大跨度连续梁桥施工阶段温度梯度测定及其影响分析

2017-04-10郑明保徐旖旎

四川水泥 2017年10期

关键词：温度梯度悬臂挠度

郑明保徐旖旎

（1山东科技大学交通学院，山东青岛 266590 2山东科技大学矿业与安全学院，山东青岛 266590）

大跨度连续梁桥施工阶段温度梯度测定及其影响分析

郑明保1徐旖旎2

（1山东科技大学交通学院，山东青岛 266590 2山东科技大学矿业与安全学院，山东青岛 266590）

以张家港市跨越沿江高速客货共线铁路连续梁桥为工程背景，通过对连续箱梁截面温度数据采集及计算分析，得出了施工阶段预应力混凝土箱梁截面的温度梯度模式，并将此与《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》中的温度梯度模式进行对比，温度曲线变化形式非常相似，基本吻合。在此基础上，详细的阐述了温度梯度对悬臂施工阶段挠度的影响，并提出了在施工过程中减小温度梯度影响的有效方法。

连续梁桥；施工阶段；温度梯度；实测温度场；挠度

0 引言

大跨度连续梁桥作为一种工程结构物，处于自然环境中，不可避免的受到各种自然环境的影响，其中大气温度的变化对桥梁的影响较为明显[1]。目前，处理温度对桥梁施工线形控制的方法主要是：在凌晨00:00-7:30这段时间完成标高测量，因为这个时段内温度波动范围较小，对桥梁挠度的影响也最小。虽然这种方法从理论上在一定程度上减少了温度对桥梁挠度的影响，但却不能完全符合实际施工情况。因为在工期较紧的情况下，无法在此时间段完成测量工作。因此迫切的需要我们准确的计算出，在非此时间段完成立模测量，温度对桥梁挠度的影响，以便准确的指导桥梁施工，这对在工期紧张的情况下缩短工期具有非常重要的意义。本文结合布置在桥梁关键截面的温度传感器的实测数据，对张家港市沪通铁路跨越沿江高速大桥主桥的温度效应进行了分析。

1 工程概况

跨越沿江高速大桥主桥为单箱单室预应力混凝土连续梁桥，其跨径为64m+108m+64m，主桥共长236m。0号块长度13m，直线段梁长9.75m，箱梁顶宽12.1m，箱梁底宽7m，顶板厚度37～60cm，底板厚度46～70～97.1cm，腹板厚度40～90～110cm，中支点梁高7.5m，跨中梁高4.5m，从中支点到跨中按1.2次抛物线变化。跨越沿江高速与线路交角139°，南至上海、北至南通，为一客货共线铁路连续梁桥。主梁采用C55混凝土、为三向预应力结构体系。

2 现场数据采集及分析

2.1 高程及温度测点的布设

为了掌握每道工序过后桥梁标高的变化量，需要提前布设一些测点，具体布置方法为：在0#块两侧挡匝墙和声屏障之间对称布置两个测点，作为桥上高程基准点，以便梁上高程测量。另外以地面控制点为基准对该高程点进行定期标定，以防止桥墩沉降产生测量误差。其他梁块高程控制点则布置在横桥向顶板和腹板交界位置及桥面中心处、纵桥向离块件前端10cm位置处（具体如图1所示）。采用 Ø16钢筋在垂直方向与顶板上下层钢筋点焊牢固，并要求竖直。测点（钢筋）露出混凝土 3cm，测头磨平并用红漆标记。温度测量点的布设，为了解温度沿箱梁截面的具体分布情况，考虑到在两个T构的相似性，任选一T构，在梁体0#块上布设温度观测点进行观测（具体如图2所示）。在箱梁截面腹板和顶、底板的交界位置处，竖向每隔10cm布置一个温度传感器，截面上下每侧各布6个，两侧腹板中心也各布一个，总计26个观测点。温度传感器采用的是丹东市辽丹仪表厂生产的带有温度的振弦式ZX16应力计及配套的接收仪作为应力和温度观测仪器。此温度传感器具有温度误差小、性能稳定、抗干扰能力强，测量方便等优点，适合于长期观测。

2.2 现场数据采集

对现场进行连续多天观测，选取天气晴朗、温度较高、太阳辐射较强的天气中所测的结果作为研究对象[2]，从早晨7：00—19：00每隔2个小时对桥梁各块标高和温度进行一次观测。其中2016.8.13天气较为晴朗而且光照充足，所以选择此天数据进行研究分析。2016.8.13时T构已经施工到12#块（具体如图3所示），悬臂长度达到49.5m，合拢块为14#块。

