張宿峰 陶潔璇 劉冬源 劉開來 艾永明

收稿日期：2023-10-30

作者簡介：張宿峰（1977—），男，山東聊城人，博士，高級工程師，研究方向：橋梁施工管理。

摘 要：參數(shù)敏感性分析是橋梁結(jié)構進行事前主動施工控制的一種有效方法。以佳木斯松花江特大橋為工程背景，對施工過程中可能對矮塔斜拉橋成橋狀態(tài)產(chǎn)生較大影響的控制因素進行敏感性分析，從而明確施工控制重點，為該類橋梁的施工控制及狀態(tài)評估提供參考。

關鍵詞：矮塔斜拉橋；參數(shù)；敏感性分析

中圖分類號：U448.27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2024）03-0114-03

0引言

矮塔斜拉橋是近年來發(fā)展起來的一種新型橋梁結(jié)構，其受力特點介于傳統(tǒng)梁式橋與常規(guī)斜拉橋之間，屬于高次超靜定結(jié)構[1]。矮塔斜拉橋的索塔高度較低、主梁剛度較大、無索區(qū)段較長，具有力學性能優(yōu)越、造型美觀、經(jīng)濟指標良好等優(yōu)點，近年來在我國得到了較快發(fā)展，在世界各國也得到了廣泛應用。矮塔斜拉橋具有結(jié)構體系復雜、施工周期長等特點，且結(jié)構成橋狀態(tài)下力學性能的影響參數(shù)較多。在復雜漫長的橋梁施工過程中，混凝土材料的容重、收縮徐變及彈性模量，拉索的初始張拉力及彈性模量，預應力鋼束的錨下控制應力，索塔抗彎剛度和環(huán)境相對濕度等參數(shù)，均有可能偏離原設計值，導致橋梁內(nèi)力和線形偏離結(jié)構的理想成橋狀態(tài)。此外，不同參數(shù)對矮塔斜拉橋成橋狀態(tài)的影響程度也不相同 [2-5]。

為確保矮塔斜拉橋達到理想的成橋狀態(tài)，對橋梁的施工過程進行控制是一種重要手段。通常需要在橋梁施工前及施工過程中，利用參數(shù)敏感性分析方法，了解這些影響參數(shù)對結(jié)構性能的敏感程度和變化規(guī)律。通過抓住主要狀態(tài)參數(shù)，忽略次要狀態(tài)參數(shù)的影響，明確施工控制的重點因素，從而可以更好地保證橋梁結(jié)構的最終成橋狀態(tài)[6]。因此，參數(shù)敏感性分析是橋梁結(jié)構施工事前控制的一個重要方法，對于矮塔斜拉橋的主動施工控制具有重要意義。

1參數(shù)敏感性分析方法

對矮塔斜拉橋進行參數(shù)敏感性分析時，應根據(jù)矮塔斜拉橋的受力特點和實際施工方案，選取出有可能對結(jié)構最終成橋狀態(tài)有影響的狀態(tài)參數(shù)。然后選擇結(jié)構模型的任意一個影響參數(shù)，設為狀態(tài)參數(shù)x，并以主梁撓度、應力或拉索索力等結(jié)構響應作為控制目標y。如果狀態(tài)參數(shù)x發(fā)生一個小范圍的變化（文中取狀態(tài)參數(shù)基準值的5%），則對應的結(jié)構控制目標，可根據(jù)公式（1）計算：

y0=f（x0）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：x0為狀態(tài)參數(shù)x的基準值，對應的結(jié)構控制目標為y0。

狀態(tài)參數(shù)變化后的結(jié)構控制目標y1，可根據(jù)公式（2）計算：

（2）

然后，選取結(jié)構成橋狀態(tài)下半橋主梁控制梁段控制目標差值的均方差值為參數(shù)敏感性指標，計算公式如下：

（3）

式中：N為半橋主梁的控制梁段數(shù)，di為第i控制梁段的控制目標差值： 取值為? ? ? ? ? ? ? 。? ? ?為對半橋主梁控制梁段的控制目標差值取平均值，其計算公式如式（4）所示：

