大跨徑橋梁施工控制溫度應(yīng)力問題

陶文景

(貴州貴安建設(shè)投資有限公司，貴州　貴安　550025)

大跨徑橋梁施工控制溫度應(yīng)力問題

陶文景

(貴州貴安建設(shè)投資有限公司，貴州貴安550025)

關(guān)鍵詞：大跨徑橋梁；溫度應(yīng)力；施工控制

0引言

橋梁施工安全與成橋狀態(tài)能否符合設(shè)計(jì)要求是人們關(guān)注的重點(diǎn)問題，要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量施工，只通過簡(jiǎn)單的檢查與驗(yàn)收顯然是具有很大難度的，所以需要對(duì)橋梁施工進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確保實(shí)際的施工狀態(tài)與設(shè)計(jì)預(yù)期一一對(duì)應(yīng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)主要用于衡量結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，若參數(shù)改變，則結(jié)構(gòu)內(nèi)力必然會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)變化。在眾多結(jié)構(gòu)參數(shù)當(dāng)中，溫度參數(shù)的確定難度較大，屬于復(fù)雜變量，和所在地理位置、方向以及材料等有關(guān)，在明確結(jié)構(gòu)應(yīng)力中有著十分重要的作用，而且也是最難進(jìn)行識(shí)別的重要參數(shù)。因此，針對(duì)溫度應(yīng)力開展深入的研究工作是施工控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)最佳成橋狀態(tài)的重要舉措。

1溫度應(yīng)力

1.1溫度應(yīng)力的產(chǎn)生

在分析溫度應(yīng)力的早期，人們通常將年溫變化的產(chǎn)生與分布作為依據(jù)，隨著研究的進(jìn)一步深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到非線性特點(diǎn)對(duì)于研究的重要性。近幾年，伴隨研究成果的不斷更新，溫度應(yīng)力研究已經(jīng)從過去的單一考慮氣溫條件上升至充分考慮日照條件的高度。對(duì)于大跨徑橋梁而言，溫度應(yīng)力主要分成兩種形式，分別為：結(jié)構(gòu)物某種構(gòu)件單元內(nèi)，由于各纖維溫度不盡相同而形成的應(yīng)變差在約束的作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，這種溫度應(yīng)力被稱為溫度自應(yīng)力；在結(jié)構(gòu)或者是體系當(dāng)中的各個(gè)構(gòu)件，由于其溫度存在一定差別而形成的結(jié)構(gòu)變化，會(huì)在支承約束條件下生成應(yīng)力，這種應(yīng)力即為溫度次應(yīng)力[1]。研究還發(fā)現(xiàn)，溫度應(yīng)力的產(chǎn)生與分布不僅具有非線性，還具有十分顯著的時(shí)間性。

1.2溫度應(yīng)力效應(yīng)類別

大跨徑橋梁由于受到自然條件等因素的影響會(huì)出現(xiàn)溫度效應(yīng)，一般而言，這種溫度效應(yīng)可以分成兩種類型，分別為：年溫差效應(yīng)與局部溫差效應(yīng)。其中，年溫差效應(yīng)為改變遲緩的年溫差，它會(huì)影響到橋梁截面的溫升、溫降以及伸長(zhǎng)、縮短，橋梁位移在受到一定約束后，會(huì)生成溫度次應(yīng)力[2]。局部溫差效應(yīng)因?yàn)槿照蛰椛渖桑湓诟鞣N截面上的傳熱形式均不相同，具有非線性分布特征，而且，截面非線性溫度分布所造成的脹縮和截面形變之間存在的差別，會(huì)使所有種類的截面都會(huì)出現(xiàn)自應(yīng)力。

2大跨徑橋梁溫度應(yīng)力計(jì)算

2.1基本假定

在對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的過程中，基本假定是首要環(huán)節(jié)，具體內(nèi)容如下：

(1)假設(shè)梁長(zhǎng)方向中的溫度分布均勻，同時(shí)省略掉局部溫度變化所造成的差別；

(2)假設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)的材料是均勻，且各向同性的，在生成裂縫前，滿足各項(xiàng)基本規(guī)律；

