溫度對(duì)橋梁合龍位置預(yù)應(yīng)力的影響研究

摘 要：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)給多跨公路橋梁的合龍施工提供了支撐性的技術(shù)條件。本文對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的合龍問題進(jìn)行研究，給出了具體的施工案例、工程參數(shù)，并對(duì)施工難點(diǎn)進(jìn)行分析。本文提出橋梁合龍的施工步驟和具體流程圖，分析了溫度對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁合龍施工的影響，建立了熱傳導(dǎo)方程并設(shè)定了5組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：如果環(huán)境初始溫度較低，那么合龍施工導(dǎo)致溫度升高對(duì)合龍位置的橋梁結(jié)構(gòu)軸向力影響較大；如果環(huán)境初始溫度較高，那么溫度降低對(duì)合龍位置的橋梁結(jié)構(gòu)軸向力影響較大。

關(guān)鍵詞：公路大橋；合龍；施工技術(shù)；施工流程

中圖分類號(hào)：U 44" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

公路是我國(guó)交通系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)了全國(guó)范圍內(nèi)大量旅客運(yùn)輸、貨物運(yùn)輸，也是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的關(guān)鍵要素[1]。橋梁則是公路系統(tǒng)中負(fù)責(zé)連接，實(shí)現(xiàn)跨河、跨江、跨澗的重要結(jié)構(gòu)。與公路的其它部分相比，橋梁在抗震、抗裂、承載能力等多方面，都具有了更高的要求[2]。目前，公路橋梁不僅跨度不斷增加，施工周期也不斷縮短，這給橋梁建造提出了更苛刻的要求。對(duì)多跨度公路橋梁來說，合龍是非常重要的施工階段，對(duì)施工工藝、施工流程、施工技術(shù)、影響因素等多方面都有嚴(yán)格要求。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)給多跨公路橋梁的合龍施工提供了支撐性的技術(shù)條件[3]。但合龍施工時(shí)的溫度，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁合龍，有著很大的影響。因此，本文以具體的工程案例為研究對(duì)象，在探討合龍施工相關(guān)技術(shù)和工藝后，進(jìn)一步分析溫度對(duì)橋梁合龍的影響。

1 工程概況和施工難點(diǎn)

1.1 工程概況

試驗(yàn)大橋主橋?yàn)椋?0+110+200+110）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，掛籃懸澆箱梁2聯(lián)8跨，共230個(gè)節(jié)段，橋梁采用分幅設(shè)計(jì)，箱梁為縱向、豎向及橫向三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用單箱單室直腹板箱形截面。箱頂板寬16.25m，底板寬8.65m，兩側(cè)翼緣懸臂長(zhǎng)3.8m。箱梁合龍段長(zhǎng)2m，分別為28#邊跨合龍段、29#中跨合龍段、箱梁采用C60混凝土。大橋主橋合龍段參數(shù)見表1。

1.2 施工難點(diǎn)

1.2.1 預(yù)應(yīng)力施工

試驗(yàn)大橋主橋采用三向預(yù)應(yīng)力交錯(cuò)布置，鋼絞線錨具和波紋管種類較多，預(yù)應(yīng)力管道較長(zhǎng)且易于箱梁鋼筋沖突。

1.2.2 箱梁裂縫控制

將試驗(yàn)大橋主橋主跨設(shè)計(jì)為200m，國(guó)內(nèi)類似跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋普遍存在不同程度的開裂現(xiàn)象。引起裂縫的原因有很多，例如荷載、溫度、混凝土的收縮、鋼筋銹蝕、原材料質(zhì)量、施工工藝等，這要求在施工全過程中對(duì)這些影響因素進(jìn)行控制，在進(jìn)度和質(zhì)量之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。

1.2.3 箱梁線型控制

箱梁線型受多種因素影響，施工中加強(qiáng)與監(jiān)控單位、設(shè)計(jì)單位溝通，對(duì)荷載水箱、立模標(biāo)高、頂推力等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2 公路橋梁合龍施工工藝和流程

