大跨度连续刚构桥悬浇施工过程中的温度效应分析

齐铁东 1,陈少峰2,3,刘宗仁1,孙 航 2,杨小森3 (1 .哈尔滨工业大学 土木工程学院,黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 9 0;2 .哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院,黑龙江哈尔滨1 5 0 0 9 0; 3 .北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京1 0 0 0 2 2) A b s t r a c t : T h e t e s t m a i n l y d i s c u s s e s t h e d i s t r i b u t i o n o f t e m p e r a t u r e a l o n g t h e h e i g h t o f c r o s s s e c t i o n o f b o x g i r d e r o f l o n g - s p a n c o n t i n u o u s r i g i d f r a m e b r i d g e i n t h e s u n s h i n e,t h e m o d e o f t e m p e r a t u r e g r a d i e n t i s b u i l d e d u p b y t h e m e t h o d o f n o n l i n e a r r e g r e s s i o n,r e s e a r c h t e m p e r a t u r e e f f e c t s i n t h e c o n s t r u c t i o no f t h e c a n t i l e v e r c a s t i n g,t h e r e a l - t i m e r e v i s i o nm e t h o dt h a t c o n s i d e r s t h e t e m p e r a t u r e i n f l u e n c e i s p r o p o s e dt oe l e v a t i o no f t h e m a i n b e a ma n d h e i g h t m a r k i n c o n s t r u c t i o n . A f t e r v e r i f i n g c o n s t r u c t i o n o f F u c h u n j i a n g r i v e r b r i d g e,i t i s v e r y s u c c e s s f u l a n d c a n b e u s e d t o c o r r e c t t e m p e r a t u r e i n f l u e n c e o f l o n g - s p a n c o n t i n u o u s r i g i d f r a m e b r i d g e i n f i l e d . K e ywo r d s : c o n t i n u o u s a n d r i g i d f r a m e;c o n c r e t e b o x g i r d e r;m o d e o f t e m p e r a t u r e g r a d i e n t;t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e i n t h e s u n l i g h t;e l e v a t i o n 摘要: 主要研究了大跨度连续刚构桥箱梁在日照温差作用下沿断面高度的温度分布规律,采用非线性回归的方法建立了温度梯度分 布模式, 进行了悬臂浇筑的连续刚构桥施工过程中的温度效应分析, 并对主梁立模标高和施工过程中的标高观测数据提出了考虑温度影 响的实时修正方法。