大跨度疊合梁斜拉橋施工控制參數(shù)敏感性分析

肖 雄， 黃志霜

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

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大跨度疊合梁斜拉橋施工控制參數(shù)敏感性分析

肖 雄， 黃志霜

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

為深入研究大跨度疊合梁斜拉橋施工控制參數(shù)的敏感性，以臨海高等級(jí)公路灌河大橋?yàn)楸尘埃捎糜邢拊浖﨧IDAS Civil建立全橋三維有限元模型，分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)大跨度疊合梁斜拉橋主梁成橋線形和主梁應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明：橋面板重量、鋼主梁梁重以及斜拉索彈性模量對(duì)該橋主梁成橋線形和主梁應(yīng)力有顯著影響；橋面板彈性模量和鋼主梁彈性模量對(duì)該橋成橋狀態(tài)影響不大。

斜拉橋； 疊合梁； 施工控制； 設(shè)計(jì)參數(shù)； 敏感性分析

大跨度橋梁施工控制的主要目的，就是為了保證橋梁的施工安全以及成橋后主梁的線形和受力狀態(tài)均滿足設(shè)計(jì)要求[1]。斜拉橋?qū)俑叽纬o定結(jié)構(gòu)，其施工控制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，多種因素均可能對(duì)施工控制結(jié)果產(chǎn)生重要影響，通過數(shù)值模擬分析得到的橋梁結(jié)構(gòu)各施工階段的理想狀態(tài)與結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)之間總是存在著一定的誤差[2-4]。結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析的主要目的就是確定關(guān)鍵控制參數(shù)，為大跨度橋梁施工過程中的仿真分析、參數(shù)識(shí)別、模型修正以及誤差分析等研究工作提供基礎(chǔ)[3]。

疊合梁斜拉橋主梁采用鋼-混凝土組合截面，具有優(yōu)越的受力性能和施工性能，對(duì)此類橋型進(jìn)行施工控制參數(shù)敏感性分析具有重要意義。本文以臨海高等級(jí)公路灌河大橋?yàn)槔ㄟ^數(shù)值模擬著重對(duì)結(jié)構(gòu)重量、材料彈性模量等重要參數(shù)進(jìn)行成橋階段橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的敏感性分析，以確定結(jié)構(gòu)的主要控制參數(shù)，為大跨度疊合梁斜拉橋施工控制方案的制定及最優(yōu)控制決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

灌河大橋是臨海高等級(jí)公路跨越灌河的重要工程，主橋(60.8+117.2+400+117.2+60.8)m采用雙塔雙索面半漂浮體系鋼-混凝土疊合梁斜拉橋(圖1)。主梁采用雙邊“工”字型主梁結(jié)合橋面板的整體斷面，全寬36.5 m(圖2)；索塔采用H型索塔，塔高167.5 m；索塔兩側(cè)各17對(duì)斜拉索，按雙索面扇形布置。

圖1 灌河大橋主橋示意(單位：m)

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

2 有限元模型

采用有限元軟件MIDAS Civil建立全橋三維有限元模型，斜拉索以只承受軸向力的桁架單元模擬，主梁采用施工階段聯(lián)合截面(同一單元不同施工階段對(duì)應(yīng)不同截面)模擬，索塔采用空間梁單元模擬，斜拉索在下錨點(diǎn)通過剛臂單元分別與主梁連接，上錨點(diǎn)通過剛臂單元與索塔直接相連(圖3)。

圖3 灌河大橋有限元模型

3 參數(shù)敏感性分析

分析在某一個(gè)單一參數(shù)發(fā)生變化而其余參數(shù)不變的情況下，全橋的線形、內(nèi)力等關(guān)鍵參數(shù)隨之發(fā)生的變化情況，從而選出對(duì)結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力狀態(tài)影響較大的參數(shù)，進(jìn)而在施工過程中加以嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和控制[5～6]。

選取橋面板重量、鋼主梁梁重、橋面板彈性模量、鋼主梁彈性模量以及斜拉索彈性模量等5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其對(duì)主梁成橋線形和主梁應(yīng)力的影響程度。

3.1 橋面板重量

考慮橋面板模板變形或混凝土欠、超澆注均會(huì)引起重量變化，然而有限元模型一般不進(jìn)行截面的修正，故將其重量變化轉(zhuǎn)換為混凝土容重的變化[7]。分別考慮橋面板容重增大5 %和減小5 %時(shí)，分析其對(duì)成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響情況。

3.1.1 主梁成橋線形

橋面板容重的變化對(duì)主梁成橋線形的影響如圖4所示。由圖可知，橋面板容重增大5 %和減小5 %時(shí)，主梁成橋線形變化明顯，線形變化最大值將近80 mm，出現(xiàn)在跨中合攏段附近。

圖4 橋面板容重增減5%時(shí)主梁線形的變化

3.1.2 鋼主梁應(yīng)力

橋面板容重的變化對(duì)鋼主梁應(yīng)力的影響如圖5所示。橋面板容重增加5 %時(shí)，主梁的最大壓應(yīng)力為144.935 MPa，最大拉應(yīng)力為-81.344 MPa，最大應(yīng)力增量為23.189 MPa；橋面板容重減小5 %時(shí)，主梁的最大壓應(yīng)力為136.766 MPa，最大拉應(yīng)力為-109.398 MPa，最大應(yīng)力增量為23.203 MPa。

