独塔非对称斜拉桥π梁温度监控及受力分析

杨怡莹，孙全胜

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

π梁与大体积混凝土相比较，具有与外界接触相对面积较大、横断面不规则等特点，这也导致其温度场效应分析较为复杂。因此该文以吉林省某在建斜拉桥为背景，研究探讨混凝土π梁各部位混凝土水化热反应变化规律及对产生裂缝进行理论分析。同时，在施工过程中，发现当单独张拉横向预应力钢束时，主梁会发生起拱，引起主梁提前脱架，脱架延伸至两侧主梁梁肋，待后期桥梁受力体系转变、张拉拉索时，很容易导致支架失稳，造成严重的施工事故。为此，笔者通过Midas/Civil 2013建模分析，调整施工顺序，以便解决该问题。

1 工程概况

实例桥位于吉林省，主桥采用(39.9+89.1+151)m“H”形独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，按两幅桥设计，全桥采用满堂支架施工工艺，主桥全长280 m，每幅桥宽27 m，采用墩塔梁固结体系，桥面以上部分塔高67 m，主梁端部高2.3 m，索塔高度与主跨的比约为1/2.3，主梁主跨的高跨比为1/65.7，主桥两侧分别布置18对空间斜拉索，斜拉索在梁上的索距为7.8 m，边跨随着节段长度的变化，索距相应为7.8、7.3和4.25 m。主梁的基本断面形式为π形梁，截面顶全宽26.5 m，截面中心高2.565 m，设双向2%横坡。塔顶高程117.318 m，承台以上塔柱总高85.018 m，两上塔柱横向净距20.9 m。塔柱采用空心矩形截面，上塔柱及中塔柱顺桥向全宽6.8 m，横桥向全宽4.0 m。下塔柱顺桥向全宽由6.8 m向底部加宽到8.8 m，横桥向宽度渐变为7.5 m。全桥桥型总体布置图如图1所示。

图1 桥梁整体布置图(单位：cm)

2 现场测试及分析计算

2.1 测点布置

π梁比大体积混凝土承台等的温度分析还复杂，为研究其温度场变化规律，根据其对称性及截面特点，进行1/2断面温度传感器(型号JMT-36B)和应变传感器(型号JMZX-215A)测点布置，分别在主梁顶板(12个测点)、主梁肋(5个测点)、主梁横隔板(6个测点)布置，共计23测点，采用JMZX2001综合测试仪进行数据采集。具体测点布置如图2、3所示。

图2 主梁一般构造图(单位：cm)

图3 主梁测点布置示意图

2.2 Midas/Civil计算模拟

斜拉桥属于超高静定结构体系，在桥梁体系转化过程中，要严格控制各部分受力的整体性和协调性。在张拉横向应力钢束时，引起主梁起拱，主梁与支架提前脱空，待张拉拉索时，很容易引起支架失稳，导致严重的安全事故。横隔板一般构造图如图4所示。

图4 横隔板一般构造图

计算分析软件采用Midas/Civil 2013对桥梁施工进行仿真模拟计算和施工荷载影响分析，模型共建立536个节点，378个单元。全桥模型如图5示。

针对张拉横隔板钢束起拱问题，笔者运用Midas/Civil 2013进行局部模拟，以确保有限元模型与实际工程绝对吻合。

图5 全桥空间有限元模型

单元建立：单元总长度取横隔梁长度和主梁肋宽度总和作为模拟单元总长度；截面选取：横隔梁截面取2.3 m高、0.3 m宽，横隔梁截面和4.0 m宽桥面板T形作为横隔梁长度段模拟截面；边界条件：按照简支梁进行模拟计算，两端铰接。模型如图6～8所示。

图6 横隔板空间有限元模型图

由图6～8可知：单独张拉钢束N1，主梁跨中挠度为-0.3 mm，未脱离支架，张拉钢束N1、N2主梁跨中挠度为13 mm，已经脱离支架。

图7 张拉钢束N1主梁位移图(单位：mm)

图8 张拉钢束N1、N2主梁位移图(单位：mm)

2.3 现场数据采集

为总结π梁混凝土水化热反应时间规律，笔者对主梁进行30 d连续温度数据采集，2015年5月31日浇筑试验段混凝土，于2015年6月1日—2015年6月30日对混凝土温度进行连续监测，测试时间安排为：浇筑后达到峰值前，每隔2 h进行一次测量，峰值后，每隔6 h进行一次测量；待温度值达到一个趋于平稳的状态时，每天进行2次测量。同时，对大气温度进行实时采集，经过实际测量，整月温度较为平稳，无特殊天气，夜间最低温度为8～12 ℃，白天最高气温为19～28 ℃。

在博弈中涉及到关于主体的逻辑，可以在动态逻辑中引入更新，但语言的的深层次的使用是建立在时间上的决策行为。语言涉及每一主体和多个主体之间均衡(equilibrium)的重复的社会知识，两者都涉及到博弈论中的处理方法。

同时，待后期张拉横向预应力钢束时，在横隔板断面处，桥面均匀布置5个测点(图2)，进行标高的测定，并采集预先埋置好的应变传感器进行相关读数，根据应变、应力、弹性模型之间的关系，换算应力值。

