大跨度连续刚构桥施工控制研究

芦本川

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

悬臂施工法是连续刚构桥梁常采用的施工方法。连续刚构桥梁在悬臂阶段和成桥阶段的体系不同，在两个阶段受到的外界因素影响也不同，本文主要研究局部温差对大跨度连续刚构桥梁的影响。

1 工程概况

某变截面连续刚构桥梁全长381 m，桥跨分为4 跨70 m+（2×120 m）+70 m 进行布置。采用单箱室直腹板式箱梁。结合桥梁结构利用Midas/civil 软件进行建模（图1）。

桥梁的内力及线形在长期温差变化作用下将会受到较大影响。由于混凝土传递温度的滞后性，导致温度场的作用方式为非线性的。若桥梁受到较多约束，在该种作用下将会产生很大的温度应力，导致混凝土出现开裂。

图1 变截面连续刚构桥梁模型

2 局部温差效应影响分析

温度的影响方式主要有两种：整体和局部温差。桥梁在设计阶段就已经考虑了整体温差对结构的影响，但由于局部温差的作用方式为非线性且其值较大，因此研究温度效应对结构影响的主要工作是找确定对结构最不利的温差荷载。我国规范里规定的温差荷载取值偏低，实际上由于温度荷载导致的影响力甚至大于桥梁结构受到的车辆荷载的影响。通过对现场桥梁的观测，将最不利的温度梯度荷载确定为顶板降温5 ℃和升温10 ℃。

3 最大悬臂状态仿真分析

当不断增加主梁节段时，主梁的挠度及应力所受到各个参数的影响将不断增大，本文选取的局部温度荷载的对象为桥梁的最大悬臂状态。

3.1 温度控制

通过有限元模型计算得到的数据如图2 所示。可以看出：

（1）当太阳直射顶板时，由于底板混凝土较差的导热性，顶板温度以10 ℃的差值高于底板，导致顶底板之间出现了10 ℃的温度梯度。梁体在该温度梯度的作用下呈现整体下挠的趋势，梁的端部有最大的下挠值，为-25 mm。

（2）当早上没有太阳照射时，由于外界气温与顶板相互之间直接接触，导致顶板温度具有较快的下降速率，但底板的温度由于存在箱室区的原因而出现较低的下降速率，导致梁体顶板有温度梯度在为-5 ℃的荷载出现，使其有上挠的趋势，最大值为12 mm。

综上可知，主梁的挠度在温度梯度为10 ℃时就已经达到25 mm，对该桥梁的合龙是否顺利以及成桥后能否满足规范要求而言，已经有了较大的影响，因此，必须在施工以及线形控制时对其加以重视，特别是对于桥梁的合龙施工，需选择在较低的温度下进行，将温度荷载对桥梁的影响降到最低。

图2 最不利温度下的挠度变化曲线

3.2 应力控制

线形监控中应力的控制也是较为重要的工作，主梁悬臂状态下顶板温度升高10 ℃时的应力增量曲线如图3 所示，主梁悬臂状态下顶板温度降低5 ℃时的应力增量曲线如图4 所示，可以看出：

（1）当主梁顶板在悬臂状态下将温度升高10 ℃时，将会导致使梁体产生下挠，降低了顶板的压应力而增加了底板处的压应力，顶底板的应力最大变化量分别为0.5 MPa 和3.0 MPa；可知底板应力的变化在顶板升温时所产生的影响更大，但应力的变化范围处于允许值以内。

（2）当主梁顶板在悬臂状态下将温度降低5 ℃时，将会导致使梁体产生上挠，升高了顶板处的压应力而降低了底板处的压应力，顶底板的应力最大变化量分别为0.5 MPa 和0.3 MPa。

通过上述分析可知，主梁在温度梯度荷载的作用下不仅会产生竖向挠度，还会影响到顶底板的压应力。对于0#块而言该种影响导致其出现尖角，既不连续，产生该种现象的原因主要是墩梁的固结。温度梯度荷载在顶板处产生了最大值为3.0 MPa的应力变化，主梁所受到的该种影响相对于其所受到的如混凝土自重等的影响而言相对较小，因此只要在施工监控时对其加以控制，即可控制应力处于安全值内。

图3 顶板温度升高10 ℃的应力增量曲线

图4 顶板温度降低5 ℃时的应力增量曲线

4 成桥后温度梯度影响仿真分析

上述分析基于未合龙情况。合龙之后桥梁从静定结构转变为超静定结构，由于存在有多余约束使主梁有约束挠曲产生，这时温度梯度对桥梁的影响已不同，应另作分析。

4.1 温差对挠度的影响

成桥状态顶板温差作用下的变形曲线如图5 所示。可以看出：

（1）当温度升高10 ℃时，主梁边跨上挠中跨下挠，这是由于桥梁存在多余约束导致合龙后出现梁体挠曲，使得边跨上挠。其上挠达到0.31 mm 的最大值，中跨下挠达到-6.2 mm 的最大值，比上述悬臂阶段-25 mm 的下挠最大值小，表明成桥后的竖向挠度所受到局部温差的影响较小。

（2）当温度降低5 ℃时，边跨和中跨具有与升温时截然相反的挠度趋势，其中边跨上挠的最大值为-0.15 mm，中跨上挠的最大值为3.14 mm，比悬臂阶段12 mm 的最大上挠值下。

根据上述分析可知，由于合龙后的主梁有多余约束，该种约束限制了梁体在温度荷载作用下产生的变形，使得梁体挠曲，因此比起悬臂阶段该种情况下的温度荷载对其影响较小。

图5 成桥状态顶板温差作用下的变形曲线

4.2 温差对应力的影响

成桥阶段温度梯度荷载作用时上下翼缘应力曲线如图6、图7 所示。可以看出：

（1）梁体在升温10 ℃时顶板有下挠的趋势，增加了上翼缘的压应力，达到了-7.4 MPa 的最大压应力；底板有2.6 MPa 的最大拉应力产生。主梁上下缘应力受到局部温差的影响比起最大悬臂状态时受到的影响有所增加。

（2）梁体在降温5 ℃时，主梁有着与升温时截然相反的变形，该种情况下上翼缘主要受到拉应力的作用，其值可达1.0 MPa；下翼缘主要受到压应力作用，其值可达到-1.37 MPa。

综上所述，对于主梁应力而言，温度梯度荷载对成桥状态时应力的影响比对最大悬臂状态时产生的影响要大。主要是因为多余约束导致主梁有挠曲应力产生，并且还有拉应力在某些节段出现，但随着温度的变化该拉应力随之消失。拉应力不允许在连续刚构桥梁上出现，若在连续刚构桥上出现拉应力，将导致混凝土产生裂缝而影响使用寿命。通过上述对主梁应力和局部温度荷载之间关系的分析控制，在施工监控过程中应以主要影响因素的角度考虑温度荷载，使其对混凝土还有梁体应力的影响降低。

5 结语

图6 升温10 ℃时顶板上下翼缘应力曲线

图7 降温5 ℃时顶板上下翼缘应力曲线

研究温度荷载与连续刚构桥梁线形和应力之间的关系，对主梁结构受温度荷载影响的程度进行定量分析，得出结果：①当桥梁处于悬臂阶段时，对于主梁的应力而言，局部温差影响较小。但该阶段对于主梁的线形而言，温度荷载的影响较为明显，因此进行立模标高的确定时，应对局部温差所产生的影响进行充分的折减考虑；②鉴于桥梁合龙后的体系为超静定的，对于主梁的挠度以及应力而言，温度效应会有较大影响，因此，为保持成桥后的质量应定期监测桥梁。