大跨度連續剛構橋參數敏感性及結構強健性分析

劉 濤

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142）

目前大部分連續梁剛構橋都采用懸臂澆筑的施工方法，要經歷一個長期而又復雜的施工過程及結構體系轉換過程，各施工階段的結構受力都將伴隨著結構體系、約束條件和荷載作用變化而不斷變化。由于施工過程中受到許多不確定性因素影響，包括材料的性能、施工荷載、預應力損失、混凝土收縮徐變、溫度等在理想狀態與實際狀態之間存在的差異，因此在設計時就需要對橋梁的結構進行計算，確定主要的敏感性參數，以便在施工中重點關注，對施工監控起到有效的預防和控制效果。

近年來我國越來越多的橋梁在使用過程中出現了不同程度的破壞，經過研究統計發現其主要原因為設計不合理及施工質量問題。橋梁的強健性設計就是針對這一現狀提出的設計方法，其主要內容就是通過采取適當的預防性措施，使橋梁具有抵抗最不利荷載的能力，使橋梁有能力避免由于設計和施工中的偏差而導致的顯著破壞。

1 參數敏感性分析方法

結構參數敏感性分析步驟為：①建立結構計算模型；②從撓度、彎矩、應力等結構響應中，選取一個或多個作為控制目標；③改變各個設計參數，進行結構計算，得出各控制目標的變化幅度，根據影響程度判定此項參數為該控制目標的敏感性參數或非敏感性參數。

1.1 工程實例

以某高速公路上跨越山谷大河的（130m＋248m＋130m）連續剛構橋為例，進行結構敏感性分析。該橋為三向預應力混凝土結構，主梁為分幅式單箱單室截面，每幅箱梁頂板寬13.85m，底板寬7.5m，兩翼板懸臂長3.175m。 箱梁跨中及邊跨現澆段梁高4.8m，橋墩與箱梁相接的根部斷面及墩頂0號梁段高16.0m。箱梁從跨中至根部，箱高以1.8次拋物線變化。下部構造主墩采用鋼筋混凝土空心墩，橫橋向寬8.5m，縱橋向頂寬12.0m；交界墩采用雙柱薄壁空心墩，空心墩橫橋向寬5.2m，縱橋向墩頂寬3.7m。采用Midas Civil2006建立模型選取荷載短期效應組合下結構應力為控制目標。

根據《橋涵施工規范》規定，橋梁結構斷面尺寸允許有±5%誤差，橋面鋪裝厚度允許超厚L/5000（L為連續剛構主跨跨徑），預應力鋼絞線容許±6%誤差，據此選取箱梁超重，鋪裝超鋪，預應力張拉力等幾個內容作為設計參數進行計算。鑒于設計中考慮整個橋面鋪裝超厚L/5000（L為連續剛構主跨跨徑）偏大，設計中考慮橋面鋪裝超厚L/7000（L為連續剛構主跨跨徑）。

下面為荷載短期效應組合下1號節段頂板部位壓應力儲備受考察參數變化的影響：

（1）箱梁超重5%情況：主梁比正常設計壓應力減少1.03MPa，正常使用抗裂驗算通過；

（2）鋪裝層超厚3.5cm情況：主梁比正常設計壓應力減少0.8MPa，正常使用抗裂驗算通過；

（3）縱向預應力張拉力減少6%情況：主梁比正常設計壓應力減少1.224MPa，正常使用抗裂驗算不滿足。

從以上幾個參數的偏差產生的影響來看，結構設計對預應力張拉力減少6%的變化最敏感，最不能接受。因此可以認為預應力損失為短期效應下結構應力的敏感性參數，應該從多方面入手確保施工達到設計的預應力度。

2 橋梁的強健性分析

高墩大跨連續剛構橋強健性分析主要內容為通過對施工中的一些偏差進行模擬，確保結構在這些偏差的作用下，橋梁不致發生破壞并影響使用功能。

仍以（130m＋248m＋130m）連續剛構為例對橋梁的強健性進行分析，主要內容包括預備鋼束的啟用和掛籃傾覆兩個方面的內容。

2.1 預備鋼束的啟用

預備鋼束的主要作用：①防止施工期間由于管道漏漿堵塞而備用的；②在橋梁通車使用一階段時間后，當橋梁承載能力下降后，通過張拉預備鋼束來提高橋的承載能力。

施工階段本橋懸臂施工共33個梁段采用掛籃懸臂澆筑施工，假設22節段施工時一孔鋼束沒能張拉，預備索在下一節段啟用，對應箱梁而言，掛籃最大荷載時頂板可能受拉。預備索張拉前梁端部比正常施工壓應力儲備減少1.2MPa，頂板堵管一側接近角點應力為0.3MPa。

在預備孔穿索補充張拉相應噸位后，隨后的施工過程中主梁累積的應力與正常施工差別不大，認為懸臂施工過程中頂板T組鋼束個別意外的堵管可以通過補充張拉預備索的方式補救。

2.2 掛籃傾覆

掛籃是懸臂施工的主要設備，在懸澆施工過程中，有時會出現掛籃掉落的情況，需要對橋墩的穩定性情況進行分析。

假設結構在澆筑最后一個懸澆塊時發生掛籃傾覆。

（1）剛構橋的主要荷載：最大懸臂階段結構自重、最大懸臂階段一側掛蘭傾覆、施工期間橫向風荷載。

（2）主墩強度情況：主墩底部軸力最大，在偏心彎矩下截面驗算較為不利。估算的主墩底部軸力為－294549kN，彎矩為146332kN·m。主墩頂部軸力較小，在不平衡彎矩的作用下，截面角點最小壓應力儲備不足1.0MPa。

掛籃傾覆是懸臂施工最不利工況，在發生掛籃墜落的情況下，橋墩有可能發生破壞，因此應該采取措施，如壓重和后錨等多種安全措施以確保掛籃正常運轉。

3 結語

高墩大跨連續梁剛構橋適用范圍廣、經濟性好，現在已經成為幾十米到200多米跨度的主力橋型，但是近年來，大跨徑預應力混凝土連續剛構橋在運營期陸續出現跨中下撓、腹板斜裂縫、底板裂縫等病害，需要我們在設計理論、施工方法中不斷探索完善。因此橋梁在設計時就應該對結構的參數敏感性及強健性進行分析，以保證施工過程質量控制更有針對性，同時對可能出現的施工偏差留有一定的安全儲備，保證施工期間安全，并減小運營階段橋梁病害出現的概率。

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