基于实测温差模式的顶推钢箱梁拼装时机研究

侯亚辉,宋涛,邵伟,崔立恒,张成明

1.山东省公路桥梁建设集团有限公司, 山东 济南 250021;2.山东交通学院交通土建工程学院,山东 济南 250357

0 引言

钢箱梁的抗扭和抗弯性能较好,适用于大跨度桥梁,钢箱梁的顶推施工方法在国内外应用广泛。施工过程中钢箱梁受力复杂,焊接残余应力和大气温度变化等因素使得梁体的线形控制难度增大。钢箱梁的导热性能较好。在大气环境中,年温度变化和日照局部温差变化显著,梁体截面非线性温差变化较大,对施工过程中梁体的受力和线形影响较大。温度作用较复杂,现多采用半理论、半经验的计算方法对基于温差模式的钢箱梁拼装进行受力分析[1-3]。

郝超[4]研究非线性温度对大跨度钢箱梁斜拉桥施工阶段的影响,认为应考虑温度对钢箱梁架设的影响,并根据场地实测温差修正梁体架设高程;邓小伟等[5]从梁体温差、主塔温差、索梁塔温差及体系温差等方面分别讨论大跨径钢箱梁斜拉桥的温差效应及温度参数敏感性;潘文礼等[6]研究横桥向和竖向温差对钢箱梁斜拉桥的影响,发现二者对梁体位移和索力均有影响;丁幼亮等[7-9]认为钢箱梁截面温度对称,且钢箱梁顶底板间存在正温差梯度;孙君等[10]、周广东等[11]研究发现钢箱梁顶板的横桥向温度差异明显;王高新等[12-13]、Wang等[14]认为可用正态分布函数的加权和描述扁平钢箱梁的温度概率密度分布;钱鲲等[15]认为各国规范的温度梯度与场地实测温度梯度差异较大,应制定更贴近实际情况的温度梯度模式;郭棋武等[16]、何畏等[17]、黄涛[18]研究表明,结构整体升降温差对结构竖向位移影响较小,但对纵向位移影响较大;当胎架温度与设计温度不一致时,梁体局部温差形成的非线性温差对梁体的竖向位移产生较大影响。因此,梁体竖向非线性温差对梁体线形有较大影响,但研究成果多集中于悬臂拼装或成桥阶段,对顶推施工钢箱梁拼装线形的影响研究较少。

针对钢箱梁拼装受温差影响较大的问题,本文基于场地实测温差数据,拟合适合场地现场的温差模式,研究温差对钢箱梁拼装的影响,确定最佳钢箱梁拼装时机,以期合理指导钢梁拼装。

1 温差模式的选取

某矮塔斜拉桥主桥结构为145 m+240 m+145 m,主梁为单箱三室钢箱梁,钢箱梁高4.8 m,全宽28.5 m。钢箱梁全长530 m,共划分为56个节段,标准节段长9.6 m,最长梁段长13.0 m。主梁采用顶推法施工,梁体顶推作业需跨夏、秋、冬等季节。

为研究钢梁拼装过程中温差对梁体的影响,采用空间梁单元进行分析,以横隔板、节段分隔线等划分单元,按结构实际建立截面尺寸。分析中仅考虑梁体竖向温差,未考虑横桥向温差效应及负温差效应。以典型断面处为温度测试断面,布设30个温度测点,如图1所示。

根据现场实测温度,研究7月中旬某典型时间段典型断面的温度变化,不同测点钢箱梁中腹板沿高度方向48 h的温度变化如图2所示。由图2可知,不同测点在48 h内的温度变化具有明显的周期性。

图2 不同测点钢箱梁中腹板沿高度方向的温度变化曲线 图3 拟合温差模式与不同规范温差模式对比

根据桥位的大气温度,取7月中旬48 h内温度变化,每2 h为时间节点拟合温度梯度曲线为[13]:

Ty=T0e-ay,

式中:Ty为距箱梁顶板y处的温差,y为测点到箱梁顶板的距离,T0为箱梁沿高度方向的最大温差,a为指数参数。

将最大温差的温度荷载作为温度控制荷载,对实测温度数据进行拟合,并与文献[19-20]比较,如图3所示。由图3可知,拟合温度曲线与文献[20]较接近。

2 基于场地实测温差模式梁端夹角分析

梁段间夹角βi如图4所示,通过控制βi完成钢箱梁在胎架上的拼装,可保证实现梁体的无应力线形。采用传递矩阵计算待拼梁端的安装高程,需确定βi。

a)正夹角 b)负夹角图4 梁段间夹角示意图

若已知梁段ABCD和梁段EFGH的制造线形及截面尺寸,拼装角

(2)

