温度对大跨径连续刚构桥受力性能的影响分析

马健

作者简介：马 健（1992—），工程师，研究方向：道路与桥梁技术研究和施工管理。

文章以主跨160 m跨径的连续刚构桥为例，采用有限元软件精细化建模并考虑施工阶段的影响，分析了四种不同合龙温度对结构变形、应力及顶推力的影响。研究表明：高温合龙对结构产生降温效应，使结构成桥阶段竖向变形增大，但结构截面上下缘应力对合龙温度变化并不敏感。同时，基于理论分析确定了该桥顶推位移及顶推力计算公式，使该桥在施加顶推力后结构墩顶位移得到显著改善。

合龙温度；变形；应力；墩顶位移；顶推力

U448.23A351253

0 引言

混凝土连续刚构桥因其能采用悬臂施工法，施工便捷、修建成本低、跨越能力强，设计施工技术成熟等诸多特点，在国内外桥梁建设中得到广泛采用。连续刚构桥采用悬臂施工时，要经历体系转换，从静定结构转变为超静定结构，而超静定结构在温度作用下将产生次内力，从而导致结构成桥内力与线性与设计理想成桥状态产生差异。因此连续刚构桥在合龙时选取合理的温度及顶推力尤为重要。目前国内外学者就合龙温度对连续刚构桥力学性能的影响进行了系列研究：

任海涛［1］分析了合龙温度对变截面连续刚构桥梁结构性能影响分析，得出随着合龙温度的升高，顶推力需不断加大的结论。

李果等［2］对合龙温度对矮墩连续刚构桥结构性能进行分析，研究表明合龙温度对主梁应力影响较小，对结构纵向位移影响较大。

田亚洪［3］对整体温度与温度梯度对连续刚构桥跨中合龙的影响进行分析，得出环境温度变化对跨中合龙纵向及竖向位移影响较大，作用于桥墩的温度梯度主要影响其横桥向位移。

目前学者进行了大量温度作用对桥梁力学性能影响的研究，并且多集中于不同气候下最佳合龙温度的确定，对合龙温度对结构变形、内力、温度变化后顶推力的计算方面的研究有所欠缺且相对较少。鉴于此，本文以某跨径为（87+160+87）m的预应力混凝土连续刚构桥为工程背景，开展不同合龙温度下对结构主梁成桥线性、应力及桥墩顶推力计算的影响研究。

1 工程背景

本文以某三跨预应力混凝土连续刚构桥为工程依托。该桥全长334 m，跨径布置为（87+160+87）m。桥梁上部结构采用三向预应力混凝土结构，主梁为单箱单室截面，下部结构采用双肢薄壁墩，基础采用承台接桩基础。该桥主墩分别为1#墩高35.229 m，2#墩高37.829 m，主梁及桥墩分别采用C55和C50混凝土，预应力采用φs 15.2 mm的高强度低松弛钢绞线，地震动峰值加速度为0.1 g。该桥立面布置及主梁横截面如图1、图2所示。

2 有限元模型

本文采用Midas Civil分析软件建立该桥空间有限元模型，主梁及桥墩采用七自由度梁单元模拟。桥墩底部为固结，边跨与交界墩之间连接采用弹性连接模拟，通过支座型号计算弹性连接各方向刚度。该有限元模型共包含147个节点、136个单元，建模时依据施工方案共划分为71个施工阶段，有限元模型如图3所示。

进行有限元分析时需对主梁及桥墩混凝土材料进行容重修正，该桥主要材料计算参数如表1所示。

该桥所在地平均最低温度为0 ℃，最高温度为42 ℃，设计要求合龙温度为15 ℃。基于当地气候及施工实际温度情况，本文选取了15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃ 4种合龙温度，研究不同合龙温度对成桥状态下主梁成桥线形、应力、桥墩顺桥向位移及跨中合龙顶推力的影响。

