混凝土斜拉桥施工监控过程中的温度影响

摘要：提出了结合挠度和索力变化实测值描述混凝土斜拉桥温度场影响的分段多项式函数法,并在现场试验的基础上对斜拉桥温度影响的计算方法进行了研究;根据前支点挂篮悬臂现浇法的特点, 提出了一套完整的可结合施工控制参数识别和预测的温度影响现场控制和消除处理方法,该方法能够实时地应用于现场分析。经过实桥施工过程验证,该方法具有较好的控制效果,可用于斜拉桥施工控制温度影响的现场修正。

Abstract:Proposed a piecewise polynomial function method of the changes of deflection and cable force to describe temperature field of concrete cable-stayed bridge and studied the method of calculating the temperature of the cable-stayed bridge; According to the characteristics of the front pivot arm hanging basket situ method, proposed construction of a complete set of control parameters can be combined to identify and predict the temperature field control and elimination treatment method that can be applied in real-time on-site analysis. After a real bridge construction process to verify that the method has good control effect, can be used to control the temperature of the cable-stayed bridge construction site corrected.

关键词：桥梁工程；混凝土斜拉桥；施工监控；温度影响

Key word:Bridge Engineering;Concrete Cable-stayed Bridge;Construction Monitoring;Temperature Effects;

中图分类号： U-441+.5文献标识码：A文章编号：

1、引言

大跨度桥梁建设往往是一个漫长而复杂的过程，成桥结构内力与施工方法密切相关。设计者在桥梁设计时，各种材料参数一般都采用规范值，对施工工期和施工临时荷载等进行了一定的假设，这些设计参数的假设决定了成桥时桥梁结构的真实内力和线型与其设计期望值必然有所出入，大跨度桥梁施工监测的目的也就在于尽量将这种出入降到最低。在桥梁施工监控中，温度影响是主梁线型和内力一个重要影响因素。如荆州长江公路大桥施工过程中温度对主梁挠度的影响超过10cm[1]，而南京长江第二大桥南汊桥因温度影响最大挠度变化高达19cm[2]。但由于桥梁温度场受桥址地理位置、构件截面形式、日照方向、风速等诸多不确定因素的影响，很难进行准确模拟和预测。因此，大跨桥梁施工监测与控制一般在温度场较为恒定的夜间（日出前）进行。若只在时间进行控制项目（立模标高和索力张拉）将大大延长桥梁的施工周期，增加建设成本。本文对混凝土斜拉桥施工过程中的温度影响进行了分析，并给出了相应的控制方法。

2、温度场计算模式

英国BS5400规范和美国的AASHTO规范采用3折线的温差模式，两者的不同在于温差分层高度和梯度（见图1）。我国公路桥梁设计规范（JTG D60-2004）采用双折线计算模式，而铁路桥梁规范（TB 1002.3-2005）则采用了指数函数的温差模式。对于同一座桥梁而言，采用不同设计规范将产生交大的偏差。因此，设计规范规定的温差模式只适用于设计阶段的对结构内力的一种估计，而不能直接应用于大跨桥梁的施工控制中。

（a）英国规范（b）美国规范 （c）中国公路规范（d）中国铁路规范

图1 不同规范对温差的计算规定

3、现场温差测量

以某一混凝土斜拉桥为例，主跨为30＋60＋120＋60＋30m，主梁为TT形截面，梁高1.8米，如图2所示。通过现场实测温度场对主梁标高的影响，36h的测量结果，如图3所示。从图中可以看出，当大气温度升高时，主梁下挠；反之，主梁上挠。最大悬臂端时，大气温度变化10度时，主梁挠度最大变化4cm左右。通过对主梁温度场进行监测（如图4和图5）可知，核心混凝土测点温度基本不随大气温度的变化而变化，主梁上、下缘测点温度随大气温度变化而变化，但变化幅度远小于大气温度变化温度，且主梁较大气滞后2小时左右达到最高温度。日照左右下TT型主梁截面温差与中国公路桥梁设计规范规定略有不同，而接近于英国和美国规范模式。

图2 温度传感器布置图

（a）主跨侧 （b）边跨侧

图3 温度场对主梁标高的影响

（a）顶板测点（b）底板测点

图4 截面同一高度测点温度

图5 截面不同高度测点温度

3、主梁线型控制

结构的几何线型是桥梁施工控制中的重要内容之一，包括主梁高程、轴线和索塔偏位等，其中主梁高程是线型控制的重点。如主梁高程出现较大的偏差，不但可能造成合拢困难，而且还可能导致主梁内力分布的不合理，影响桥梁结构的安全。在施工控制之前，必须作好三条主梁理论线形的计算，即设计线形、目标线形和预拱度线形。设计线形由设计提供；目标线形则是在设计线形的基础上，计入活载和长期徐变的影响；预拱度线形是在目标线形的基础上进一步叠加施工过程中主梁的累计挠度。主梁的立模标高由设计标高和预抬高共同确定，即

