钢桁梁桥合龙段应力分析与精度控制研究

摘 要：兰家湾大桥采用无应力状态法进行合龙段施工，本文利用Midas Civil软件对桥梁合龙口进行温度分析，发现温度变化对各杆件的位移影响较小，下弦杆受温度影响造成的应力值变化幅度最大，斜杆的应力值变化幅度受温度影响较小，上弦杆的应力值变化幅度受温度影响居中，因此最终将兰家湾大桥合龙时的温度控制在10℃～15℃，可以满足无应力合龙施工条件。在合龙段临时墩施加顶推力后，合龙段在Z向与X向上的位移偏差值能满足合龙施工的要求。本研究探索了多跨连续钢桁梁桥合龙段施工精度控制要点，为后续类似工程提供了参考。

关键词：连续梁桥；钢桁梁桥；合龙施工；无应力状态法

中图分类号：U 44 " 文献标志码：A

多跨连续钢桁梁桥因其结构强度高、稳定性好以及能够适应复杂地形和长跨度需求等优点被广泛应用。但是在桥梁的施工过程中，合龙段施工是一个技术难点，特别是在考虑环境温度、结构应力等多种因素影响下，合龙段精确合龙是保证桥梁整体质量、保障安全性的关键环节。

无应力状态法是一种合龙施工技术[1]，其可以精确控制施工过程中的温度、应力等因素，使桥梁结构合龙时达到无应力状态，进而缩小合龙误差，提高施工质量和桥梁的安全性。本文将从合龙段温度影响分析与合龙施工技术要点等方面进行多跨连续钢桁梁桥合龙施工研究，以期为类似工程提供有益的参考。

1 工程概况

本项目为兰家湾特大桥，连接汉源城区和峨汉高速，上部结构体系为上承式变高钢桁架连续梁桥，跨径布置为70m+115m+6×160m+115m+70m，桥梁全长1330m，桥面宽度为25.5m。上部结构的钢桁架梁有等高与变高两种形式，安装支撑体系为落地式钢管支架，桥梁立面图如图1所示。

主桁架由上弦杆、下弦杆、竖腹杆、斜腹杆组成，基本为箱型截面，少部分腹杆采用“H”形截面，其断面如图2所示。全桥共有8个合龙口，其中6个是主跨合龙口、2个是边跨（115m跨）合龙口。合龙顺序为由中间向两岸依次合龙，所有主跨合龙段完成后再进行边跨（115m跨）合龙。

2 温度对合龙段的影响分析

无应力状态法是一种有效的合龙施工技术，其基本原理是在桥梁结构施工过程中，通过精确控制各个施工阶段的温度、应力等参数，使桥梁结构合龙时处于无应力状态。采用这种施工方法能够减少合龙过程中的变形和应力集中，提高合龙段的施工质量。因此用有限元模拟软件分析温度变化对合龙段的影响可以有效指导现场施工。

2.1 计算模型

本研究采用Midas Civil软件对桥梁合龙口进行温度分析[2]，按照图纸设置结构材料与尺寸，全桥共建立4610个节点，1320个单元，其模型图如图3所示。将桥梁中墩的中桁支座形式设置为固定支座，边桁支座形式设置为横向活动支座，其他各墩支座中桁支座形式设置为纵向活动支座，边析支座形式设置为多向活动支座，各刚构件间刚性连接。

预计在8月对桥梁进行合龙施工，且施工时间一般在早晚，温度低对合龙施工造成的影响较小。根据当地往期的历史温度，确定该时段温度为10℃～30℃，因此设置5组试验组，并对其进行模拟试验，每组温度梯度为5℃。

2.2 结果分析

桥梁中墩处合龙杆件在不同温度下的内力与位移情况见表1。

由表1可知，因为结构由静定转向超静定中体系有多余约束，所以温度变化对各杆件的位移影响较小，合龙后构件共同变形，在温度荷载作用下的伸缩变形量受限，构件最大位移为8.5mm。但各杆件的应力值在不同温度下变化明显，为直观看出杆件应力值的变化情况，须绘制合龙杆件在不同温度值的应力变化曲线，如图4所示。