由测量可知，7：00以后随着光照强度的增大，温度的升高，桥梁的挠度越来越大。细致观察可知，最大温度梯度和最大挠度变化是同步的，箱梁截面在15：00-16：00时达到最大温度梯度，同时悬臂端挠度也达到了最大值，且为（16+15+15）/3=15.33mm。除此之外还可得知，最大温度梯度的与大气温度达到最高点时是不同步的，一般要晚于大气温度达到最高温度的时间，大约在 1-2小时左右，是因为混凝土传热速度较慢，热量传递有一个滞后效应[3]。

2.3 实测数据的分析

为进一步了解温度沿箱梁截面的变化规律，选取较具代表性的15:00时的测量数据进行分析，为减小计算误差，分别对顶板、腹板、底板相同高度位置的传感器数据取平均值再进行分析，并以腹板中心温度传感器测量值的平均值作为零点，计算截面其他位置的相对温度值。15:00时的箱梁截面各温度传感器的实测数据如表 2所示。箱梁顶板表面温度通过酒精温度计测量完成的，测量时待酒精温度计数值稳定5分钟左右后再进行读取，在15:00时箱梁顶板表面的温度为43.2℃。

将表 2中度的数据取平均值后，为了表示方便，按照其对应位置重新进行编号，仍采用1、2、3…表示。整理后的分布图形如图4所示。

由图 4可知，实测箱梁截面竖向温度梯度曲线是非线性的，在顶板的上半位置温度变化较快，在顶板下半位置和腹板部分变化较慢。将此变化形式与规范[4]进行对比，基本一致。为排除测量的偶然性，规范中的温度模式仍可利用做进一步分析。

规范中温度梯度变化曲线如图5所示。公式中的参数取值如表5所示，从表5中可知规范仅考虑了成桥状态时温度对箱梁的影响，而且温差为一恒定值。然实际箱梁截面温差却不为一个恒定数值，它是随着当地气温变化而变化的，因此采用规范成桥状态下的温差值来指导施工阶段挂篮立模值是不准确的。因此在利用此温度模式指导桥梁施工时，需要对参数T0进行修正，即采用实际日照温差值，这样才能更加符合事实[5]。最终温度加载方式定为：a值不变、T0为立模时与当天早晨7:00的温差。

3 有限元理论分析

通过Midas/Civil 2015有限元分析软件，进行模拟日照温差对桥梁施工过程中挠度的影响，按照上述修正后的竖向温度梯度模式和未修正的温度梯度模式分别进行加载，计算最大悬臂端12#块在一天中各时间段的最大挠度。并在建模的过程中做了如下简化:①假设桥墩是刚性的，不考虑其沉降对悬臂端挠度产生影响；②假设桥梁沿横向不存在温度梯度，只考虑单向即竖向温度梯度变化模式，因为横向温度梯度主要影响桥梁中心线的横向偏移和箱梁截面的侧向扭转，对挠度影响较小[6, 7]。模型采用梁单元进行模拟，单个T构共分为80个单元，具体如图6所示。

经计算，T构最远悬臂端12#块在不同温度梯度模式下的挠度值，如表6所示。

由表6数据可知，如果直接采用规范值，取T0=20，那么悬臂端12#块的计算最大挠度为19mm，而且在一天中各个时刻为一定值，显然不能符合实际的情况，因为在一天中不同的时刻，气温是变化的，温差不恒定。如果利用此数据进行指导挂篮立模，势必会产生较大的误差。因此，在利用 Midas/Civil来模拟计算日照温差对悬臂端挠度影响时，务必要对其T0值做修正，即采用实际的温差值代入模型计算，这样才能更加符合事实。如果在早晨7:00以前不能完成测量，但可以预先量测一下顶板最上面两个温度传感器数值，然后在立模时再次测量一下这两个温度器传感器数值，取平均值、得出温差值，并将此温差输入到模型中进行计算，便可以得到较理想的挠度值。取15:00的数据进行误差分析，16-15=1mm＜5mm，规范[8]要求立模标高允许误差为±5mm，因此满足要求。13:00时，11-10=1mm＜5mm，满足要求。17:00时，14-12=2mm＜5mm，满足要求。因此表明此方法是正确的、合理的。所以通过此方法便可以解决了，在一天中不同时刻进行立模日照温差对悬臂端挠度影响问题。此方法不仅提高了施工效率，保证了施工的流畅性，而且简单可靠，在工期紧张的情况下，具有十分重要的意义。