式中:lCD、lHE、lDE分别为线段CD、HE、DE的长。

箱梁顶底板焊缝宽度差

(3)

箱梁顶底板的焊缝宽度差与hi间的关系如表1所示。由表1可知:随梁高增大,两相邻箱梁间的焊缝宽度增大。梁高5 m,箱梁顶板焊缝宽度为5 mm时,对应的βi=0.057 3°。

表1 不同βi和hi下的箱梁顶底板焊缝宽度差

通过控制箱梁顶底板焊缝宽度差实现控制βi,保证梁体间平顺过渡。在梁体拼装过程中,制造误差、安装误差及大气温度等因素均影响βi,可采取调整千斤顶的高程、焊缝间宽度或压重等措施消除其他因素对βi的影响。

一般选择在夜间根据场地实际情况进行梁体拼装,夜间箱梁顶底板的温差较小。根据图3所示曲线,选取代表性温度梯度分析梁体变形。根据代表性温度,采用文献[20]的三折线模式进行分析,不同的距顶板距离yi和温差模式下,基于场地实测温差模式的温度如表2所示。

表2 基于场地实测温差模式的温度

不同温差模式下的梁体夹角

βi=arctan(Δli/hi),

式中Δli为温差引起的顶(底)板纵向变形。

不同温差模式下的βi计算结果如表3所示。由表3可知:不同温差模式下βi都存在,按βi从小到大的顺序排列依次为M-1、M-2、M-3、M-4、M-5,因此只需控制M-1、M-5模式下的βi。温差模式M-1下的SB11端口的Δli=31.63 mm,已超过5 mm,应在拼装梁体时采取一定措施限制βi。

表3 不同温差模式下的βi

3 最佳拼装时机的确定

选择最佳拼装作业时机,使顶底板温差对梁体βi的影响最小或可忽略不计。若不考虑温度梯度的影响,在其他作用下βi为正;若考虑温度作用,βi为负。

基于现场实时温度指导梁体拼装时机有一定难度,假定温差变化与箱梁顶底板温差变化等效,选择冬、夏季典型时刻的箱梁顶底板温差变化,确定梁体最佳拼装时机。2021年7月中旬和12月中旬的箱梁顶底板温差变化如图5所示。由图5可知:冬、夏季梁体顶底板温差变化规律基本一致,每天15:00—17:00温差较大。

图5 冬、夏季典型时刻顶底板温差变化曲线

在拼装台上进行梁体拼装,拼装梁体满足拼装精度后,可在梁体顶底板及腹板处用临时构件固定,控制梁体间的焊缝宽度,形成拼装线形,然后焊接成形,完成两梁体间的连接。匹配构件与已拼装梁体间采用码板临时固结,其焊缝宽度差一般控制在8～12 mm。如顶底板温差过大,βi过大,梁体间的相对变形过大,焊缝宽度可能不满足上述限制。控制梁体间的相对变形约为10 mm,对应的梁体端部最大转角为0.119 4°,超过此范围将影响梁体拼装作业。

梁体最佳拼装时间段的温度变化范围为0～10 ℃,不同梁体端口的最佳拼装时间段如表4所示。由表4可知:不同梁段的最佳拼装时间段不同,适合的顶底板温差不同,同一天拼装时间也不同。夏季不适合较长时间拼装作业,早上9:00前梁体未受到太阳直射,梁体顶底板温差未达限值,20:00后适宜作业;冬季适合作业时间较长,甚至可全天候作业。应根据表4确定的温差及作业时间,结合当天温度变化等因素确定箱梁拼装作业时间。

表4 不同梁体端口的最佳拼装时间段

4 结束语

温差对钢箱梁梁体间的夹角有显著影响,不同的温差模式作用下梁体间的夹角均可能超过0.119 4°,一旦超过此限值,将无法进行钢箱梁拼装作业,影响正常施工,实际施工应考虑温差因素。

应合理选择梁体顶底板温差及不同时间段进行不同节段的梁体拼装作业,合理选择梁体顶底板温差限值及作业时间,保证梁体拼装顺利进行。

本研究仅考虑沿梁体高度上的正温差,下一步可考虑梁体横桥向温差及负温差对拼装作业的影响。