合龙温度对矮墩连续刚构桥结构性能影响分析

李 果，范树先，高 飞，曾 鑫，李 涛

（中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222）

0 引言

连续刚构桥梁因其施工简便、跨越能力强、成本低、技术成熟等诸多优势在国内外桥梁建设过程中得到了广泛的应用。但由于连续刚构桥梁体系属于超静定结构，当环境温度变化时，其结构的次内力会随之变化[1-3]，进而导致试件成桥时桥梁线形和内力与设计的理想状态存在一定误差。设计过程中的温度作用一般仅考虑年平均气温。但在实际合龙施工中，常存在一定的温度差，该温度差作用常被忽略。因此，不同的合龙温度对最终成桥的力学性能有着不同的影响。为使成桥后的内力状态更加合理，应确定最佳的合龙温度。国内外学者针对合龙温度对连续刚构桥梁体系结构性能影响方面展开了一系列的研究。

涂光亚等[4]以某钢混组合斜拉桥为例，分析合龙温度对最大悬臂状态，成桥状态下的标高、索力、应力等状态参数的影响，并提出了合龙段焊接期间当温度变化时临时匹配件的受力计算方法。

刘文强等[5]针对高墩连续刚构桥梁中的合龙温度对桥梁线形和内力影响问题，在考虑施工阶段对其成桥力学性能的影响基础上，分析了不同合龙温度和合龙顺序下的力学性能变化，提出了高墩连续刚构桥梁的最佳合龙顺序。

万金武[6]开展了实际工程的桥梁标高、应力和梁体长度随环境温度长期变化研究，并提出了钢混组合梁桥的最佳合龙温度。

范鑫[7]基于某桥梁的实测温度场，进一步分析了日照温度作用下主墩偏移和预应力水平下降对悬臂端挠度的影响规律，并给出最佳合龙温度的建议。

目前虽然各国学者开展了温度作用对桥梁力学性能影响的研究，但关于合龙温度对桥梁力学性能影响方面研究较少，并且多关注于最佳合龙温度的确定，关于合龙温度对结构变形、内力方面的研究有所欠缺。因此，本文以某预应力混凝土刚构组合连续梁为例，开展了不同合龙温度（结构体系温度差）对主梁线形、主梁应力、桥墩水平位移的参数分析，得到了其对桥梁力学性能的影响规律。

1 工程背景

本文以广西壮族自治区柳州市红水河渡槽桥中的三跨矮墩连续刚构桥梁为例。红水河渡槽桥梁段全长466.1 m，最大跨径为150 m。上部结构采用83.55 m+150 m+83.55 m 的双幅变截面预应力混凝土连续刚构形式。下部结构设计采用承台+桩基的形式，其中2#，3#墩为主墩，墩高分别为16.5 m 和18.2 m。主墩为双肢薄壁墩。主梁混凝土采用C55 混凝土，桥墩采用C40 混凝土。箱梁设置三向预应力钢绞线，预应力钢绞线采用直径为15.2 mm 的高强度低松弛钢绞线。普通钢筋为HRB400。抗震设计等级为6 度。红水河渡槽桥梁立面布置及主梁截面示意图如图1 所示。

图1 桥梁布置尺寸示意图

2 有限元模型

2.1 模型简介

采用Midas Civil 2020 建立红水河渡槽桥的空间三维有限元模型，主梁和桥墩采用梁单元进行模拟。对中间的2#墩和3#墩的底部施加固结约束，两侧边跨梁端施加一般弹性支撑约束。全桥共有324 个节点，264 个单元。根据桥梁的施工过程，划分了18 个大施工阶段，63 个小施工阶段。主梁的混凝土等级为C55，桥墩的混凝土等级为C40。根据现场实测值，混凝土弹性模量分别为37.2 GPa 和33.6 GPa，容重统一为26 kN/m3，泊松比为0.2。预应力钢绞线抗拉强度为1 860 MPa，张拉控制应力为1 395 MPa，普通钢筋采用HRB400 等级，钢筋与钢绞线的弹性模量取195 GPa，全桥有限元模型如图2 所示。

图2 全桥有限元模型

2.2 分析工况

根据当地的气象气温显示，该桥所处的平均最高气温约为39 ℃，最低温度约为-3 ℃。桥梁的设计合龙温度为（10±2）℃。因此，本文考虑不同合龙温度与最高、最低年平均温度的温差来模拟体系温差对桥梁的线形、应力、桥墩变形及合龙时所需顶推力的影响。主要分析合龙温度为15 ℃，20 ℃，25 ℃三种温度工况下的影响。合龙顺序根据施工进度与设计方案采用先边跨合龙后中跨合龙的方式。在分析过程中，考虑混凝土10 年的收缩徐变影响。

3 力学性能分析

为明确结构体系温度差对桥梁结构力学性能的影响，基于上述建立的施工阶段模型，本文详细分析了三种不同合龙温度工况下的主梁截面上、下翼缘的应力，主梁的竖向位移及桥墩的水平位移的影响。得到合龙温度对连续刚构桥梁上述桥梁指标的影响规律。

3.1 主梁线形

主梁的线形是桥梁的重要指标之一，其会影响到成桥后的行车舒适度及美观度。本文基于三维空间有限元模型，分析了三种合龙温度工况下的主梁成桥线形及最大悬臂状态下的主梁位移变化，具体结果如图3 与表1 所示。

