曲線剛構橋參數敏感性分析

熊志紅

(武漢理工大學，湖北武漢 430070)

Xiong Zhihong(Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

曲線剛構橋參數敏感性分析

熊志紅

(武漢理工大學，湖北武漢 430070)

通過建立曲線剛構橋的Midas有限元模型，分析了有關計算參數對橋梁結構受力響應的敏感性，指出對曲線剛構橋而言，混凝土容重、彈性模量以及曲率半徑的敏感性較強，采用輕質高強材料以及盡可能大的曲率半徑對有效提高曲線連續剛構橋的安全性是有益的。

曲線剛構橋，Midas，敏感性，曲率半徑，彈性模量

0 引言

1998年，挪威建成的森德大橋的主跨達到298 m，這座橋梁也成為曲線剛構橋的里程碑，該橋的設計方式、結構優化以及施工技術的創新成為以后曲線剛構橋發展的標桿。我國第一座曲線剛構橋是建造于20世紀90年代專門為鐵路服務的板其二號大橋［1］，它的主跨徑為72 m，曲率半徑采用的是450 m，橋墩高為53 m。隨著材料性能的逐漸增強，施工技術的不斷改進，曲線剛構橋修建跨度也越來越大、橋墩也越來越高、曲率半徑不斷減小，不僅在山區運用地越來越多，而且跨江跨海的橋梁也多了一種選擇，所以說它的應用范圍和發展前景是非常可觀的。

然而曲線剛構橋也容易出現梁體開裂、墩身開裂和跨中下撓較大等問題。以下運用有限元軟件Midas建立了曲線剛構橋的有限元模型，分析有關計算參數對橋梁結構受力響應的敏感性，分別計算了混凝土容重、彈性模量、預應力張拉力、混凝土相對濕度和曲率半徑的變化對本橋受力的影響。

1 參數分析方法

以下采用單因素參數進行敏感性分析，本方法最主要的就是選擇控制目標，一般通過設計或者施工圖來確定。接下來選取特征參數及其變化范圍，最后根據選擇的控制目標和影響參數因素，建立兩者之間的函數關系，如式(1)所示，式(1)中xn為特征參數:

F=f(x1，x2，…，xn) (1)

下文參數分析選擇如下特征參數［2-4］:混凝土的容重、混凝土彈性模量、預應力初張力、相對濕度和曲率半徑。它的步驟包括:確定參數的上下波動變化范圍，下文采用的是上下波動10%;選擇控制目標，下文通過參數的控制分析主梁的最大撓度和最大應力，前提是必須在同一荷載組合下;接下來就是分析各個參數對撓度和應力的影響程度大小，以百分比來衡量，通過比較其影響程度百分比，可以確定其是主要的影響參數還是次要的影響參數。以下對曲線剛構橋幾個重要設計參數進行敏感性分析。

2 工程實例

2.1 工程概況

以某預應力混凝土曲線連續剛構橋為工程背景。由于受到路線及地質條件限制，該橋最終橋跨布置為(15+55.5+145+ 55.5+15)m，橋梁全長為293 m，橋梁中心線曲線半徑為600 m。該橋位于城市次干道上，設計結構安全等級取為二級，人群荷載: 2.5 kN/m2。

主梁采用預應力混凝土箱梁，單箱雙室截面，橋面設1.5%的雙向坡。主梁兩側人行道均寬3.8 m，設置2%的斜坡。橋面鋪裝采用8 cm厚鋼筋混凝土+10 cm瀝青混凝土鋪裝。樁基、承臺采用C30混凝土;輔助墩墩身采用C40混凝土;箱梁、主墩采用C50混凝土。預應力鋼絞線采用270級公稱直徑15.2低松弛預應力鋼絞線。

2.2 計算模型

本大跨度曲線連續剛構橋結構計算分析運用有限元程序Midas進行建模。全橋三維有限元桿系模型如圖1所示，全橋共建立518個節點，459個單元。一期恒載:梁體混凝土容重按26 kN/m3計;二期恒載:具體包括橋面鋪裝以及人行道鋪裝、人行道欄桿及防撞墩，總計96 kN/m。收縮徐變:混凝土收縮徐變算法采用JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［5］算法，混凝土加載齡期按5 d計算，構件的理論厚度算法按公路橋梁規范執行。汽車荷載:城—A級;人群荷載:2.5 kN/m2;溫度荷載:整體升溫20℃，整體降溫20℃;溫度梯度荷載:豎向日照正溫差計算溫度基數的選取采用JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范［6］中表4.3.10-3中的數值。分別取T1為14℃，T2為5.5℃，反溫差基數數值為正溫差乘以－0.5;施工荷載:施工掛籃重按1 100 kN計。

