鋼桁梁橋合龍段應(yīng)力分析與精度控制研究

摘 要：蘭家灣大橋采用無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行合龍段施工，本文利用Midas Civil軟件對(duì)橋梁合龍口進(jìn)行溫度分析，發(fā)現(xiàn)溫度變化對(duì)各桿件的位移影響較小，下弦桿受溫度影響造成的應(yīng)力值變化幅度最大，斜桿的應(yīng)力值變化幅度受溫度影響較小，上弦桿的應(yīng)力值變化幅度受溫度影響居中，因此最終將蘭家灣大橋合龍時(shí)的溫度控制在10℃～15℃，可以滿(mǎn)足無(wú)應(yīng)力合龍施工條件。在合龍段臨時(shí)墩施加頂推力后，合龍段在Z向與X向上的位移偏差值能滿(mǎn)足合龍施工的要求。本研究探索了多跨連續(xù)鋼桁梁橋合龍段施工精度控制要點(diǎn)，為后續(xù)類(lèi)似工程提供了參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋；鋼桁梁橋；合龍施工；無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法

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

多跨連續(xù)鋼桁梁橋因其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好以及能夠適應(yīng)復(fù)雜地形和長(zhǎng)跨度需求等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但是在橋梁的施工過(guò)程中，合龍段施工是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，特別是在考慮環(huán)境溫度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等多種因素影響下，合龍段精確合龍是保證橋梁整體質(zhì)量、保障安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法是一種合龍施工技術(shù)[1]，其可以精確控制施工過(guò)程中的溫度、應(yīng)力等因素，使橋梁結(jié)構(gòu)合龍時(shí)達(dá)到無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而縮小合龍誤差，提高施工質(zhì)量和橋梁的安全性。本文將從合龍段溫度影響分析與合龍施工技術(shù)要點(diǎn)等方面進(jìn)行多跨連續(xù)鋼桁梁橋合龍施工研究，以期為類(lèi)似工程提供有益的參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目為蘭家灣特大橋，連接漢源城區(qū)和峨漢高速，上部結(jié)構(gòu)體系為上承式變高鋼桁架連續(xù)梁橋，跨徑布置為70m+115m+6×160m+115m+70m，橋梁全長(zhǎng)1330m，橋面寬度為25.5m。上部結(jié)構(gòu)的鋼桁架梁有等高與變高兩種形式，安裝支撐體系為落地式鋼管支架，橋梁立面圖如圖1所示。

主桁架由上弦桿、下弦桿、豎腹桿、斜腹桿組成，基本為箱型截面，少部分腹桿采用“H”形截面，其斷面如圖2所示。全橋共有8個(gè)合龍口，其中6個(gè)是主跨合龍口、2個(gè)是邊跨（115m跨）合龍口。合龍順序?yàn)橛芍虚g向兩岸依次合龍，所有主跨合龍段完成后再進(jìn)行邊跨（115m跨）合龍。

2 溫度對(duì)合龍段的影響分析

無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法是一種有效的合龍施工技術(shù)，其基本原理是在橋梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，通過(guò)精確控制各個(gè)施工階段的溫度、應(yīng)力等參數(shù)，使橋梁結(jié)構(gòu)合龍時(shí)處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。采用這種施工方法能夠減少合龍過(guò)程中的變形和應(yīng)力集中，提高合龍段的施工質(zhì)量。因此用有限元模擬軟件分析溫度變化對(duì)合龍段的影響可以有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

2.1 計(jì)算模型

本研究采用Midas Civil軟件對(duì)橋梁合龍口進(jìn)行溫度分析[2]，按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)置結(jié)構(gòu)材料與尺寸，全橋共建立4610個(gè)節(jié)點(diǎn)，1320個(gè)單元，其模型圖如圖3所示。將橋梁中墩的中桁支座形式設(shè)置為固定支座，邊桁支座形式設(shè)置為橫向活動(dòng)支座，其他各墩支座中桁支座形式設(shè)置為縱向活動(dòng)支座，邊析支座形式設(shè)置為多向活動(dòng)支座，各剛構(gòu)件間剛性連接。

預(yù)計(jì)在8月對(duì)橋梁進(jìn)行合龍施工，且施工時(shí)間一般在早晚，溫度低對(duì)合龍施工造成的影響較小。根據(jù)當(dāng)?shù)赝诘臍v史溫度，確定該時(shí)段溫度為10℃～30℃，因此設(shè)置5組試驗(yàn)組，并對(duì)其進(jìn)行模擬試驗(yàn)，每組溫度梯度為5℃。