经过富春江特大桥的施工过程验证, 该方法具有较好的控制效果, 可用于连续刚构桥施工控制温度影响的现场修正。 关键词: 连续刚构;混凝土箱梁;温度梯度模式;日照温差;标高 中图分类号:U 4 4 8 . 2 3;T U 5 2 8文献标志码:A文章编号:1 0 0 2 - 3 5 5 0 -(2 0 0 7)0 4 - 0 0 2 9 - 0 5 A n a l y s i s o f t e mp e r a t u r ei n f l u e n c eo nl o n g - s p a nc o n t i n u o u s r i g i df r a meb r i d g ec a n t i l e v e r c a s t i n g Q I T i e - d o n g 1, C H E NS h a o - f e n g 2,3, L I UZ o n g - r e n 1,S U NH a n g2, Y A N GX i a o - s e n 3 (1 . S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g,H a r b i n I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,H a r b i n 1 5 0 0 9 0,C h i n a; 2 . I n s t i t u t e o f C o m m u n i c a t i o n s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y,H a r b i n 1 5 0 0 9 0,C h i n a; 3 . B e i j i n g L a b o r a t o r y o f E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l R e t r o f i t B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,B e i j i n g 1 0 0 0 2 2,C h i n a) 大跨度连续刚构桥悬浇施工过程中的 温度效应分析 收稿日期:2 0 0 6 - 1 2 - 2 0 0引言 大跨度连续刚构桥悬臂浇筑法施工过程中, 施工控制的关 键在于主梁线形即各个节段梁体标高的控制, 使合龙后主梁能 达到设计所要求的线形和内力状态, 从而保证成桥质量和通车 安全。但是桥梁结构处于大气环绕的空间内, 不可避免地要受 到各种环境诸如阳光辐射、周围环境气温变化等因素的影响, 使得结构各个部分的温度发生变化, 由此在桥梁结构内部产生 了非均匀的温度场。对于混凝土箱梁来说, 当它在阳光的照射 下其向阳面温度将快速上升, 而背阳表面的温度随着环境温度 缓慢上升, 当顶板达到最高温度时, 由于梁底的通风条件一般 较好, 故梁底的温度一般低于顶板温度, 这样在梁的顶面和底 面形成了较大的温度梯度,导致箱梁产生不可避免的温度变 形, 而这些变形都要在施工控制中仔细考虑的。在采用悬臂浇 筑法施工的桥梁中, 对于由日照温差产生的结构变形一般采用 回避温度影响的方法来消除, 但这一方法必须固定立模和挠度 观测的时间, 此举时常导致施工的不连续而延误工期。本文主 要建立了连续刚构体系箱梁在日照温差作用下的温度梯度分 布模式, 进行了悬臂浇筑的连续刚构桥施工过程中的温度效应 分析, 并结合富阳连续刚构桥的施工控制工作, 对主梁立模标 高提出了考虑温度影响的实时修正方法。 1混凝土箱梁的日照温度分布理论 工程结构物的日照温度场的形成较为复杂,影响因素众 多, 主要有: 日照辐射强度、 日照时间、 地面反射、 大气温度变 化、 风速、 地理位置、 桥梁方向、 腹板的朝向、 附近的地形地貌条 件等。这就使得结构物表面、 内部温差因对流、 热辐射和热传导 等传热方式形成不均匀分布的温度场。混凝土箱梁的日照温度 分布是指在日照温度场作用下, 某一时刻混凝土结构内部与表 面各点的温度状态。 