合龍共分為兩次進(jìn)行，第一次合龍邊跨合龍段，第二次合龍中跨合龍段，完成42#墩～43#墩及46#墩邊跨現(xiàn)澆段、44#墩T構(gòu)、45#墩T構(gòu)施工至27#號(hào)塊，進(jìn)行邊跨合龍施工，按照骨架鎖定、合龍段施工順序進(jìn)行。在合龍段混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)95%以上強(qiáng)度后，拆除鎖定骨架，張拉邊跨合龍束預(yù)應(yīng)力。邊跨合龍不頂推大小里程可分別獨(dú)立進(jìn)行合龍施工。在邊跨兩個(gè)合龍段施工完成后，中跨合龍段大小里程同時(shí)頂推、鎖定、合龍段施工。合龍段混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)95%以上強(qiáng)度后，拆除鎖定骨架，張拉中跨合龍束預(yù)應(yīng)力。具體步驟如下。

步驟1：邊跨現(xiàn)澆段支座解除約束→掛籃就位合龍位置→設(shè)置平衡水箱→指定溫度下注水配重鎖定勁性骨架→合龍段混凝土澆筑。

步驟2：在邊跨合龍段混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，拆除勁性骨架，按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求進(jìn)行合龍束預(yù)應(yīng)力張拉。

步驟3：要進(jìn)行中跨合龍準(zhǔn)備工作，建立監(jiān)控溫度場(chǎng)，確定合龍溫度及頂推力，轉(zhuǎn)移與合龍無關(guān)的懸臂端荷載至墩頂附近。設(shè)置平衡水箱，合龍勁性骨架、頂推梁、千斤頂以及位移觀測(cè)剛尺等就位。用44#墩中跨掛籃后退一個(gè)節(jié)段至25#號(hào)塊段。

步驟4：進(jìn)行中跨合龍施工，45#墩中跨掛籃就位合龍位置，進(jìn)行鋼筋、模板、埋件工程初步施工。在指定溫度下水箱注水配重、頂推、鎖定勁性骨架。完善鋼筋、模板、埋件工程，合格后在指定溫度下澆筑砼，并等量放水減重。

步驟5：在中跨合龍混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，拆除勁性骨架，按設(shè)計(jì)要求和規(guī)范進(jìn)行合龍束預(yù)應(yīng)力張拉。預(yù)應(yīng)力張拉完成后，拆除合龍掛籃底籃和側(cè)模，44#墩、45#墩中跨掛籃底籃直接下放至平板船上運(yùn)輸至岸邊進(jìn)行拆除、主桁在橋面進(jìn)行分解拆除。

合龍段均利用掛籃進(jìn)行合龍施工。在合龍前通過壓重調(diào)整梁段兩端中心線標(biāo)高，立模、綁扎鋼筋、安裝預(yù)應(yīng)力管道，在最低恒溫時(shí)間段進(jìn)行頂推（一般在晚上0：00—4：00）鎖定勁性骨架，并在升溫之前完成臨時(shí)鎖定，同時(shí)觀測(cè)氣溫，澆筑混凝土。在當(dāng)日氣溫最低的時(shí)刻進(jìn)行砼澆筑，在混凝土澆筑完成后，做好收漿和養(yǎng)護(hù)工作，待合龍段混凝土強(qiáng)度達(dá)到張拉強(qiáng)度后，拆除勁性骨架，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)定的張拉順序和要求進(jìn)行張拉和壓漿工作。合龍段施工工藝流程圖如圖1所示。

3 溫度對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁合龍施工的影響分析

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)本身的溫度場(chǎng)比較復(fù)雜，受到多種因素的影響。正常的日照溫度、溫度的起伏變化、年均溫差，都會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)形成影響。同時(shí)，從內(nèi)部情況看，混凝土這種材料本身的導(dǎo)熱性能就不理想，結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部溫度存在較大的溫差。這些因素同時(shí)作用會(huì)對(duì)參與合龍的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而影響合龍效果和后期橋梁使用。因此，要重點(diǎn)考慮溫度對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁合龍施工的影響。

在受到外部溫度影響并產(chǎn)生內(nèi)部溫度變化的過程中，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部任意一點(diǎn)的溫度可以按照公式（1）計(jì)算。

