混凝土拱桥悬臂浇筑施工温度效应影响研究

李清, 张基进, 郭吉平

(贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550001)

拱桥在中国有着悠久的历史、众多的形式与数量，其中混凝土拱桥在中国应用广泛,取得了很高的技术成就。目前中国国内混凝土拱桥的施工一般采用缆索吊装、转体施工、劲性骨架法等方法进行，而对悬臂浇筑法涉及较少，该方法在国外的拱桥施工中有着较为广泛的应用。

处在大气环境中的桥梁结构，温度是影响主拱线形的主要因素之一，扣锚索对温度变化十分敏感，温度荷载会引起扣锚索长度的变化，从而对扣塔偏位和拱圈应力产生一定的影响。目前中国关于温度对结构的影响研究不太全面，孙国富等研究了温度对钢管拱吊装的影响；李金志分析了温度对缆索吊装施工的影响。虽然环境条件变化所产生的温度荷载通过人力不可改变或者消除，但是可以采取相应的措施减少温度变化带来的施工误差。该文以贵州沙坨特大桥为依托，利用Midas建立大桥施工全过程有限元模型，探究悬臂浇筑施工过程中温度荷载的影响规律。

1 工程概况

沙坨特大桥是一座主跨为240 m的钢筋混凝土箱形拱桥，全长626.8 m。大桥主拱圈为等高度悬链线钢筋混凝土箱形截面，截面宽10 m、高4.5 m。

主拱圈采用挂篮悬臂浇筑法施工。拱圈纵向共分为37个节段，拱脚位置为支架现浇段，拱顶设一个吊架浇筑合龙段，其余34个节段为悬浇段。沙坨特大桥立面图及扣锚索布置图如图1、2所示。

图1 沙坨特大桥立面图(单位:cm)

注：X-MS表示锚索

2 有限元数值理论分析

2.1 有限元模型

利用桥梁有限元软件Midas建立施工过程有限元模型，根据实际施工过程，共划分为75个施工阶段，扣塔及拱圈采用梁单元模拟，扣索锚索采用桁架单元模拟。为方便比较，该文均选取偶数号扣索张拉阶段为对象，主要施工阶段划分见表1。

表1 沙坨特大桥主要施工阶段划分

此外，62～64号施工阶段为拆除挂篮、安装吊架、劲性骨架及所有扣锚系统。65～74号施工阶段为各排架及垫梁浇筑,75施工阶段为架设桥面板。

2.2 温度荷载对结构的影响

大跨度混凝土拱桥悬臂浇筑的施工时间一般较长，扣锚索必然长期受到温度作用的影响，下面针对沙坨特大桥悬臂浇筑过程，对体系施加均匀温度荷载进行有限元分析，图3、4分别为不同温度荷载作用下，拱肋高程和扣塔偏位随施工过程的变化趋势，其中图3高程差取温度荷载作用前后拱肋高程的变化值。

图3 拱肋高程随施工阶段变化曲线

图4 扣塔偏位随施工阶段变化曲线

由图3、4可得：随着温度的升高扣塔偏位和拱肋高程变化都大致呈上升趋势，不同温度下拱肋高程随施工阶段变化的趋势大致相同，但随着温度升高高程差变化幅度增加，对结构产生的影响不断增大。由于16#及18#扣索位于拱顶处，在扣索张拉时会对高程产生较大影响，故高程变化最大为-0.196 1 m，位于拱顶处。

将温度升高15 ℃，分析计算各施工阶段主拱圈的应力，结果如图5所示。

图5 主拱圈上缘应力变化曲线

由图6可知：各节段上缘应力变化趋势大致相同，随着扣索逐渐张拉，拱圈上部受压下部受拉，节段上缘压应力整体呈增大趋势，同时下缘可能会出现拉应力，应进行严格控制，因此取温度升高15 ℃时，各节段下部出现的最大拉应力如表2所示。