箱梁结构与外界的热交换和箱梁内部的热传导是十分复 杂的现象, 准确的说, 梁体内任一点的温度T是坐标 (x,y,z) 和 时间t的函数, 即T = f(x,y,z,t) , 为三维热传导问题。 在理论上T 可由不稳定三维热传导方程及其初始条件和边界条件来确定。 对于均质各向同性的混凝土箱梁, 根据F O U R I E R热传导理论, 可以导出三维不稳定热传导方程, 见式 (1) 。 != “2T “x 2+ “2T “y 2+ “2T “z 2!“ = c r “T “t (1) 2 0 0 7年 第4期( 总 第2 1 0期 ) N u m b e r 4 i n 2 0 0 7(T o t a l N o . 2 1 0) 混凝土 C o n c r e t e 理论研究 T H E O R E T I C A LR E S E A R C H 2 9 图2英国B S - 5 4 0 0规定的箱梁温差曲线 式中:!为混凝土的导热系数,c为混凝土的比热容,r为混 凝土的表观密度。但是在实际的应用当中, 要求解这三维不稳 定热传导方程, 是非常困难的。 近年来, 通过大量的现场资料分析表明, 在一般情况下沿 着桥长方向的温度分布基本上是一致的, 可以略去桥长方向温 差的微小影响。当梁高较小时, 垂直方向的热传导远远大于水 平方向的, 往往可以略去水平方向很小的热传导作用, 近似用 垂直方向的一维热传导状态来分析。对于梁高较大的箱梁, 若 忽略角隅区附近的复杂热传导状态, 则可近似的用垂直和水平 两个方向各自的一维导热状态分别计算, 然后再叠加即成。于 是简化计算主要研究一维热传导问题, 见式 (2) 。 T = f(y,t)(2) 各国规范都以此为基础建立了不同的箱梁梁体的温度梯 度模式。 (1) 公路桥涵设计通用规范 (J T GD 6 0 - 2 0 0 4 ) 公路桥涵设计通用规范中规定的温度梯度模式见图1, 其 中参数规定见文献 1 。 (2) 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范 (T B 1 0 0 0 2 . 3 - 2 0 0 5) 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范中规 定箱梁自桥面板顶面开始, 温度逐渐减小, 按指数曲线变化, 见 式 (3) 。 T y= T0e - c y (3) 式中:T 0为箱梁断面梁高方向的温度梯度值 () ;y为计算点 至箱梁顶板上缘的距离 (m) ;T y为计算点位处的温度梯度值 () ; c为系数, 取值参见文献 2 或采用实测数据回归。 (3) 国外规范 英国规范规定 (B S 5 4 0 0) 如图2所示, 此规范中关于温度梯度 的规定是迄今为止国内外关于桥梁结构的温度梯度规定中最为详 细的, 考虑了气温、 太阳辐射、 逆辐射等的每日和季节变化因素。 美国A A S H T O规范规定如图3所示。新西兰桥梁规范规 定如图4所示。 2富春江大桥箱梁温度梯度模式 2 . 1工程概况 杭州至千岛湖高速公路富阳富春江特大桥主桥为 (6 8 + 2 1 2 0 + 6 8)m预应力混凝土连续刚构组合梁桥,总体布置见图5 所示。 大桥上部为单箱单室截面, 共6车道, 桥面全宽3 3 . 5 m, 分 上下行两幅, 每幅箱梁顶宽为1 6 . 3 5 m, 底宽为9 m, 悬臂长度为 3 . 6 7 5 m。箱梁顶面2 %单向横坡。箱梁顶板厚0 . 2 8 m,底板厚 0 . 2 7 0 . 8 m, 按二次抛物线变化, 腹板厚度为0 . 4 5 0 . 6 5 m线性变 化。桥面纵坡以主桥中点为凸曲线变坡点,纵向坡度均为 1 . 2 1 %。6 2号墩采用双肢薄壁实体墩, 墩与主梁固结为一体;6 0、 6 1、6 3、6 4号墩身均采用薄壁空心墩, 墩顶设置盆式橡胶活动支 座。该桥设计行车速度1 2 0 k m / h; 设计荷载: 汽车超2 0级; 验 算荷载: 挂车1 2 0; 上部箱梁采用悬臂浇筑施工方法施工, 施 工顺序: 悬臂浇筑边跨合龙中跨合龙。全桥共6个 “T” , 每 个 “T” 分为1 5对箱梁节段, 长度分为3 . 0、3 . 5、4 . 