温度对桥梁合龙位置预应力的影响研究

摘 要：预应力混凝土结构给多跨公路桥梁的合龙施工提供了支撑性的技术条件。本文对预应力混凝土结构桥梁的合龙问题进行研究，给出了具体的施工案例、工程参数，并对施工难点进行分析。本文提出桥梁合龙的施工步骤和具体流程图，分析了温度对预应力混凝土结构桥梁合龙施工的影响，建立了热传导方程并设定了5组试验。试验结果表明：如果环境初始温度较低，那么合龙施工导致温度升高对合龙位置的桥梁结构轴向力影响较大；如果环境初始温度较高，那么温度降低对合龙位置的桥梁结构轴向力影响较大。

关键词：公路大桥；合龙；施工技术；施工流程

中图分类号：U 44" " 文献标志码：A

公路是我国交通系统的重要组成部分，承担了全国范围内大量旅客运输、货物运输，也是国家经济发展中不可或缺的关键要素[1]。桥梁则是公路系统中负责连接，实现跨河、跨江、跨涧的重要结构。与公路的其它部分相比，桥梁在抗震、抗裂、承载能力等多方面，都具有了更高的要求[2]。目前，公路桥梁不仅跨度不断增加，施工周期也不断缩短，这给桥梁建造提出了更苛刻的要求。对多跨度公路桥梁来说，合龙是非常重要的施工阶段，对施工工艺、施工流程、施工技术、影响因素等多方面都有严格要求。预应力混凝土结构给多跨公路桥梁的合龙施工提供了支撑性的技术条件[3]。但合龙施工时的温度，对预应力混凝土结构的桥梁合龙，有着很大的影响。因此，本文以具体的工程案例为研究对象，在探讨合龙施工相关技术和工艺后，进一步分析温度对桥梁合龙的影响。

1 工程概况和施工难点

1.1 工程概况

试验大桥主桥为（60+110+200+110）m预应力混凝土连续刚构，挂篮悬浇箱梁2联8跨，共230个节段，桥梁采用分幅设计，箱梁为纵向、竖向及横向三向预应力结构，采用单箱单室直腹板箱形截面。箱顶板宽16.25m，底板宽8.65m，两侧翼缘悬臂长3.8m。箱梁合龙段长2m，分别为28#边跨合龙段、29#中跨合龙段、箱梁采用C60混凝土。大桥主桥合龙段参数见表1。

1.2 施工难点

1.2.1 预应力施工

试验大桥主桥采用三向预应力交错布置，钢绞线锚具和波纹管种类较多，预应力管道较长且易于箱梁钢筋冲突。

1.2.2 箱梁裂缝控制

将试验大桥主桥主跨设计为200m，国内类似跨径的连续刚构桥普遍存在不同程度的开裂现象。引起裂缝的原因有很多，例如荷载、温度、混凝土的收缩、钢筋锈蚀、原材料质量、施工工艺等，这要求在施工全过程中对这些影响因素进行控制，在进度和质量之间寻求一个平衡点。

1.2.3 箱梁线型控制

箱梁线型受多种因素影响，施工中加强与监控单位、设计单位沟通，对荷载水箱、立模标高、顶推力等参数进行动态调整。

2 公路桥梁合龙施工工艺和流程

合龙共分为两次进行，第一次合龙边跨合龙段，第二次合龙中跨合龙段，完成42#墩～43#墩及46#墩边跨现浇段、44#墩T构、45#墩T构施工至27#号块，进行边跨合龙施工，按照骨架锁定、合龙段施工顺序进行。在合龙段混凝土达到设计95%以上强度后，拆除锁定骨架，张拉边跨合龙束预应力。边跨合龙不顶推大小里程可分别独立进行合龙施工。在边跨两个合龙段施工完成后，中跨合龙段大小里程同时顶推、锁定、合龙段施工。合龙段混凝土达到设计95%以上强度后，拆除锁定骨架，张拉中跨合龙束预应力。具体步骤如下。

步骤1：边跨现浇段支座解除约束→挂篮就位合龙位置→设置平衡水箱→指定温度下注水配重锁定劲性骨架→合龙段混凝土浇筑。

步骤2：在边跨合龙段混凝土达到设计要求强度后，拆除劲性骨架，按设计及规范要求进行合龙束预应力张拉。

步骤3：要进行中跨合龙准备工作，建立监控温度场，确定合龙温度及顶推力，转移与合龙无关的悬臂端荷载至墩顶附近。设置平衡水箱，合龙劲性骨架、顶推梁、千斤顶以及位移观测刚尺等就位。用44#墩中跨挂篮后退一个节段至25#号块段。

步骤4：进行中跨合龙施工，45#墩中跨挂篮就位合龙位置，进行钢筋、模板、埋件工程初步施工。在指定温度下水箱注水配重、顶推、锁定劲性骨架。完善钢筋、模板、埋件工程，合格后在指定温度下浇筑砼，并等量放水减重。

步骤5：在中跨合龙混凝土达到设计要求强度后，拆除劲性骨架，按设计要求和规范进行合龙束预应力张拉。预应力张拉完成后，拆除合龙挂篮底篮和侧模，44#墩、45#墩中跨挂篮底篮直接下放至平板船上运输至岸边进行拆除、主桁在桥面进行分解拆除。