3 数据结果与分析

3.1 温度测试结果

根据30 d混凝土温度监测结果，水化热反应大致可以分为3个阶段：升温阶段、降温阶段、稳定阶段。从浇筑混凝土到升至最高温度，大约需要14 h，从最高温度降至稳定温度，大约需要200 h，而对于π梁不同位置所达到的最高温度也不一样，梁肋最高温度明显高于其他位置，横隔板和顶板最高温度较低一些。由于各个位置混凝土水化热反应整体规律大致一样，限于篇幅，笔者仅给出顶板截面1-1～1-4的温度-时刻曲线作为参考(图9)，具体温度变化规律如表1～3所示。

从实测数据和表1～3可以明显看出：主梁梁肋峰值温度要高于顶板和横隔板，顶板和横隔板厚度较小，

图9 顶板截面1横断面图

表1 主梁梁肋各测点峰值温度

表2 主梁顶板各测点峰值温度

表3 横隔板各测点峰值温度

其各自峰值温度大致相同，且各自经历时间也相差不多；同时，梁肋中心温度要高出其周围位置20～35 ℃，大于施工规范要求的25 ℃，这也是引起主梁裂缝的重要原因之一。

3.2 标高测试结果

预应力钢束可大大改善混凝土受力性能、提高耐久性等，在桥梁设计和施工过程中是不可缺少的部分。在该斜拉桥施工过程中，采用WILDNAK2型水准仪配套GFS1平板测微器(可估读至0.01 mm)量测主梁起拱，发现当张拉横向预应力钢束时，主梁跨中起拱最大值达到13.12 mm(理论计算值为13.47 mm)，且起拱脱架延伸至主梁两侧梁肋处，待张拉拉索时，很可能会发生支架失稳，主梁倒塌的严重施工后果。为安全起见，仅选择d0～d2,e0～e2(具体编号见图2、3)横隔板作为试验对象，具体数据如表4所示。

从表4可以明显看出：当张拉钢束N1、N2后，主梁横向会发生明显的起拱现象，如果按照原设计施工顺序进行施工，即钢束张拉完毕后进行拉索张拉，将会有严重的安全隐患，如果不张拉钢束进行索力张拉，很可能会使主梁跨中产生拉应力，引起裂缝。

表4 主梁各测点起拱数据

4 问题分析及解决办法

4.1 裂缝分析及处理方法

根据该桥的试验研究和国内外研究理论可以总结出π梁裂缝产生原因主要有：① 混凝土水化热反应，引起中心和外层混凝土温差较大，最终导致开裂；② 混凝土浇筑时间过长，时间一般要大于混凝土初凝时间12 h，在这期间，混凝土没有得到较好的养护，硬化过程中缺少洒水而导致裂缝；③ 振捣质量不好，有大量气泡；④ 拆模时间过早，水面会有较强烈的风，在这种情况下，混凝土会因水分过快收缩，容易产生裂缝。

根据以上分析，建议采取以下方法避免混凝土π梁发生早期开裂：① 根据混凝土温度变化规律，选择合适的浇筑时间，同时采取合理的时间进行混凝土养护，降低内外温差过大的影响；② 加强混凝土振捣质量，防止振捣不均匀；③ 选择合理时间进行模板拆除，避免过早拆模产生裂缝，同时注意拆模后混凝土的保温、洒水等养生工作；④ 混凝土浇筑过程中，禁止随意加大水量，要求控制好混凝土坍落度。

在该桥主梁施工过程中，严格依靠所述方法和理论进行控制，未发现大面积裂缝出现，起到了较好的预防作用。

4.2 起拱问题解决方案

考虑工期等原因，该桥索力采用2次张拉到位的方案。结合Midas/Civil模型，将张拉拉索和张拉钢束较好地结合进行施工。在模型分析及实际工程中，采取了以下几种对比方案：① 单独张拉钢束N1，然后2次张拉索力到成桥索力，会引起主梁顶板上缘拉应力最大值达到2.24 MP，接近混凝土抗拉极限强度；② 张拉钢束N1、N2，而后张拉索力，索力未全部张拉到位前，会导致主梁脱架失稳；③ 首先张拉钢束N1，然后初张拉索力，而后二次张拉拉索，同时张拉此拉索附近的钢束N2(如张拉1#索，此时张拉d0、d1、d2、e0、e1、e2的钢束N2)，这样施工安全问题迎刃而解。

5 结论

结合Midas/Civil建立有限元模型，与实际工程相结合，针对斜拉桥π梁各部分混凝土水化热反应规律和张拉横向钢束起拱问题进行研究，得出以下结论：

(1)混凝土水化热反应大致可以分为3个阶段：升温阶段，降温阶段，稳定阶段。大约14 h可以达到温度峰值，经过200 h会达到温度稳定阶段；π梁顶板和横隔板各个位置温度相差不大，而对于梁肋处，其中心温度要高于周围温度20～35 ℃。基于此规律，笔者提出选择合适时间浇筑混凝土、提高振捣质量、控制浇筑混凝土坍落度、注意拆模时间和养护等方法解决早期温度场开裂问题，应用于实际工程，起到了良好的效果。

(2)针对张拉横向预应力钢束引起主梁起拱、脱架，导致主梁失稳。笔者运用Midas/Civil建立有限元模型，结合实际工程，提出“张拉钢束N1→初张拉索力→二次张拉索力(同时张拉附近钢束N2)”的方案，确保施工安全，很好地解决该问题。