（4）

對結(jié)構各控制目標下的影響參數(shù)進行敏感性分析時，因橋梁結(jié)構的各狀態(tài)參數(shù)在性質(zhì)、大小和單位方面存在顯著差異，因而需要對參數(shù)敏感性指標做歸一化處理，公式如式（5）所示：

（5）

本文定義歸一化指標在0.3以上的影響參數(shù)為主要狀態(tài)參數(shù)[7]。

2工程概況

鶴大高速佳木斯松花江特大橋為預應力混凝土箱梁矮塔斜拉橋，為塔梁固結(jié)、墩梁分離的六跨連續(xù)體系。主橋跨徑布置為（110+4×200+110）m，五塔單索面，橋長1 020 m。

主橋上部結(jié)構為預應力混凝土變截面箱梁，采用整幅式斜腹板單箱三室截面。箱梁頂板寬28 m，設置2%雙向橫坡，頂板中間2.5 m寬度為斜拉索區(qū)，單側(cè)懸臂長4 m。箱梁中跨跨中42 m范圍梁段及邊跨梁段28.2 m范圍梁段采用等截面，梁高4.0 m，其他梁段梁高由4.0 m按1.8次拋物線變至0號塊梁段7 m高。

橋面按雙向四車道布置，索塔主體高度26.5 m，為單柱式橋塔，布置在中央分隔帶上，并與主梁固結(jié)。全橋共設置5×14對斜拉索，采用單索面、雙排、半扇形布置，并以中央分隔帶作為斜拉索的主梁端錨固區(qū)。全橋有限元模型見圖1。

松花江特大橋有限元模型中采用的材料參數(shù)見表1。

3松花江特大橋敏感性分析

本文根據(jù)規(guī)范、設計圖紙及施工記錄等資料，確定出各種影響參數(shù)的基準值，并完整、準確地模擬分析橋梁結(jié)構的實際施工過程。然后選定控制目標，基于各影響參數(shù)發(fā)生較小幅度的變化（參數(shù)基準值的5%）得到各影響參數(shù)的靈敏度方程。依據(jù)參數(shù)靈敏度，確定結(jié)構的主要和次要狀態(tài)參數(shù)。

3.1 以主梁撓度為控制目標

控制目標為主梁撓度時的參數(shù)靈敏度如表2所示。從表2中可以看出，當控制目標為主梁撓度時，成橋狀態(tài)下的橋梁結(jié)構參數(shù)，按敏感度強弱排序為主梁混凝土容重、拉索初拉力、鋼束錨下控制應力、主梁彈性模量、環(huán)境相對濕度、拉索彈性模量和橋塔剛度。運營10年后，環(huán)境相對濕度的影響明顯變大，其敏感度由第5位增大至第3位。分析認為，這是由于混凝土徐變受環(huán)境相對濕度的影響較大，而除主梁混凝土容重外的其他因素的影響略有降低。

歸一化處理后，成橋狀態(tài)下主梁混凝土容重、拉索初拉力的靈敏度大于0.3，敏感性較強，為主要狀態(tài)參數(shù)。其余各參數(shù)的敏感性較弱，為次要狀態(tài)參數(shù)。另外，運營10年后環(huán)境相對濕度的靈敏度也大于0.3，表現(xiàn)出較強的敏感性。

3.2 以主梁截面上緣應力為控制目標

控制目標為主梁截面上緣應力時的參數(shù)靈敏度如表3所示。從表3中可以看出，當控制目標為主梁截面上緣應力時，成橋狀態(tài)下的橋梁結(jié)構參數(shù)，按敏感度強弱排序為拉索初拉力、主梁混凝土容重、鋼束錨下控制應力、環(huán)境相對濕度、主梁彈性模量、拉索彈性模量和橋塔剛度。運營10年后，拉索初拉力、環(huán)境相對濕度的影響程度進一步增大，且拉索初拉力的貢獻占據(jù)主導地位。

歸一化處理后，成橋和運營10年狀態(tài)下拉索初拉力、主梁混凝土容重的靈敏度均大于0.3，表現(xiàn)出較強的敏感性，為主要狀態(tài)參數(shù)。其余各參數(shù)的敏感性較弱，為次要狀態(tài)參數(shù)。