2.2 結(jié)果分析

橋梁中墩處合龍桿件在不同溫度下的內(nèi)力與位移情況見(jiàn)表1。

由表1可知，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)由靜定轉(zhuǎn)向超靜定中體系有多余約束，所以溫度變化對(duì)各桿件的位移影響較小，合龍后構(gòu)件共同變形，在溫度荷載作用下的伸縮變形量受限，構(gòu)件最大位移為8.5mm。但各桿件的應(yīng)力值在不同溫度下變化明顯，為直觀看出桿件應(yīng)力值的變化情況，須繪制合龍桿件在不同溫度值的應(yīng)力變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，各桿件在不同溫度下合龍時(shí)的應(yīng)力值不同。隨著溫度升高，各桿件的應(yīng)力值變大，其中，下弦桿受溫度影響造成的應(yīng)力值變化幅度最大，中桁下弦桿最大值達(dá)到51.5MPa，斜桿的應(yīng)力值變化幅度受溫度影響較小，上弦桿的應(yīng)力值變化幅度受溫度影響居中，可以看出中桁與邊桁的應(yīng)力值有差別，但變化趨勢(shì)一致。結(jié)合表1與圖4，將蘭家灣大橋合龍時(shí)的溫度控制在10℃～15℃，此時(shí)結(jié)構(gòu)伸縮量有限，溫度應(yīng)力較小，最大為7.4MPa，滿(mǎn)足無(wú)應(yīng)力合龍施工條件，結(jié)構(gòu)的安全性能可以得到保障。

3 無(wú)應(yīng)力合龍誤差分析調(diào)整

以橋梁左邊第一個(gè)合龍口為計(jì)算實(shí)例，在合龍工況下，采用Midas Civil軟件對(duì)該合龍口合龍前桿件的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

當(dāng)實(shí)際施工時(shí)，需要在該合龍口設(shè)置臨時(shí)墩，可通過(guò)起頂臨時(shí)墩抵消合龍口的豎向與轉(zhuǎn)角發(fā)生的施工誤差，該臨時(shí)墩在最大頂推力（350t）作用下中跨位移最大可達(dá)到270mm、邊跨可達(dá)到160mm，通過(guò)調(diào)整臨時(shí)墩的起頂力可對(duì)合龍口的桿件進(jìn)行位移調(diào)整，在施加起頂力后，合龍口的位移情況見(jiàn)表3。

在臨時(shí)墩施加頂推力后，該合龍段在Z向與X向上的位移偏差值滿(mǎn)足合龍施工的要求。在合龍口豎向轉(zhuǎn)角誤差消除后，合龍段在縱向上誤差值為6mm，即中跨側(cè)須向邊跨側(cè)移動(dòng)6mm。本次模擬未考慮在施工誤差與溫度應(yīng)力下引起的位移偏差值，施工時(shí)應(yīng)考慮上述兩個(gè)因素造成的偏差值，即可確定最終位移調(diào)整量。對(duì)Y向（橫向）的偏差來(lái)說(shuō)，在10mm內(nèi)可通過(guò)張拉設(shè)置在合龍口節(jié)點(diǎn)位置的鋼絞線調(diào)整橫向偏差[3]。

4 合龍段施工精度控制要點(diǎn)

4.1 溫度控制

溫度對(duì)鋼材的熱脹冷縮特性有顯著影響，進(jìn)而會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，因此，在無(wú)應(yīng)力合龍施工中，必須嚴(yán)格控制施工環(huán)境的溫度。通常會(huì)選擇在溫度較為穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行施工，例如清晨或傍晚，避免日照引起溫度變化[4]。同時(shí)，需要使用溫度傳感器對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證溫度波動(dòng)在±2℃。除此之外，要利用熱力學(xué)模型和有限元分析，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在不同溫度下的變形和應(yīng)力變化，為施工提供準(zhǔn)確的溫度控制參數(shù)。

由于日照、風(fēng)速等自然因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力集中。因此，在施工過(guò)程中應(yīng)采取措施減少溫度梯度影響，例如合理布置遮陽(yáng)設(shè)施、調(diào)整施工順序等。

4.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)與調(diào)整

應(yīng)力監(jiān)測(cè)的主要目的是實(shí)時(shí)掌握合龍段及相鄰結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的應(yīng)力變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)防因應(yīng)力集中或異常分布導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞或開(kāi)裂問(wèn)題，從而保證橋梁的整體受力性能、保障施工安全。對(duì)多跨連續(xù)鋼桁梁橋來(lái)說(shuō)，其監(jiān)測(cè)的構(gòu)件主要為桁架的上弦桿、下弦桿、豎桿與斜桿等截面的應(yīng)力大小情況。

在項(xiàng)目合龍段施工中，須在懸臂段桁架的斷面布置兩個(gè)應(yīng)力計(jì)，采用鋼弦應(yīng)力計(jì)（包括測(cè)溫元件）和配套的頻率接收儀進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。鋼弦應(yīng)力計(jì)具有溫度誤差小、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合長(zhǎng)期觀測(cè)。將測(cè)點(diǎn)布置在箱型截面與“工”形截面的沿桿件軸線的端點(diǎn)處，如圖5所示。

