溫度作用對連續(xù)梁合龍段勁性骨架的影響分析

張春宇

大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 116021

引言

在跨越重要構(gòu)筑物的公路、市政及鐵路橋梁設(shè)計(jì)中，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)作為一種結(jié)構(gòu)合理、施工成熟的橋型正在得到越來越多設(shè)計(jì)人員的采用。這種結(jié)構(gòu)具有變形小、結(jié)構(gòu)剛度好、行車平順舒適、伸縮縫少、養(yǎng)護(hù)簡單、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的施工方法有很多，有支架現(xiàn)澆法、懸臂澆筑和懸臂拼裝法、頂推法、移動模架法、大型浮吊施工和旋轉(zhuǎn)施工法等［1］。其中懸臂澆筑和懸臂拼裝施工方法應(yīng)用最為廣泛，特別在1953年懸臂澆筑法成功問世以來，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋有了飛躍的發(fā)展。目前，我國已經(jīng)建成的跨度較大的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋大都采用此法施工。

合龍段施工是連續(xù)梁施工和體系轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)，合龍施工必須滿足受力狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求和保持梁體線形，控制合龍段的施工誤差。合龍鎖定裝置一般采取既撐又拉的辦法，將兩端連成整體。在合龍段混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前，減小因?yàn)榄h(huán)境溫度變化引起的梁體懸臂端對合龍段混凝土的拉壓作用。合龍段勁性骨架一般分兩種形式，一種是布置在主梁上，澆筑合龍段混凝土?xí)r將其澆筑在梁體內(nèi)，一種是在頂?shù)装逄幒附有弯摴羌?，待合龍段混凝土?qiáng)度滿足要求后拆除。本文以實(shí)際工程為依托，就這兩種結(jié)構(gòu)形式分別進(jìn)行有限元建模分析，考慮兩種結(jié)構(gòu)形式對結(jié)構(gòu)施工階段及最終成橋階段的影響，以求得最優(yōu)的布置形式。

1 工程概況

某工程主橋上跨高速公路，跨徑布置為68m+120m+68m=256m，采用懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。橋梁支點(diǎn)梁高7.5m，跨中處梁高3.5m，由支點(diǎn)到跨中按1.8次拋物線過渡。橋梁全寬17.5m，懸臂板長度3.125m，采用單箱雙室結(jié)構(gòu)。全橋除0號塊外，兩端均設(shè)置14個懸臂澆筑段，長度為3.5m～4.0m，最大懸澆塊1號塊重265t，最小懸澆塊14號塊重157t，合龍段長2m，全橋均采用掛籃懸臂澆筑進(jìn)行節(jié)段施工。橋梁布置如圖1所示。

圖1 橋梁布置（單位：m）Fig.1 Bridge Layout（unit：m）

2 合龍段勁性骨架的設(shè)置

勁性骨架按照其設(shè)置的位置可分為內(nèi)置式勁性骨架和外置式勁性骨架。內(nèi)置式勁性骨架就是將骨架設(shè)置在橋梁內(nèi)部，使用后無需拆除，隨合龍段混凝土澆筑在橋梁內(nèi)。在早期的橋梁施工中，常采用體內(nèi)鋼管作為勁性骨架，并將預(yù)應(yīng)力布置其中，如桂林凈瓶山橋、廣西茅嶺江橋［1］，但因其僅能抗壓而無法承受拉力作用，已經(jīng)較少采用。目前采用比較多的形式是用工字鋼截面或者槽鋼截面組成鋼骨架結(jié)構(gòu)，此種類型的勁性骨架與主梁固結(jié)，并隨合龍段混凝土澆筑其中，不僅在合龍階段起到臨時骨架的作用，并且會參與到成橋使用階段的結(jié)構(gòu)受力。其優(yōu)點(diǎn)是骨架埋設(shè)在混凝土內(nèi)，不易受到腐蝕，不影響橋梁外觀，且可以設(shè)置斜撐，對骨架的豎向抗剪和穩(wěn)定性起到非常有利的作用。其缺點(diǎn)是骨架布置在主梁內(nèi)，對于此處的鋼筋布置和混凝土的振搗有一定的不利影響［2］，且此處單元由于布置了型鋼骨架，其剛度大于相鄰單元的剛度，對于預(yù)應(yīng)力的抗裂驗(yàn)算有一定的影響。內(nèi)置式勁性骨架如圖2所示。

還有一種普遍采用的是外置式勁性骨架，此類型骨架使用工字鋼或槽鋼組合的骨架與頂板上緣和底板上緣固結(jié)，并在橋梁合龍完成后進(jìn)行拆除，此種類型的勁性骨架僅在合龍期間起臨時支撐兩側(cè)懸臂的作用，并不參與成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)受力。優(yōu)點(diǎn)是由于骨架外置，其施工操作簡單易行，對于合龍段鋼筋的布置沒有影響，合龍結(jié)束后可以拆除，對此處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形計(jì)算沒有影響。缺點(diǎn)是無法設(shè)置斜撐，需要較大的型鋼截面來抵抗合龍產(chǎn)生的剪應(yīng)力，用鋼量略大［2］。外置式勁性骨架如圖3所示。

