楊 博

(中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司,湖北十堰442000)

0 引言

國內(nèi)外的橋梁施工和使用過程中，常發(fā)現(xiàn)有一些裂縫，造成極大的危害，受到國內(nèi)外橋梁專家和研究工作者的重視。理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁橋中，特別是超靜定結(jié)構(gòu)體系連續(xù)梁中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超過活載應(yīng)力，已被認(rèn)為是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁產(chǎn)生裂縫的主要原因。在德國，Jagst厚腹板箱梁橋通車第五年發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重裂縫，估算溫度應(yīng)力高達(dá)2.6 MPa。由溫度引起損傷的預(yù)應(yīng)力橋梁中，有兩座橋幾乎倒塌。新西蘭一座位于高速公路上Auckland的預(yù)應(yīng)力混凝土箱型高架橋因溫差導(dǎo)致嚴(yán)重開裂。美國Champigny箱形梁橋日照溫差拉應(yīng)力高達(dá)3.92 MPa。湖北光化大橋箱梁頂板底面有明顯的縱向裂縫(1984年發(fā)現(xiàn))，其頂板溫度拉應(yīng)力高達(dá)2.6 MPa。我國鐵路上的通惠河連續(xù)箱型橋和九江大橋簡(jiǎn)支梁橋也因溫度差產(chǎn)生嚴(yán)重開裂現(xiàn)象。溫度應(yīng)力是混凝土箱梁發(fā)生裂縫的主要原因。

橋梁施工中的溫度場(chǎng)分布及其所引起的撓度和應(yīng)力效應(yīng)，以及在此基礎(chǔ)上的施工溫度控制引起國內(nèi)外橋梁專家和研究工作者的重視。在這個(gè)方面，各國橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中溫度荷載都制定了相應(yīng)的規(guī)范，各國規(guī)范對(duì)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律均有規(guī)定，且各不相同。即使在我國，鐵路橋規(guī)與公路橋規(guī)的規(guī)范條文也相距甚遠(yuǎn)。但是，不同的溫度場(chǎng)規(guī)定對(duì)箱梁的溫度應(yīng)力和撓度計(jì)算的影響都是巨大的。使用不同的溫度梯度模式進(jìn)行計(jì)算得到的梁內(nèi)溫度應(yīng)力相差非常大，甚至可能出現(xiàn)異號(hào)應(yīng)力，如果溫度場(chǎng)分布的梯度模式不對(duì)，即使增大溫度設(shè)計(jì)值，也不能保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生裂縫。

因此，有必要根據(jù)我國的地理環(huán)境，氣候條件等外部環(huán)境及橋梁的位置和走向、太陽的輻射、當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速、日和年的空氣溫度變化幅度等參數(shù)，以及橋梁的橫截面幾何參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)和理論等研究工作，得到合適于我國或某一地區(qū)的大跨度PC連續(xù)梁橋的溫度場(chǎng)分布規(guī)律及其溫度效應(yīng)，可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，以及在此基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)鍵的施工工序進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂?。本文以一座位于新疆高溫差地區(qū)的四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?，分析了施工過程中懸臂結(jié)構(gòu)在高溫差地區(qū)日照溫度荷載下的變形和應(yīng)力響應(yīng)。

1 工程概況

某鐵路（40+2×64+40）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁體采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，現(xiàn)澆段處梁高3.10 m，梁底曲線為二次拋物線。箱梁頂寬11.46 m，底寬6.0 m，中支點(diǎn)處梁底加寬至7.0 m，單側(cè)懸臂長(zhǎng)2.73 m，懸臂端厚20 cm，懸臂根部厚65 cm。箱梁腹板厚50～80 cm，底板厚35～65 cm，梁中心頂板厚38 cm，頂板設(shè)90 cm×30 cm的梗肋。箱梁中支點(diǎn)設(shè)置厚150cm橫隔墻，橫隔墻設(shè)置（高）160 cm×（寬）150 cm的過人洞；邊支點(diǎn)橫隔墻厚110 cm，橫隔墻設(shè)置（高）150 cm×（寬）140側(cè)面的過人洞。距梁頂1.5 m處各梁段兩側(cè)腹板設(shè)置直徑10 cm的通風(fēng)孔，在中支點(diǎn)兩側(cè)及邊跨端部附近箱梁底板設(shè)置直徑16 cm的排水孔，在箱梁頂面懸臂處沿橋縱向每隔4.0 m左右設(shè)置直徑12.5 cm的橋面排水孔。

