钢箱梁顶推施工温度梯度效应影响分析

孙 信，刘文慧，朱 季，程 兴

(1. 江苏交通控股有限公司，南京 210019；2. 苏州市吴中长润交通建设项目管理有限公司，苏州 215000； 3. 华设设计集团股份有限公司，南京 210014)

钢箱梁因其轻质高强、装配便捷等优点，被广泛应用于大跨径桥梁和城市桥梁建设中。然而钢结构导热性能良好，对温度变化较敏感，当处于施工阶段时钢箱梁由于没有铺装层的遮盖，受日照作用的温度效应影响更为显著[1]，较大的温度梯度容易在结构竖向产生温度梯度效应，从而使结构产生较大温度内力与变形[2-3]。

对于桥梁顶推施工而言，线形控制是决定施工质量的关键，温度梯度作用下施工过程中的钢箱梁梁体会产生不同方向的位移。例如东营黄河公路钢斜拉桥施工过程中，由于日照引起梁体高度方向和横桥向的温度梯度，主梁高程变化2～5 cm，主梁中线偏移5 cm，严重影响桥梁施工精度[4]。

关于温度梯度曲线的确定，国内外学者虽有规范依据或部分现场观测数据[5]，但受限于地区分布范围不同，尚不能形成统一的温度梯度模式。本研究针对某大跨径连续钢箱梁桥顶推施工过程中关键工况——最大悬臂工况，在钢箱梁不同截面高度处布置温度测点，得到1天内各测点温度随时间变化情况，并拟合出最大温差下的温度梯度模式。使用MIDAS Civil软件分析其在温度梯度效应下的结构变形，讨论不同时间节点温度作用下悬臂端的竖向位移，并对比自重下的位移大小，为选择合适的顶推施工时机提供理论指导。

1 工程概况

苏州某市政高架项目桥梁采用三跨等高度连续钢箱梁桥，跨径组合为43 m+75 m+43 m，75 m中跨上跨绕城高速，将钢箱梁节段梁场内预制后运输至现场进行拼装，为减少对所跨越绕城高速车辆正常通行的影响，中跨采用步履式顶推方法进行钢箱梁施工。顶推临时支墩最大间距为65 m，导梁纵向长度为39 m，导梁与钢箱梁连接。

主跨顶推施工在夏季开展，施工过程中苏州市当地气温最高可达38 ℃，钢箱梁在无铺装状态下长时间处于日照中，钢箱梁表面温度最高可达60 ℃，温度梯度作用效应明显。推进过程中，钢箱梁及导梁最大悬臂状态因自重产生较大的竖向位移，同时钢箱梁及钢导梁在温度梯度荷载作用下会产生较大竖向变形，可能存在因悬臂端竖向变形过大造成导梁无法顺利通过临时墩，从而使钢箱梁无法到达预定位置落架的情况产生。

为防止上述情况出现，结合现场温度监测情况，分析不同温度梯度模式下钢箱梁与导梁的最大悬臂端变形规律，以此选择适当的顶推及落架时机。

对本桥钢箱梁在一定时间段内所测得的温度数据进行分析，研究其竖向温度梯度作用模式。

2 实测温度分析

为研究钢箱梁的温度梯度效应作用模式，选取中跨跨中截面为温度测试断面[6]，钢箱梁断面如图1 所示。钢箱梁梁高为3.2 m，在中腹板上布置6个温度测点，中腹板温度测点布置如图2所示(1#测点布设在顶板下缘、2#测点距1#测点100 mm、3#测点距2#测点400 mm、4#测点距3#测点600 mm，5# 测点距4#测点1 000 mm，6#测点距5#测点 1 146 mm)。

图1 钢箱梁断面

图2 中腹板温度测点布置(单位：mm)

选取夏季某一时间段内(7月24日)典型时间节点的实测温度数据进行分析研究，7月24日典型时间节点实测温度数据如表1所示。

表1 7月24日典型时间节点实测温度数据

3 钢箱梁温度梯度拟合

《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[7]对钢箱梁温度梯度分布规律描述较简单，与实际情况有一定差别[8]，参考《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB 10002.3—2005/J 462—2005)[9]规定的温度梯度表达式，通过现场实测的温度数据拟合施工阶段钢箱梁以及导梁的温度梯度模式[1]，如式(1)所示。

T=T0e-αy

(1)

式中，T为沿腹板竖向计算点y处的温差；T0为箱梁沿梁高最大温差；α为指数系数。

选择7月24日14：00的温度曲线作为最不利状况观测曲线，根据规范规定的温度梯度表达式对实测温度数据进行回归分析，得到该时间节点的温度梯度拟合公式，如式(2)所示。

