预应力混凝土连续梁桥温度-挠度试验研究

董　旭， 蔚龙祥， 路　军， 高大峰， 陈凯旋

(西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安　710055)



预应力混凝土连续梁桥温度-挠度试验研究

董旭， 蔚龙祥， 路军， 高大峰， 陈凯旋

(西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安710055)

[摘要]在大跨径预应力混凝土连续梁桥悬臂施工中，通常因温度变化所致主梁产生较大的挠度，给大桥的合拢造成严重的困难。结合工程实例，在龙溪港大桥0#块端部布置温度计，对温度和挠度进行一昼夜的观测；并分析温度和挠度数据，利用最小二乘法进行温度场分布曲线的拟合。然后，建立有限元模型，计算拟合温度场下的理论温度挠度。结果表明，温度对主梁的挠度影响很大，最大值为32 mm；温度变化引起的挠度与外温呈现出相反的变化趋势，并且挠度值随悬臂长度的增大而逐渐增大，因此，选择最佳的合拢时间对大跨径预应力混凝土连续梁桥成桥后的线形和受力至关重要。

[关键词]连续梁桥； 悬臂施工； 温度分布曲线； 挠度； 温度模式

0前言

大跨径预应力混凝土连续梁桥施工过程和成桥状态具有很大的关联性，尤其在悬臂施工中，施工阶段的结构状态与成桥状态存在较大的差异[1]。为保证合拢后主梁能达到设计所要求的线形和内力状态以及成桥质量和通车安全，必须严格控制施工过程中的主梁线形[2]。然而处于外环境中的桥梁结构受到诸如日照辐射、外界温度变化的影响，在梁体内部形成不均匀的温度场，致使梁体在悬臂施工中产生不可避免的温度变形[3,4]。

关于桥梁温度效应的研究，国内外学者已做过很多相关的工作。如美国的ZUK[5]采用线性温度分布分析了结合梁的温度应力;英国的D.A.Stephenson[6]以表面温度波为依据，采用非线性指数函数分析了混凝土结构壁厚方向的温度分布；康为江[7]认为，在温度梯度作用下，顶板下缘出现拉应力，并且跨中混凝土应力值较大；叶见署[8]系统分析了温度对悬臂施工的影响后认为，平行的双幅桥梁可以按照单幅来考虑温度分布等。虽然这些研究成果具有一定的参考价值，但是并未对大跨混凝土连续箱梁桥的温度梯度做出规定，并且也没有提供各种截面型式以及各个地区的详尽说明。因此，在施工过程中，结合地区气象观测资料对现场桥梁温度场进行实际观测是很必要的。

本文以湖州市龙溪港大桥-三跨预应力混凝土连续梁桥为工程背景，通过对温度和挠度测点的24h观测，拟合最不利时刻的温度分布曲线，并利用Midas/Civil2013建立有限元模型，进行大跨混凝土连续梁桥的温度—挠度试验研究。

1温度和挠度现场试验

1.1工程概括

湖州市龙溪港大桥，跨越三级航道，主桥中心桩号k2+743.3。主桥上部结构为75m+130m+75m双幅预应力混凝土箱形变截面连续梁桥(见图1)，南北走向，南为大桩号方向；箱梁顶板宽15.5m，翼缘板悬臂长为3.5m，由单箱单室箱形截面组成。主墩与箱梁相连的根部断面梁高7.8m，跨中和边跨现浇段梁高为3.2m，箱梁跨中截面底板厚度0.32m，根部截面底板厚度0.915m，中间底板厚度按1.8次抛物线变化。主桥节段采用悬臂法施工，分为0～14号块、边跨现浇、边跨合拢、中跨合拢段。

图1　龙溪港大桥主桥纵向布置图(单位： cm)Figure 1　The layout diagram of long xi gang bridge(unit: cm)

1.2温度观测与温度梯度拟合

温度计布置在离左幅31号墩中心线6.5m处的A-A截面，其横向布置图见图2；温度计采用的是长沙金马高科技有限公司生产的JMT-36B半导体温度计；从2014年10月19日凌晨01:30到夜晚23:30，进行24h监测，每2h观测一次，得到顶板、腹板以及底板的温度-时间观测结果，见表1和表2；

观察表1和表2可知：

图2　温度计布置图(单位： cm)Figure 2　The section layout diagram of temperature measuring pointsr(unit: cm)

表1 顶板和底板温度-时间观测结果Table1 Theobservationoftemperature-timeinroofandfloor时刻顶板温度/℃底板温度/℃1点2点3点10点11点12点01:3020.720.321.019.920.823.003:3020.219.420.219.920.922.805:3019.318.519.019.820.722.407:3019.919.018.919.520.522.109:3020.419.419.319.320.122.011:3024.322.220.019.619.922.013:3028.125.422.820.720.522.115:3029.026.724.421.120.822.617:3027.625.823.621.921.923.019:3024.823.822.920.721.122.921:3023.422.522.520.921.623.123:3022.120.921.420.220.923.0