在無(wú)應(yīng)力合龍過(guò)程中，應(yīng)力調(diào)整會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。因此可以通過(guò)預(yù)應(yīng)力張拉、臨時(shí)支撐等技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到最佳的應(yīng)力狀態(tài)。可采用液壓千斤頂對(duì)關(guān)鍵桿件進(jìn)行微調(diào)，每次調(diào)整量為±1mm，保證結(jié)構(gòu)可以平穩(wěn)過(guò)渡[5]。同時(shí)，利用應(yīng)變片和應(yīng)力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化，保證應(yīng)力值在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，通常將其控制在材料屈服強(qiáng)度的60%以下，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形。

4.3 誤差控制

誤差精度控制是無(wú)應(yīng)力合龍施工的關(guān)鍵。因此，在施工前，須利用全站儀、激光測(cè)距儀等高精度測(cè)量設(shè)備，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行精確測(cè)量，保證施工基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。在施工過(guò)程中，需要定期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)測(cè)，及時(shí)調(diào)整施工誤差，保證合龍段的精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。通常，合龍段的對(duì)接精度要求控制在±1mm。

4.4 懸臂拼裝線形監(jiān)控

在多跨連續(xù)鋼桁梁橋合龍施工過(guò)程中，如果不對(duì)懸臂段安裝線形進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)控，就會(huì)直接影響合龍時(shí)的精度。因此在懸臂拼裝過(guò)程中，須進(jìn)行線形監(jiān)控。工程共布置6個(gè)懸臂拼裝的線型監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，分別在懸拼桁架階段的端點(diǎn)、跨中處，沿橋面橫向布置如圖6所示。

在懸臂拼裝施工期間，要對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)，每天對(duì)中線和高程進(jìn)行一次測(cè)量，保證施工過(guò)程中的線形穩(wěn)定性。在合龍段施工過(guò)程中，如果在溫度變化較大的時(shí)間段內(nèi)（例如早晚溫差大時(shí)）施工，就應(yīng)該增加監(jiān)測(cè)頻率。例如，在每天溫度最低和最高時(shí)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握溫度對(duì)線形的影響規(guī)律。同時(shí)，在合龍段鎖定前后，應(yīng)該增加監(jiān)測(cè)頻率，保證鎖定過(guò)程中的線形穩(wěn)定性。在橋梁成橋后，仍須進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，評(píng)估橋梁在使用過(guò)程中的線形穩(wěn)定性和安全性。

4.5 施工組織和管理

高效的施工組織和管理是無(wú)應(yīng)力合龍施工順利進(jìn)行的重要保障，因此在施工前，須制定詳細(xì)的施工計(jì)劃和應(yīng)急預(yù)案，明確各施工隊(duì)伍的職責(zé)和協(xié)作方式。在施工過(guò)程中，要實(shí)行嚴(yán)格的施工日志制度，記錄每一個(gè)施工步驟的詳細(xì)情況，以便后續(xù)的質(zhì)量追溯和問(wèn)題排查[6]。同時(shí)，利用項(xiàng)目管理軟件對(duì)施工進(jìn)度、資源分配等進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，保證施工順利進(jìn)行。通過(guò)優(yōu)化施工流程、提高施工效率，可以顯著縮短施工周期，降低工程成本和提高工程質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文對(duì)多跨連續(xù)鋼桁梁橋合龍段施工技術(shù)進(jìn)行研究，由研究結(jié)果得出以下結(jié)論。1）溫度變化對(duì)各桿件的位移影響較小，結(jié)構(gòu)由靜定轉(zhuǎn)向超靜定中體系有多余約束，合龍后構(gòu)件共同變形，在溫度荷載作用下的伸縮變形量受限，構(gòu)件最大位移為8.5mm。2）下弦桿受溫度影響造成的應(yīng)力值變化幅度最大，中桁下弦桿最大值達(dá)到51.5MPa，斜桿的應(yīng)力值變化幅度受溫度影響較小，上弦桿的應(yīng)力值變化幅度受溫度影響居中。3）應(yīng)該將蘭家灣大橋合龍時(shí)的溫度控制在10℃～15℃，此時(shí)結(jié)構(gòu)伸縮量有限，溫度應(yīng)力較小，最大為7.4MPa，滿(mǎn)足無(wú)應(yīng)力合龍施工條件，結(jié)構(gòu)的安全性能得到保障。4）臨時(shí)墩施加頂推力后，該合龍段在Z向與X向上的位移偏差值滿(mǎn)足合龍施工的要求。在合龍口豎向轉(zhuǎn)角誤差消除后，合龍段在縱向上誤差值為6mm，即中跨側(cè)須向邊跨側(cè)移動(dòng)6mm。

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