大跨径悬臂浇筑拱桥施工阶段索间温差影响效应研究

曹红亮

(长沙市公路桥梁建设有限责任公司， 湖南 长沙 410004)

0 引言

对于大跨径悬臂浇筑拱桥，拱圈顶、底板拉应力是施工过程中重要的控制指标之一，而扣锚索初拉力作为调控拱圈截面应力最直接有效的手段，已经得到了业界高度重视。目前，对于索力优化及调整的研究成果已较为丰富，在实际工程应用中也取得了很好的效果[1-2]。但是，由于悬臂浇筑拱桥施工周期长，悬臂浇筑期间扣索间的温度场不均匀导致扣索相对伸长或缩短，引起扣锚索索力变化，从而引起拱圈截面应力变化[3-4]。本文以某在建大跨径悬臂浇筑拱桥为研究对象，分析扣索之间相对温差对索力及拱圈截面应力的影响规律，为该类桥梁施工及监控提供借鉴。

1 工程概况

以某钢筋混凝土拱桥为研究对象，其结构形式为240m无铰箱型拱，拱轴系数1.85，矢跨比为1/6。主拱圈箱梁尺寸为10 m×4.5 m，全桥共分为2个托架现浇段、34个悬臂浇筑段和1个拱顶合龙段，悬臂浇筑段采用斜拉扣挂施工法，扣锚索采用抗拉强度为1860MPa的预应力钢绞线。桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置图(单位：cm)

2 有限元模拟

建立该桥的ANSYS有限元模型，主拱圈、交界墩使用Beam188梁单元模拟；扣锚索使用Link10杆单元模拟，在Link10单元参数选项中选择仅受拉；拱脚位置及交界墩底部设置固结约束，扣索与主拱圈、扣塔间均为共节点。使用生死单元法模拟悬浇施工过程，索力初拉力以实常数的形式施加；为简化计算流程，横隔板以Mass21质量单元模拟[5-6]；在加载节点上输入等效荷载，分析时计入各节段拱圈自重及各施工临时荷载。有限元模型见图2。

图2 ANSYS有限元模型图

3 索间温差荷载下最大扣索索力分析

根据现场温度实测数据，统计1#～18#节段悬臂浇筑过程中18对扣索的最高、最低温度及发生工况(以半跨为例)，见表1。

将实测索间温度数据参数输入ANSYS模型对应施工阶段中，通过修改温度荷载以模拟扣锚索索力随温度荷载的变化，同时调用batch模式，对施工阶段进行多点启动，模型运行后输出结果。

提取ANSYS正装迭代过程中施工阶段最大扣索索力值，并与不考虑索间温差索力值进行对比(以半跨为例)，结果如表2所示。

计算结果表明：在环境温度变化时，施工工程中最大索力有明显变化，对于升温工况和降温工况，索间不均匀温差对扣索索力影响更为明显。1#～18#扣索最大索力均处于增长趋势，其中增量最大的为5#扣索，为423kN;增幅最大的为1#扣索，为25.36%。索间不均匀温差对索力影响较大，在实际施工时需根据现场实际温度进行索力修正。

表1 现场扣索实测最高、最低温度及发生工况表扣索编号最高温度/℃最低温度/℃最高温工况最低温工况1#53.6-1.53#拱圈节段浇筑16#扣索张拉2#51.9-3.17#扣索张拉16#拱圈节段浇筑3#46.3-0.58#扣索张拉15#扣索张拉4#48.1-0.27#扣索张拉16#扣索张拉5#56.3-1.19#拱圈节段浇筑15#扣索张拉6#47.9-0.78#拱圈节段浇筑15#扣索张拉7#53.1-1.38#扣索张拉16#拱圈节段浇筑8#51.40.29#拱圈节段浇筑15#拱圈节段浇筑9#39.40.59#扣索张拉16#扣索张拉10#37.41.310#扣索张拉17#扣索张拉11#34.11.112#拱圈节段浇筑16#扣索张拉12#21.61.513#拱圈节段浇筑17#拱圈节段浇筑13#18.4-0.313#拱圈节段浇筑17#扣索张拉14#10.2-1.414#拱圈节段浇筑18#扣索张拉15#8.1-1.615#拱圈节段浇筑18#扣索张拉16#7.1-1.316#拱圈节段浇筑18#扣索张拉17#7.6-0.617#拱圈节段浇筑18#扣索张拉18#9.4-1.118#拱圈节段浇筑18#扣索张拉

表2 考虑索间温差施工阶段最大索力表kN扣索编号温差施工阶段最大索力不考虑索间考虑索间差值变量占比%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 索间温差荷载下拱圈应力分析

索间不均匀温差会造成索力值不同程度的变化，而索力作为调控拱圈截面应力最直接有效的手段，索力的变化必将引起施工过程中拱圈各节段截面的应力变化。提取拱圈悬臂浇筑过程中各节段顶、底板最大拉应力结果，具体见表3。

表3 考虑索间温差施工阶段截面最大应力表MPa拱圈节段号不考虑索间不均匀考虑索间不均匀温差顶板温差顶板温差底板温差底板拱圈节段号不考虑索间不均匀考虑索间不均匀温差顶板温差顶板温差底板温差底板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

由于扣索不均匀迅速升温，导致索力矩阵变化，从而引起拱圈应力矩阵改变。图3为考虑索间不均匀温差拱圈顶、底板拉应力对比结果。由图3可知，索间不均匀温差对拱圈截面拉应力影响较大，顶板拉应力在扣索索力变化后均有一程度增大，拱圈11#节段拉应力增量最大，增加了0.21MPa；底板最大拉应力均有不同幅度下降，其中6#拱圈节段截面底板拉应力降低幅度最大，降低了0.19MPa。

a) 顶板

b) 底板

5 索间温差影响下拱圈变形分析

在索间温差影响下，扣索索力变化同时将影响拱圈节段竖向变形值，以拱圈合龙状态为例，提取拱圈整体变形结果如图4。

图4 合龙工况下拱圈整体变形结果/m

在拱圈节段自重、扣索索力及索间不均匀温差共同作用下，拱顶位置较设计标高位置最大下降0.159m。众多工程经验表明：拱圈合龙时，节段标高应严格遵循“就高不就低”的原则。合龙前应再进行索力调整，以保证合龙时拱圈节段标高满足施工要求。

6 结论

以某大跨径悬臂浇筑拱桥为研究对象，建立ANSYS参数化有限元模型，对比分析了索间不均匀温差对扣索索力、拱圈截面应力及挠度的影响，得到以下结论：

1)索间不均匀温差对扣索索力影响较大，本文案例中，施工阶段扣索最大索力值均有不同程度增大，最大增幅达25.36%。

2)索间不均匀温差会导致拱圈截面顶板拉应力增大，底板压应力减小，本文案例中，顶板最大拉应力增大了0.21MPa，底板最大拉应力减小了0.19MPa。

3)索间不均匀温差会导致拱圈节段下挠，实际施工时应予以重视。