合龙段均利用挂篮进行合龙施工。在合龙前通过压重调整梁段两端中心线标高，立模、绑扎钢筋、安装预应力管道，在最低恒温时间段进行顶推（一般在晚上0：00—4：00）锁定劲性骨架，并在升温之前完成临时锁定，同时观测气温，浇筑混凝土。在当日气温最低的时刻进行砼浇筑，在混凝土浇筑完成后，做好收浆和养护工作，待合龙段混凝土强度达到张拉强度后，拆除劲性骨架，严格按设计规定的张拉顺序和要求进行张拉和压浆工作。合龙段施工工艺流程图如图1所示。

3 温度对预应力混凝土结构桥梁合龙施工的影响分析

预应力混凝土结构本身的温度场比较复杂，受到多种因素的影响。正常的日照温度、温度的起伏变化、年均温差，都会对桥梁结构形成影响。同时，从内部情况看，混凝土这种材料本身的导热性能就不理想，结构表面和内部温度存在较大的温差。这些因素同时作用会对参与合龙的结构产生影响，从而影响合龙效果和后期桥梁使用。因此，要重点考虑温度对预应力混凝土结构桥梁合龙施工的影响。

在受到外部温度影响并产生内部温度变化的过程中，预应力混凝土桥梁结构内部任意一点的温度可以按照公式（1）计算。

T=F（x，y，z，t） " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：T为预应力混凝土结构桥梁某一点的温度；x为预应力混凝土结构桥梁某一点的x方向坐标；y为预应力混凝土结构桥梁某一点的y方向坐标；z为预应力混凝土结构桥梁某一点的z方向坐标；t为温度测量的时间；F（）为多参函数。

假定预应力混凝土结构是各向同性的，那么对这种结构可以建立热传导方程如公式（2）所示。

（2）

式中：λ为预应力混凝土结构的导热系数；C为预应力混凝土结构的比热；γ为预应力混凝土结构的容重；q为预应力混凝土结构单位体积释放的热量；T为预应力混凝土结构桥梁某一点的温度。

借助上述温度表达和温度传导方法，对桥梁合龙过程中的温度变化以及所受的影响进行测算和分析。首先，设定5组试验条件。

第一组试验条件：当整个环境温度为10℃，合龙施工导致整体温度升至34℃，随后又冷却到-1℃。

第二组试验条件：当整个环境温度为15℃，合龙施工导致整体温度升至34℃，随后又冷却到-1℃。

第三组试验条件：环境温度为4℃，合龙施工导致整体温度升至34℃，随后又冷却到-1℃。

第四组试验条件：环境温度为20℃，合龙施工导致整体温度升至34℃，随后又冷却到-1℃。

第五组试验条件：环境温度为24℃，合龙施工导致整体温度升至34℃，随后又冷却到-1℃。

其次，观察5组试验条件下，当从环境温度达到合龙施工最高温度时，预应力混凝土桥梁的轴向力变化，如图2所示。

从图2中可以看出，在5组试验条件下，随着施工温度升高，桥梁合龙位置的轴向力有较大幅度下降。其中，环境温度从4℃升至34℃时，轴向力下降了近2000kN，下降幅度最大。环境温度从24℃升至34℃时，轴向力下降了600kN，下降幅度最小。由此可见，如果环境初始温度较高，那么合龙施工导致温度升高对合龙位置的桥梁结构轴向力影响较小；如果环境初始温度较低，那么合龙施工导致温度升高对合龙位置的桥梁结构轴向力影响较大。

再次，观察5组试验条件下，当从环境温度达冷却到最低温度时，预应力混凝土桥梁的轴向力变化，如图3所示。

从图3中可以看出，在5组试验条件下，随着温度降低，桥梁合龙位置的轴向力出现较大幅度升高。其中，环境温度从24℃降至-1℃时，轴向力升高了近1600kN，升高幅度最大。环境温度从4℃降至-1℃时，轴向力升高了300kN，升高幅度最小。由此可见，如果环境初始温度较高，那么温度降低对合龙位置的桥梁结构轴向力影响较大；如果环境初始温度较低，那么温度降低对合龙位置的桥梁结构轴向力影响较小。

进一步比较主桥梁合龙后各位置的上方应力，结果如图4所示。

4 结论

研究预应力混凝土结构对提高公路桥梁建设质量具有重要意义。本文以桥梁合龙位置的混凝土结构为研究对象，重点分析了这个位置上的预应力变化。为了分析温度对桥梁合龙位置处预应力的影响，本文构建了热传导模型。在这个理论研究的基础上，本文进行试验研究，试验结果表明：在预应力混凝土结构下，桥梁合龙位置受温度的重要影响，结合施工环境的初始温度条件，温度的反向变化会引起合龙位置轴向应力的大幅度变化。

参考文献

[1] 严建科，张海龙，彭荣贵.多跨大纵坡刚构-连续梁组合体系桥受纵坡影响分析研究[J].公路交通科技（应用技术版），2020，44（3）：125-128.

[2] 易锦，贺国京，陆杰，等.合龙及体系转换顺序对多跨刚构—连续组合梁桥影响分析[J].铁道科学与工程学报，2022，31（5）：23-27.

[3] 马玉荣，陈海波，吕改锋，等.基于一次性合龙方式的多跨连续刚构桥梁顶推力[J].沈阳大学学报（自然科学版），2021，35（4）：319-325.