T=F（x，y，z，t） " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：T為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁某一點(diǎn)的溫度；x為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁某一點(diǎn)的x方向坐標(biāo)；y為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁某一點(diǎn)的y方向坐標(biāo)；z為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁某一點(diǎn)的z方向坐標(biāo)；t為溫度測(cè)量的時(shí)間；F（）為多參函數(shù)。

假定預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是各向同性的，那么對(duì)這種結(jié)構(gòu)可以建立熱傳導(dǎo)方程如公式（2）所示。

（2）

式中：λ為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)；C為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的比熱；γ為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的容重；q為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)單位體積釋放的熱量；T為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁某一點(diǎn)的溫度。

借助上述溫度表達(dá)和溫度傳導(dǎo)方法，對(duì)橋梁合龍過程中的溫度變化以及所受的影響進(jìn)行測(cè)算和分析。首先，設(shè)定5組試驗(yàn)條件。

第一組試驗(yàn)條件：當(dāng)整個(gè)環(huán)境溫度為10℃，合龍施工導(dǎo)致整體溫度升至34℃，隨后又冷卻到-1℃。

第二組試驗(yàn)條件：當(dāng)整個(gè)環(huán)境溫度為15℃，合龍施工導(dǎo)致整體溫度升至34℃，隨后又冷卻到-1℃。

第三組試驗(yàn)條件：環(huán)境溫度為4℃，合龍施工導(dǎo)致整體溫度升至34℃，隨后又冷卻到-1℃。

第四組試驗(yàn)條件：環(huán)境溫度為20℃，合龍施工導(dǎo)致整體溫度升至34℃，隨后又冷卻到-1℃。

第五組試驗(yàn)條件：環(huán)境溫度為24℃，合龍施工導(dǎo)致整體溫度升至34℃，隨后又冷卻到-1℃。

其次，觀察5組試驗(yàn)條件下，當(dāng)從環(huán)境溫度達(dá)到合龍施工最高溫度時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的軸向力變化，如圖2所示。

從圖2中可以看出，在5組試驗(yàn)條件下，隨著施工溫度升高，橋梁合龍位置的軸向力有較大幅度下降。其中，環(huán)境溫度從4℃升至34℃時(shí)，軸向力下降了近2000kN，下降幅度最大。環(huán)境溫度從24℃升至34℃時(shí)，軸向力下降了600kN，下降幅度最小。由此可見，如果環(huán)境初始溫度較高，那么合龍施工導(dǎo)致溫度升高對(duì)合龍位置的橋梁結(jié)構(gòu)軸向力影響較??；如果環(huán)境初始溫度較低，那么合龍施工導(dǎo)致溫度升高對(duì)合龍位置的橋梁結(jié)構(gòu)軸向力影響較大。

再次，觀察5組試驗(yàn)條件下，當(dāng)從環(huán)境溫度達(dá)冷卻到最低溫度時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的軸向力變化，如圖3所示。

從圖3中可以看出，在5組試驗(yàn)條件下，隨著溫度降低，橋梁合龍位置的軸向力出現(xiàn)較大幅度升高。其中，環(huán)境溫度從24℃降至-1℃時(shí)，軸向力升高了近1600kN，升高幅度最大。環(huán)境溫度從4℃降至-1℃時(shí)，軸向力升高了300kN，升高幅度最小。由此可見，如果環(huán)境初始溫度較高，那么溫度降低對(duì)合龍位置的橋梁結(jié)構(gòu)軸向力影響較大；如果環(huán)境初始溫度較低，那么溫度降低對(duì)合龍位置的橋梁結(jié)構(gòu)軸向力影響較小。

進(jìn)一步比較主橋梁合龍后各位置的上方應(yīng)力，結(jié)果如圖4所示。

4 結(jié)論

研究預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)提高公路橋梁建設(shè)質(zhì)量具有重要意義。本文以橋梁合龍位置的混凝土結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了這個(gè)位置上的預(yù)應(yīng)力變化。為了分析溫度對(duì)橋梁合龍位置處預(yù)應(yīng)力的影響，本文構(gòu)建了熱傳導(dǎo)模型。在這個(gè)理論研究的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)下，橋梁合龍位置受溫度的重要影響，結(jié)合施工環(huán)境的初始溫度條件，溫度的反向變化會(huì)引起合龍位置軸向應(yīng)力的大幅度變化。

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