圖2 內(nèi)置式勁性骨架Fig.2 Built in rigid framework

圖3 外置式勁性骨架Fig.3 External rigid framework

3 有限元模型的建立

對于勁性骨架的模擬，通常都是采用節(jié)點(diǎn)間的剛性連接進(jìn)行模擬，一般說來，這樣計(jì)算對結(jié)構(gòu)應(yīng)力不會產(chǎn)生過大的誤差，但是結(jié)構(gòu)位移會與真實(shí)狀態(tài)存在差別，在一些個別情況下，會產(chǎn)生不利的結(jié)果。首先這種模擬方式無法考慮勁性骨架本身的變形，尤其是鋼結(jié)構(gòu)的勁性骨架對溫度力比較敏感，忽略其溫度變形將會導(dǎo)致無法準(zhǔn)確計(jì)算勁性骨架本身的應(yīng)力和變位，如果骨架強(qiáng)度和剛度不足進(jìn)而會導(dǎo)致合龍期間結(jié)構(gòu)整體的線形扭轉(zhuǎn)或者骨架崩裂［3］。其次，合龍期間勁性骨架存在彈性壓縮，其壓縮后回彈會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移和內(nèi)力的影響，這些都是通過剛性連接無法真實(shí)模擬的，故真實(shí)地建立勁性骨架模型及邊界條件在計(jì)算中是必要的。

主橋上部采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，利用MIDAS有限元軟件建立橋梁上部結(jié)構(gòu)模型，首先按照橋梁結(jié)構(gòu)的施工塊編號以及橋梁截面位置將全橋劃分為78個單元，105個節(jié)點(diǎn)，全橋模型如圖4所示。

圖4 全橋模型Fig.4 Bridge model drawing

混凝土自重通過施工階段對荷載激活和鈍化來進(jìn)行模擬，合龍期間的水箱加載及卸載通過臨時荷載進(jìn)行施加，其他作用考慮結(jié)構(gòu)升降溫、溫度梯度作用、支座的不均勻沉降以及考慮10年的混凝土收縮徐變［4］。勁性骨架與相鄰單元通過剛性連接進(jìn)行模擬。連續(xù)箱梁采用C55混凝土，彈性模量E=3.55×104MPa，密度ρ=2.6×103kg/m3，泊松比ν=0.1667，熱膨脹系數(shù)α=1.0×105；勁性鋼骨架的材料采用Q235鋼，彈性模量E=1.95×104MPa，密度ρ=7.8×103kg/m3，泊松比ν=0.3，熱膨脹系數(shù)α=1.2×105［5］。勁性骨架模型如圖5所示。

圖5 勁性骨架模型Fig.5 Rigid skeleton model

4 結(jié)果分析

全橋計(jì)算共計(jì)19個施工階段，分別對節(jié)段混凝土的澆筑、預(yù)應(yīng)力的張拉以及合龍段骨架施加、全橋合龍進(jìn)行分析計(jì)算。勁性骨架在合龍段施工期間進(jìn)行施加，內(nèi)置式施加后不刪除，外置式勁性骨架在下一個施工階段要進(jìn)行拆除。并且分別考慮合龍段施工期間溫度升溫10℃和降溫5℃對比不考慮溫度作用時對結(jié)果的影響作出比較［6］。

分別統(tǒng)計(jì)兩種布置形式的勁性骨架在合龍階段的應(yīng)力值，見表1。

表1 合龍階段勁性骨架應(yīng)力（單位：MPa）Tab.1 Stress of rigid skeleton at closure stage（unit：MPa）

根據(jù)表1可知，合龍期間是否考慮溫度的影響對勁性骨架的應(yīng)力影響很大，對于內(nèi)置式骨架，斜撐的影響程度最大；對于外置式骨架，上弦桿受到的影響要大于下弦桿受到的影響。故在進(jìn)行勁性骨架結(jié)構(gòu)尺寸擬定時，要充分考慮到合龍期間溫度變化對骨架受力的影響，以免出現(xiàn)骨架抗力不足的現(xiàn)象。

利用有限元軟件對內(nèi)置式骨架和外置式骨架在使用階段跨中截面的應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分別統(tǒng)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)對跨中段混凝土的短期效應(yīng)組合的截面正應(yīng)力進(jìn)行比較，其應(yīng)力圖如圖6所示。

圖6 使用階段勁性骨架跨中合龍段應(yīng)力Fig.6 Stress of middle span closure section of rigid skeleton in service stage

根據(jù)圖6可知，在使用階段，對本文的全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，內(nèi)置式骨架混凝土截面上緣拉應(yīng)力超限0.2MPa；外置式骨架在使用階段已經(jīng)拆除，正截面應(yīng)力未超限。故可知內(nèi)置式骨架由于隨合龍段混凝土澆筑其中，參與結(jié)構(gòu)的后期受力，并對截面應(yīng)力產(chǎn)生了不利影響，但影響值基本處于工程可以接受的范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

對于懸臂澆筑的大跨連續(xù)梁，其合龍段計(jì)算對于結(jié)構(gòu)的整體安全非常重要。其中勁性骨架的模擬又是其中的關(guān)鍵一環(huán)。如果僅僅按照節(jié)點(diǎn)間剛性連接進(jìn)行模擬，會導(dǎo)致在計(jì)算中忽略勁性骨架本身由于溫度變化產(chǎn)生的溫度力的影響，進(jìn)而影響到勁性骨架尺寸的選擇。使用階段期間，內(nèi)置式勁性骨架由于不會在施工階段進(jìn)行拆除，對結(jié)構(gòu)跨中節(jié)段的應(yīng)力產(chǎn)生一定的不利影響，但應(yīng)判斷其對實(shí)際工程的敏感性，進(jìn)而選擇合適的勁性骨架形式。

合龍段勁性骨架的設(shè)計(jì)除了要考慮型鋼的強(qiáng)度要求，還要注意整體穩(wěn)定性是否滿足要求，故一般多考慮在型鋼間設(shè)置斜向支撐以增加其整體的穩(wěn)定性。除此之外，混凝土梁內(nèi)預(yù)埋鋼板的受力及型鋼與預(yù)埋鋼板的焊縫驗(yàn)算也必須考慮在內(nèi)。