涂光亞, 李輝, 李亮輝

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114; 2.北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責(zé)任公司)

混合梁斜拉橋一般主跨使用鋼梁，邊跨使用混凝土梁，兩者通過連接件及預(yù)應(yīng)力筋或錨桿等結(jié)合在一起，使斜拉橋的受力性能、跨越能力、經(jīng)濟(jì)性能等方面得到較大改善。對于混合梁斜拉橋，中跨合龍是關(guān)鍵工況，對結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)能否達(dá)到設(shè)計(jì)所確定的理想目標(biāo)起著至關(guān)重要的作用，需要分析該工況下各個(gè)參數(shù)值的影響，其中溫度是影響混合梁斜拉橋中跨合龍的一個(gè)重要因素。為了克服溫度的不利影響，目前大跨度混合梁斜拉橋中跨合龍通常采用溫度配切合龍工藝與頂推合龍工藝。溫度配切合龍工藝即通過合龍口長度以及溫度的連續(xù)監(jiān)測，考慮合龍溫差的影響，對合龍段進(jìn)行切割后完成合龍；頂推合龍工藝即根據(jù)合龍溫度變化，通過千斤頂縱向頂推主梁調(diào)整合龍口實(shí)現(xiàn)中跨合龍。該文以湖北石首長江公路大橋?yàn)槔?，詳?xì)介紹采用頂推合龍工藝時(shí)合龍溫度對成橋受力性能及合龍施工的影響。

1 溫度影響及對策

溫度影響包括均勻溫度影響和梯度溫度影響，但由于中跨合龍段的施工通常選擇在溫度穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行，因此合龍時(shí)的溫度影響實(shí)際上主要還是均勻溫度影響。合龍施工期間的溫度對結(jié)構(gòu)的影響主要包括兩個(gè)方面：① 對成橋狀態(tài)參數(shù)有影響，由于合龍時(shí)的溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度不一致，使得成橋時(shí)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度下斜拉橋的塔偏、標(biāo)高、索力等會(huì)顯著偏離目標(biāo)值；② 對合龍段臨時(shí)匹配件的受力有影響，應(yīng)根據(jù)合龍時(shí)可能的溫度變化計(jì)算臨時(shí)匹配件的最大受力，據(jù)此來對臨時(shí)匹配件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保合龍段焊縫的焊接質(zhì)量。

合龍溫度對合龍段臨時(shí)匹配件的影響主要是指臨時(shí)匹配件也是合龍段在焊接過程中的臨時(shí)鎖定裝置，合龍段的焊接需要一定的時(shí)間(通常需要24～48 h)，在此期間，如果溫度升高或降低，則臨時(shí)匹配件會(huì)受壓或受拉，如果拉壓力超過了臨時(shí)匹配件的強(qiáng)度，則臨時(shí)匹配件會(huì)發(fā)生破壞，從而影響合龍段焊縫的焊接質(zhì)量。因此需要根據(jù)溫度影響量對臨時(shí)匹配件的最大受力進(jìn)行計(jì)算，并據(jù)此合理設(shè)計(jì)臨時(shí)匹配件的結(jié)構(gòu)形式、尺寸和數(shù)量。

2 工程實(shí)例

石首長江公路大橋?yàn)榘肫〗Y(jié)構(gòu)體系，主橋采用雙塔混合梁斜拉橋，橋跨布置為(75+75+75) m +820 m +(300+100) m。主橋索塔采用收腿倒Y形，北邊跨主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，南邊跨和中跨主梁為鋼箱梁，鋼混結(jié)合面位于北塔附近。主梁均為分離式雙邊箱PK箱梁斷面，箱梁全寬38.5 m，到索塔區(qū)縮小到35.98 m，鋼箱梁高3.8 m，混凝土梁高3.822 m。主橋斜拉索采用強(qiáng)度為1 770 MPa的低松弛高強(qiáng)平行鋼絲束，索面呈扇形分布，順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距15 m，混凝土箱梁段、鋼箱梁段的標(biāo)準(zhǔn)間距分別為7.5、 12 m，全橋共有4×26對斜拉索。中跨合龍段(J 梁段)長為12.4 m，吊裝重量249.1 t。橋型布置如圖1所示。

圖1 石首長江公路大橋橋型布置圖(單位：m)

在對中跨合龍計(jì)算分析時(shí)首先要對合龍時(shí)間和溫度進(jìn)行預(yù)估。石首長江公路大橋中跨合龍時(shí)間為2019年4月7日至9日，根據(jù)橋位處天氣預(yù)報(bào)，在該時(shí)間段內(nèi)，大氣溫度為20～25 ℃，而石首長江公路大橋設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度為15 ℃，因此應(yīng)對合龍溫度影響進(jìn)行全面計(jì)算并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

