大跨度疊合梁斜拉橋施工控制參數敏感性分析

肖 雄， 黃志霜

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

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大跨度疊合梁斜拉橋施工控制參數敏感性分析

肖 雄， 黃志霜

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

為深入研究大跨度疊合梁斜拉橋施工控制參數的敏感性，以臨海高等級公路灌河大橋為背景，采用有限元軟件MIDAS Civil建立全橋三維有限元模型，分析了各設計參數對大跨度疊合梁斜拉橋主梁成橋線形和主梁應力的影響。研究結果表明：橋面板重量、鋼主梁梁重以及斜拉索彈性模量對該橋主梁成橋線形和主梁應力有顯著影響；橋面板彈性模量和鋼主梁彈性模量對該橋成橋狀態(tài)影響不大。

斜拉橋； 疊合梁； 施工控制； 設計參數； 敏感性分析

大跨度橋梁施工控制的主要目的，就是為了保證橋梁的施工安全以及成橋后主梁的線形和受力狀態(tài)均滿足設計要求[1]。斜拉橋屬高次超靜定結構，其施工控制是一項復雜的系統(tǒng)工程，多種因素均可能對施工控制結果產生重要影響，通過數值模擬分析得到的橋梁結構各施工階段的理想狀態(tài)與結構的實際狀態(tài)之間總是存在著一定的誤差[2-4]。結構參數敏感性分析的主要目的就是確定關鍵控制參數，為大跨度橋梁施工過程中的仿真分析、參數識別、模型修正以及誤差分析等研究工作提供基礎[3]。

疊合梁斜拉橋主梁采用鋼-混凝土組合截面，具有優(yōu)越的受力性能和施工性能，對此類橋型進行施工控制參數敏感性分析具有重要意義。本文以臨海高等級公路灌河大橋為例，通過數值模擬著重對結構重量、材料彈性模量等重要參數進行成橋階段橋梁結構響應的敏感性分析，以確定結構的主要控制參數，為大跨度疊合梁斜拉橋施工控制方案的制定及最優(yōu)控制決策提供科學依據。

1 工程概況

灌河大橋是臨海高等級公路跨越灌河的重要工程，主橋(60.8+117.2+400+117.2+60.8)m采用雙塔雙索面半漂浮體系鋼-混凝土疊合梁斜拉橋(圖1)。主梁采用雙邊“工”字型主梁結合橋面板的整體斷面，全寬36.5 m(圖2)；索塔采用H型索塔，塔高167.5 m；索塔兩側各17對斜拉索，按雙索面扇形布置。

圖1 灌河大橋主橋示意(單位：m)

圖2 主梁標準橫斷面(單位：mm)

2 有限元模型

采用有限元軟件MIDAS Civil建立全橋三維有限元模型，斜拉索以只承受軸向力的桁架單元模擬，主梁采用施工階段聯(lián)合截面(同一單元不同施工階段對應不同截面)模擬，索塔采用空間梁單元模擬，斜拉索在下錨點通過剛臂單元分別與主梁連接，上錨點通過剛臂單元與索塔直接相連(圖3)。

圖3 灌河大橋有限元模型

3 參數敏感性分析

分析在某一個單一參數發(fā)生變化而其余參數不變的情況下，全橋的線形、內力等關鍵參數隨之發(fā)生的變化情況，從而選出對結構的線形和內力狀態(tài)影響較大的參數，進而在施工過程中加以嚴格的監(jiān)測和控制[5～6]。

選取橋面板重量、鋼主梁梁重、橋面板彈性模量、鋼主梁彈性模量以及斜拉索彈性模量等5個結構參數，分析其對主梁成橋線形和主梁應力的影響程度。

3.1 橋面板重量

考慮橋面板模板變形或混凝土欠、超澆注均會引起重量變化，然而有限元模型一般不進行截面的修正，故將其重量變化轉換為混凝土容重的變化[7]。分別考慮橋面板容重增大5 %和減小5 %時，分析其對成橋狀態(tài)結構響應的影響情況。

