斜拉橋施工過程中溫度對主梁的影響效應分析

肖勇剛， 彭江

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

在大跨度混凝土斜拉橋施工過程中，影響主梁線形精度的因素很多，其中溫度對主梁線形控制的影響最大，造成的后果也最嚴重。斜拉橋主梁的施工周期較長，橋梁結構不可避免地受到日照輻射、外部溫度變化的影響。由于混凝土是熱量的不良導體，溫度在梁體的傳遞存在滯后，隨著溫度的變化，主梁內部產生不均勻溫度場，導致主梁在懸臂施工過程中產生溫度變形。

針對橋梁溫度場的分布，相關學者已進行了大量試驗研究。王毅等系統分析了溫度對懸臂施工的影響，認為平行的雙幅橋梁可以按照單幅來考慮溫度分布。樊健生等基于可靠度理論和組合梁溫度荷載模型，提出可實現任意組合橋梁結構溫度場的精確計算并提高其計算效率的方法。顧斌等基于傳熱學理論和有限元理論，提出了大跨度橋梁結構三維日照溫度場的模擬方法。劉誠采用橋梁結構模型，分析了太陽輻射作用下溫度場和溫度應變的變化規律，提出了橋梁日照溫度場的3種不利溫度分布模式，并通過有限元軟件驗證了精細數值模型的準確性和可靠性。Clark J. H.將箱梁溫度場簡化為二維溫度場，分析認為截面溫度分布與兩天以來的平均氣溫有關，并提出了一個相對簡易的結構溫度場計算二維模型。本文以湖南郴州赤石特大橋為研究背景，結合實際施工控制情況，利用BDCMS有限元模型進行分析，研究溫度場對斜拉橋主梁的影響效應。

1 工程概況

赤石特大橋是廈門—成都高速公路湖南段的控制性工程，主橋長1 470 m，寬28 m,為跨徑165 m+3×380 m+165 m四塔預應力混凝土斜拉橋。

采用H形橋塔，為雙曲線形空心薄壁索塔，豎向分為上、中、下塔柱三部分，主橋各塔均布置23對斜拉索。主梁截面為單箱四室箱形，橋面設置雙向橫坡。橋型布置見圖1。

圖1 赤石特大橋橋型布置 (單位：m)

2 溫度實測結果與分析

2.1 溫度測點布置

箱形截面溫度測點布置在1號塔21號截面上(見圖2)。溫度計采用JMT-36C電阻式溫度傳感器，每小時自動采集各測點溫度。

圖2 截面溫度測點布置 (單位：cm)

2.2 截面測點溫度分析

(1) 頂板。通過對一天實測溫度的分析，得到頂板溫度變化曲線(見圖3)。由圖3可知：頂板溫度在一天中的變化十分明顯，14:00時變化最大，溫差達12.4 ℃。從測點1～5的溫度來看，同一位置不同深度的溫度變化幅度有所不同，這是因為隨著深度的增加，外界溫度對混凝土的影響逐漸減小。對比不同位置相同深度測點的溫度，頂板中點溫度上升較快，中腹板正上方頂板的溫度上升滯后，這與混凝土的厚度有關。依據混凝土的熱傳導性及截面對稱性，頂板溫度由頂板中點向腹板方向遞減。隨著時間的增加，橫向溫度加大，一段時間后，頂板中點溫度上升速度下降。

圖3 頂板溫度變化曲線

(2) 腹板。通過對一天實測溫度的分析，得到腹板溫度變化曲線(見圖4)。由圖4可知：腹板溫度基本保持不變，隨著深度的增加溫度降低，變化幅度基本一致。箱內溫度變化很小且呈上升趨勢，這是因為箱內是一個封閉的環境，空氣不流通，散熱慢，溫度上升。

圖4 腹板溫度變化曲線

(3) 底板。通過對一天實測溫度的分析，得到底板溫度變化曲線(見圖5)。由圖5可知：底板不同深度處的溫差很小，在2 ℃左右；測點9、10因為靠近底板，受大氣溫度影響，溫度變化幅度有所增加。

圖5 底板溫度變化曲線

3 主梁截面沿梁高溫度梯度擬合

橋梁結構的溫度場分布為三維溫度場，由于橋梁豎向高度和橫向寬度遠小于橋梁縱向長度，其溫度場對橋梁結構的影響很小，可忽略縱向溫度場，把三維溫度場轉化為一維豎向高度或橫向寬度溫度場進行分析。這里只分析沿梁高的豎向溫度場來研究豎向溫度梯度。

