大跨徑懸臂澆筑拱橋施工階段索間溫差影響效應研究

曹紅亮

(長沙市公路橋梁建設有限責任公司， 湖南 長沙 410004)

0 引言

對于大跨徑懸臂澆筑拱橋，拱圈頂、底板拉應力是施工過程中重要的控制指標之一，而扣錨索初拉力作為調(diào)控拱圈截面應力最直接有效的手段，已經(jīng)得到了業(yè)界高度重視。目前，對于索力優(yōu)化及調(diào)整的研究成果已較為豐富，在實際工程應用中也取得了很好的效果[1-2]。但是，由于懸臂澆筑拱橋施工周期長，懸臂澆筑期間扣索間的溫度場不均勻?qū)е驴鬯飨鄬ι扉L或縮短，引起扣錨索索力變化，從而引起拱圈截面應力變化[3-4]。本文以某在建大跨徑懸臂澆筑拱橋為研究對象，分析扣索之間相對溫差對索力及拱圈截面應力的影響規(guī)律，為該類橋梁施工及監(jiān)控提供借鑒。

1 工程概況

以某鋼筋混凝土拱橋為研究對象，其結(jié)構形式為240m無鉸箱型拱，拱軸系數(shù)1.85，矢跨比為1/6。主拱圈箱梁尺寸為10 m×4.5 m，全橋共分為2個托架現(xiàn)澆段、34個懸臂澆筑段和1個拱頂合龍段，懸臂澆筑段采用斜拉扣掛施工法，扣錨索采用抗拉強度為1860MPa的預應力鋼絞線。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 有限元模擬

建立該橋的ANSYS有限元模型，主拱圈、交界墩使用Beam188梁單元模擬；扣錨索使用Link10桿單元模擬，在Link10單元參數(shù)選項中選擇僅受拉；拱腳位置及交界墩底部設置固結(jié)約束，扣索與主拱圈、扣塔間均為共節(jié)點。使用生死單元法模擬懸澆施工過程，索力初拉力以實常數(shù)的形式施加；為簡化計算流程，橫隔板以Mass21質(zhì)量單元模擬[5-6]；在加載節(jié)點上輸入等效荷載，分析時計入各節(jié)段拱圈自重及各施工臨時荷載。有限元模型見圖2。

圖2 ANSYS有限元模型圖

3 索間溫差荷載下最大扣索索力分析

根據(jù)現(xiàn)場溫度實測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計1#～18#節(jié)段懸臂澆筑過程中18對扣索的最高、最低溫度及發(fā)生工況(以半跨為例)，見表1。

將實測索間溫度數(shù)據(jù)參數(shù)輸入ANSYS模型對應施工階段中，通過修改溫度荷載以模擬扣錨索索力隨溫度荷載的變化，同時調(diào)用batch模式，對施工階段進行多點啟動，模型運行后輸出結(jié)果。

提取ANSYS正裝迭代過程中施工階段最大扣索索力值，并與不考慮索間溫差索力值進行對比(以半跨為例)，結(jié)果如表2所示。

計算結(jié)果表明：在環(huán)境溫度變化時，施工工程中最大索力有明顯變化，對于升溫工況和降溫工況，索間不均勻溫差對扣索索力影響更為明顯。1#～18#扣索最大索力均處于增長趨勢，其中增量最大的為5#扣索，為423kN;增幅最大的為1#扣索，為25.36%。索間不均勻溫差對索力影響較大，在實際施工時需根據(jù)現(xiàn)場實際溫度進行索力修正。

表1 現(xiàn)場扣索實測最高、最低溫度及發(fā)生工況表扣索編號最高溫度/℃最低溫度/℃最高溫工況最低溫工況1#53.6-1.53#拱圈節(jié)段澆筑16#扣索張拉2#51.9-3.17#扣索張拉16#拱圈節(jié)段澆筑3#46.3-0.58#扣索張拉15#扣索張拉4#48.1-0.27#扣索張拉16#扣索張拉5#56.3-1.19#拱圈節(jié)段澆筑15#扣索張拉6#47.9-0.78#拱圈節(jié)段澆筑15#扣索張拉7#53.1-1.38#扣索張拉16#拱圈節(jié)段澆筑8#51.40.29#拱圈節(jié)段澆筑15#拱圈節(jié)段澆筑9#39.40.59#扣索張拉16#扣索張拉10#37.41.310#扣索張拉17#扣索張拉11#34.11.112#拱圈節(jié)段澆筑16#扣索張拉12#21.61.513#拱圈節(jié)段澆筑17#拱圈節(jié)段澆筑13#18.4-0.313#拱圈節(jié)段澆筑17#扣索張拉14#10.2-1.414#拱圈節(jié)段澆筑18#扣索張拉15#8.1-1.615#拱圈節(jié)段澆筑18#扣索張拉16#7.1-1.316#拱圈節(jié)段澆筑18#扣索張拉17#7.6-0.617#拱圈節(jié)段澆筑18#扣索張拉18#9.4-1.118#拱圈節(jié)段澆筑18#扣索張拉