0三种。 2 . 2富春江大桥箱梁温度梯度模式 2 . 2 . 1箱梁断面温度测点布置 为求得理想的温度场, 太阳辐射下混凝土箱梁温度分布的 现场观测与数据分析是关键工作。为此, 建立箱梁梁体温度场, 选择中跨1 / 4断面作为温度观测断面。 断面测点布置见图6。 在 悬浇施工过程中将热敏传感器预埋, 用于测量梁体温度。大气 温度采用普通水银温度计量测。选择气温高、 太阳辐射强烈、 风 速较小的晴好天气进行观测, 连续观测4 8 h, 白天每2 h测一次, 夜间每3 h测一次。 2 . 2 . 2温度数据整理的原则 (1) 对上下游同一高度的混凝土测点温度进行平均。 (2) 两观测日天气状况相似, 将两观测日获得的温度数据 平均。 (3) 受现场施工条件的限制, 顶板上缘无法埋设温度传感 器, 其温差T 0参考我国铁路桥规范。 2 . 2 . 3实测温度梯度分布规律 本工程测试了1 0 0 0、1 2 0 0、1 4 0 0、1 6 0 0、2 0 0 0、0 0 0、2 0 0、 5 0 0、8 0 0时的温度数据及其相应时间的部分梁端的标高数据, 图1竖向梯度温度 (单位mm) 3 0 其中1 0 0 0 1 2 0 0时的温度测试断面沿高度方向上各点的温度 分布如图7所示, 用温度梯度表示如图8所示; 其中0 0 0 8 0 0 时的温度测试断面沿高度方向上各点的温度分布如图9所示, 图5富阳富春江大桥布置图 (单位:m) 图6箱梁断面温度观测断分布与编号 用温度梯度表示如图1 0所示; 通过测试结果可以看出在距顶板上缘0 (2 / 3)H(H为箱梁 断面的高度) 范围内, 温度梯度分布曲线和温度分布曲线呈现 非线性的特点, 由顶板的较大值迅速衰减, 到腹板的中下部, 温 度数值最低, 温差接近为0; 由底板的上缘附近开始温度逐步升 高, 温差逐渐增大, 底板最大温差接近3 。 图7 0 0 0 8 0 0时温度测试断面温度分布 图8 0 0 0 8 0 0时温度测试断面温度梯度分布 图9 1 0 0 0 2 0 0 0时温度测试断面温度分布 图1 0 1 0 0 0 2 0 0 0时温度测试断面温度梯度分布 图3美国A A S H O T规定的升温曲线 图4新西兰桥规温差曲线 3 1 2 . 2 . 4温度梯度模式的确定 由图8与图1 0可知, 若不考虑箱梁底板的温度梯度, 实测 曲线与我国铁路桥梁规范的计算模式非常类似, 根据铁路桥涵 钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范, 取T 0= 2 0 , 则公式 (3) 改写为 T y= 2 0 . 0 e - c y (4) c利用实测温度梯度值按最小二乘法拟合得到,拟合结果 见表1。 测试时间 参数c 表1各时刻温度梯度分布曲线拟合c值 1 0 0 0 6 . 8 5 4 9 1 2 0 0 7 . 0 0 3 1 1 4 0 0 5 . 2 4 8 0 0 0 0 1 . 9 8 2 3 5 0 0 1 . 3 0 5 7 2 0 0 0 5 . 0 7 9 1 8 0 0 1 . 5 5 4 0 1 6 0 0 5 . 2 3 2 7 2 0 0 1 . 5 2 7 6 对1 0 0 0 2 0 0 0时内各时刻的系数c取平均有c 1=5 . 8 8 4, 对0 0 0 8 0 0时内各时刻的系数c取平均有c 2=1 . 5 9 2。 对于底板的温度梯度, 近似假定为在底板厚度 (约为梁高 H的0 . 1 5倍) 内线形变化, 底板下缘温度梯度取T 0= 3 。 这样沿 箱梁高度H的温度梯度模式就可以确定为如图1 1的形式。 3日照温差对标高影响的修正 3 . 1温度效应计算理论公式 设日照非线形温度梯度沿任意截面竖向变化曲线为t (y), 取 一单元梁段分析,认为梁体截面服从整体变形的平截面假定, 即截面实际变形如图1 2中直线所示,则截面各纵向纤维间的 自约束变形如图1 2中阴影线所示, 其值为: !“(y)= !t (y)- !f(y)= #ct(y)- (!0+ $y)(5) 式中:#c为混凝土的线膨胀系数;!0为梁底变形值;$为梁 体截面变形曲率。 