温度对边中跨同时合龙刚构桥的受力影响分析

黄文洁

(湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北武汉 430051)

0 引言

随着对箱梁温度效应研究的不断深入，发现温度影响产生的箱梁挠度与温度应力不可忽视，甚至有研究成果表明，温度变化所产生的温度应力可比拟自重和活载下的应力[1]。在合龙段施工时，温度变化将使悬臂梁段伸长或缩短，进而引起合龙段内部产生轴向应力和弯矩，当合龙段混凝土还未达到足够强度时，合龙段过早地受力很可能破坏混凝土的内部结构，且此时还未对合龙段施加预应力，箱梁有可能因受拉影响而产生裂缝。因此，研究合龙期间温度变化对合龙段混凝土的影响十分重要。

1 工程概况

贵州省某刚构桥全长为860m，跨径组合为[7×40+（80+2×150+80）+3×40]m,设计车速为80km/h，整幅桥宽为24.5m。桥梁平面位于R=1505m 的右偏圆曲线上，墩台径向布置；桥梁纵面位于R=60000m 的竖曲线上。箱梁体系温度为-5～35℃，设计计算合龙温度为15±3℃。

主桥上部结构采用(80+2×150+80）m 预应力混凝土变截面连续刚构，边中跨比为0.533。主梁采用单箱单室截面预应力混凝土直腹板箱型梁，主梁根部的梁高为9.0m，跨中部梁高为3.5m，箱梁高度由距墩中心6.0m 处到合龙段处按照1.8 次抛物线变化；箱梁顶板宽为12.125m，底板宽为6.5m，翼缘板悬臂长度为2.8125m，桥面横坡变化由箱梁腹板变高形成。主桥平面位于R=1505m 的右偏圆曲线上，为简化设计，按路线中心线划分梁段。各单T 箱梁0#块长为14.0m，其余17 组对称悬浇节段分别为7×3.5m+5×4.0m+5×4.5m，中跨和边跨合龙段各长2.0m，边跨现浇段长度为3.76m。主梁截面具体尺寸如图1 所示。

图1 横截面尺寸图（单位：cm）

主桥现浇箱梁采用C55 预应力混凝土，主墩身采用C40 钢筋混凝土，承台采用C30 钢筋混凝土。主梁采用纵、横、竖三向预应力体系，纵、横向的预应力钢束采用公称直径为15.2mm、强度标准值为1860MPa、弹性模量为1.95×105MPa 的高强度低松弛钢绞线，竖向预应力采用标准强度为785MPa、弹性模量为2.0×105MPa 的JL32 精轧螺纹钢筋。

2 建模过程

利用ANSYS 有限元分析软件进行建模分析，建立刚构桥主桥模型研究温度变化对合龙段混凝土在硬化过程中的受力影响。在进行ANSYS 有限元模型建立时，由于桥梁整体结构较大，细部构造相对复杂，若全桥结构均采用梁单元建模则无法准确而全面地得到合龙段的实际受力情况，若均采用实体单元建模则过程极为烦琐复杂，分析求解速度慢，成本相对较高，因此将各跨的合龙段作为研究对象，在进行温度变化对合龙段的局部受力分析之前，首先做好结构的整体分析，从而将局部分析的边界条件和范围确定下来[2]。该桥使用ANSYS-APDL 建立该桥参数化有限元模型，其中，主墩、悬臂浇筑主梁节段及横梁均使用BEAM188 三维梁单元模拟，各跨合龙段及合龙段附近的两个节段使用SOLID45 三维实体单元模拟，使用CP 命令耦合主墩及墩顶单元节点自由度，保证其参与共同受力，主墩底部使用面约束固结，桥台位置采用一般支承模拟，BEAM188 主梁单元与合龙段SOLID45 单元之间建立刚域，合龙段劲性骨架使用约束方程与混凝土实体单元节点耦合自由度。有限元模型如图2、图3 所示。

图2 主桥结构ANSYS 仿真计算模型图

图3 合龙段实体单元细部构造模型图

为研究合龙段混凝土在凝结硬化过程中受温度变化的影响，本文将主要考虑整体升降温作用下合龙段以外的桥梁结构对合龙段的影响效果。将合龙段混凝土的弹性模量分别取为设计弹性模量的20%、40%、60%、80%、100% 来简单模拟合龙段混凝土的强度增长过程，分析在温度分别降低5℃、10℃、15℃和20℃条件下合龙段结构的受力情况[3]。

3 结果分析

由有限元分析结果可以得知，在升降温条件下，边跨合龙段混凝土的受力明显大于中跨合龙段混凝土，且在降温条件下拉应力最大值出现在右边跨合龙段混凝土，而压应力最大值出现在左边跨合龙段混凝土，具体结果如图4、图5 所示。

图4 降温5℃条件下各强度的合龙段混凝土应力云图

图5 降温条件下混凝土强度随温度变化曲线图

根据图4、图5 的分析结果可以看出，在某一温度荷载作用下，合龙段混凝土在强度增长的过程中其受力是逐渐增大的。在降温5℃条件下，20%、40%、60%、80%、100% 强度的混凝土拉应力最大值分别为0.248MPa、0.364MPa、0.451MPa、0.522MPa、0.581MPa，均出现在右边跨合龙段箱梁顶板底部中央位置，混凝土压应力的最大值分别为-0.458MPa、-0.641MPa、-0.771MPa、-0.880MPa，-0.978MPa，均出现在左边跨合龙段箱梁翼缘板端部。当混凝土强度一定时，混凝土的受力随温差的增大而增大，当混凝土达到20%设计强度时，降温5℃、10℃、15℃、20℃条件下的混凝土拉应力最大值分别为0.248MPa、0.496MPa、0.744MPa、0.991MPa，均出现在右边跨合龙段箱梁顶板底部中央，混凝土压应力最大值分别为-0.458MPa、-0.917MPa、-1.38MPa、-1.83MPa，均出现在左边跨合龙段箱梁翼缘板端部。升温条件下的应力结果正好与降温结果相反，此不赘述。由此可见，边跨合龙段箱梁的顶板底部中央和翼缘板端部是最大拉压应力值出现的部位，应密切关注此部位的混凝土异常情况。

