温度作用对连续梁合龙段劲性骨架的影响分析

张春宇

大连市市政设计研究院有限责任公司 116021

引言

在跨越重要构筑物的公路、市政及铁路桥梁设计中，预应力混凝土连续梁结构作为一种结构合理、施工成熟的桥型正在得到越来越多设计人员的采用。这种结构具有变形小、结构刚度好、行车平顺舒适、伸缩缝少、养护简单、抗震能力强等优点。预应力混凝土连续梁桥的施工方法有很多，有支架现浇法、悬臂浇筑和悬臂拼装法、顶推法、移动模架法、大型浮吊施工和旋转施工法等［1］。其中悬臂浇筑和悬臂拼装施工方法应用最为广泛，特别在1953年悬臂浇筑法成功问世以来，预应力混凝土连续梁桥有了飞跃的发展。目前，我国已经建成的跨度较大的预应力混凝土连续梁桥大都采用此法施工。

合龙段施工是连续梁施工和体系转换的重要环节，合龙施工必须满足受力状态的设计要求和保持梁体线形，控制合龙段的施工误差。合龙锁定装置一般采取既撑又拉的办法，将两端连成整体。在合龙段混凝土达到设计强度之前，减小因为环境温度变化引起的梁体悬臂端对合龙段混凝土的拉压作用。合龙段劲性骨架一般分两种形式，一种是布置在主梁上，浇筑合龙段混凝土时将其浇筑在梁体内，一种是在顶底板处焊接型钢骨架，待合龙段混凝土强度满足要求后拆除。本文以实际工程为依托，就这两种结构形式分别进行有限元建模分析，考虑两种结构形式对结构施工阶段及最终成桥阶段的影响，以求得最优的布置形式。

1 工程概况

某工程主桥上跨高速公路，跨径布置为68m+120m+68m=256m，采用悬臂浇筑预应力混凝土连续梁结构。桥梁支点梁高7.5m，跨中处梁高3.5m，由支点到跨中按1.8次抛物线过渡。桥梁全宽17.5m，悬臂板长度3.125m，采用单箱双室结构。全桥除0号块外，两端均设置14个悬臂浇筑段，长度为3.5m～4.0m，最大悬浇块1号块重265t，最小悬浇块14号块重157t，合龙段长2m，全桥均采用挂篮悬臂浇筑进行节段施工。桥梁布置如图1所示。

图1 桥梁布置（单位：m）Fig.1 Bridge Layout（unit：m）

2 合龙段劲性骨架的设置

劲性骨架按照其设置的位置可分为内置式劲性骨架和外置式劲性骨架。内置式劲性骨架就是将骨架设置在桥梁内部，使用后无需拆除，随合龙段混凝土浇筑在桥梁内。在早期的桥梁施工中，常采用体内钢管作为劲性骨架，并将预应力布置其中，如桂林净瓶山桥、广西茅岭江桥［1］，但因其仅能抗压而无法承受拉力作用，已经较少采用。目前采用比较多的形式是用工字钢截面或者槽钢截面组成钢骨架结构，此种类型的劲性骨架与主梁固结，并随合龙段混凝土浇筑其中，不仅在合龙阶段起到临时骨架的作用，并且会参与到成桥使用阶段的结构受力。其优点是骨架埋设在混凝土内，不易受到腐蚀，不影响桥梁外观，且可以设置斜撑，对骨架的竖向抗剪和稳定性起到非常有利的作用。其缺点是骨架布置在主梁内，对于此处的钢筋布置和混凝土的振捣有一定的不利影响［2］，且此处单元由于布置了型钢骨架，其刚度大于相邻单元的刚度，对于预应力的抗裂验算有一定的影响。内置式劲性骨架如图2所示。

还有一种普遍采用的是外置式劲性骨架，此类型骨架使用工字钢或槽钢组合的骨架与顶板上缘和底板上缘固结，并在桥梁合龙完成后进行拆除，此种类型的劲性骨架仅在合龙期间起临时支撑两侧悬臂的作用，并不参与成桥状态的结构受力。优点是由于骨架外置，其施工操作简单易行，对于合龙段钢筋的布置没有影响，合龙结束后可以拆除，对此处结构的应力及变形计算没有影响。缺点是无法设置斜撑，需要较大的型钢截面来抵抗合龙产生的剪应力，用钢量略大［2］。外置式劲性骨架如图3所示。

