王 达，任 灿

(1. 中南林业科技大学 土木工程学院，长沙 410114；2. 长沙理工大学 土木工程学院，长沙 410114)

斜拉桥是高次超静定结构，而合龙段作为施工的关键部位，其施工质量对成桥内力变化及线型的平顺影响很大.因此，合龙前需要在考虑环境、时机及工艺的前提下，制定合理的合龙施工方案[1-2].余少华等[3]在五口河斜拉桥合龙技术研究中考虑了合龙温度对解除临时约束时的主梁标高、应力及索塔的影响；赵艳磊等[4]在斜拉桥合龙影响分析中考虑了合龙温度对主梁位移和索力的影响；姜磊[5]对双塔单索面预应力混凝土斜拉桥关键施工技术进行了分析，并介绍了一些重要工序的施工控制方法.

实际上，温度对于混凝土斜拉桥的影响也是一个不可忽略的影响因素.目前，研究温度对钢筋混凝土结构的斜拉桥影响的比较多[6-8].随着施工控制方法的完善[9-11]，温度影响便显得尤为重要.通过分析温度对每道工序的影响，才能制定更加合理的合龙施工方案，使得成桥内力状态更接近理论值，进而提高结构的安全可靠性.笔者根据水东湾大桥实际情况，基于有限元软件Midas/Civil 建立空间杆系模型，详细分析了不同温度下合龙对桥梁结构内力和线型的影响，压重对成桥结构的影响以及不同温度下体系转换对结构内力、线形的影响.

1 工程概况

水东湾大桥为预应力混凝土双塔斜拉桥，主桥桥跨组合为150 m+328 m+150 m，为一级公路兼城市道路.斜拉索采用双索面对称扇形布置，主梁内布置双向预应力钢束，主体结构为3 跨连续半漂浮体系.索塔采用门型索塔，塔柱采用外带弧形空心箱形横截面，其底部截面高程为5 m，顶部高程为130 m，总高度为125 m，并设置上、下2 道箱形截面的横梁.塔座断面按照梯形设计，高2 m，上、下2 底面均为哑铃型.斜拉索采用高强平行钢丝拉索，抗拉强度为1 770 MPa，并根据索长的不同分为8 种不同型号，全桥共有176根斜拉索.PK 预应力混凝土主梁梁段分为0 号段、标准段、边跨现浇段和过渡段4 种，标准段长7 m，边跨现浇段长27 m，梁宽35.2 m，桥面设2%双向横坡，采用C55 高强性能混凝土.梁端斜拉索索距有7 和4.4 m 2 种，中跨和边跨合龙段长度均为2 m，每个合龙段混凝土总方量为47.14 m3.该桥主要材料特性见表1，总体布置见图1，主梁标准断面三维图见图2.

表1 水东湾大桥主桥材料特性

图1 水东湾大桥总体布置 /cm

图2 水东湾大桥主梁标准断面三维图 /cm

2 有限元模型建立

本文使用Midas/Civil建立全桥有限元模型进行分析，其中墩台、索塔及混凝土主梁用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟.墩底固结，两侧梁端与辅助墩处进行竖向约束；0 号块主梁与主塔之间进行竖向和横向约束；拉索与索塔采用刚性连接；拉索与主梁通过0 容重刚臂连接.全桥计算模型共划分成22 571 个单元，其中梁单元22 395 个，只受拉的桁架单元176 个，模型见图3.

图3 水东湾大桥有限元模型

3 温度对合龙施工的影响

3.1 合龙方案

主梁采用前支点挂篮悬臂浇筑的施工方法，划分为中跨22 个和边跨16 个悬臂浇筑节段，每个节段长7 m；3 个合龙节段(2 个边跨合龙段+1个中跨合龙段).在悬臂浇筑过程中，各节段主梁梁面标高通过分级张拉斜拉索索力进行控制；合龙段则利用两侧梁段及挂篮布置吊架，进行吊架施工.斜拉桥合龙段是该工程施工的重点部位，而体系转换是控制全桥内力重分布和主梁线形的关键工序.因此，在施工前必须考虑当地温度变化对合龙施工的影响，以便施工进展顺利及保证桥梁合龙后受力合理与线形平顺.合龙方案分7个步骤：

1)材料和工具清除.东西两侧22 号节段浇筑完后及时清除桥面和箱室内的施工材料和工具，将用于合龙段施工的钢筋、模板和设备放在桥塔附近的主梁上，以便最大限度地减少对悬臂段梁端高度的影响.合龙前对主梁温度、挠度、合龙口宽度等变化进行48 h 跟踪观测，以便选择合理的合龙时间，且合龙温度应控制在20 ℃左右.