表2 腹板温度-时间观测结果Table2 Theobservationoftemperature-timeinweb时刻左腹板温度/℃右腹板温度/℃4点5点6点7点8点9点01:3020.021.121.220.722.222.703:3020.321.421.720.522.122.505:3019.721.221.520.222.022.507:3019.821.121.320.121.922.309:3019.921.021.220.021.722.211:3020.621.021.220.321.622.113:3021.020.320.420.620.921.515:3021.420.420.521.020.821.517:3021.320.420.521.121.021.419:3021.120.920.921.222.222.421:3021.020.821.020.922.122.523:3019.720.520.720.422.122.5

① 顶板温度变化明显，而底板温度整体变化缓和；

② 在升降温过程中，顶板和底板在下午15:30温差最大，为8.2 ℃；在早晨07:30温差最小，为-3.2 ℃；

③ 左右腹板温度变化趋势大致相同，左腹板温度变化大于右腹板，这主要因为左腹板位于东侧，受到日照的细微辐射，而右腹板处于两幅之间(两幅之间仅25cm)；

桥梁结构的温度场属于三维温度场，由于纵向长度远远大于桥梁竖向高度和横向宽度，其温度场对桥梁的影响微弱，因而忽略纵向的温度场，把三维的温度场转化为一维的竖向高度或者横向宽度温度场进行研究[9-11]，考虑到横向宽度方向的温差很小，所以本文只对沿梁高方向的温度分布进行研究。

最不利时刻(15:30)温度沿梁高方向分布见表3，取左右腹板6个测点的平均值作为3.613m梁高处的温度，并且假定此处温度为0 ℃。

表3 梁高方向温度分布Table3 Thetemperaturedistributionofthebeam'sheight离梁表面距离y/m温差T/℃离梁表面距离y/m温差T/℃0.048.23.61300.146.056.3510.050.243.756.769-0.11.10.27.1860.3

运用MATLAB软件拟合温度分布曲线，得ΔT=10.17 ℃，c=3.978；对ΔT和c取整，于是得拟合温度分布曲线(见图3)：Ty=10 e-4y；由拟合温度分布曲线可知：离梁表面距离1m内温差最明显，大于1m的温度分布比较均匀。

图3　拟合温度分布曲线Figure 3　Fitting temperature distribution curve

1.3温度挠度观

该桥悬臂施工段共分为14块(3×3.5+5×4.0+6×4.5m)，为保证顺利合拢，在13号块张拉之后，对11、12、13号块梁端进行24h标高监测，假定01:30时刻温度引起的挠度为0，其他时刻温度引起的挠度采用相对值，悬臂施工梁段见图4；每个梁端布置3个测点(见图5)，取其平均值作为温度引起的挠度，观测结果见表4；图6为11、12、13号块梁端的温度—挠度—时间变化曲线。

图4　悬臂施工梁段Figure 4　 The girder section of cantilever constuction

图5　梁端测点Figure 5　 The points of girder end

表4 温度—挠度—时间Table4 Thetemperature-deflection-time时刻箱外环境温度/℃梁端挠度/mm11号块12号块13号块01:301400003:3012.723305:3011.834507:3013.856609:3020-10111:3020.9-15-17-1913:3025.7-27-29-3315:3025.1-29-30-3217:3021.7-20-19-2219:3016.8-12-13-1521:3014.5-8-9-1123:3013.8-4-4-6

图6　温度—挠度—时间变化曲线Figure 6　The change curve of temperature-deflection-time

①通过温度—挠度—时间曲线(见图6)可知: 随着温度的降低，箱梁上下表面温差逐渐减小，箱梁向上挠度逐渐增大，当温差到达最小(5:30时刻)时，最远端13号块挠度为+5mm；之后，随着温度的升高，箱梁上下表面温差逐渐增大，箱梁向下挠度逐渐增大，当温差达到最大(15:30时刻)时，最远端13号块挠度为-32mm。

②梁上下表面温差越大，梁端下挠值越大，但二者不成线性关系。

③温度引起的挠度有一定的滞后性。当外温降至最小时，上挠并不是最大；同样，当外温升至最大时，下挠也并不是最大。

2有限元建模分析

采用空间梁单元建立桥梁分析模型，主梁为预应力混凝土结构，有限元计算时将结构离散为78个梁单元，模型示意图见图7，梁段采用C55混凝土，混凝土热膨胀系数为1.0×10- 5，容重取2.6×103kg/m3,弹性模量为3.45×104MPa。

