顶梁时可不进行预张拉），以此来抵消拉力对合龙混凝土的破坏。与劲性骨架一样，合龙段托架除了要承受现浇段及合龙段混凝土的重量外，也要承受温度变化引起的剪力。由此可见，温度作用对劲性骨架、托架的设置起着十分重要的作用。鉴于此，本文以沪昆客专沅江大桥（88+168+88+40）m 刚构连续梁为工程背景，结合理论分析和现场试验，研究合龙前在温度作用下的梁端下挠力及挤压力，进而对劲性骨架及托架设计提供了依据。

1 工程概况

沅江大桥位于湖南省怀化市铜湾水库内，连续梁跨度为（88+168+88+40）m，梁体截面采用单箱单室、变截面直腹板形式，全长385.8m。该桥中支点梁高12m，边支点、跨中及40m单臂悬浇段梁高6.0m。箱梁顶宽12.0m，底宽7.0m，顶板厚度除梁端附近及中支点附近外，均为0.45m；腹板厚分别为0.5～1.1m，按折线变化；底板厚度由跨中的0.5m 按二次抛物线变化至根部的1.5m。梁体在支点及跨中等处共设置8道横隔板，箱梁两侧腹板与顶板相交处外侧，均采用圆弧倒角过渡。

本桥采用悬灌施工，边跨悬臂21 个节段，最长悬臂长度为83m。该桥共有2个桥台支架现浇段和3 个墩顶托架现浇段，4 个合龙段，合龙段长2.0m，其中，主跨合龙段重150t，其他合龙段重72t，采用先主跨、后次边跨、再边跨的顺序进行合龙。主跨设计顶梁力4 000kN。中跨采用吊篮合龙，其余利用托（支）架合龙。

2 理论分析与现场试验

按照设置方式劲性骨架可分为两种[4]：①体内式劲性骨架，其优点是劲性骨架埋在梁体中，不影响桥梁外观；缺点是体内式劲性骨架多埋置在箱梁的倒角处，给合龙段的钢筋绑扎带来不便，合龙后体内式劲性骨架可抵消部分预应力，使合龙段混凝土所受预应力减少；②体外式劲性骨架，在悬臂端顶板、底板表面预埋钢板，用刚度较大的型钢焊接在预埋钢板上，待成桥后将骨架切割移除，优点为便于中跨合龙段横隔板钢筋的绑扎，混凝土的振捣，张拉前拆除劲性骨架，对合龙段混凝土的预应力无影响。本桥劲性骨架设置采用体外式，在悬臂端顶板、底板表面预埋钢板，采用双拼I40作支撑焊接在预埋钢板上，布置形式如图1 所示。边跨直线段托架采用I22 作牛腿支撑，支架采用5根Φ 426螺旋管支撑。

图1 劲性骨架布置图

2.1 边跨现浇段托架设置

托架设置除考虑现浇段自重、合龙段混凝土自重外，还要考虑梁体在温度作用下，下挠引起的剪力，即：托架受力N=现浇段自重+合龙段重量/2+施工荷载+下挠产生的剪力。为此，笔者对下挠力进行现场测试。在梁端对地基进行加固处理并安装反力墩，反力墩采用Φ830 螺旋管，管内填充C40混凝土振捣密实，顶面预埋3cm厚钢板，钢板顶面确保水平，首先使用千分表测量下挠值随时间温度的变化，然后采用测力器测量下挠力随时间温度的变化。通过试验得出结论：当环境气温升高时，梁体升温具有滞后性，在15：00气温达到最高时，下挠量及下挠力并未达到最大，而是在16：50 气温开始回落时最大；在4：00 气温达到最低时，下挠量及下挠力并未达到最小，而是在7：00 气温开始回升时最小；通过合龙前试验测得受阳光照射下，昼夜温差10℃，梁端最大下挠量为13mm，最大下挠力为260kN，下挠量与下挠力成线形分部。因此，推算悬臂端每下挠10mm，产生的剪力为200kN。

