曲線剛構(gòu)橋參數(shù)敏感性分析

熊志紅

(武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070)

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

曲線剛構(gòu)橋參數(shù)敏感性分析

熊志紅

(武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070)

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

曲線剛構(gòu)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(dá)到298 m，這座橋梁也成為曲線剛構(gòu)橋的里程碑，該橋的設(shè)計方式、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及施工技術(shù)的創(chuàng)新成為以后曲線剛構(gòu)橋發(fā)展的標(biāo)桿。我國第一座曲線剛構(gòu)橋是建造于20世紀(jì)90年代專門為鐵路服務(wù)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(qiáng)，施工技術(shù)的不斷改進(jìn)，曲線剛構(gòu)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(qū)運(yùn)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(yīng)用范圍和發(fā)展前景是非常可觀的。

然而曲線剛構(gòu)橋也容易出現(xiàn)梁體開裂、墩身開裂和跨中下?lián)陷^大等問題。以下運(yùn)用有限元軟件Midas建立了曲線剛構(gòu)橋的有限元模型，分析有關(guān)計算參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)的敏感性，分別計算了混凝土容重、彈性模量、預(yù)應(yīng)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(shù)分析方法

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

F=f(x1，x2，…，xn) (1)

下文參數(shù)分析選擇如下特征參數(shù)［2-4］:混凝土的容重、混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力初張力、相對濕度和曲率半徑。它的步驟包括:確定參數(shù)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(biāo)，下文通過參數(shù)的控制分析主梁的最大撓度和最大應(yīng)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(shù)對撓度和應(yīng)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(shù)還是次要的影響參數(shù)。以下對曲線剛構(gòu)橋幾個重要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

以某預(yù)應(yīng)力混凝土曲線連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘啊Ｓ捎谑艿铰肪€及地質(zhì)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(shè)計結(jié)構(gòu)安全等級取為二級，人群荷載: 2.5 kN/m2。

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱雙室截面，橋面設(shè)1.5%的雙向坡。主梁兩側(cè)人行道均寬3.8 m，設(shè)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(yù)應(yīng)力鋼絞線采用270級公稱直徑15.2低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

2.2 計算模型

本大跨度曲線連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)計算分析運(yùn)用有限元程序Midas進(jìn)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(jié)點(diǎn)，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(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［5］算法，混凝土加載齡期按5 d計算，構(gòu)件的理論厚度算法按公路橋梁規(guī)范執(zhí)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(shù)的選取采用JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［6］中表4.3.10-3中的數(shù)值。分別取T1為14℃，T2為5.5℃，反溫差基數(shù)數(shù)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(shè)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(jié)點(diǎn)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(shù)分析

參數(shù)分析選擇如下特征參數(shù):

1)混凝土容重:混凝土容重的變化也就是橋梁結(jié)構(gòu)自重的變化。本大跨徑曲線連續(xù)剛構(gòu)橋主梁運(yùn)用的是C50混凝土，它的容重設(shè)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(gòu)橋主梁采用C50混凝土，它的彈性模量設(shè)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(yù)應(yīng)力初張力:本曲線剛構(gòu)橋主梁采用1860鋼絞線，預(yù)應(yīng)力初張力設(shè)計值按照1 395 MPa取值，將預(yù)應(yīng)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(gòu)橋主梁采用C50混凝土，設(shè)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(jié)構(gòu)全長286 m，其中近90%的橋跨結(jié)構(gòu)位于曲率半徑為600 m的曲線上，因此，本小節(jié)計算分析中將針對600 m曲率半徑進(jìn)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(yīng)力值。并且分析比較兩個值與原設(shè)計的設(shè)計值，并分析比較這兩個參數(shù)引起的變化有多大。

通過對本曲線剛構(gòu)橋?qū)嵗Ｐ偷姆治觯治隽藥讉€影響主梁線性狀態(tài)的參數(shù)的敏感性，分析的結(jié)構(gòu)匯總?cè)绫?和表2所示。

從表1，表2可以得出:曲線剛構(gòu)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(yù)應(yīng)力初張力的變化對本曲線剛構(gòu)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(gòu)橋混凝土的容重對主梁應(yīng)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(yīng)力的影響也差不多，預(yù)應(yīng)力初張力則相對小一些，而混凝土相對濕度對主梁應(yīng)力的影響來說是可以忽略的。

表1 參數(shù)敏感性分析撓度結(jié)果

表2 參數(shù)敏感性分析應(yīng)力結(jié)果

3 結(jié)語

通過分別計算混凝土容重、彈性模量、預(yù)應(yīng)力張拉力、混凝土相對濕度和曲率半徑的變化對曲線剛構(gòu)橋受力的影響，得出曲線剛構(gòu)橋?qū)炷寥葜亍椥阅Ａ恳约扒拾霃降拿舾行暂^強(qiáng)。混凝土容重越小，則撓度和應(yīng)力越小，混凝土容重越大，則撓度與應(yīng)力就越大。曲率半徑越大，則撓度和應(yīng)力越小，曲率半徑越小，則撓度與應(yīng)力就越大。據(jù)此研究結(jié)果可以看出，采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料以及盡可能大的曲率半徑對有效提高曲線剛構(gòu)橋的安全性是有益的。

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

［2］ 李小柱.大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制中的參數(shù)敏感性分析［D］.西安:長安大學(xué)，2008.

［3］ 雷忠偉.矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2015.

［4］ 王 英，孫利民.大跨連續(xù)剛構(gòu)橋材料參數(shù)模態(tài)敏感性分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015(1):142-148.

［5］ JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］ JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)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