(3)假定截面不變且可用；

(4)根據(jù)溫度荷載理論對(duì)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算；

(5)采用疊加法等計(jì)算出多種荷載情況下的應(yīng)力。

2.2溫度應(yīng)力計(jì)算

在橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中，若實(shí)際的分布曲線給定，如圖1所示，則可據(jù)此求出應(yīng)力分布。

圖1　橋梁結(jié)構(gòu)溫度分布曲線圖

首先，假定結(jié)構(gòu)中各種纖維均自由伸縮，則可得應(yīng)力：

εT(y)=αT(y)

(1)

式中，a——膨脹系數(shù)；

T(y)——具體溫度分布。

依據(jù)假設(shè)的平截面，可得總應(yīng)變：

ε(y)=εc+ky

(2)

式中，εc——重心位置應(yīng)變；

k——微段曲率。

因?yàn)榭倯?yīng)變和溫度應(yīng)變不相同，所以可以得出一定幾何關(guān)系：

ε(y)=εT(y)+εe(y)

(3)

式中，εe(y)——彈性應(yīng)變，其應(yīng)力可表示為：

σe(y)=Eεe(y)=E[ε(y)-εT(y)]=E[εc+ky-εT(y)]

(4)

截面內(nèi)力可表示為：

NZ=∫Aσe(y)dA

=E∫A[εc+ky-εT(y)]dA

=EεcA-E∫AεT(y)dA

(5)

Mx=∫Aσe(y)ydA

=E∫A[εe+ky-εT(y)]ydA

=kEI-E∫AεT(y)ydA

(6)

根據(jù)式(5)與式(6)可得：

(7)

(8)

式中：E——彈性模量；

A——截面的面積；

I——抗彎慣矩。

針對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)而言，如果將溫度的贅余力表示為xi(i=1，2，…，n)，則在xi為1時(shí)，截面產(chǎn)生的內(nèi)力為：

(9)

(10)

將式(9)、(10)代入式(7)、(8)中可得：

(11)

(12)

εc、k為已知條件，則可得出贅余力xi方向形變，在此基礎(chǔ)上，通過形變協(xié)調(diào)條件對(duì)xi進(jìn)行求解后即可得出應(yīng)力：

σe(y)=E[εc+ky-εT(y)]

(13)

式中：

NT=E∫AεT(y)dAMT=E∫AεT(y)ydA

由式(13)得知，溫度應(yīng)力主要由兩部分構(gòu)成，分別為次應(yīng)力與自應(yīng)力：

(14)

(15)

3工程案例分析

3.1工程概況

總干渠高大跨渡槽C2標(biāo)由河溝頭、焦家2座渡槽組成，河溝頭渡槽主槽采用(80.55+2×150+80.55)m共461.1 m連續(xù)剛構(gòu)體系；焦家渡槽主槽采用(95.95+2×180+95.95)m共551.9 m連續(xù)剛構(gòu)體系。渡槽平面、縱向均位于直線上，渡槽箱梁頂面縱坡1/1 500，靠進(jìn)口側(cè)高，靠出口側(cè)低。其中，河溝頭箱梁跨中截面梁高4.6 m，是主跨徑的1/32.61，墩頂梁高11.5 m，是主跨徑的1/13.04；焦家箱渡槽梁跨中截面梁高4.6 m，是主跨徑的1/39.13，墩頂梁高13.8 m，是主跨徑的1/13.04。

3.2溫度觀測(cè)

研究發(fā)現(xiàn)，溫度的改變是使主梁出現(xiàn)撓度的主要原因之一。相對(duì)之下，日溫變化趨于復(fù)雜，特別是在受到日照等作用時(shí)，主梁的頂、底板溫差較為明顯，使得主梁出現(xiàn)撓曲現(xiàn)象，而且還有可能使墩身發(fā)生位移。而季溫造成的實(shí)際影響則較為簡(jiǎn)單，變化趨勢(shì)可以保持恒定，對(duì)各節(jié)段溫度進(jìn)行準(zhǔn)確收集，并輸入至計(jì)算機(jī)當(dāng)中，借助相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算分析，即可求出撓度數(shù)值。為進(jìn)一步掌握截面溫差情況，還要在被測(cè)梁體上設(shè)置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，以及時(shí)獲取溫度變化情況。

