温差对高铁混凝土大跨箱梁桥施工过程影响研究

胡 琦

（中铁二十四局集团江苏工程有限公司,江苏 南京 210028）

0 引言

高铁混凝土大跨箱梁桥周围环境温度受多种因素影响[1-2]，其中年温度和日温度是影响高铁混凝土大跨箱梁桥最主要的两种温度作用，其他特殊天气也会对混凝土大跨箱梁桥的温差产生相应影响[3-5]。若桥梁结构为超静定结构，温度变化会使混凝土大跨箱梁产生对应的温度应力[6-7]。该文以盐通铁路通张段高铁跨S336省道混凝土大跨箱梁桥为工程背景，数值模拟分析其施工全过程，根据模拟结果分析高铁混凝土大跨箱梁不同工况下的温差，同时研究了不同温差下混凝土大跨箱梁的温差，最后总结了混凝土大跨箱梁的温度应力变化规律。

1 高铁混凝土大跨箱梁桥有限元模型建立

采用Midas有限元软件模拟跨S336省道（70+120+70）m混凝土连续箱梁。有限元模型如图1所示。在建模计算之前先明确施工方案，现场采用挂篮悬浇法施工。

图1 高铁混凝土大跨箱梁桥有限元模型

2 高铁混凝土大跨箱梁温度应力分析

对大跨高铁混凝土大跨箱梁桥的温差进行研究，主要研究了在温度变化下混凝土大跨箱梁桥大跨箱梁截面温度应力的分布规律。

2.1 横向温度应力计算分析

对桥梁横向温度应力进行分析，该文选取墩身上支座断面及中跨跨中断面作为计算断面。

计算在最大温差下大跨箱梁顶板、底板和腹板的最大横向温度应力分布，如表1所示。

表1 支座断面和跨中断面最大横向分布应力表 /MPa

由表1知，支座断面顶板处横向应力为拉应力，大跨箱梁顶板横向应力均受压应力，顶板最大压应力为14.9 MPa。底板均受压，底板厚度变化对底板应力的影响幅度较小。左腹板随着截面尺寸变化，外缘压应力增大，内缘压应力减小，但变化幅度较小。

不同截面大跨箱梁顶板横向应力分布如图2所示。

图2 大跨箱梁支座断面和跨中断面顶板横向应力分布

由图2可知，顶板应力与距外缘的距离成正比，并在顶板中线处应力达到峰值。顶板应力受不同截面的影响较小。大跨箱梁顶板温度应力初始较小，但随着时间发展开始增大，其中顶板中线附近温度应力变化最为显著。

不同截面大跨箱梁底板横向应力分布如图3所示。

图3 箱梁支座断面和跨中断面底板横向应力分布

由图3知，底板横向温度应力基本不受截面位置影响，底板横向温度应力与距外缘的距离成正比。随着梁高和地板厚度逐渐降低，底板应力在不同截面的应力变化较小。随着时间推移，大跨箱梁底板温度横向应力略有增加，但变化不大。

2.2 竖向温度应力计算分析

最大竖向温度应力在支座断面和跨中断面的分布数值，如表2所示。

由表2可知，各截面顶板竖向温度应力较小，顶板竖向温度应力随支座断面至跨中断面梁高的不断减小而不断增大，应力变化最大值为0.06 MPa。底板均为压应力，随着支座断面至跨中断面底板的厚度不断减小，底板竖向温度应力变化幅度不大。随着由支座断面处至跨中断面底板的腹板厚度不断减小，大跨箱梁腹板内外缘竖向温度应力都有所降低。截面顶底板竖向温度应力初始值较小，应力变化数值也较小，腹板竖向温度初始应力较大，应力变化数值也相对较大。

表2 支座断面和跨中断面竖向最大应力分布 /MPa

箱梁顶底板的竖向温度应力远小于腹板竖向温度应力，在不同时刻下选取支座断面和跨中断面的腹板外缘竖向温度应力值，如图4所示。

图4 大跨箱梁支座断面和跨中断面腹板外缘竖向应力分布

由图4可知，腹板外缘竖向温度应力的变化趋势不受断面位置的影响，随着箱梁梁高不断减少和距底板距离的增加，腹板竖向温度应力不断增加，应力最大值在腹板中部位置。支座断面腹板竖向温度应力最大差值为4.1 MPa，跨中断面腹板竖向温度应力最大差值为6 MPa，随着大跨箱梁梁高不断减小，大跨箱梁腹板竖向温度应力分布的差值不断增大。

不同截面大跨箱梁腹板内缘竖向应力分布如图5所示。

由图5可知，随着支座断面至跨中断面的梁高不断减小，大跨箱梁腹板内缘竖向温度应力最大值也在不断降低，温度应力总计减小了0.3 MPa。随着距底板距离的增加，竖向温度应力与距底板距离不成正比关系，表现为先降低后增加再降低的波动变化。竖向温度应力在底板处最大，在顶板处最小。不同断面腹板内缘最大竖向温度应力相差不大，最大差值为0.3 MPa。腹板内缘竖向温度应力基本不随着时间的变化而变化。

图5 大跨箱梁支座断面和跨中断面腹板内缘竖向应力分布

3 温度对高铁混凝土大跨箱梁桥线形的影响分析

3.1 梁端竖向位移

为研究高铁混凝土大跨箱梁桥在合龙阶段最大悬臂端一天内竖向位移的变化，记录合龙当天温差变化，如图6所示，并监测高铁混凝土大跨箱梁桥最大悬臂端的竖向位移变化曲线，如图7所示。

图6 大跨箱梁顶底板温差变化曲线

图7 最大悬臂端竖向位移变化曲线

由图6可知，大跨箱梁桥顶底板的温差整体呈现先增加后降低的趋势。由图7可知，最大悬臂端竖向位移在不断地发生变化，整体位移变化趋势为先增大后减小，最大位移为6 mm。

综上所述，由于白天温差较大，混凝土大跨箱梁桥不宜在白天进行合龙，且此时悬臂端竖向位移也较大，因此建议在夜间或者凌晨进行全桥合龙。

3.2 线形监测结果分析

由最终成桥线形曲线数值可知，全桥合龙后的线形平顺光滑，现场实际和理论目标基本吻合，底板实测高程和理论高程也基本相同，底板实测高程数值和设计高程数值相差在1.5 cm以内。

4 结论

该文以跨S336省道高铁混凝土大跨箱梁桥为研究对象，首先采用数值分析法模拟了桥梁悬浇法施工全过程，然后对桥梁的温差变化进行模拟分析，最后分析了桥梁典型断面的温度作用，研究了典型断面温差的分布状态。该文研究主要得到以下结论：

（1）不同断面横向温度应力主要分布在大跨箱梁顶底板位置。

（2）在竖向温差下，大跨箱梁各断面的温度应力相差也比较大。竖向温度对跨中断面影响最大，大跨箱梁上缘受压，下缘受拉；竖向温差下桥梁竖向位移随着悬臂端的增大而增大。

（3）竖向温度应力对大跨箱梁腹板位置影响较大，并随着距底板距离的增加而增大。

（4）由于白天温差较大，建议全桥合龙时间定在夜间。