（1）

式中，――第 节段主梁前端的立模理论高程；

――第 节段主梁前端的设计标高；

――浇筑第 节段主梁时，由于第-1节段主梁变形导致第 节段主梁变形，包括随前段主梁的平动和转动；

――第节段主梁在成桥时的累计变形；

――第节段主梁成桥10年后的徐变变形；

――挂篮变形。

由于温度、收缩徐变和非线性等因素影响，实际情况和理论计算不可能完全一致，因此要结合实测数据对理论立模标高不断修正。主梁实际立模标高由下式给出，

（2）

式中，―根据挠度观测结果预测温度影响，对立模标高进行调整值。

4、温度影响分析

对于悬臂梁来说（见图6），在集中力P作用下，其挠曲线为3次方程，如式（3）所示。在截面温差作用下，其挠曲线为2次方程，如式（4）所示。对于截面整体升温，只产生轴向伸缩，而无挠曲变形，如式（5）所示。根据力学叠加原理，对于多点集中荷载作用下的悬臂梁（见图7）其挠曲线为分段3次方程形式，同时考虑截面温差引起的变形时，如公式（6）所示。

图6 悬臂梁力学模型图7 多点集中荷载作用下的悬臂梁

（3a）

（3b）

式中：―悬臂梁抗弯刚度。

（4）

式中：―为截面温差产生的弯矩作用。

―为材料的热膨胀系数。

（5）

（6）

如在设计基准条件下（如日出前）进行对立模标高进行调整，则可以按照公式（1）进行计算，如在偏离基准条件下进行调整立模标高，则必须考虑温度的影响。假设在基准条件下已经完成立模标高调整到位，当温度场发生改变时，主梁挠度及索力将会同时发生变化，如图8所示。挠度变化和索力变化可以通过基准条件下和待安装主梁时刻两次测量之差获得。需要确定的未知量为第i块段的立模标高调整量。由公式（6）可知，只要已经各拉索变化和两处挠度变化（如Wi-1和Wi-2），即推算处截面温差对主梁挠曲变化的影响，进而求得第i阶段立模标高的调整值Wi，如公式（7）所示。

图8 温度对立模标高影响分析 图9 温度对张拉索力影响分析

（7）

式中，―为第i-1节段前端的倾角，对公式（6）求导获得。

―为第i节段的长度。

斜拉索的索力变化与主梁水平、竖向位移及索力内部温度变化有关（如图9所示），如式（8）所示，

（8）

式中，―为第j根斜拉索的长度；

、―分别混凝土和斜拉索的线膨胀系数，混凝土的线膨胀系数一般未知；

、―分别混凝土和斜拉索的整体温度变化，一般为未知量；

―为第i根斜拉索的抗拉刚度。

公式（8）一般有三个未知量，即混凝土的线膨胀系数、混凝土整体温度变化和斜拉索整体温度变化，因此，至少需要测量三根斜拉索的索力变化和三个节点的主梁变形才能求解出位置参数。带未知参数求出后，即可根据公式（8）计算出第i根斜拉索张拉力的调整值。

实际工程中，由于测量误差的存在，一般采用多于未知参数的方程组，采用最小二乘拟合得到一组“最优”解。

5、结论

（1）现场实测数据表明，温度对主梁挠度的影响较大，而桥梁结构的温度场与规范规定有一定差异，不能直接用于桥梁施工监控过程中。

（2）在推导温度场对桥梁线型影响公式的基础上，给出了考虑温度场影响的主梁立模标高和斜拉索张拉力的调整方法。

参考文献：

1颜东煌,陈常松,涂光亚. 混凝土斜拉桥施工控制温度影响及其现场修正[J]. 中国公路学报, 2006, 19(4):71~76

2郝超. 大跨度钢斜拉桥施工阶段非线性温度影响研究[J]. 公路交通科技, 2003,20(1):63~66

3 American Association of State Highway and Transportation Officials．AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，SI Units，Third Edition[S]，2005．

4 BS 5400. Steel, Concrete and Composite Bridges. Part2:1978-Specifications for Loads[S]. British Standards Institute，1978．

5中华人民共和国交通部．JTG D60--2004 公路桥涵设计通用规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004

6中华人民共和国交通部．TB10002.3-2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]. 北京:中国铁道出版社，2005．

7杨佐, 赵勇, 苏小卒. 国内外规范的混凝土桥梁截面竖向温度梯度模式比较[S]. 结构工程师, 2010,26(1):37~43

作者简介：

1、唐伟力 ，硕士研究生，工作情况：道桥工程师，从事桥梁施工、检测管理工作

2、杨小森，博士，工作方向：桥梁检测工作