3.2.1測(cè)點(diǎn)設(shè)置

設(shè)置兩個(gè)截面，每個(gè)截面分別設(shè)置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，把鉑電阻設(shè)置在鋼筋上，經(jīng)防潮處理以后，埋置混凝土中，再將導(dǎo)線布置在結(jié)構(gòu)表面。

3.2.2觀測(cè)結(jié)果

分析得知，梁高溫度分布和T(y)=T0ye-Cyy十分接近，如圖2所示。

圖2　溫度分布示意圖

3.3計(jì)算分析

基于觀測(cè)結(jié)果方面的考慮，使用T(y)=T0ye-Cyy分布函數(shù)，根據(jù)應(yīng)力疊加規(guī)律可得總應(yīng)力為：σe(y)=σt(y)+σtx(y)。

結(jié)合上述公式，算出應(yīng)力。首先，計(jì)算非線性溫度條件下所產(chǎn)生的截面應(yīng)變；然后，獲取初應(yīng)力，使用形變協(xié)調(diào)理論計(jì)算次應(yīng)力與次內(nèi)力。為對(duì)結(jié)構(gòu)形變所造成的溫度變化進(jìn)行分析，箱梁頂板的升溫與降溫分別選為1 ℃、3 ℃與5 ℃，可表示為：T0y=20 ℃±(1 ℃、3 ℃、5 ℃)，cy=5，同時(shí)按照溫度遞增工況實(shí)施運(yùn)算，只考慮溫度造成的影響。

3.4施工溫度應(yīng)力控制方法

3.4.1結(jié)構(gòu)形變控制

充分結(jié)合計(jì)算成果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整監(jiān)控參數(shù)，得出不同階段對(duì)應(yīng)的形變數(shù)值，保證不同塊件標(biāo)高的實(shí)際值、預(yù)測(cè)值與設(shè)計(jì)值保持相同的變化趨勢(shì)。

3.4.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制

綜合考慮溫度、徐變與收縮等因素，通過實(shí)測(cè)、計(jì)算結(jié)果對(duì)比，對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，確保結(jié)構(gòu)應(yīng)力的實(shí)際情況與預(yù)測(cè)結(jié)果變化保持一致[3]。

4結(jié)語

(1)溫度參數(shù)是一種極其復(fù)雜的變量，對(duì)于應(yīng)力與形變確定至關(guān)重要，所以在施工中應(yīng)對(duì)溫度控制給予足夠的重視。

(2)在研究溫度應(yīng)力的同時(shí)，可根據(jù)假定的條件提出一系列計(jì)算公式，同時(shí)充分使用這些公式得出溫度變化造成的形變影響。

(3)結(jié)構(gòu)變位與溫度分布存在緊密的聯(lián)系，施工時(shí)應(yīng)確保數(shù)據(jù)結(jié)果的真實(shí)性，進(jìn)而保證施工控制更具合理性與有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]王力強(qiáng)，高猛.大跨徑橋梁施工控制溫度應(yīng)力研究[J].廣東公路交通，2010(1)：24-27，30.

[2]張浩.橋梁施工控制中的溫度應(yīng)力研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010(13)：75-79.

[3]吳文陽.大跨徑橋梁施工控制溫度效應(yīng)研究[J].科技資訊，2006(2)：111-112.

摘要：文章分析了大跨徑橋梁溫度應(yīng)力產(chǎn)生的形式與效應(yīng)類別，提出了一套實(shí)用的應(yīng)力計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)例介紹了大跨徑橋梁施工溫度應(yīng)力控制方法。

Large-span Bridge Construction Control Temperature Stress

TAO Wen-jing

(Guizhou Gui’an Construction Investment Co.，Ltd.，Gui’an，Guizhou，550025)

Abstract：This article analyzed the forms and effect category of large-span bridge temperature stress，put forward a set of practical stress calculation methods，and in combination with examples，it intro-duced the construction temperature stress control method of large-span bridges.

Keywords：Large-span bridges；Temperature stress；Construction control

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：U445.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.021

文章編號(hào)：1673-4874(2016)04-0075-03

收稿日期：2016-03-27

陶文景(1974—)，高級(jí)工程師，研究方向：高墩大跨橋梁施工。