2)挂篮改造.由于东西侧挂篮主纵梁相互干涉，需根据两侧施工进度对西侧挂篮进行割除并加固，且割除部位应放至西侧梁端，避免荷载减少影响悬臂端标高变化.

3)水箱配重.中跨合龙段梁段长2 m，混凝土方量为47.14 m3，梁段重122 t.合龙段配重设置在悬臂端，每端配重为122 t÷2=61 t，配重用6个直径为2.1 m，高度为3 m 的钢护筒作为水箱，采用分级平衡配重方法，每注满10 t 水对两侧主梁标高进行监测.

4)外模安装.合龙段外模采用木模，吊架分配梁上铺设10×10 方木(方木上面铺设15 mm 厚竹胶板)，间距30 cm.外模施工部位为斜底板、底板、腹板和顶板.为使东西两侧梁体的变形尽可能协调一致，并确保混凝土连接平顺及两边梁体的稳定，须在合龙段梁端的顶板、腹板和底板设置12 组2 m 长的I30 a 工字钢.该工字钢通过与两侧梁端预埋件焊接，形成刚性连接.

5)劲性骨架锁定.在合龙段施工时，为了缩短劲性骨架的安装、焊接时间和规避温度影响，分2 次完成.也就是说，先焊接固定西侧劲性骨架，待达到预计锁定时间后立刻焊接固定东侧.劲性骨架必须在安装前预先放样，将毛刺和氧化膜从预埋钢板的顶部表面上清除，以确保精确安装并与预埋钢板紧密焊接.在安装焊接过程中，先采用点焊后用间断对称焊接，当焊接到预埋钢板周围的混凝土时，注意不要灼烧到混凝土.

6)体系转换.解除临时锚固，让支座受力，使斜拉桥主梁处于半漂浮状态.在解除临时锚固时，东西侧临时锚固需同一时间解除，利于结构内力对称分布.

7)混凝土浇筑.混凝土浇筑时，应根据新浇混凝土的重量分级卸去配重(分级放水).为了防止混凝土在凝固过程中出现裂缝，混凝土浇筑应选择在一天中温度较低时进行，使其在温升作用下处于受压状态.

3.2 温度对最大悬臂端及塔偏的影响

在最大悬臂状态下，主梁标高、合龙口宽度和主塔塔偏等关键参数均受合龙温度的影响.准确预测合龙温度便于对施工工序时间进行修正.因此，在最大悬臂状态下的主梁合龙前需根据现场温度情况进行理论分析.主桥合龙时现场温度为22～25 ℃，与设计参考温度差值为2～7 ℃.通过理论计算，在合龙施工前温度影响计算结果见表2.表2 中负值指合龙段收缩，主梁下挠，塔偏向中跨偏移.

表2 最大悬臂状态下温度影响结果

由表2 可知，合龙温度主要影响最大悬臂状态下的主梁标高，其次是塔偏，对合龙口宽度的影响较小.此外，合龙温度对塔底应力以及主梁应力的影响也比较小.

3.3 温度对成桥状态参数的影响

在实际施工中，由于当地气温差异，合龙温度不一定能达到设计参考温度，因此，有必要预测现场合龙温度和设计参考温度对结构影响的差值，以便及时采取措施.将25 和30 ℃合龙施工所得成桥状态与设计参考温度(20 ℃)目标成桥状态进行比较，得到温度对标高和索力的影响，分别见图4 和图5.该桥为对称结构，图中数据取西塔侧边跨与中跨的数据，其中东、西塔最大塔偏偏差为5.8 mm.

图4 合龙温度对主梁标高的影响

图5 合龙温度对成桥索力的影响

由图4 和图5 可知，当合龙温度与设计参考温度不一致时，对预应力混凝土斜拉桥而言，影响最大的是主梁标高，其次是索力，而对塔偏的影响较小.当在25 和30 ℃时合龙，对主梁中跨最大影响是18#梁段截面标高，标高偏低了26.6 mm；对边跨索力最大影响值为167 kN，中跨索力影响最大值为110.8 kN；对索塔偏位的最大影响值为5.8 mm.因此，在主桥合龙时，如果不规避温度影响，会导致最终的主梁标高明显偏低于目标成桥状态.

3.4 配重对主梁应力及塔偏的影响

对于预应力混凝土斜拉桥而言，合龙配重是合龙施工必不可少的一道工序.但此时合龙段为最大悬臂状态，若承受荷载作用，中跨跨中截面必然会成为最不利截面，且此处也是最大挠度发生的位置.因此，合理地配重才能确保配重后桥梁结构始终处于健康状态.该项目在22#主梁端头配重61 t，以提供截面预压应力.