3.1.1 主梁成橋線形

橋面板容重的變化對主梁成橋線形的影響如圖4所示。由圖可知，橋面板容重增大5 %和減小5 %時，主梁成橋線形變化明顯，線形變化最大值將近80 mm，出現在跨中合攏段附近。

圖4 橋面板容重增減5%時主梁線形的變化

3.1.2 鋼主梁應力

橋面板容重的變化對鋼主梁應力的影響如圖5所示。橋面板容重增加5 %時，主梁的最大壓應力為144.935 MPa，最大拉應力為-81.344 MPa，最大應力增量為23.189 MPa；橋面板容重減小5 %時，主梁的最大壓應力為136.766 MPa，最大拉應力為-109.398 MPa，最大應力增量為23.203 MPa。

圖5 橋面板容重增減5%時主梁下緣應力變化

由圖5分析可知，鋼主梁下緣應力最大變化量接近25 MPa，在塔周無索區(qū)和跨中附近變化相對較小，在1/4跨附近影響最為顯著。

3.2 鋼主梁重量

雖然鋼主梁自重荷載相對容易控制，誤差不會太大，但是對于大跨度疊合梁斜拉橋而言，由于跨度較大、整體剛度較小，結構的響應對梁重變化非常敏感。因此，分別考慮鋼主梁容重增大和減小5 %時，分析其對成橋狀態(tài)結構響應的影響情況。

3.2.1 主梁成橋線形

鋼主梁容重的變化對主梁成橋線形的影響如圖6所示。鋼主梁容重增大5 %和減小5 %時，主梁成橋線形變化明顯，最大變化值33 mm發(fā)生在跨中附近。

圖6 鋼主梁容重增減5%時主梁線形的變化

3.2.2 鋼主梁應力

鋼主梁容重的變化對鋼主梁應力的影響如圖7所示。由計算分析得出，鋼主梁容重增加5 %時，主梁的最大壓應力為139.973 MPa，最大拉應力為-80.359 MPa，最大應力增量為10.28 MPa；鋼主梁容重減小5 %時，主梁的最大壓應力為141.735 MPa，最大拉應力為-97.517 MPa，最大應力增量為10.198 MPa。

圖7 鋼主梁容重增減5%時主梁下緣應力變化

由圖7分析可知，鋼主梁下緣應力變化較大，在塔周無索區(qū)和跨中附近其變化值接近0，在1/4跨附近變化最為明顯。

3.3 橋面板彈性模量

橋面板作為疊合梁斜拉橋主梁的一部分，在最后的成橋階段要參與主梁整體受力，其彈性模量的大小影響內力在鋼-混凝土疊合梁主梁內的內力分配，因此必須作為一項重要參數加以識別[4]。基準狀態(tài)橋面板彈模為3.55×104MPa，分別考慮其增大5 %和減小5 %時，分析其對成橋狀態(tài)結構響應的影響情況。

3.3.1 主梁成橋線形

橋面板彈模變化對主梁成橋線形的影響如圖8所示。由圖可知，當橋面板彈模增加5 %和減少 5 %時，主梁成橋線形變化較小，最大變化值僅2 mm發(fā)生在跨中附近。

圖8 橋面板彈性模量增減5%時主梁線形變化

3.3.2 鋼主梁應力

橋面板彈模變化對鋼主梁應力的影響如圖9所示。當橋面板彈模增加5 %時，鋼主梁最大壓應力為139.0 MPa，最大拉應力為-89.8 MPa，最大應力增量為2.5 MPa，變化幅度為5.4 %；當橋面板彈模減小5 %時，主梁最大壓應力為142.8 MPa，最大拉應力為-86.9 MPa，最大應力增量為2.7 MPa，變化幅度為5.2 %。即橋面板彈性模量的變化對鋼主梁應力的影響很小。