由表2可知：各节段在施工过程中均会出现拉应力，但最大不会超过0.4 MPa，满足相关规范要求。

表2 各节段下缘最大拉应力

2.3 锚索长度不同时温度荷载对结构的影响

由于钢材具有热导体的特性，对温度的变化非常敏感，施工中采用不同长度的扣锚索会影响结构对温度的敏感性。因此，该文选取扣锚索长度相等、扣锚索长度相近及扣锚索长度相差较大共3种情况分别建立有限元模型进行分析对比，3种情况下扣塔偏位及拱肋高程随施工阶段变化曲线如图6、7所示。

由图6可以看出：在相同温度荷载作用下，靠近拱脚处节段施工时，扣锚索长度相差较大会产生较大偏位，这是由于施工初始阶段扣锚索数量较少，长度相差较大的扣锚索对温度的敏感性差别较大，从而使扣塔产生较大偏位。随着施工过程不断进行，扣锚索对温度的敏感性差别逐渐降低，扣塔偏位减小。因此扣塔偏位最大值出现在拱脚处节段施工时。

图6 扣塔偏位随施工阶段变化曲线

由图7可以看出：拱脚处节段施工过程中，由于已施工节段较少，改变扣锚索长度，结构对温度的敏感性变化不大；随着浇筑节段不断增加，锚索长度增加会对拱肋高程变化产生较大影响，高程差最大值出现在18#扣索张拉时。

图7 拱肋高程随施工阶段变化曲线

2.4 扣塔高度不同时温度荷载对结构的影响

扣塔高度不同会使扣锚索的长度及角度发生变化，从而影响结构对温度的敏感性。该文选取扣塔高度增加5、10、15 m及降低5、10、15 m共6种情况分别进行有限元分析，对比结果如图8、9所示。

图8 扣塔偏位随施工阶段变化

由图8可以看出:扣塔高度增加，扣塔偏位随施工阶段逐渐减小，最大偏位出现在2#扣索张拉时；扣塔高度减小，扣塔偏位随施工阶段逐渐增大，最大偏位出现在18#扣索张拉时。同时，在靠近拱脚处的扣索张拉时，随着扣塔高度增加，温度荷载引起的扣塔偏位增大，而在靠近拱顶处节段施工时结果相反，这表明在施工初期温度变化对扣塔安全性有着不利影响。

由图9可以看出:改变扣塔高度对拱肋高程影响不大，不同高度下高程随施工阶段变化趋势大致相同。在靠近拱顶处节段扣索张拉时，随着扣塔高度增加，温度荷载引起的高程变化增大。这是由于已施工节段增加，结构对温度荷载敏感性也不断增加。

图9 拱肋高程随施工阶段变化曲线

3 结论

(1)由于钢材对温度变化十分敏感，扣锚索在温度荷载作用下会出现较大变形，计算分析表明施工过程中温度荷载对结构的影响不可忽略。

(2)温度荷载对扣塔偏位会产生较大影响，温度升高，扣塔偏位随施工阶段变化不断增大，温度降低，扣塔偏位随施工阶段变化不断减小。

(3)在扣索长度一定的情况下，改变锚索长度会影响结构对温度变化的敏感性，锚索长大于扣索时结构对温度变化最敏感，并且随施工的不断进行，温度对结构影响增大。同时，在相同温度条件下，扣锚索长度相差越大，扣塔偏位及拱肋高程变化越大。因此，为保证施工过程中扣塔安全性及主拱圈线形，在进行施工设计时应选取合理的锚索长度。

(4)改变扣塔高度会使扣锚索的长度及角度发生变化，因此也会改变温度对结构的影响。在靠近拱脚处的扣索张拉时，随着扣塔高度增加，温度荷载引起的扣塔偏位增大，而在靠近拱顶处节段施工时结果相反。改变扣塔高度对拱肋高程影响较小，在靠近拱顶处节段施工时，高程变化出现最大值。