T=26.7e-5y

(2)

拟合温差曲线与实测温差曲线对比如图3所示。

图3 拟合温差曲线与实测温差曲线对比

由图3可知，拟合温差曲线能够包络现场实测温差曲线，温度梯度作用计算偏安全。

4 钢箱梁最大悬臂工况不同温度梯度作用分析

4.1 结构建模

采用杆系模型模拟桥梁施工过程，建立全桥梁单元模型，全桥共计312个节点和315个单元，钢箱梁为等截面形式，导梁为变截面工字钢形式，导梁根据高度分为3种类型，分别为导梁1(高为3.146 m)、导梁2(高为2.5 m)和导梁3(高为1.6 m)，根据实际约束情况模拟主墩以及临时墩的边界条件，结构分析模型如图4所示。

图4 结构分析模型

由于钢箱梁与导梁结构存在一定差异，对两种结构分别施加温度梯度荷载，以7月24日14：00 拟合的温度曲线为例，分别在MIDAS Civil软件的“梁截面温度”中施加钢箱梁与导梁的温度梯度荷载，钢箱梁及导梁的温度梯度作用数据如表2所示。

表2 钢箱梁及导梁的温度梯度作用数据

4.2 计算结果分析

按照拟合方法拟合不同时段曲线，根据拟合曲线计算不同时间节点的钢箱梁及导梁的变形，结构自重作用下最大悬臂端变形如图5所示；7月24日02：00拟合曲线计算的最大悬臂端变形如图6所示；7月24日14：00拟合曲线计算的最大悬臂端变形如图7所示。

图5 结构自重作用下最大悬臂端变形(单位：mm)

图6 7月24日02：00拟合曲线计算的最大悬臂端变形(单位：mm)

图7 7月24日14：00拟合曲线计算的最大悬臂端变形(单位：mm)

7月24日最大悬臂工况端部竖向变形计算统计(仅考虑温度荷载)如表3所示。

表3 7月24日最大悬臂工况端部竖向变形计算统计

由表3可知，最大悬臂施工工况在夏季全天的端部最大变形值差别较大，14:00最大变形可达216.1 mm(仅考虑温度荷载)。在考虑结构自重的情况下，端部最大变形值约390 mm，变形过大会导致导梁端部无法顺利通过临时墩，从而造成钢箱梁无法到达预定位置落架的情况产生。

对最大悬臂工况在不同时间节点下最大悬臂变形计算结果进行曲线拟合，不同时间节点下最大悬臂变形计算值如图8所示。

图8 不同时间节点下最大悬臂变形计算值

由图8可知，最大悬臂施工工况宜选择在3：00～5：00进行顶推落架，在此时间段内端部竖向变形较小，温度梯度作用效应的影响也较小。

现场施工综合考虑多种因素，选择下午开展顶推施工，最大悬臂落架时间为16:50左右。根据理论计算分析，该时间节点温度梯度作用下的导梁前端下挠量为160～170 mm，考虑结构自重荷载，该时间节点导梁前端总下挠量为335～345 mm，现场实测下挠量约为320 mm，存在较小偏差，该偏差处于施工可控范围内。导梁前端落架前根据实测数据与理论分析数据，对临时墩墩顶千斤顶标高进行调整，调整后的千斤顶顶面标高下降约370 mm，有较大富余量，顶推后导梁顺利通过千斤顶完成落架。

通过分析与应用，总结出针对钢结构顶推施工消除温度梯度效应影响的方法，即参考相关规范规定的温度梯度表达式，通过现场实测的温度数据拟合出施工阶段钢结构桥梁温度梯度作用模式，根据作用模式计算在不同时间节点下的结构变形量，给出最优顶推施工时间节点或时间段。

此外，考虑施工现场实际影响因素较多，当不具备在指定时间节点或时间段施工的条件时，建议参考以上分析方法计算最大悬臂工况下的变形值，调整临时墩墩顶千斤顶标高，满足顺利通过临时墩并落架的需求。

5 结论

(1) 太阳辐射强度是钢箱梁温度梯度形成的主要因素，所研究的钢箱梁一天内最大温差可达26.7 ℃，无太阳辐射下梁体温差较小。

(2) 对于无桥面铺装的情况，根据规范拟合的温度梯度模式更为适用，拟合曲线可以较好地包络实测数据。

(3) 最大悬臂端竖向位移随温度梯度增大而增大，其最大竖向位移超过自重作用下位移，建议导梁悬臂端部选择在温度梯度较小时通过临时墩。

(4) 顶推施工落架须选择适当时机，若不具备在指定时机顶推落架的条件，建议根据本文分析方法计算并调整不同时间节点下的变形量，保证顶推施工顺利完成。