3 合龙温度对力学性能的影响

成桥线形与设计偏差过大会影响运营阶段行车舒适性及结构的美观，因而合理的合龙温度尤为重要，在不同合龙温度下（未施加顶推力及预拱度），考虑10年收缩徐变下主梁成桥阶段竖向位移值见图4和表2。

由图4和表2可看出，不同合龙温度下，主梁变形趋势一致。随着合龙温度的升高，主梁成桥阶段的变形不断加大，这是因为高温合龙对于主梁而言是降温效果，当结构合龙后体系转换为超静定结构，降温使结构变形增大。当合龙温度为15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃时，对应工况下结构跨中竖向位移值分别为：-21.19 mm、-26.29 mm、-31.40 mm、-36.50 mm。合龙温度每升高5 ℃，跨中竖向位移增大5.1 mm、10.21 mm和15.31 mm，变化幅度为24.06%、48.18%和72.25%，不难发现跨中竖向位移与合龙温度成线性关系，因此结构在合龙进行体系转换时，应尽量选取与设计合龙温度相差较小的温度合龙为最佳。避免由于温度差引起成桥阶段桥面线形偏离设计线过大影响运营阶段行车舒适性。

不同合龙温度下结构控制截面应力如表3所示，由计算结果可知，不同合龙温度下，各跨跨中截面与墩底截面应力变化较小。从设计合龙温度15 ℃升高至30 ℃时，左、右边跨跨中截面顶缘应力增大均为0.13 MPa，底缘应力减小左边跨为0.17 MPa，右边跨为0.18 MPa。中跨跨中截面顶缘减小0.02 MPa，底缘增大0.02 MPa。双薄壁墩墩底截面顶底缘应力均增大0.06 MPa。在30 ℃合龙温度下，所有截面中均受压，应力最大变化幅度为2.65%，这表明结构应力对合龙温度变化并不敏感。

3.1 墩顶位移与顶推力

3.1.1 墩顶位移分析

当实际合龙温度与设计合龙温度不一致时，温度会使结构产生顺桥向长度变化，进而使桥墩产生水平向的位移［4］。如不加处理，结构在后期不利荷载及徐变作用下将进一步增大该位移，这将对边跨支座和主跨竖向位移产生不利影响。在4种不同合龙温度下结构墩顶水平位移见表4和图5。

由表4和图5可知，随着合龙温度升高，墩顶位移不断增大，总体呈线性关系。当合龙温度从15 ℃升高至30 ℃时，1#、2#墩顶位移分别增大1.37 mm和1.68 mm。1#墩每增加1 ℃，墩顶位移增加δ1=0.092 mm/℃，2#墩每增加1 ℃，墩顶位移增加δ2=0.112 mm/℃。

墩高不一致使墩顶水平位移在相同温度下变化不一致，此外跨中合龙是通过千斤顶施加顶推力，因此顶推力必须考虑此刚度的差异。该桥两桥墩刚度接近，故采用温度—位移增量的平均值来度量不同温度两墩的位移增量δ。

顶推力的确定首先应计算合龙温度下墩顶顺桥向位移值，其次还需计算各墩的水平抗推刚度。如两墩刚度差距过大下仍采用相同顶推力则对于刚度较大的墩达不到顶推效果，而对刚度较小的墩存在失稳风险。各墩的抗推刚度可在跨中合龙阶段于最大悬臂节点处施加单位荷载计算各墩的荷载位移曲线得出。

经计算1#、2#墩的抗推刚度分别为γ1=105.26 kN/mm，γ1=85.47 kN/mm，两墩刚度相差较小，因此本文选取两墩抗推刚度均值γ进行后续顶推力的计算。

3.1.2 顶推力分析

计算顶推力时，首先应明确实际墩顶位移的组成及其计算。桥梁经历施工阶段至成桥运营过程中墩顶位移主要包括3项：结构成桥时墩顶位移Δ成桥、结构合龙温度差引起的墩顶位移Δ温度、十年收缩徐变引起墩顶位移Δ收缩徐变。

