本文以九江长江大桥正桥改造项目为工程背景，提出钢桁梁与桥面板间增加支座结构形式的解决方案，将彻底消除桁板间温差所产生的结构内应力问题。并针对就此形成的双层支座体系桥梁的支座功能实现和支座安装预偏量控制原理进行研究分析，形成一套具有很强适用性的新型支座结构和支座安装预偏量控制方法。

　　1 工程概况

　　九江长江大桥的正桥位于两桥头堡之间，由4联组成，共11孔钢梁，全长1 806m。

　　正桥桥式组成由北向南为第1联3×162m连续钢桁梁+第2联3×162m连续钢桁梁+第3联(180+216+180)m柔性拱钢桁梁+第4联2×126m连续钢桁梁(见图1)。

　　

　　图1 正桥总体布置(单位:m)  

　　 

　　从北向南墩台编号为0号台，1，…，10号墩，11号台，0号台落在北岸大堤上，11号台位于南岸堤内，江中10个桥墩。各联钢桁梁固定支座分别设于1,4,7,9号墩。

　　公路桥面是在钢桁梁上弦杆之间的公路横梁上设钢垫块，公路钢纵梁支承在钢垫块上，钢垫块与公路横梁和钢纵梁固定连接;公路桥纵梁上布置预制混凝土行车道板，行车道板与公路钢纵梁之间用水泥砂浆进行调平填充，并用螺杆进行连接(见图2)。

　　

　　图2 标准段正桥横断面布置 

　　 

　　公路桥面每4×9m或3×9m设置1道小型伸缩装置(见图3)，全桥共计47道伸缩装置;相邻钢桁梁联间为大型伸缩装置，全桥4联共5道(0号台，3,6,9号墩，11号台)。

　　

　　图3 公路桥正桥纵向立面局部构造(单位:m)  

　　 

　　本次改造主要对公路桥面的公路钢纵梁和混凝土行车道板采用正交异性钢桥面板进行整体置换(见图4)。桥面板单联长度与钢桁梁单联长度保持一致。

　　

　　图4 标准段正桥改造横断面布置  

　　 

　　现场安装采用每9m 1个节间制造后在现场分节段架设进行栓焊连接安装，其通过安装在公路横梁上的钢支座将荷载传至钢桁梁上，新支座安装位置与数量和原桥面钢垫块基本保持一致。

　　2 温差效应理论

　　2.1 温差效应产生机理

　　桥梁在日照条件下，桥面板温度上升较快，进而使得桥面板和钢桁梁产生温差，温差使得桁板伸缩不同步，两者之间产生位移差或内应力，该位移差或内应力若得不到有效控制或释放，会产生对结构的巨大内在破坏力。

　　2.2 国内外设计规范对温度效应的规定

　　对于大跨径的桁板结构桥梁而言，温度效应对结构的影响十分明显，其中考虑的温度作用通常包括整体温度效应和局部温差效应。

　　整体温度效应是指气温随季节发生周期性变化时对桥梁所起的作用，一般假定温度在杆件内均值变化。对于桁板结构桥梁而言，在整体温度效应作用下可考虑钢桁梁的各杆件与桥面板之间，在环境温度发生变化时，升温和降温的程度相同，这在桁板结构桥梁中由钢桁主梁支座体系功能得以解决。

　　而局部温差效应的成因是桥梁结构受不同日照辐射强度、桥梁方位、日照时间、地理位置、地形地貌等随机因素影响较大，使得结构表面、内部温度因对流、热辐射和热传导方式形成瞬时的不均匀分布。这种温差效应产生的内部位移差或内应力便应考虑采取一种有效的结构形式予以解决，不容忽视。

　　由表1可知，各国规范都认为温度效应对桥梁结构的受力会产生一定程度的影响，大多数规范对桥梁设计中温度效应的影响提出计算方法，但条款只针对主梁的整体温度效应和混凝土箱梁的温度梯度效应进行介绍，对于钢桁梁与桥面板组成桁板结构温差效应，各国规范中均未明确规定。

　　  

　　表1 各国规范和文献对温度效应的规定 

　　 