3.3 以主梁截面下緣應力為控制目標

控制目標為主梁截面下緣應力時的參數(shù)靈敏度如表4所示。從表4中可以看出，當控制目標為主梁截面下緣應力時，成橋狀態(tài)下的橋梁結(jié)構參數(shù)按敏感度強弱排序為：主梁混凝土容重、拉索初拉力、鋼束錨下控制應力、環(huán)境相對濕度、主梁彈性模量、拉索彈性模量和橋塔剛度。運營10年后，拉索初拉力的影響程度進一步增大，且占據(jù)主導地位。

歸一化處理后，成橋狀態(tài)下主梁混凝土容重、拉索初拉力、錨下控制應力的靈敏度大于0.3，敏感性較強，為主要狀態(tài)參數(shù)。而運營10年后，受混凝土徐變的影響，其主要狀態(tài)參數(shù)則變化為拉索初拉力和主梁混凝土容重。

3.4 以拉索索力為控制目標

控制目標為拉索索力時的參數(shù)靈敏度如表5所示。從表5中可以看出，當控制目標為拉索索力時，成橋狀態(tài)下的橋梁結(jié)構參數(shù)按敏感度強弱排序為拉索初拉力、主梁混凝土容重、拉索彈性模量、主梁彈性模量、環(huán)境相對濕度、鋼束錨下控制應力和橋塔剛度。運營10年后，受混凝土徐變的影響，主梁混凝土容重的影響有一定程度增強。

歸一化處理后，成橋和運營10年狀態(tài)下拉索初拉力、主梁混凝土容重、拉索彈模的靈敏度均大于0.3，表現(xiàn)出較強的敏感性，為主要狀態(tài)參數(shù)。其余各參數(shù)的敏感性較弱，為次要狀態(tài)參數(shù)。

4結(jié)束語

本文以松花江特大橋為工程背景，以成橋及運營10年狀態(tài)下的主梁撓度、應力和斜拉索索力等結(jié)構響應為控制目標，對主梁混凝土容重、拉索初拉力和鋼束錨下控制應力等7個參數(shù)進行敏感性分析，研究了各參數(shù)對矮塔斜拉橋結(jié)構狀態(tài)的影響，得出以下結(jié)論：①影響矮塔斜拉橋結(jié)構狀態(tài)的關鍵因素主要是拉索初拉力、主梁混凝土容重及鋼束錨下控制應力。②在橋梁運營階段，受混凝土徐變作用，結(jié)構永存預應力降低，拉索索力對結(jié)構受力性能的影響明顯增強。③橋梁施工時，應嚴格控制主梁混凝土的施工工藝，防止超方增加主梁自重，應嚴格控制斜拉索及預應力束的制作及施工質(zhì)量，防止拉索索力和鋼束錨下控制應力發(fā)生較大偏差。④橋梁運營階段應重點監(jiān)測結(jié)構關鍵部件的截面應力及拉索索力。

參考文獻

[1] 陳從春.矮塔斜拉橋[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[2] 陳恒大，姚絲思，鄔曉光.跨中交叉布索的多塔斜拉橋受力機理及參數(shù)分析[J].鐵道科學與工程學報，2018，15（10）：2549-2556.

[3] 劉來君，倪富陶，張筱雨，等.預應力混凝土矮塔斜拉橋參數(shù)敏感性分析[J].中外公路，2015，35（4）：142-144.

[4] 何博文，王晟，顏東煌，等.矮塔斜拉橋索力與體內(nèi)預應力參數(shù)敏感性分析[J].中外公路，2015，35（1）：130-133.

[5] 劉昊蘇，雷俊卿.矮塔斜拉橋上部結(jié)構構件剛度敏感性研究[J].北京交通大學學報，2014，38（4）：122-127.

[6] 鮑英基，蔣斌松，李文斌.PC矮塔斜拉橋運營階段參數(shù)敏感性分析[J].公路，2020，8（8）：216-222.

[7] 王永廷，田建港，秦龍，等.矮塔斜拉橋結(jié)構參數(shù)敏感性分析[J].公路交通科技：應用技術版，2014，10（7）：266-268.