表2 考慮索間溫差施工階段最大索力表kN扣索編號溫差施工階段最大索力不考慮索間考慮索間差值變量占比%1#1 525.61 912.56386.9625.362#1 428.81 763.94335.1423.463#1 632.22 027.80395.6024.244#1 547.81 898.66350.8622.675#1 728.82 152.07423.2724.486#1 691.51 988.25296.7517.547#1 470.31 719.84249.5416.978#1 748.02 124.93376.9321.569#1 622.91 846.68223.7813.7910#2 003.22 261.15257.9512.8811#1 965.62 151.93186.339.4812#2 155.32 341.63186.338.6513#2 583.42 729.96146.565.6714#2 605.72 735.59129.894.9815#2 592.72 778.57185.877.1716#2 691.22 760.1768.972.5617#2 557.32 633.6376.332.9818#1 987.42 011.1823.781.20

4 索間溫差荷載下拱圈應力分析

索間不均勻溫差會造成索力值不同程度的變化，而索力作為調(diào)控拱圈截面應力最直接有效的手段，索力的變化必將引起施工過程中拱圈各節(jié)段截面的應力變化。提取拱圈懸臂澆筑過程中各節(jié)段頂、底板最大拉應力結(jié)果，具體見表3。

表3 考慮索間溫差施工階段截面最大應力表MPa拱圈節(jié)段號不考慮索間不均勻考慮索間不均勻溫差頂板溫差頂板溫差底板溫差底板拱圈節(jié)段號不考慮索間不均勻考慮索間不均勻溫差頂板溫差頂板溫差底板溫差底板1#1.541.351.691.242#0.890.981.210.863#0.921.11.261.014#0.960.921.340.755#1.150.841.390.716#1.221.251.451.067#1.470.981.610.818#1.651.141.811.039#1.70.851.860.7410#1.780.921.910.7811#1.630.751.840.6212#1.690.681.810.5413#1.570.841.680.7914#1.860.911.940.8615#1.450.791.510.7516#1.260.511.280.5017#1.020.441.050.4218#0.670.480.670.48

由于扣索不均勻迅速升溫，導致索力矩陣變化，從而引起拱圈應力矩陣改變。圖3為考慮索間不均勻溫差拱圈頂、底板拉應力對比結(jié)果。由圖3可知，索間不均勻溫差對拱圈截面拉應力影響較大，頂板拉應力在扣索索力變化后均有一程度增大，拱圈11#節(jié)段拉應力增量最大，增加了0.21MPa；底板最大拉應力均有不同幅度下降，其中6#拱圈節(jié)段截面底板拉應力降低幅度最大，降低了0.19MPa。

a) 頂板

b) 底板

5 索間溫差影響下拱圈變形分析

在索間溫差影響下，扣索索力變化同時將影響拱圈節(jié)段豎向變形值，以拱圈合龍狀態(tài)為例，提取拱圈整體變形結(jié)果如圖4。

圖4 合龍工況下拱圈整體變形結(jié)果/m

在拱圈節(jié)段自重、扣索索力及索間不均勻溫差共同作用下，拱頂位置較設計標高位置最大下降0.159m。眾多工程經(jīng)驗表明：拱圈合龍時，節(jié)段標高應嚴格遵循“就高不就低”的原則。合龍前應再進行索力調(diào)整，以保證合龍時拱圈節(jié)段標高滿足施工要求。

6 結(jié)論

以某大跨徑懸臂澆筑拱橋為研究對象，建立ANSYS參數(shù)化有限元模型，對比分析了索間不均勻溫差對扣索索力、拱圈截面應力及撓度的影響，得到以下結(jié)論：

1)索間不均勻溫差對扣索索力影響較大，本文案例中，施工階段扣索最大索力值均有不同程度增大，最大增幅達25.36%。

2)索間不均勻溫差會導致拱圈截面頂板拉應力增大，底板壓應力減小，本文案例中，頂板最大拉應力增大了0.21MPa，底板最大拉應力減小了0.19MPa。

3)索間不均勻溫差會導致拱圈節(jié)段下?lián)?，實際施工時應予以重視。