以受压为正时, 相应的自应力为: “t(y)= E #ct (y)- (!0+ $y)(6) 根据截面上“t(y) 的自平衡性质, 由全截面上轴力N和弯 矩M为零的条件, 可求得: $=#c I c h !t (y)(y - yc)b(y)d y (7) 图1 1箱梁温度梯度模式 图1 2日照温差变形 !0=#c A h !t (y)b(y)d y - $yc (8) 式中:I c为梁截面绕重心轴的惯性矩; 将不同的温度梯度模式带入式 (7) , 可以得到相应温度梯 度模型下的箱梁截面变形曲率, 沿纵桥向对$进行积分, 即得 到相应温度梯度模式下的各个悬臂浇筑段的由于温度变化而 产生的位移。 3 . 2温度效应修正 采用有限元分析程序对富阳富春江特大桥的温度效应进 行分析, 计算悬臂浇筑时在不同温度梯度模式作用下箱梁的挠 度和自应力, 根据得出的温度对标高的影响可以对不同时间段 的立模标高和施工过程中的标高观测值进行温度修正。中跨有 限元模型见图1 3, 采用通过实测拟合出来的温度梯度模式即式 (4) 计算箱梁的变形和应力, 中跨在温度荷载作用下变形图见 图1 4。 图1 3箱梁温度效应有限元模型 3 2 4结论 本桥在日照作用下的温度观测结果表明, 混凝土箱梁沿梁 高方向的温度梯度为非线性分布, 非线性范围为距顶板上缘0 (2 / 3)H(H为箱梁断面的高度) 。根据实测数据拟合得到计算模 式 (即公式4) 基本上能反映这种结构体系的温度梯度分布规 律。考虑温差影响的立模标高和施工过程中的标高观测值的实 时修正方法经富阳连续刚构桥的实际应用, 证明具有很好的精 度。本文提出的温度梯度计算模式, 立模标高和施工过程中的 标高观测值的修正方法可为以后同类桥梁的设计和施工控制 提供参考。但是如何解决温度场效应对箱梁轴线的影响需要进 一步研究和轴线实测数据的积累。 参考文献: 1 J T GD 6 0 - 2 0 0 4 ， 公路桥涵设计通用规范 S . 2 T B 1 0 0 0 2 . 3 - 2 0 0 5 ， 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规 范 S . 3 叶见曙， 贾琳， 钱培舒. 混凝土箱形温度分布观测与研究 J . 东南大学 学报 （自然科学版） ， 2 0 0 2 ， 3 2（5 ） ： 7 8 8 - 7 9 3 . 4 王林， 项贻强， 汪劲丰， 王建江. 各国规范关于混凝土箱梁桥温度应 力计算的分析与比较 J . 公路， 2 0 0 4 ，（6 ） ： 7 6 - 7 9 . 5 候波， 钱宇峰， 徐变. 温度对大跨径连续梁桥施工控制的影响 J . 公 路， 2 0 0 5 ，（4 ） ： 6 9 - 7 1 . 6 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， 2 0 0 6 ， 1 9（4 ） ： 7 1 - 7 6 . 作者简介:齐铁东 （1 9 8 0 - ） ， 男， 哈尔滨工业大学博士研究生， 研究方 向： 大跨度桥梁施工控制。 单位地址:哈尔滨工业大学土木工程学院施工技术研究室 （1 5 0 0 9 0 ） 联系电话:0 4 5 1 - 8 6 2 8 4 6 4 4 理论上, 为了避免日照温差对主梁标高的复杂影响, 确定 立模标高值和施工过程中的标高观测通常安排在日出之前。但 在实际的施工过程中, 由于施工进度等因素, 有时难以在日出 之前进行确定立模标高和施工过程中的标高观测工作, 因此对 其进行温度修正是十分必要的。一般是采用随温度变化的实测 标高值对悬臂浇筑块的标高进行温度修正, 采用理论计算结果 进行校核。本工程中在前述进行箱梁温度场测试的同时, 还观 测了主梁6 3号墩右幅1 0、6、1号块和6 2号墩左幅1 0、6、1号 块的标高变化, 部分观测结果见图1 5, 部分实测值和理论计算 结果对比见表2。结果表明采用实测值和理论计算值进行温度 修正差别不大。 预应力混凝土箱梁是由不同弹性模量及线膨胀系数的普 通钢筋、 预应力钢绞线和混凝土构成的, 在合龙之后是超静定 结构, 在悬臂浇筑阶段是静定结构, 但箱梁由于日