图7　有限元模型Figure 7　Calculation model diagram of FME

3温度-挠度的计算分析

在获得主梁截面高度方向的温度分布曲线后，对龙溪港大桥13号块悬臂状态下进行有限元分析，得出最不利时刻下的分析结果，并与现场实测值进行比较，见表5，图8。

表5 臂长—挠度结果Table5 Theresultsofarmlength-deflection施工块悬臂长度/m挠度/mm温度理论温度实测其他荷载110-4-2-0.2213.5-5.6-7-0.37317-7.3-12-0.82421-9.4-13-1.66525-11.6-16-2.80629-13.8-19-4.33733-16.2-19-6.10837-18.5-23-8.43941.5-21.2-24-10.71046-23.7-26-12.91150.5-26.1-29-14.31255-28.1-30-16.71359.5-29.7-32-19.0

图8　臂长—挠度曲线Figure 8　The curve of length-deflection

臂长—挠度曲线见图8，由表5和图8可知：

① 无论是温度理论挠度和实测挠度，还是其他荷载挠度(恒载、收缩徐变、预应力组合作用下的主梁挠度)都与悬臂长度成线性关系。

② 最不利时刻下实测温度挠度相比理论温度挠度稍大些，但是大致吻合，因此可以认为，本文拟合的温度分布曲线较符合实际的温度分布曲线，可以为以后该地区同类桥梁的设计提供参考。

③ 13号块悬臂端温度引起的最大挠度值为32mm，由其他荷载引起的挠度值为19mm，温度挠度值是其他温度挠度的1.5倍。因此，在大跨径预应力混凝土连续梁桥施工过程中，温度挠度是起主导作用的，选择最佳的合拢时间是至关重要。

④ 根据温度实测挠度得出最不利时刻温度挠度拟合线为y=-0.5556 x-0.6655，也可以得出其他时刻温度挠度拟合线，以此可以推测出14号块悬臂端在各个时刻由温度产生的挠值，这样可以避免因观测时间不同而带来的误差。

4结论

本文通过对温度—挠度的现场观测和计算分析，得出温度对挠度有很大的影响，且不可以忽略，尤其是在大跨径连续梁桥悬臂施工中，其主要结论如下：

① 由温度—挠度—时间变化曲线可知，温度产生的挠度与外温呈现一种相反的趋势，即：随着温度的降低，挠度逐渐向上；温度升高，挠度逐渐向下。

② 在其他条件不变的情况下，悬臂越长，由温度引起的挠度越大，因此，在大跨径悬臂施工中需要加强施工温度的控制。

③ 此次试验可为14号块的立模以及合拢段提供直接依据，根据试验研究数据可知，应选择在7:30之前立模；也可知合拢的最佳时期为1:30～7:30，这一时期内，悬臂端温度挠度变化较小，同时也要纠正施工中认为外温低(19:30～23:30)就可以合拢的错误观念，外温高低和挠度大小没有直接联系，与挠度直接联系的是梁上下表面的温差。

④ 在最不利时刻，温度引起的最大挠度值为32mm，其他荷载引起的挠度值为19mm，温度挠度为其他荷载挠度的1.5倍；因而，在合拢前进行温度—挠度观测分析是至关重要的。

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TestandResearchonTemperature-deflectionforPrestressedConcreteContinuousGirderBridges

DONGXu，WEILongxiang,LUjun，CHENKaixuan

(Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an，Shanxi710055，China)

[Abstract]In cantilever construction of long span prestressed concrete continuous girder bridge, the change of temperature often generates large deflection of the main girder, and brings serious difficults to closed period. Combined with engineering instance,to decorate thermometer and strain gauge in the Longxigang bridge of 0 block, and observe the temperature and deflection during day and night on the spot. To analyze the data of temperature and deflection, and get temperature field distribution curve fitting according to the least square method. Then, to calculate theoretical temperature deformation under the temperature field according to the finite element mode. The results showed that temperature has a great influence on the deflection ,the maximum value is 32mm.The deflection caused by temperature change and outside temperature are showing the opposite trend, and with the increase of the cantilever ,the deflection increases; so it is very important to choose the best closing times on the linear and stress of long span prestressed concrete continuous girder bridge.

[Key words]girder bridge； cantilever construction； temperature distribution curve； deformation； temperature

[收稿日期]2015-10-28

[基金项目]陕西省重点学科建设专项基金项目(E01004)；国家自然科学基金项目(51408453)

[作者简介]董旭(1990-)，男，江苏沭阳人，硕士研究生，主要研究方向：桥梁结构抗震。

[中图分类号]U 448.21+5

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0198-05