采用Midas Civil软件进行建模计算时，采用滑动支座模拟边跨支座，两端均释放DX与RY，但桥梁在实际运营过程中梁底与支座间存在摩擦力。因此在计算收缩徐变引起墩顶位移时需引入修正系数α1，本文采用修正系数α1=0.8［5］。此外结构收缩徐变的发展是一个缓慢的过程，当结构处于跨中合龙阶段时，混凝土收缩徐变已经发生部分［6］，此时应根据此阶段收缩徐变完成量以及桥梁所选取支座的顺桥向位移量进行选取Δ收缩徐变的修正系数α2。

该桥在跨中合龙、运营十年收缩徐变阶段产生的墩顶顺桥向位移见表5。

由表5可知，在合龙阶段收缩徐变引起的墩顶位移Δ收缩徐变已经完成16%左右。该桥边跨采用的支座为JQZ（Ⅱ）5DX与JQZ（Ⅱ）5SX球形支座，此支座在活动方向位移量为±100 mm，远大于十年收缩徐变阶段产生的墩顶顺桥向位移。因此本文选取Δ收缩徐变的修正系数α2=1。因此该桥计算顶推力时墩顶位移Δ可由式（3）确定：

3.2 工程实例分析

该桥于2020-09-22完成跨中合龙。

该桥实际合龙温度为23 ℃，此温度下各墩顶水平位移见表6。

由表6计算得该桥实际顶推位移为Δ平均=19.66 mm，因此该桥实际顶推力为F=Δ平均×γ=1 874.97 kN。按此顶推力进行施工后，成桥运营阶段墩顶顺桥向位移如表7所示。

施加顶推力后，1#墩墩顶水平位移减小97.4%，2#墩墩顶水平位移减小98.8%。由此可看出顶推力可显著改善成桥运营阶段墩顶水平位移。

4 结语

本文根据工程实例，结合有限元计算研究了不同合龙温度对连续刚构桥主梁、桥墩位移及应力的影响，分析了刚构桥顶推力的计算，基于计算结果得出施加顶推力前后墩顶位移的变化，并得出以下主要结论：

（1）高温合龙对结构将产生降温效应，随着合龙温度升高，结构主梁成桥阶段竖向位移不断增大，且呈现出中跨变化大于边跨，当合龙温度高于设计合龙温度15 ℃时，结构跨中竖向位移增大72.25%。

（2）结构主梁及墩关键截面的上下缘应力对合龙温度变化并不敏感，即使高出设计合龙温度15 ℃时，应力变化幅度仅为2.65%。

（3）顶推位移由三部分组成，其中Δ成桥为不变值，Δ温度需根据结构实际合龙温度确定，而Δ收缩徐变因其具有时间连续性且周期长，该部分位移需根据结构边界条件、施工至合龙成桥经历时间长短选取合适的修正系数进行计算。

（4）施加顶推力能显著改善结构成桥后墩顶顺桥向位移，进而提高结构运营阶段的使用性能及耐久性，对于高墩大跨连续刚构桥而言，顶推是不可缺失的施工步骤。

参考文献

［1］任海涛.合龙温度对变截面连续刚构桥梁结构性能影响分析［J］.建筑机械，2023（7）：146-150.

［2］李 果，范树先，高 飞，等.合龙温度对矮墩连续刚构桥结构性能影响分析［J］.北方建筑，2023，8（5）：31-35.

［3］田亚洪.温度对连续刚构桥跨中合拢的影响分析［J］.中国水运（下半月），2021，21（6）：125-126.

［4］陈 国，谈 闯，吴新涛，等.大跨连续梁桥主梁合龙参数敏感性研究［J］.铁道建筑技术，2022（12）：54-59.

［5］刘宇航.六跨连续刚构桥中跨合龙顶推力计算与分析［J］.工程与建设，2023，37（2）：569-572.

［6］郑 婵.不同收缩徐变模型下的刚构桥结构响应研究［J］.黑龙江交通科技，2022（6）：045：79-81.