　　 

　　

　　表1 各国规范和文献对温度效应的规定

　　2.3 温差效应下桁板间连接键破坏机理分析

　　在以前的桁板结构桥梁设计中忽略其温差效应对桁与板之间连接键产生的影响，或采取不彻底消除温差应力的不利影响，导致桁板连接结构本身产生结构性破坏。经试算，在温差效应下产生的内应力一般不大，而且一般通过桥面板的屈曲变形抵消此部分应力，但考虑到结构有效截面面积较大，导致其产生的内力较大，而所产生的内力要通过桁板连接键水平抵抗力来承担或传递，一般其内力远超其连接键(焊缝或螺栓等)本身的水平力承受极限，最终导致连接键本体破坏而失效。

　　3 双层支座体系设计方案

　　为彻底消除桁板之间由温差引起的内应力，采用连续梁支座结构体系的传力方式代替刚接形式的连接键方式。这样便形成以大跨度连续梁形式的钢桁梁支座体系和小跨度连续梁形式的桥面板密集型支座体系的桁板结构桥梁双层支座体系。

　　3.1 温差效应下位移计算

　　本项目钢桥面板支座体系在温差效应下，桥面板与钢桁梁在桥梁纵向和横向相对位移计算如表2,3所示，因正桥4联中最长的一联为第3联(三大拱联)，所以为保证全桥支座结构尺寸的统一性，将以最大位移量来控制支座的设计最大位移量，所以下面便以第3联为例分析桥面板与钢桁梁之间最大位移差情况。

　　  

　　表2 支座温差效应下纵向位移 

　　 

　　 

　　

　　表2 支座温差效应下纵向位移

　　  

　　表3 支座温差效应下横向位移 

　　 

　　 

　　

　　表3 支座温差效应下横向位移

　　由表2可知，伸缩缝位置(最远端)最大位移差75mm，故支座结构功能须满足纵向大位移要求。由表3可知，在桥梁宽度方向也有较小的位移差产生，所以支座结构功能须满足横向小位移的要求。

　　支座设计要在横向和纵向2个方向充分考虑温差效应产生的相对滑移量。通过以上数据计算得出:本桥梁支座设计的纵向最大滑移量为±75mm，横向最大滑移量为±3.45mm。

　　3.2 支座设计体系

　　根据连续梁支座设置的一般规则，每联联中设置1排永久性纵向固定支座和数排限位性活动支座(带限位功能的有限位移量的活动支座)，小限位活动支座在到达理论位移极限时起到永久固定支座的作用，与永久性固定支座一起作用抵抗外部水平力，其他支座均为纵向±150mm大滑移量的活动支座。在桥梁宽度方向，每道横梁上的1排支座中，中间1个在横向设置限位(作为横向固定支座)，两侧各1mm间隙(纵向活动间隙)，其他支座横向限位两侧各5mm间隙。其中，纵向固定支座限位布置情况如表4所示。

　　  

　　表4 每联纵向固定支座布置情况 

　　 

　　 

　　

　　表4 每联纵向固定支座布置情况

　　3.3 支座功能实现方案

　　根据支座体系的位移、受力及功能要求，支座本体设计时要求完全实现所有功能，以便满足支座体系的实际需要，活动支座设计剖面如图5所示，固定支座便在其结构基础上增加防止纵向滑移的挡块。

　　

　　图5 支座结构剖面示意(活动支座)  

　　 

　　其功能描述如表5所示。

　　  

　　表5 支座功能及克服工况描述 

　　 

　　 

　　

　　表5 支座功能及克服工况描述

　　4 支座安装预偏量控制

　　4.1 设计的理想化要求

　　因交通影响，本次改造施工的钢桥面板架设安装按先下游后上游的顺序进行，根据设计要求，每联架设顺序要从正中位置向两端对称架设，且在每节段钢桥面板架设时，现场匹配切割和支座对位(安装就位期间不设预偏，要求在无温差情况下进行)要求在早晨或傍晚(无温差)进行。