图2 内置式劲性骨架Fig.2 Built in rigid framework

图3 外置式劲性骨架Fig.3 External rigid framework

3 有限元模型的建立

对于劲性骨架的模拟，通常都是采用节点间的刚性连接进行模拟，一般说来，这样计算对结构应力不会产生过大的误差，但是结构位移会与真实状态存在差别，在一些个别情况下，会产生不利的结果。首先这种模拟方式无法考虑劲性骨架本身的变形，尤其是钢结构的劲性骨架对温度力比较敏感，忽略其温度变形将会导致无法准确计算劲性骨架本身的应力和变位，如果骨架强度和刚度不足进而会导致合龙期间结构整体的线形扭转或者骨架崩裂［3］。其次，合龙期间劲性骨架存在弹性压缩，其压缩后回弹会对结构产生位移和内力的影响，这些都是通过刚性连接无法真实模拟的，故真实地建立劲性骨架模型及边界条件在计算中是必要的。

主桥上部采用三向预应力结构，利用MIDAS有限元软件建立桥梁上部结构模型，首先按照桥梁结构的施工块编号以及桥梁截面位置将全桥划分为78个单元，105个节点，全桥模型如图4所示。

图4 全桥模型Fig.4 Bridge model drawing

混凝土自重通过施工阶段对荷载激活和钝化来进行模拟，合龙期间的水箱加载及卸载通过临时荷载进行施加，其他作用考虑结构升降温、温度梯度作用、支座的不均匀沉降以及考虑10年的混凝土收缩徐变［4］。劲性骨架与相邻单元通过刚性连接进行模拟。连续箱梁采用C55混凝土，弹性模量E=3.55×104MPa，密度ρ=2.6×103kg/m3，泊松比ν=0.1667，热膨胀系数α=1.0×105；劲性钢骨架的材料采用Q235钢，弹性模量E=1.95×104MPa，密度ρ=7.8×103kg/m3，泊松比ν=0.3，热膨胀系数α=1.2×105［5］。劲性骨架模型如图5所示。

图5 劲性骨架模型Fig.5 Rigid skeleton model

4 结果分析

全桥计算共计19个施工阶段，分别对节段混凝土的浇筑、预应力的张拉以及合龙段骨架施加、全桥合龙进行分析计算。劲性骨架在合龙段施工期间进行施加，内置式施加后不删除，外置式劲性骨架在下一个施工阶段要进行拆除。并且分别考虑合龙段施工期间温度升温10℃和降温5℃对比不考虑温度作用时对结果的影响作出比较［6］。

分别统计两种布置形式的劲性骨架在合龙阶段的应力值，见表1。

表1 合龙阶段劲性骨架应力（单位：MPa）Tab.1 Stress of rigid skeleton at closure stage（unit：MPa）

根据表1可知，合龙期间是否考虑温度的影响对劲性骨架的应力影响很大，对于内置式骨架，斜撑的影响程度最大；对于外置式骨架，上弦杆受到的影响要大于下弦杆受到的影响。故在进行劲性骨架结构尺寸拟定时，要充分考虑到合龙期间温度变化对骨架受力的影响，以免出现骨架抗力不足的现象。

利用有限元软件对内置式骨架和外置式骨架在使用阶段跨中截面的应力进行统计分析。分别统计两种结构对跨中段混凝土的短期效应组合的截面正应力进行比较，其应力图如图6所示。

图6 使用阶段劲性骨架跨中合龙段应力Fig.6 Stress of middle span closure section of rigid skeleton in service stage

根据图6可知，在使用阶段，对本文的全预应力构件，内置式骨架混凝土截面上缘拉应力超限0.2MPa；外置式骨架在使用阶段已经拆除，正截面应力未超限。故可知内置式骨架由于随合龙段混凝土浇筑其中，参与结构的后期受力，并对截面应力产生了不利影响，但影响值基本处于工程可以接受的范围内。

5 结语

对于悬臂浇筑的大跨连续梁，其合龙段计算对于结构的整体安全非常重要。其中劲性骨架的模拟又是其中的关键一环。如果仅仅按照节点间刚性连接进行模拟，会导致在计算中忽略劲性骨架本身由于温度变化产生的温度力的影响，进而影响到劲性骨架尺寸的选择。使用阶段期间，内置式劲性骨架由于不会在施工阶段进行拆除，对结构跨中节段的应力产生一定的不利影响，但应判断其对实际工程的敏感性，进而选择合适的劲性骨架形式。

合龙段劲性骨架的设计除了要考虑型钢的强度要求，还要注意整体稳定性是否满足要求，故一般多考虑在型钢间设置斜向支撑以增加其整体的稳定性。除此之外，混凝土梁内预埋钢板的受力及型钢与预埋钢板的焊缝验算也必须考虑在内。