由图4可知，各杆件在不同温度下合龙时的应力值不同。随着温度升高，各杆件的应力值变大，其中，下弦杆受温度影响造成的应力值变化幅度最大，中桁下弦杆最大值达到51.5MPa，斜杆的应力值变化幅度受温度影响较小，上弦杆的应力值变化幅度受温度影响居中，可以看出中桁与边桁的应力值有差别，但变化趋势一致。结合表1与图4，将兰家湾大桥合龙时的温度控制在10℃～15℃，此时结构伸缩量有限，温度应力较小，最大为7.4MPa，满足无应力合龙施工条件，结构的安全性能可以得到保障。

3 无应力合龙误差分析调整

以桥梁左边第一个合龙口为计算实例，在合龙工况下，采用Midas Civil软件对该合龙口合龙前杆件的状态进行预测，结果见表2。

当实际施工时，需要在该合龙口设置临时墩，可通过起顶临时墩抵消合龙口的竖向与转角发生的施工误差，该临时墩在最大顶推力（350t）作用下中跨位移最大可达到270mm、边跨可达到160mm，通过调整临时墩的起顶力可对合龙口的杆件进行位移调整，在施加起顶力后，合龙口的位移情况见表3。

在临时墩施加顶推力后，该合龙段在Z向与X向上的位移偏差值满足合龙施工的要求。在合龙口竖向转角误差消除后，合龙段在纵向上误差值为6mm，即中跨侧须向边跨侧移动6mm。本次模拟未考虑在施工误差与温度应力下引起的位移偏差值，施工时应考虑上述两个因素造成的偏差值，即可确定最终位移调整量。对Y向（横向）的偏差来说，在10mm内可通过张拉设置在合龙口节点位置的钢绞线调整横向偏差[3]。

4 合龙段施工精度控制要点

4.1 温度控制

温度对钢材的热胀冷缩特性有显著影响，进而会影响桥梁结构的应力分布，因此，在无应力合龙施工中，必须严格控制施工环境的温度。通常会选择在温度较为稳定的时段进行施工，例如清晨或傍晚，避免日照引起温度变化[4]。同时，需要使用温度传感器对施工现场的温度进行实时监测，保证温度波动在±2℃。除此之外，要利用热力学模型和有限元分析，预测结构在不同温度下的变形和应力变化，为施工提供准确的温度控制参数。

由于日照、风速等自然因素影响，桥梁结构表面和内部可能会产生温度梯度，导致结构变形和应力集中。因此，在施工过程中应采取措施减少温度梯度影响，例如合理布置遮阳设施、调整施工顺序等。

4.2 应力监测与调整

应力监测的主要目的是实时掌握合龙段及相邻结构在施工过程中的应力变化情况，及时发现并预防因应力集中或异常分布导致的结构破坏或开裂问题，从而保证桥梁的整体受力性能、保障施工安全。对多跨连续钢桁梁桥来说，其监测的构件主要为桁架的上弦杆、下弦杆、竖杆与斜杆等截面的应力大小情况。

在项目合龙段施工中，须在悬臂段桁架的断面布置两个应力计，采用钢弦应力计（包括测温元件）和配套的频率接收仪进行应力监测。钢弦应力计具有温度误差小、性能稳定、抗干扰能力强等优点，适合长期观测。将测点布置在箱型截面与“工”形截面的沿杆件轴线的端点处，如图5所示。

在无应力合龙过程中，应力调整会影响结构的安全与稳定。因此可以通过预应力张拉、临时支撑等技术对结构进行微调，达到最佳的应力状态。可采用液压千斤顶对关键杆件进行微调，每次调整量为±1mm，保证结构可以平稳过渡[5]。同时，利用应变片和应力传感器实时监测关键部位的应力变化，保证应力值在设计允许的范围内，通常将其控制在材料屈服强度的60%以下，防止结构发生塑性变形。