根據文獻[9]，單箱多室截面的中腹板左右兩側受箱內溫度影響溫度變化幅度較小，其他部分溫度變化與單箱單室箱梁溫度場分布類似。最不利時刻(14:00時)溫度沿截面豎向的分布見表1、表2。

表2 中腹板溫度沿截面豎向的分布

由于溫度在混凝土中的梯度是非線性的，通過指數函數對數據進行擬合，擬合公式為：

Ty=T0e-ay

式中：Ty為計算點的溫差值；T0為箱梁截面豎向高度方向的最大溫差；a為系數；y為計算點到箱梁頂面的距離。

將溫度在梁高1.6 m處分成兩部分，取腹板平均溫度作為此處的溫度，并假定此處溫差為0 ℃。運用MATLAB軟件對數據進行擬合，得出內腹板處T0=14.74 ℃、a=5.92，中腹板處T0=10.47 ℃、a=8.96。對上述兩種情況的T0和a取整，擬合得Ty1=15e-6y，Ty2=10e-9y。利用MATLAB軟件對數據進行擬合，結果見圖6。

圖6 擬合溫度分布曲線

由圖6可知：單箱多室箱梁由于日照溫差在沿梁高的溫差擬合曲線的變化規律與《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》中由于日照溫差在沿梁高方向的溫差曲線相同，但由于內腹板受到太陽輻射的影響較小，豎向溫差值有所減??；越接近邊緣，腹板上的溫差變化與《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》規定的溫度梯度更接近，這是因為該規范一般是針對單箱單室截面，沒有考慮內腹板的溫度分布。梁高0.5 m內的溫差明顯，梁高大于0.5 m時溫度分布較均勻，說明太陽輻射對箱形梁頂板的影響深度在0.5 m左右。

4 溫差對主梁撓度的影響

為研究不同溫度對主梁梁端撓度的影響，確保合龍后主梁達到設計線形和內力狀態，保證成橋質量，對21#塊梁端標高進行24 h連續監控，監控結果見圖7。

圖7 時間-撓度-溫度變化曲線

由圖7可知：1) 隨著溫度上升，箱梁上下表面溫差逐漸增大，梁端向下撓度逐漸增加，14:30時達到最大，為-27.2 mm；之后隨著溫度降低，梁端向下撓度逐漸減小，向上撓度逐漸增加，在7:30時達到最大，為12.7 mm。2) 在上午和下午相同氣溫下，梁端撓度有較大區別，這是因為混凝土是熱量的不良導體，經過中午和下午的太陽照射，箱梁內部溫度升高，雖然晚上溫度降低，但梁的變形恢復較慢，形成由溫度造成的變形恢復滯后效應。大氣溫度降到最低時向上撓度不是最大的，溫度上升至最高時向下撓度也不是最大的。

5 有限元分析

采用BDCMS軟件進行建模分析，將所測各時刻截面上下緣溫度數據輸入BDCMS軟件中，分析不同溫度對梁端撓度的影響。觀察發現經過夜晚的散熱，可以近似認為在太陽出來之前箱梁截面的溫度基本一致。以7:00時的溫度為標準值，計算結果見表3。

表3 各時刻溫度對主梁21#塊撓度影響的理論值和實測值 ℃

由表3可知：1) 在大氣溫度影響下，梁端撓度變化很大，14:00時撓度為-27.2 mm，22:00時撓度為-6.1 mm。若忽略溫度影響進行施工控制，會給施工精確性帶來很大影響。在斜拉橋主梁懸臂施工過程中要嚴格控制溫度變化對主梁的影響，這對主梁線形控制及合龍時間選擇至關重要。2) 實測撓度比理論撓度稍大，這是因為在實際測量過程中主梁受到各種因素耦合作用的影響?？赏ㄟ^溫控模擬分析方法對實測數據進行校核，從而定性地對實測數據進行分析。

6 結論

(1) 溫度變化對主梁撓度有很大影響，不能忽略不計，且溫度變化對主梁的影響存在滯后，在大跨徑斜拉橋施工監控中要把溫度監控放在重點位置。

(2) 撓度變化與溫度變化呈相反的趨勢，溫度上升則撓度向下發展，溫度下降則撓度向上發展。主梁撓度的形成與大氣溫度并無直接的聯系，而與梁上下表面溫差有關。

(3) 單箱多室箱梁在頂板上存在橫向溫度梯度，且與混凝土深度有關。有腹板的頂板溫度上升慢，沒有腹板的頂板溫度上升快，頂板溫度由頂板中點向腹板方向遞減，隨著時間的增加這種現象減弱。

(4) 單箱多室箱梁由于內腹板的存在溫度梯度的溫差值減小，靠近邊緣腹板的溫差分布曲線與《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》的溫差分布曲線更接近。