2.1 計(jì)算模型

石首長江公路大橋采用平面桿系程序BDCMS進(jìn)行理論計(jì)算分析，全橋共有552個(gè)節(jié)點(diǎn)，670個(gè)單元。斜拉索的單元類型為兩端帶剛臂的索單元，主塔和主梁為普通梁單元，鋼混結(jié)合段及混凝土梁段支架的單元類型為只受壓的桁架單元。大橋根據(jù)實(shí)際施工過程共劃分了31個(gè)大工況，185個(gè)小工況。

2.2 合龍溫度對合龍口寬度、標(biāo)高和塔偏的影響

在合龍前的最大懸臂狀態(tài)根據(jù)實(shí)際溫度情況進(jìn)行溫度影響分析，由于主橋合龍時(shí)大氣溫度為20～25 ℃，與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度的溫差為5～10 ℃，經(jīng)理論計(jì)算，在最大懸臂狀態(tài)溫度影響計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 最大懸臂狀態(tài)溫度影響結(jié)果

由表1可知：合龍溫度對最大懸臂狀態(tài)的影響主要是合龍口寬度，對于主梁標(biāo)高、塔偏的影響較小，對于主梁應(yīng)力及索力的影響也比較小(限于篇幅，應(yīng)力與索力的計(jì)算結(jié)果沒有列出)。

MATLAB是美國Mathworks開發(fā)的一款商業(yè)的高性能數(shù)值計(jì)算軟件。[5]它有高效的數(shù)值分析能力，并提供了非常完備的圖形處理工具。目前，Matlab應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到了幾乎絕大部分的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域，成為一個(gè)多功能科研軟件工具。

2.3 對成橋狀態(tài)參數(shù)的影響

按20、25 ℃合龍施工試算至成橋，然后將溫度回到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度(15 ℃)，所得成橋狀態(tài)與目標(biāo)成橋狀態(tài)標(biāo)高、索力、應(yīng)力偏差如圖2～4所示；北塔塔偏偏差最大為0.3 mm，南塔塔偏偏差最大為99.3 mm。

圖2 25、20 ℃合龍對主梁標(biāo)高的影響

圖3 25、20 ℃合龍對成橋索力的影響

由圖2～4可知：合龍溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度不一致對成橋鋼主梁部分主塔的塔偏影響最大，其次是主梁標(biāo)高，對索力、應(yīng)力影響較小。當(dāng)在20、25 ℃下合龍時(shí)對南塔塔偏的影響最大為99.3 mm，對主梁標(biāo)高的影響最大為35 mm，對索力的影響最大為-65 kN，對應(yīng)力的影響最大為3.6 MPa。由此可見，如果不采取相關(guān)舉措，最后得到的成橋狀態(tài)塔偏和標(biāo)高會(huì)顯著偏離目標(biāo)狀態(tài)。

圖4 25、20 ℃合龍對鋼箱梁上、下緣應(yīng)力的影響

2.4 頂推措施

為了克服合龍溫度對成橋目標(biāo)參數(shù)的影響，在鋼箱梁的塔梁之間設(shè)置頂推裝置，頂推方向與溫度影響的方向相反。當(dāng)合龍溫度比設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度高時(shí)將主梁往邊跨方向頂推，當(dāng)合龍溫度比設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度低時(shí)將主梁往中跨方向頂推。頂推的行程理論上與溫度對合龍口寬度的影響量相等即可。對于石首長江公路大橋假設(shè)按25 ℃合龍來計(jì)算，由表1可知：頂推量為往邊跨方向頂推96.5 mm。確定了頂推量可通過施工控制有限元計(jì)算模型算得相應(yīng)的頂推力。頂推力主要由以下3部分組成：支座摩阻力，當(dāng)前狀態(tài)下中、邊跨水平不平衡索力和因頂推行程所引起的中、邊跨水平不平衡索力增量。

在合龍段起吊前南塔鋼箱梁部分各墩的支座反力如表2所示。

表2 合龍段起吊前各墩支座反力 kN

由表2可知：南塔總的豎向力為6 857+5 583+5 076=17 516 kN，取摩擦系數(shù)為0.05，則需要克服的摩擦力為17 516×0.05=875 kN。

由施工控制仿真計(jì)算模型結(jié)果可知：當(dāng)前狀態(tài)下中、邊跨水平不平衡索力為1 761 kN，方向?yàn)橄蛑锌绶较颉?/p>

經(jīng)試算，頂推行程與頂推力的關(guān)系為11.45 kN/mm，則當(dāng)頂推行程為96.5 mm時(shí)，需要的頂推力增量為：11.45×96.5=1 105 kN。也就是由96.5 mm的頂推行程會(huì)引起新的中、邊跨水平不平衡索力增加1 105 kN。

則總的頂推力為：875+1 761+1 105=3 741 kN。

在合龍前將結(jié)構(gòu)升溫10 ℃，然后去掉南塔臨時(shí)固結(jié)，對南塔主梁施加向邊跨的頂推力3 741 kN，經(jīng)合龍施工后，在成橋時(shí)將結(jié)構(gòu)降溫10 ℃，所得成橋狀態(tài)與目標(biāo)成橋狀態(tài)相比，北塔塔偏偏差為0.2 mm，南塔塔偏偏差為-0.2 mm，標(biāo)高、索力、應(yīng)力偏差見圖5～7。