通过Midas/Civil 计算分析，结果见图6 和图7.由图6 和图7 可知，在22#主梁端头配重61 t对边跨应力的影响比较小，其中边跨16#块梁端处主梁上缘应力增大，最大增大了0.157 MPa；下缘应力减小，最大减小了0.012 MPa.在离桥塔一定距离的主梁下缘应力增大，最大增大了0.038 MPa；上缘应力减小，最大减小了0.08 MPa.索塔处主梁上下缘应力变化小.而在跨中最不利截面处施加配重，使得跨中截面下缘应力增大，最大增大了0.1 MPa；上缘应力减小，最大减小了0.22 MPa.

图6 主梁边跨截面应力变化值

图7 主梁中跨截面应力变化值

配重61 t 使得索塔向跨中多偏移了7.4 mm，这表明配重对成桥后的索塔受力有一定的影响.经分析发现在配重作用下，塔底应力变化量非常小(见表3)，即配重对索塔不利但能提高后期结构运行的安全性.因此，配重对全桥结构而言是有必要的.

表3 配重对塔底应力及索塔偏位的影响

3.5 配重后温升温降对桥梁结构的影响

悬臂梁桥施工通常通过配重来调整成桥线型和主梁内力，从而达到合龙所需要的效果.在实际施工时，由于存在温度的影响，使得实际主梁标高偏离目标标高.因此，需要对配重后温度变化时主梁标高及应力的变化进行研究.通过计算分析发现，温度对主梁标高的影响大于配重的影响.由图8 可知，配重后温度不发生变化的情况下，边跨主梁上拱最大为5.35 mm，中跨悬臂端主梁下挠最大为25.47 mm；当温度升高10 ℃时，边跨主梁下挠最大为7.34 mm，中跨悬臂端主梁下挠最大为68.03 mm；当温度降低10 ℃时，边跨主梁上拱最大为40.10 mm，中跨悬臂端主梁上拱最大为34.99 mm，边跨3#块至中跨12#块标高均下降.在升温时，主梁上、下缘压应力增大，其值超过了2 MPa，而降温时，主梁上、下缘拉应力也增大，其值超过了2 MPa.虽然升温使得主梁应力储备增加，但同时也使得中跨主梁标高明显低于目标标高；降温更是使得主梁压应力降低，挠度变化幅度增大.

图8 配重后温度变化对主梁标高的影响

配重后装完模板的下一道工序是劲性骨架锁定，若是在此过程中温度发生较大变化，将导致成桥状态明显偏离目标状态.因此，要严格控制好配重时的温度，尽量选择在温度变化小的环境下配重，并且缩短模板安装时间.

3.6 不同温度下体系转换对桥梁结构的影响

由于主梁悬臂施工的需要，需将0#块主梁与索塔临时固结，而在中跨合龙时则需解除临时约束，即体系转换.在此过程中，主梁挠度和主梁应力将受到较大的影响.通过计算分析可知，体系转换将导致边跨主梁下挠，中跨主梁上拱，且标高影响量与体系转换时的温度有关，见图9.

图9 不同温度下体系转换对主梁标高的影响

当体系转换与合龙环境温度变化非常小时，边跨主梁下挠值最大为26.8 mm，中跨主梁上拱值最大为7.2 mm.体系转换还使得边跨主梁压应力增大，最大增加了2.05 MPa，中跨主梁压应力最大增加了1.73 MPa.而当体系转换比合龙后温度低10 ℃后再解除临时约束时，边跨主梁下挠值最大为43.9 mm，中跨主梁上拱值最大为24.3 mm.体系转换还使得边跨主梁压应力最大，最大增加了1.72 MPa，中跨主梁压应力最大增加了1.53 MPa.

在解除临时固结约束后，主梁压应力增加，截面能储备一定的压应力，但当合龙后温度骤降，此时再解除临时约束时，边跨主梁标高会明显低于目标值；当选择在白天高温进行体系转换时也会是同样的效果.所以，合龙施工应该在夜间气温低的时候进行，并且在合龙施工完成后应及时解除临时约束.

4 结论

1)合龙温度对主梁标高的影响最大，最大悬臂处主梁挠度随着温度升高而增大；其对合龙宽度、塔偏、塔底应力与主梁应力影响较小.

2)当现场合龙温度高于设计参考温度时，主要影响目标成桥状态主梁标高，使得边跨、中跨跨中线型偏低；其次是索力；对塔偏的影响较小.

3)配重虽会使得索塔向中跨偏移，但能使主梁增加一定的应力储备，因此，配重对桥梁结构受力是有利的.配重后若温度发生变化，将直接影响主梁的梁面标高，并对主梁应力影响较大.

4)体系转换时主梁标高变化受温度影响较大，降温会使主梁标高变化幅度增大.

5)合龙施工应选择在适宜的温度(夜间或凌晨)下进行，并且在劲性骨架锁定后应及时解除临时约束.