2.2 中跨合龙段劲性骨架设置

（1）劲性骨架强度主要考虑的因素为水平力，包括设计顶梁力（或临时张拉力）、梁体温度变化引起的温度内力。根据设计要求，中跨顶梁力是根据主跨10年收缩徐变产生的变形反算求得，顶推力受实际合龙温度影响。本桥设计合龙温度为15～18℃，实际合龙温度为28℃，Δt=28－18=10℃。

式中：a为混凝土线性膨胀系数，取10-5；Δt为实际合龙温度与设计合龙温度差；L为悬臂端梁总长度为16.8m。

式中：N为梁因温度引起的轴向力；Lih为悬臂段各阶段长度；为悬臂段各阶段截面积；En为悬臂段混凝土的弹性模量。

通过公式②可知：

由公式（1）可知，在合龙前单端悬臂状态下，梁体温度升高10℃，单个悬臂端受温度影响伸长ΔL/2=8.4mm，由于梁体自身刚度较大，墩身设计为薄壁墩，且为高墩可视为柔性墩，通过midas 软件模拟在跨中给T 构施加强制位移ΔL/2=8.4mm，通过分析墩身弯矩和墩身剪力可知：1#墩单肢墩顶弯矩为80.3t.m，墩底弯矩为89.6t.m，2#墩单肢墩顶弯矩为75.1t.m，墩底弯矩为83.7t.m；1#墩承受推力为4.5t（450kN），2#墩承受推力为4.1t（410kN），小于3 688.9kN，取其小，可知梁体受温度影响每变化1mm需承受48.8kN的轴力。

为了验证理论计算，笔者对悬臂端在不同温度下的伸长量和挤压力进行测试，分别采用千分表和测力器（见图2）对主跨合龙段在温差作用下的梁体伸长量和挤压力进行测量（见表1）。从实测结果可以看出，当昼夜温差为10℃时，梁体的变化值为2.5mm，远小于理论值；由温度升高影响梁体的温度轴力为107kN，可推算出梁体受温度影响每变化1mm需承受42.8kN的轴力，与midas软件计算相吻合。

图2 测量仪

表1 合龙段日照温差下挤压力实测记录表

表1（续）

因此，中跨合龙段劲性骨架所受水平力为F=N=4 000+107=4107kN。从强度方面考虑劲性骨架需满足：

可推算出：

选用双拼I40，则A=8607mm2×8=0.0689m2满足要求。

（2）从保证中跨抗拉、抗压刚度方面考虑，要求劲性骨架焊接后在昼夜温差作用下的伸长和缩短不超过混凝土的抗拉应变值，尽量对处于养护期间的混凝土不产生扰动，从而保证混凝土质量。

2.3 边跨合龙段劲性骨架设置

边跨合龙段连接悬臂端和支（托）架现浇段，支架现浇段在温度变化时竖向变形很小，可以忽略不计，而悬臂端受到温度变化时不仅产生纵向变形，而且产生竖向变形，将使合龙段产生竖向错动，因此，边跨劲性骨架强度在设置时，除了考虑水平力外，还要考虑合龙段混凝土自重、阳光照射梁面影响梁体下挠力及施工荷载作用产生的剪力。

（1）边跨劲性骨架所受轴力为临时预应力束提供的压力、边跨直线段与支架、支座之间的摩擦力。

温度升高时：

温度降低时：

简化为轴向受力：

式中：NG为合龙段/2重+边跨直线段混凝土重量；μ为支座的摩擦系数，球形钢支座取0.06；混凝土与木头之间的摩擦系数取0.5；Fy为临时锁定束的张拉力，为保证合龙段混凝土不受拉，要求Fy≥NG·μ。

从计算式可知，劲性骨架只承受临时锁定束提供的压力和梁体伸缩产生的摩擦力，且劲性骨架的强度是由升温时应力大小决定的；由于合龙前边墩活动支座受限、悬臂梁受临时固结限制，两者之间相对距离完全固定，因此要求在边跨合龙口锁定后，应立即释放边墩滑动的限位装置，使合龙后的结构体系形成一端固定，一端滑动的静定体系。