圖5 主梁標(biāo)高偏差

圖6 斜拉索索力偏差

圖7 主梁應(yīng)力偏差

由圖5～7可知：在對主梁進(jìn)行合理頂推之后，雖然合龍溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度不一致，但所得成橋狀態(tài)與目標(biāo)成橋狀態(tài)的偏差已非常小，對于塔偏的影響為0.2 mm，對于標(biāo)高的影響為13.7 mm，對于索力的影響為-12 kN，對于上緣應(yīng)力的影響為0.5 MPa，對于下緣應(yīng)力的影響為0.8 MPa，合龍溫度對成橋狀態(tài)參數(shù)的影響基本可以忽略不計(jì)。

2.5 溫度對臨時(shí)匹配件的影響

合龍段焊接施工期間，當(dāng)溫度變化時(shí)，其受力主要由臨時(shí)匹配件來承擔(dān)。溫度升高承受壓力，溫度降低承受拉力。合龍段焊接施工時(shí)間通常為24～48 h。假設(shè)這段時(shí)間的最不利溫度變化為±20 ℃，可據(jù)此算出臨時(shí)匹配件的最大受力。當(dāng)鋼箱梁與主塔之間的縱向約束解除之后，臨時(shí)匹配件的受力也由3部分組成：溫度位移所引起的支座摩阻力，當(dāng)前狀態(tài)下中、邊跨水平不平衡索力和因頂推行程所引起的中、邊跨水平不平衡索力增量。

當(dāng)溫度變化為-20 ℃時(shí)，臨時(shí)匹配件的受力為：-96.5×2×11.45+1 761-875=-1 324 kN(拉力)。

當(dāng)溫度變化為20 ℃時(shí)，臨時(shí)匹配件的受力為：96.5×2×11.45+1 761+875=4 846 kN(壓力)。

當(dāng)鋼箱梁與主塔之間存在縱向約束時(shí)，臨時(shí)匹配件的受力可按以下公式進(jìn)行估算：

F=εtEsAs

(1)

式中:εt為溫度應(yīng)變;Es為鋼的彈性模量;As為鋼箱梁的面積。

當(dāng)溫度變化20 ℃時(shí)，F(xiàn)=1.2×10-5×20×2.1×1011×1.696=19 382 kN

石首長江公路大橋合龍段臨時(shí)匹配件的布置如圖8所示。

圖8 合龍段臨時(shí)匹配件布置圖

由圖8可知：合龍段臨時(shí)匹配件在頂板布置了8套，在底板布置了6套。每套臨時(shí)匹配件包含M24高強(qiáng)螺栓6個(gè)，按單個(gè)高強(qiáng)螺栓的極限承載力為200 kN計(jì)算，則全部臨時(shí)匹配件的受拉承載力為：14×6×200=16 800 kN，與高強(qiáng)螺栓匹配的連接筋板和頂?shù)装逯g焊縫的承載力不小于高強(qiáng)螺栓的受拉承載力，因此全部臨時(shí)匹配件的受壓承載力不會(huì)小于16 800 kN。由于4 846 kN<16 800 kN<19 382 kN，可見當(dāng)臨時(shí)匹配件連接之后，應(yīng)迅速解除鋼箱梁與主塔之間的縱向約束和頂推千斤頂，這樣臨時(shí)匹配件的拉壓承載力遠(yuǎn)大于由溫度所引起的拉壓力荷載，臨時(shí)匹配件在合龍段焊縫施工期間受力安全。否則，如果鋼箱梁與主塔之間的縱向約束不及時(shí)解除，臨時(shí)匹配件將有可能因受力過大而破壞，從而影響合龍段焊縫的焊接質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)回避梯度溫度影響時(shí)，在中跨合龍前的最大懸臂狀態(tài)，實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)溫度不一致主要影響合龍口的寬度，對該狀態(tài)下的標(biāo)高、索力、塔偏、應(yīng)力影響不大。

(2) 如果不采取任何措施，實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度不一致主要影響目標(biāo)成橋狀態(tài)塔偏，其次是標(biāo)高，對索力和應(yīng)力影響不大。

(3) 按精確計(jì)算的頂推行程進(jìn)行頂推施工后，能大大降低實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度不一致對成橋狀態(tài)塔偏、標(biāo)高、索力和應(yīng)力的影響，對塔偏效果最好，標(biāo)高次之，索力和應(yīng)力誤差也進(jìn)一步減小。

(4) 合龍段臨時(shí)匹配件通常也是合龍段臨時(shí)鎖定裝置，應(yīng)對其進(jìn)行受力分析；在臨時(shí)匹配件連接完之后，宜迅速解除鋼箱梁部分塔梁臨時(shí)縱向約束，防止合龍段焊接期間由于溫度變化而使臨時(shí)匹配件受力超限發(fā)生破壞。