2 主要建筑材料及施工過程

梁體采用C50混凝土，預(yù)應(yīng)力采用縱向、橫向及豎向三向預(yù)應(yīng)力體系，連續(xù)梁梁體縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB 5224-2003）規(guī)定的鋼絞線,錨固體系采用與之對(duì)應(yīng)規(guī)格的群錨裝置，張拉采用與之配套的機(jī)具設(shè)備，采用金屬波紋管成孔。豎向預(yù)應(yīng)力筋采用Φ32 mmPSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk＝830，錨下控制應(yīng)力為705 MPa。錨具采用JLM錨具錨固，采用內(nèi)徑為Φ50 mm鐵皮管成孔。普通鋼筋采用符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的HPB235級(jí)、HRB335級(jí)鋼筋（分別符合GB 1499.1-2008和GB 1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)）。支座采用高速鐵路及客運(yùn)專線橋梁球型支座產(chǎn)品系列。

該連續(xù)梁采用輕型掛籃分段懸臂澆注施工。先在主墩墩頂灌注臨時(shí)支座，再在托架上灌注0#梁段，而后對(duì)稱向兩側(cè)順序灌注1#～7#梁段形成2個(gè)T構(gòu)。然后，先合邊跨，張拉邊跨頂板和底板預(yù)應(yīng)力束；合龍中跨，張拉所有剩余預(yù)應(yīng)力束。

3 我國鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于溫度作用的規(guī)定

我國現(xiàn)行《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB100023—2005）對(duì)箱梁日照溫差分布的計(jì)算公式定義為：

式中：Tx、Ty 為計(jì)算點(diǎn) y、x處的溫度，℃；T01、T02為箱梁梁高、梁寬方向溫度差，一般設(shè)計(jì)可按表1取值；x、y為計(jì)算點(diǎn)距箱梁外表面的距離，m；a為系數(shù)，可按表1取值，（m-1）。

表1 日照溫差曲線的a與T0值一覽表

本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的溫差對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。箱梁高度方向溫差取40℃，箱梁寬度方向的溫差取20℃。

4 有限元模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖反映的內(nèi)容，對(duì)全橋總體結(jié)構(gòu)建立能反映施工荷載的有限元模型，對(duì)該橋進(jìn)行了正裝分析，得到各階段主梁變形狀態(tài)。計(jì)算模型中根據(jù)懸臂施工梁段的劃分、支點(diǎn)、跨中、截面變化點(diǎn)等控制截面將全橋劃分為53個(gè)結(jié)點(diǎn)和52個(gè)單元。

全橋總體計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 橋計(jì)算模型

圖1為成橋階段模型，2＃墩設(shè)置固定支座，其余墩設(shè)置活動(dòng)支座。圖1還示出了預(yù)應(yīng)力鋼束。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙所示施工階段及需完成工作將該橋劃分為32個(gè)施工階段

5 計(jì)算結(jié)果分析

施工至7號(hào)塊時(shí)有限元模型見圖2所示，溫度引起的結(jié)構(gòu)位移見圖3～圖5所示，溫度引起的應(yīng)力見圖6～圖18所示，具體數(shù)值見表2所列。

圖2 有限元模型

圖3 豎向變形圖示

圖4 橫向變形圖示

圖5 縱向變形圖示

圖15 12號(hào)節(jié)點(diǎn)箱梁截面應(yīng)力分布圖示

圖16 13號(hào)節(jié)點(diǎn)箱梁截面應(yīng)力分布圖示

圖17 14號(hào)節(jié)點(diǎn)箱梁截面應(yīng)力分布圖示

圖18 15號(hào)節(jié)點(diǎn)箱梁截面應(yīng)力分布圖示

表2 最大懸臂段施工后位移及應(yīng)力表

5 結(jié)論

（1）施工至7號(hào)塊時(shí)，即最大懸臂狀態(tài)，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的位移影響最為顯著。溫度引起的豎向、橫向及縱向位移分別達(dá)到1.4 cm、1.6 cm及0.3 cm。

（2）施工至7號(hào)塊時(shí)，即最大懸臂狀態(tài)，溫度引起結(jié)構(gòu)的應(yīng)力為：箱梁最大拉應(yīng)力為2.9MPa,最大壓應(yīng)力約為10 MPa左右。

從以上的結(jié)論可以看出，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移產(chǎn)生的影響較大。應(yīng)重視溫度對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，防止箱梁產(chǎn)生溫度裂縫。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)線形監(jiān)控的過程中，應(yīng)合理考慮溫度引起的位移效應(yīng)。