（2）根据现场实际测量，受温度影响悬臂端竖向位移a=13mm，经过计算，限制梁端单位竖向位移，需在梁端施加反向力。假定在温度变化和劲性骨架作用下，悬臂端下降Δh=3mm，此时骨架所受剪力为：

通过测力器实际测量，梁体的下挠力为260kN，理论与实际测量相符，因此，劲性骨架的剪切变形为：

式中：lb、ld为边跨长度、墩高；Id、Ih为墩身、梁体的截面抗弯惯距；γ为劲性骨架的剪切应变；Gs为钢材的剪切模量。

由变形协调得：Δh=η

求得悬臂段沉降为：

劲性骨架剪应变为：

由此可得，劲性骨架考虑边跨抗剪切应力和变形的最小截面积，以满足合龙段混凝土的养护要求。

（3）从满足边跨抗弯曲和变形要求考虑，劲性骨架可以看作是固端梁，悬臂端的竖向位移必然引起劲性骨架的固端弯矩，因此劲性骨架也有抗弯要求。边跨合龙段布置图如图3所示。

图3 边跨合龙段布置图

由图4可知，劲性骨架的固端弯矩为：

因此，骨架的最大应力为：

式中：hs为劲性骨架顶板肢顶面到底板肢底面的距离。

图4 边跨抗弯计算简图

从刚度方面考虑，骨架的最大线应变为：

式中：Es=2.1×105；Ec=3.45×105；[εc]=0.002

3 结语

在预应力刚构连续梁合龙段施工时，通过理论计算悬臂端在温度变化时产生的轴向拉压力、剪切力，与测力器实测轴向挤压力、下挠力进行对比得出结论：实测挤压力远小于理论值，因为梁体在温度作用下膨胀时，由于受纵向预应力的约束，实际产生的伸长值小于理论伸长值，在劲性骨架锁定后，此位移主要由墩身变形转化为对墩身的推力，墩身越高推力越小；受温度影响下挠引起的剪力与理论相符，悬臂端下挠10mm约产生200kN的力。

通过计算分析，劲性骨架截面的大小不是由强度控制的，而是由刚度控制的。为了保证合龙段混凝土养护期间不受扰动，保证合龙段混凝土质量，要求劲性骨架具有较大的刚度，且在边跨直线现浇段托架设计时，除考虑现浇段、合龙段混凝土重量、施工荷载外，还要考虑温度作用下悬臂端下挠引起的剪力。

由计算可知，劲性骨架支撑工字钢主要受轴向压缩，支撑工字钢相连的预埋钢板与梁体之间的剪力等于工字钢的轴力，为了使预埋钢板能提供足够的剪力，建议在钢板下方焊接“几”字形锚固钢筋，并要求焊缝强度及锚固钢筋的抗剪能力满足要求。

[1] 汪剑，方志.大跨预应力混凝土连续梁桥施工控制研究[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2003，30（3）：130-133.

[2] 张明远，卢哲安，刘飞鹏，等.某大跨预应力混凝土连续梁桥的温度效应分析[J]. 武汉理工大学学报，2007，29（2）：110-113.

[3] 胡竞先.高墩连续大跨预应力刚构桥温度效应影响分析[J].湖南工业大学学报，2009（2）：6-9.

[4] 谢尚英，钱冬生.劲性骨架混凝土拱桥施工阶段的非线性稳定分析[J].土木工程学报，2000（1）：23-27.

[5] 陈丽敏.混凝土刚构桥高大边跨不平衡现浇施工技术[J].石家庄铁道学院学报，2007（1）：125-130.

[6] 刘鸿，何崇雄，张磊.连续梁边跨特长现浇段托架设计方案优化分析[J].西部交通科技，2013（8）：99-105.