圖9 橋面板彈性模量增減5%主梁下緣應力變化

3.4 鋼主梁彈性模量

鋼主梁彈性模量直接影響內力在疊合梁主梁內的內力分配，因此，有必要對其進行敏感性分析?；鶞薁顟B(tài)鋼主梁彈模為2.06×105MPa，按鋼主梁彈模增大5 %、減小5 %兩種情況，分析其對成橋狀態(tài)的影響程度。

3.4.1 主梁成橋線形

鋼主梁彈模變化對主梁成橋線形的影響如圖10所示。由圖可知，當橋面板彈模增加5 %和減少5 %時，主梁成橋線形變化較小，最大變化值僅2 mm出現在靠近橋塔邊跨側的梁段?？傮w看來，鋼主梁彈性模量對主梁成橋線形的影響很小。

圖10 主梁彈性模量增減5%時主梁線形的變化

3.4.2 鋼主梁應力

鋼主梁彈模變化對鋼主梁應力的影響如圖11所示。當鋼主梁彈模增加5 %時，鋼主梁最大壓應力為143.8 MPa，最大拉應力為-89.1 MPa，應力最大變化量為3.7 MPa，變化幅度為4.6 %；當鋼主梁彈模減小5 %時，主梁最大壓應力為137.8 MPa，最大拉應力為-87.7 MPa，應力最大變化量為3.8 MPa，變化幅度為5.1 %?？傮w而言，鋼主梁彈性模量的變化對主梁應力的影響很小。

圖11 主梁彈性模量增減5%時主梁上緣應力變化

3.5 斜拉索彈性模量

按斜拉索彈模增加5 %、減小5 %兩種情況考慮，基準狀態(tài)拉索彈模為1.95×105MPa，兩種變化均以基準狀態(tài)得到的安裝線形為計算的初始線形。

3.5.1 主梁成橋線形

拉索彈模變化對主梁成橋線形的影響如圖12所示。由圖可知，當鋼主梁容重增加5 %和減小5 %時，主梁成橋線形變化出現明顯峰值，最大變化值20 mm發(fā)生在跨中梁段。

圖12 拉索彈性模量增減5%時主梁線形的變化

3.5.2 鋼主梁應力

斜拉索彈模變化對鋼主梁應力的影響如圖13所示。當拉索彈模增加5 %時，主梁最大壓應力為140.5 MPa，最大拉應力為-85.7 MPa，應力最大變化量為2.9 MPa，變化幅度為5.3 %；當拉索彈模減小5 %時，主梁最大壓應力為141.2 MPa，最大拉應力為-91.3 MPa，應力最大變化量為3.1 MPa，變化幅度為5.0 %。

圖13 拉索彈性模量增減5%時主梁下緣應力變化

由圖13可以看出，斜拉索彈性模量的變化對鋼主梁應力的影響均在3 MPa之內，影響較小。

4 結 論

(1)橋面板重量、鋼主梁梁重、斜拉索彈性模量等結構參數是影響主梁成橋線形和主梁應力的主要控制參數，而橋面板及鋼主梁的彈性模量對結構成橋線形和主梁應力影響較小。

(2)相對主梁應力而言，大跨度疊合梁斜拉橋主梁線形對結構參數的變化更為敏感，因此在施工控制過程中，應著重對結構線形加以嚴格監(jiān)控。

(3)在實際工程中，尤其是大跨度疊合梁斜拉橋這類特殊結構，應針對主要控制參數進行實時監(jiān)控調整，以減小其對橋梁結構的不利影響。

[1] 徐君蘭. 大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2] 趙雷，孫才志，陳文元. 大跨度結合梁斜拉橋的參數敏感性分析[J]. 世界橋梁，2011(6)：38-41.

[3] 李喬，卜一之，張清華. 大跨度斜拉橋施工全過程幾何控制概論與應用[M]. 成都：西南交通大學出版社，2009.

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[7] 武芳文，趙雷. 大跨度斜拉橋施工力學行為參數敏感性分析[J]. 蘭州理工大學學報，2009，35(6)：124-130.

肖雄(1992～)，男，碩士研究生，從事大跨度橋梁結構施工控制理論與實踐研究。

U448.21+5

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[定稿日期]2016-05-06