　　以上设计要求受项目总工期、架板机数量投入和初始架设实际位置不对应等情况限制基本无法实现，所以要分析一种施工中不受外部条件约束的桥面板架设施工的支座预偏移量控制方法。

　　4.2 支座安装预偏移量控制

　　根据钢桥面板支座设计思路，在钢桥面板与钢桁梁无温差条件下，全桥所有支座均应处于零偏位状态，即支座指针归零。但钢桥面板分节间(每9m1个节段梁)现场拼装架设，因日照等外部条件使得钢桥面板温度比钢桁梁温度上升或下降不一致而形成温差，产生桥梁上、下层结构的温差效应，使得在双层支座体系中上、下层桥梁结构伸缩量不一致，最终表现为产生相对滑移量。接下来将通过计算推演，得出1个支座预偏移量实时计算公式，以便适用于钢桥面板不受外部环境影响的全天候架设环境。

　　下面选择任意一点G(计算点)作为当前钢桥面板架设位置(见图6)，通过推演计算出该点支座相对于钢桁梁在实时温差下理论纵向相对滑移量，即支座安装预偏移量控制值。

　　

　　图6 计算简图(单位:m)  

　　 

　　以支座结构上下摆的纵向滑移量作为计算钢桁梁与钢桥面板的相对滑移量，设整桥在无温差效应时基准桥梁体系温度为T₀，此时钢桥面板支座均应处于初始无滑移量状态(指针对中)，再假设钢桥面板架设时，因外部条件影响使得钢桁梁与架设的桥面板产生温差，上层钢桥面板温度为T₁，下层钢桁梁温度为T₂(T₁≠T₂)，从而产生温差ΔT(T₁-T₂)。

　　计算点支座下摆绝对滑移量，即该点钢桁梁伸缩量(1号为固定支座)为:

　　

　　 

　　计算点支座上摆绝对滑移量，即该点相对于钢桁梁1号固定支座的伸缩量，计算分2部分，一部分是G点相对于钢桥面板固定支座的伸缩量W₁，另一部分为钢桥面板固定支座相对于钢桁梁1号固定支座的伸缩量W₂，即

　　

　　 

　　计算点支座上下摆相对滑移量(即理论纵向相对滑移量或支座预偏移量)为:

　　

　　 

　　式中:T₀为基准桥梁体系温度;T₁为钢桥面板实时温度;T₂为钢桁梁实时温度;ΔT为温差(T₁-T₂);α为温度线膨胀系数，α=1.2×10^-5;L₁,L₂为活动支座与固定支座的距离，如图6所示;W₀为支座预偏移量控制值。

　　从以上推演结果可看出，钢桥面板支座安装的预偏移量与其支座相对于钢桥面板固定支座的距离和上、下层结构温差有关，与钢桁梁支座体系分布情况和实时环境温度(基准桥梁体系温度)无关。

　　所以在施工过程中对于具体位置的支座安装预偏移量控制只与温差有关，安装时只需采集现场实际温差，计算出实时的支座预偏移量进而控制支座安装预偏移量，不必满足恒温无温差条件，加快了施工进度并提高了工效。

　　5 成果应用情况

　　在桁板结构的多支点梁板结构体系研究中，解决温差效应所总结出来的设计与施工方面的技术，应用于九江长江大桥改造工程的正交异性钢桥面板安装施工中得到验证，对施工进度有极大改善，取得良好经济效益，并在南京长江大桥改造中再次得到应用和推广，目前两桥改造后运营正常。

　　6 结语

　　为了彻底解决桁板结构桥梁因烈日照射等环境因素影响情况下钢桁梁与桥面板之间形成温差而产生较大的结构内应力对结构的不利影响，提出钢桁梁与桥面板间增加支座结构形式的解决方案，并提出一个满足桁板间复杂传力方式的新型特殊支座结构形式，满足双向大小位移要求和一定的抗拉拔功能等，达到彻底消除桁板间温差所产生的结构内应力目的。而且在双层支座体系桥梁实施中，提出双层支座体系桥梁的支座安装预偏移量控制理论，形成支座安装预偏移量控制方法，对类似桥梁的设计与施工具有一定的指导和借鉴意义。