本橋共設置24處一般支撐，8處剛性連接以及8處彈性連接，樁基采用節點線性彈性支撐，墩底約束全部自由度，墩梁剛接。邊墩以一般支撐模擬，約束全部自由度，采用剛性連接。邊墩與主梁之間相接采用彈性連接，主墩與主梁以及承臺的連接采用剛性連接。

全橋有限元模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型

2.3 參數分析

參數分析選擇如下特征參數:

1)混凝土容重:混凝土容重的變化也就是橋梁結構自重的變化。本大跨徑曲線連續剛構橋主梁運用的是C50混凝土，它的容重設計值是按照25 kN/m3取值，將容重值分別增大10%或者減小10%代入模型。

2)主梁混凝土彈性模量:本曲線剛構橋主梁采用C50混凝土，它的彈性模量設計值按照34 500 MPa取值，將彈性模量值分別增大10%或者減小10%代入模型。

3)預應力初張力:本曲線剛構橋主梁采用1860鋼絞線，預應力初張力設計值按照1 395 MPa取值，將預應力初張力值分別增大10%或者減小10%代入模型。

4)相對濕度:本曲線剛構橋主梁采用C50混凝土，設計時相對濕度值按照70%取值，將相對濕度值分別增大10%或者減小10%代入模型，即將相對濕度63%時和77%時代入模型。

5)曲率半徑:本橋中心線曲率半徑有兩個，250.5 m和600 m。本橋橋跨結構全長286 m，其中近90%的橋跨結構位于曲率半徑為600 m的曲線上，因此，本小節計算分析中將針對600 m曲率半徑進行，增加或者減少10%代入模型，即以540 m和660 m建立模型。計算橋梁的撓度和應力值。并且分析比較兩個值與原設計的設計值，并分析比較這兩個參數引起的變化有多大。

通過對本曲線剛構橋實例模型的分析，分析了幾個影響主梁線性狀態的參數的敏感性，分析的結構匯總如表1和表2所示。

從表1，表2可以得出:曲線剛構橋主梁混凝土彈性模量對主梁撓度的影響最大，混凝土的容重、曲率半徑和預應力初張力的變化對本曲線剛構橋的撓度變化也有比較大的影響，而混凝土的相對濕度則對撓度的影響很小。曲線剛構橋混凝土的容重對主梁應力的影響最大，混凝土的彈性模量、曲率半徑和容重對主梁應力的影響也差不多，預應力初張力則相對小一些，而混凝土相對濕度對主梁應力的影響來說是可以忽略的。

表1 參數敏感性分析撓度結果

表2 參數敏感性分析應力結果

3 結語

通過分別計算混凝土容重、彈性模量、預應力張拉力、混凝土相對濕度和曲率半徑的變化對曲線剛構橋受力的影響，得出曲線剛構橋對混凝土容重、彈性模量以及曲率半徑的敏感性較強。混凝土容重越小，則撓度和應力越小，混凝土容重越大，則撓度與應力就越大。曲率半徑越大，則撓度和應力越小，曲率半徑越小，則撓度與應力就越大。據此研究結果可以看出，采用輕質高強材料以及盡可能大的曲率半徑對有效提高曲線剛構橋的安全性是有益的。

［1］ 陳俊真，曾昭強，許智焰.一座鐵路預應力混凝土平彎橋——南昆鐵路板其二號大橋［J］.橋梁建設，1997(18): 125-126.

［2］ 李小柱.大跨連續剛構橋施工控制中的參數敏感性分析［D］.西安:長安大學，2008.

［3］ 雷忠偉.矮塔斜拉橋結構參數敏感性分析［D］.哈爾濱:東北林業大學，2015.

［4］ 王 英，孫利民.大跨連續剛構橋材料參數模態敏感性分析［J］.廣西大學學報(自然科學版)，2015(1):142-148.

［5］ JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［6］ JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

Analysis on parameter sensibility of curved rigid-frame bridge

Through establishing Midas finite element model of curved rigid-frame bridge，the paper analyzes sensibility of relevant calculation parameters upon bridge structure stress response.As far as curved rigid-frame bridge being concerned，the sensibility of concrete volume，elastic modulus and curvature radius are rather stronger，applying light-weight and high-strength material and rather big curvature radius are beneficial for improving curved continuous rigid-frame bridge safety.

curved rigid-frame bridge，Midas，sensibility，curvature radius，elastic modulus

Xiong Zhihong
(Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

U448.23

A

1009-6825(2016)35-0177-02

2016-10-09

熊志紅(1990-)，男，在讀碩士