譚亞杰

（長沙理工大學土木工程學院 長沙 410114）

某特大橋是一座采用扣錨索懸臂扣掛法施工的鋼筋混凝土拱橋，是一種由塔、索、拱肋3 種基本結(jié)構組成的組合結(jié)構。本文依托某特大橋為背景，運用有限元軟件Midas∕Civil對施工過程中涉及的各參數(shù)進行敏感性分析，確定懸臂扣掛施工過程中的敏感性參數(shù)，為類似橋梁施工誤差提供參考。

1 工程概況

某特大橋位于湖南省湘西自治州永順縣，主孔為凈跨徑195 m 的RC無鉸箱型拱，矢跨比1∕5，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.543，主拱圈尺寸為360 cm（高）×780 cm（寬）?？坼^索均采用φ15.2 mm 的低松弛預應力鋼絞線，共42 對扣錨索，該特大橋施工布置如圖1所示。

圖1 某特大橋施工布置Fig.1 Construction Layout of a Super Major Bridge（mm）

2 建立有限元模型

采用有限元軟件MIDAS∕Civil 建立某特大橋模型，使用桁架單元模擬扣錨索，其余構件采用梁單元模擬。地錨索錨固處和交界墩與基礎采用完全固結(jié)、主拱圈和拱上立柱、臨時扣塔和交界墩的連接采用剛性連接，拱上立柱和主梁的連接采用彈性連接里的剛性連接。根據(jù)設計圖紙，共劃分為74 個施工階段，如表1所示，有限元模型如圖2所示。

表1 施工階段的劃分Tab.1 Division of Construction Phase

圖2 某特大橋有限元模型Fig.2 Finite Element Model of a Super Major Bridge

3 參數(shù)的選取

在施工過程中由于影響結(jié)構力學性能的因素眾多，如混凝土的欠、超澆注和模板變形等［1］，導致主拱圈自重產(chǎn)生偏差；在實際拱段澆注中，混凝土的彈性模量與設計值有些偏差［2］，以及模板誤差，直接導致主拱圈剛度的誤差，本文僅考慮主拱圈彈性模量引起的偏差；由于測量、溫度變化、張拉技術的限制以及應力松弛等原因［3］。使扣錨索張拉時索力不能準確達到預定值，引起扣錨索索力偏差；由于扣錨索的制作誤差［4］。引起扣錨索剛度偏差，這里僅考慮扣錨索彈性模量的偏差。

為了保證主拱圈在施工過程中滿足變形和應力的要求，本文選取主拱圈自重、主拱圈剛度、扣錨索索力、扣錨索剛度等參數(shù)進行分析。在模型分析時，以基準狀態(tài)為設計狀態(tài)，分別改變某一參數(shù)，同時保持其他參數(shù)不變，進行有限元分析計算［5］。計算到成橋狀態(tài)下主拱圈的累計位移以及累計應力的變化量，根據(jù)各設計參數(shù)影響程度確定敏感性參數(shù)和不敏感性參數(shù)［6］。根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況和相關文獻［7-9］，確定各參數(shù)變化程度如表2所示。

表2 結(jié)構主要參數(shù)及其變化Tab.2 Main Structural Parameters and Their Changes

4 參數(shù)敏感性分析

4.1 主拱圈變形分析

按表2 結(jié)構參數(shù)的變化，逐一改變模型中主拱圈自重、主拱圈剛度、扣錨索索力、扣錨索剛度等參數(shù)值，對施工全過程進行參數(shù)敏感性分析，計算到成橋狀態(tài)下主拱圈累計豎向位移差，結(jié)果如圖3所示。

圖3 參數(shù)變化時主拱圈累計豎向位移差Fig.3 Cumulative Vertical Displacement Difference of Main Arch Ring when Parameters Change

由圖3 可知，各設計參數(shù)對主拱線性的影響呈對稱分布。從拱腳至拱頂處位移差先增大后減小。當主拱圈自重增大5%時，主拱圈向下?lián)隙仍龃?，并且?1#拱段處達到最大值，豎向位移最大差值為31.69 mm，位移變化幅度高達264%，屬于位移敏感性參數(shù)。當主拱圈剛度增大5%時，主拱圈位移受主拱圈剛度的影響很小，最大變化量僅有2.18 mm，屬于位移不敏感性參數(shù)。當扣錨索索力增大5%時，由于索力的增大，主拱圈從豎直向下位移變?yōu)樨Q直向上位移，在11#拱段達到最大值，豎向位移最大差值為34.34 mm，變化幅度最大，為286%，為位移敏感性參數(shù)。當扣錨索剛度增大5%時，對主拱圈線性的影響較小，僅有1.63 mm。屬于位移不敏感參數(shù)。

4.2 主拱圈應力分析

在施工全過程中，主拱圈的應力控制十分重要，各參數(shù)引起的拱圈上下緣累計應力變化值如圖4所示。

由圖4 可知，主拱圈自重、扣錨索索力增大時，對上下緣應力的影響有著相同的規(guī)律，在3#拱段處上下緣累計應力變化差值最大，拱頂處變化差值最小，主拱圈自重增大5%時，3#拱段處最大累計應力差值是1.74 MPa，扣錨索索力增大5%時，3#拱段處最大累計應力差值是1.53 MPa。而對于主拱圈剛度和扣錨索剛度對主拱圈應力幾乎無影響，最大差值僅為0.021 MPa、0.019 MPa。主拱圈自重和扣錨索索力為應力敏感性參數(shù)，主拱圈剛度扣錨索剛度為應力不敏感性參數(shù)。

圖4 參數(shù)變化時主拱圈上下緣應力累計應力差Fig.4 Cumulative Stress Difference of Upper Edge Stress of Main Arch Ring when Parameters Change

對上述4個設計參數(shù)對主拱圈結(jié)構響應情況進行匯總，如表3所示。

表3 影響參數(shù)變化下主拱圈位移和應力變化最大值Tab.3 Maximum Value of Displacement and Stress Change of Main Arch Ring under Change of Influencing Parameters

5 結(jié)論

通過MIDAS∕Civil 軟件對某特大橋進行施工階段的參數(shù)敏感性分析，得到各參數(shù)對主拱圈線性和應力的影響程度以及施工過程中的變化規(guī)律：

⑴從各設計參數(shù)對主拱圈位移和應力的響應來看，主拱圈自重和扣錨索索力為敏感性參數(shù)，在橋梁施工監(jiān)控過程中，加強對主拱圈自重和扣錨索索力監(jiān)測。主拱圈剛度和扣錨索剛度為不敏感參數(shù)，基本可以忽略這兩種參數(shù)的影響。

⑵主拱圈自重和扣錨索索力變化時，對主拱圈1∕4L處的位移響應影響最大，對3#拱段處應力響應影響最大，應在施工過程中嚴格控制主拱圈1∕4L處位移和3#拱段的應力要求。

⑶在施工過程中對結(jié)構位移和應力影響較大的參數(shù)進行嚴格的控制和監(jiān)測，比如在主拱圈拱段制作過程中嚴格控制混凝土的用量、模板尺寸誤差、索力測量誤差、張拉誤差等［10］，以及根據(jù)具體情況對主拱圈自重和扣錨索索力進行及時的修正，以保證主拱圈截面在施工過程中滿足變形和應力的要求。