表1 最大悬臂状态下的主梁最大位移

图3 成桥状态下主梁线形

从图3 可以看出，在成桥阶段，不同的温度下，主梁线形趋势基本一致。随着合龙温度的不断增加，主梁的位移逐渐增大。当合龙温度分别为15 ℃，20 ℃，25 ℃时，对应的中跨跨中最大位移分别为-33.6 mm，-41.7 mm，-49.2 mm。当温度从15 ℃升高至25 ℃时，温度每增加5 ℃，中跨跨中最大位移分别增加了8.1 mm，7.5 mm；中跨跨中的最大位移分别增长了24.1%，18%。从表1 可以看出，对于桥梁的最大悬臂状态下的主梁变形，由于该三跨连续刚构桥梁为对称体系。每个T 构的左右两端的位移相差不大。2#T 构和3#T 构由于主梁桥墩的高度影响，导致计算结果略有区别。从计算结果来看，当合龙温度从15 ℃增加到25 ℃时，温度每增加5 ℃，2#T构左右两端的最大位移分别增加4.4 mm，4.0 mm。最大位移分别增长了35.7%，23.6%；3#T 构左右两端的最大位移分别增加5.2 mm，4.2 mm。最大位移分别增长了39.7%，22.9%。随着体系温差的升高，主梁的最大位移在不断增大，但增长幅度有所下降。因此，选择与设计合龙温度差较小的温度下进行合龙最佳。可明显降低体系温度差对成桥后主梁变形的影响,更有利于桥梁后期通车阶段的正常运营。

3.2 主梁应力

本文给出了温度为20 ℃情况下主梁的最大应力分布图（见图4），成桥阶段下跨中截面和桥墩截面（见图5）及最大悬臂状态下的悬臂截面的主梁上、下翼缘应力（见表2～表3）。

表2 最大悬臂状态下的悬臂截面上翼缘应力

表3 最大悬臂状态下的悬臂截面下翼缘应力

图4 主梁温度应力分布图

由图5 可知，在成桥阶段，不同合龙温度工况下，该桥梁的主梁上、下翼缘应力差值较小。其中除桥墩对应截面上翼缘受拉，下翼缘受压外，其余跨中截面上、下翼缘均处于受压状态。最大应力状态出现在中跨跨中截面，当合龙温度分别为15 ℃，20℃，25 ℃时，上翼缘的应力较前者工况差值分别为0.26 MPa，0.43 MPa；而下翼缘的应力较前者工况差值分别为0.7 MPa，0.96 MPa。最大差值达到11.6%。可以看出，随着合龙温度的升高，截面最大应力差值也在不断增加，但应力差值总体变化不大，这说明合龙温度的变化对成桥阶段主梁的应力影响并不显著。

由表2～表3 可知，在最大悬臂状态下，由于2#T 构和3#T 构结构体系对称，两端截面应力总体相差不大。上、下翼缘应力总体呈现出随温度升高而逐渐增大的趋势，上、下翼缘应处于受压状态。以3#T 构为例，当合龙温度分别为15 ℃，20 ℃，25 ℃时，上翼缘的应力较前者工况差值分别为0.9 MPa，1.1 MPa；而下翼缘的应力较前者工况差值分别为0.8 MPa，1.0 MPa。最大差值达到13.7%。由此可见，合龙温度的增加对于最大悬臂状态下的主梁应力影响程度略大于成桥状态下的主梁应力。综合成桥状态和最大悬臂状态下的主梁截面应力可以发现，随着合龙温度的增加，该桥梁体系与设计合龙的温差逐渐增大，导致截面应力也在不断增加。但增加的幅度较小，当合龙温度为25 ℃（与设计合龙温差相差15 ℃）。最大应力差仅为1.0 MPa。

3.3 桥墩纵向水平位移

在三种不同温度工况下，对该桥梁进行有限元计算。得到2#墩和3#墩在最大悬臂状态下的桥墩纵向水平位移，具体结果见表4。

表4 最大悬臂状态下的墩顶水平位移

从表4 可以看出，随着温度的逐渐增加，桥墩的纵向水平位移逐渐增大。不同温度下的桥墩纵向水平位移相差较大。桥墩纵向水平位移的最大值出现在3#墩处，这是由于3#墩高度大于2#墩。当合龙温度分别为15 ℃，20 ℃，25 ℃时，2#T 构的纵向水平位移较前者相差分别为14.1 mm，16.5 mm，相差幅度分别为36.9%，31.5%；3#T 构的纵向水平位移较前者相差分别为14.7 mm，18.5 mm，相差幅度分别为34.5%，32.3%。对比分析可以发现，随着体系温差的增大，墩顶水平位移不断增加，并且不同温度下，相差较大。从15 ℃～25 ℃时，最大位移相差33.2 mm。由此可见，合龙温度对墩顶水平位移影响显著。因此，在合龙阶段，选择合理的合龙温度尤为重要。

4 结论

本文以某预应力混凝土刚构组合连续梁为工程背景。在不同合龙温度下，对矮墩连续刚构桥梁的力学性能影响，采用数值分析的方式研究了合龙温度对主梁线形、应力、桥墩纵向水平位移的影响，结论如下。

1）三种不同合龙温度下，在成桥阶段和最大悬臂状态下时，主梁的上、下翼缘应力随温度的升高而逐渐增大。当温度由15 ℃增加到25 ℃，跨中截面最大应力相差为1.0 MPa，表明合龙温度对连续刚构体系桥梁主梁上、下缘压应力的影响较小。

2）三种不同合龙温度下，合龙温度对刚构-连续组合体系梁桥主梁线形与桥梁墩顶纵向水平位移影响较大。当温度由15 ℃增加到25 ℃，跨中截面处位移增加了9.4 mm；墩顶纵向水平位移增加了33.2 mm。因此，应选择合适的合龙温度来降低主梁变形和桥墩墩顶纵向水平位移。