一般而言，混凝土的极限拉应变为2×10-4～6×10-4，极限压应变为3×10-3，从安全角度考虑，取小值作为极限应变值[4]。若在混凝土养护过程中降温过大，则还未达到设计强度的混凝土有可能因为受拉造成开裂；升温过大则可能引起混凝土的受压过大而造成还未达到设计强度的混凝土被压溃。故在合龙段混凝土凝结硬化过程中应保持温度的相对恒定，避免因温差影响造成的温度应力过大而导致混凝土在凝结硬化时产生破坏现象。

根据分析结果可知，合龙段结构中的劲性骨架受力只随温度的变化而变化，不随混凝土强度的增长而有较大变化。根据四个合龙段中的四组劲性骨架的受力分析可知，劲性骨架所受到的最大拉应力和最大压应力均出现在左中跨底板处。当合龙段混凝土在强度不变时，劲性骨架在降温5℃条件下的最大拉、压应力分别为21.3MPa 和-13.0MPa，在降温10℃条件下的最大拉、压应力分别为42.7MPa 和-25.9MPa，在降温15℃条件下的最大拉、压应力分别为64.0MPa和-38.9MPa，降温20℃条件下的最大拉、压应力分别为85.4MPa 和-51.8MPa，温度不变时各强度下的劲性骨架最大应力值相差不超过0.6MPa。

劲性骨架在上述温度变化下所受到的应力值远小于其强度设计值（Q235 钢材抗拉、压强度设计值为215MPa），故温度变化对合龙段结构的劲性骨架影响较小，而对混凝土影响较大。

在正常施工中合龙段的施工应按照设计方案在设计合龙温度下进行，但实际情况下很难严格满足设计合龙温度的要求，实际工程中通常是选择在一天中气温最低时刻进行合龙段的施工，由于实际温度与设计合龙温度存在一定偏差，故通常采取其他措施（如施加顶推、洒水降温等）予以弥补。

4 应对措施

4.1 混凝土硬化过程中针对降温的应对措施

为防止合龙段混凝土在凝结硬化过程中因环境温度骤然下降（如寒流气候），桥梁整体结构收缩，牵引合龙段受拉而产生开裂的现象，可采取以下措施。

第一，待合龙段混凝土达到一定强度时，可先张拉部分预应力束给合龙段提供部分压应力，待强度达到设计要求后将劲性骨架切割拆除，再张拉余下部分的预应力钢束。

第二，在顶底板表面设置临时钢束进行临时固结锁定，利用临时钢束的预应力作用来抵消合龙段外部拉力，待强度合格后及时解除临时钢束锁定。

第三，采取保温措施使桥梁结构温度维持稳定，如在全桥结构的混凝土表面铺设保温材料，小跨径桥梁简单易行，大跨桥梁成本过高且操作复杂。

4.2 混凝土硬化过程中针对升温的应对措施

为防止合龙段混凝土在凝结硬化过程中因环境温度短时间内上升，桥梁整体结构受热膨胀，使得合龙段混凝土受到外部结构的挤压而可能产生的混凝土压溃现象，可采取以下措施。

第一，在顶板和底板表面设置刚性支撑，利用刚性支撑承受因升温影响而产生的压力作用。

第二，人工方法保持桥梁整体的温度相对恒定，如在全桥混凝土表面洒水降温或放置冰块来维持桥梁结构的恒温状态。

5 结论

本文利用ANSYS 有限元分析软件，以梁单元与实体单元组合建模的方式建立刚构桥主桥的有限元模型，研究分析桥梁结构在整体温度变化下对合龙段混凝土在凝结硬化过程中的受力影响，主要得到如下结论。

第一，在升降温条件下，边跨合龙段混凝土的受力大于中跨合龙段混凝土。

第二，在特定温度荷载影响下，合龙段混凝土在强度增长过程中的受力是逐渐增大的。比如，在降温5℃的条件下，20%强度的合龙段混凝土拉、压应力最大值分别为0.248MPa、-0.458MPa，然而100%强度的合龙段混凝土拉、压应力最大值分增大到0.581MPa、-0.978MPa。

第三，当合龙段结构中的劲性骨架所受到的最大拉、压应力均出现在左中跨底板处，其受力只随温度变化而变化，而随混凝土强度的增长无较大变化。比如在降温5℃和降温20℃条件下，劲性骨架的最大拉、压应力分别控制为21.3MPa、-13.0MPa 和85.4MPa、-51.8MPa，而温度保持不变的条件下在混凝土强度增长过程中其受力变化的最大差值仅为0.6MPa。

第四，降温条件下，混凝土拉应力最大值均出现在右边跨合龙段箱梁顶板底部中央，压应力最大值均出现在左边跨合龙段箱梁翼缘板端部，故边跨合龙段箱梁的顶板底部中央和翼缘板端部是应力值较大的部位，应密切关注此部位的混凝土异常情况。为防止合龙段混凝土在凝结硬化过程中因环境温度变化而造成破坏，应采取针对性措施严格控制温度的大幅度变化，以减小其对合龙段混凝土产生的受力影响。