4.3 误差控制

误差精度控制是无应力合龙施工的关键。因此，在施工前，须利用全站仪、激光测距仪等高精度测量设备，对桥梁结构的各个关键点位进行精确测量，保证施工基准的准确性。在施工过程中，需要定期对结构进行复测，及时调整施工误差，保证合龙段的精度满足设计要求。通常，合龙段的对接精度要求控制在±1mm。

4.4 悬臂拼装线形监控

在多跨连续钢桁梁桥合龙施工过程中，如果不对悬臂段安装线形进行检测监控，就会直接影响合龙时的精度。因此在悬臂拼装过程中，须进行线形监控。工程共布置6个悬臂拼装的线型监控测点，分别在悬拼桁架阶段的端点、跨中处，沿桥面横向布置如图6所示。

在悬臂拼装施工期间，要对测点进行常规监测，每天对中线和高程进行一次测量，保证施工过程中的线形稳定性。在合龙段施工过程中，如果在温度变化较大的时间段内（例如早晚温差大时）施工，就应该增加监测频率。例如，在每天温度最低和最高时段进行监测，掌握温度对线形的影响规律。同时，在合龙段锁定前后，应该增加监测频率，保证锁定过程中的线形稳定性。在桥梁成桥后，仍须进行长期监测，评估桥梁在使用过程中的线形稳定性和安全性。

4.5 施工组织和管理

高效的施工组织和管理是无应力合龙施工顺利进行的重要保障，因此在施工前，须制定详细的施工计划和应急预案，明确各施工队伍的职责和协作方式。在施工过程中，要实行严格的施工日志制度，记录每一个施工步骤的详细情况，以便后续的质量追溯和问题排查[6]。同时，利用项目管理软件对施工进度、资源分配等进行动态管理，保证施工顺利进行。通过优化施工流程、提高施工效率，可以显著缩短施工周期，降低工程成本和提高工程质量。

5 结论

本文对多跨连续钢桁梁桥合龙段施工技术进行研究，由研究结果得出以下结论。1）温度变化对各杆件的位移影响较小，结构由静定转向超静定中体系有多余约束，合龙后构件共同变形，在温度荷载作用下的伸缩变形量受限，构件最大位移为8.5mm。2）下弦杆受温度影响造成的应力值变化幅度最大，中桁下弦杆最大值达到51.5MPa，斜杆的应力值变化幅度受温度影响较小，上弦杆的应力值变化幅度受温度影响居中。3）应该将兰家湾大桥合龙时的温度控制在10℃～15℃，此时结构伸缩量有限，温度应力较小，最大为7.4MPa，满足无应力合龙施工条件，结构的安全性能得到保障。4）临时墩施加顶推力后，该合龙段在Z向与X向上的位移偏差值满足合龙施工的要求。在合龙口竖向转角误差消除后，合龙段在纵向上误差值为6mm，即中跨侧须向边跨侧移动6mm。

参考文献

[1]王体祥.桥梁工程连续钢桁梁施工控制技术[J].中国科技信息，2024（11）：52-54.

[2]李小祥.无合龙段变高度连续钢箱梁桥顶推施工关键技术研究[J].结构工程师，2024，40（1）：150-157.

[3]高袁.桥梁工程连续钢桁梁施工控制技术[J].交通世界，2024（合刊1）：241-243.

[4]吴正义.基于无应力状态法的悬臂施工桥梁远端控制技术[J].科技资讯，2023，21（10）：113-116.

[5]黄川.大跨长联公铁两用连续钢桁梁桥温度效应研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2021.

[6]严永阳.悬臂施工中连续钢桁梁桥结构性能分析与控制技术研究[D].南京：东南大学，2018.