圖5 橋面板容重增減5%時(shí)主梁下緣應(yīng)力變化

由圖5分析可知，鋼主梁下緣應(yīng)力最大變化量接近25 MPa，在塔周無索區(qū)和跨中附近變化相對(duì)較小，在1/4跨附近影響最為顯著。

3.2 鋼主梁重量

雖然鋼主梁自重荷載相對(duì)容易控制，誤差不會(huì)太大，但是對(duì)于大跨度疊合梁斜拉橋而言，由于跨度較大、整體剛度較小，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)對(duì)梁重變化非常敏感。因此，分別考慮鋼主梁容重增大和減小5 %時(shí)，分析其對(duì)成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響情況。

3.2.1 主梁成橋線形

鋼主梁容重的變化對(duì)主梁成橋線形的影響如圖6所示。鋼主梁容重增大5 %和減小5 %時(shí)，主梁成橋線形變化明顯，最大變化值33 mm發(fā)生在跨中附近。

圖6 鋼主梁容重增減5%時(shí)主梁線形的變化

3.2.2 鋼主梁應(yīng)力

鋼主梁容重的變化對(duì)鋼主梁應(yīng)力的影響如圖7所示。由計(jì)算分析得出，鋼主梁容重增加5 %時(shí)，主梁的最大壓應(yīng)力為139.973 MPa，最大拉應(yīng)力為-80.359 MPa，最大應(yīng)力增量為10.28 MPa；鋼主梁容重減小5 %時(shí)，主梁的最大壓應(yīng)力為141.735 MPa，最大拉應(yīng)力為-97.517 MPa，最大應(yīng)力增量為10.198 MPa。

圖7 鋼主梁容重增減5%時(shí)主梁下緣應(yīng)力變化

由圖7分析可知，鋼主梁下緣應(yīng)力變化較大，在塔周無索區(qū)和跨中附近其變化值接近0，在1/4跨附近變化最為明顯。

3.3 橋面板彈性模量

橋面板作為疊合梁斜拉橋主梁的一部分，在最后的成橋階段要參與主梁整體受力，其彈性模量的大小影響內(nèi)力在鋼-混凝土疊合梁主梁內(nèi)的內(nèi)力分配，因此必須作為一項(xiàng)重要參數(shù)加以識(shí)別[4]。基準(zhǔn)狀態(tài)橋面板彈模為3.55×104MPa，分別考慮其增大5 %和減小5 %時(shí)，分析其對(duì)成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響情況。

3.3.1 主梁成橋線形

橋面板彈模變化對(duì)主梁成橋線形的影響如圖8所示。由圖可知，當(dāng)橋面板彈模增加5 %和減少 5 %時(shí)，主梁成橋線形變化較小，最大變化值僅2 mm發(fā)生在跨中附近。

圖8 橋面板彈性模量增減5%時(shí)主梁線形變化

3.3.2 鋼主梁應(yīng)力

橋面板彈模變化對(duì)鋼主梁應(yīng)力的影響如圖9所示。當(dāng)橋面板彈模增加5 %時(shí)，鋼主梁最大壓應(yīng)力為139.0 MPa，最大拉應(yīng)力為-89.8 MPa，最大應(yīng)力增量為2.5 MPa，變化幅度為5.4 %；當(dāng)橋面板彈模減小5 %時(shí)，主梁最大壓應(yīng)力為142.8 MPa，最大拉應(yīng)力為-86.9 MPa，最大應(yīng)力增量為2.7 MPa，變化幅度為5.2 %。即橋面板彈性模量的變化對(duì)鋼主梁應(yīng)力的影響很小。

圖9 橋面板彈性模量增減5%主梁下緣應(yīng)力變化

3.4 鋼主梁彈性模量

鋼主梁彈性模量直接影響內(nèi)力在疊合梁主梁內(nèi)的內(nèi)力分配，因此，有必要對(duì)其進(jìn)行敏感性分析。基準(zhǔn)狀態(tài)鋼主梁彈模為2.06×105MPa，按鋼主梁彈模增大5 %、減小5 %兩種情況，分析其對(duì)成橋狀態(tài)的影響程度。

3.4.1 主梁成橋線形

鋼主梁彈模變化對(duì)主梁成橋線形的影響如圖10所示。由圖可知，當(dāng)橋面板彈模增加5 %和減少5 %時(shí)，主梁成橋線形變化較小，最大變化值僅2 mm出現(xiàn)在靠近橋塔邊跨側(cè)的梁段。總體看來，鋼主梁彈性模量對(duì)主梁成橋線形的影響很小。

圖10 主梁彈性模量增減5%時(shí)主梁線形的變化

3.4.2 鋼主梁應(yīng)力

鋼主梁彈模變化對(duì)鋼主梁應(yīng)力的影響如圖11所示。當(dāng)鋼主梁彈模增加5 %時(shí)，鋼主梁最大壓應(yīng)力為143.8 MPa，最大拉應(yīng)力為-89.1 MPa，應(yīng)力最大變化量為3.7 MPa，變化幅度為4.6 %；當(dāng)鋼主梁彈模減小5 %時(shí)，主梁最大壓應(yīng)力為137.8 MPa，最大拉應(yīng)力為-87.7 MPa，應(yīng)力最大變化量為3.8 MPa，變化幅度為5.1 %。總體而言，鋼主梁彈性模量的變化對(duì)主梁應(yīng)力的影響很小。

圖11 主梁彈性模量增減5%時(shí)主梁上緣應(yīng)力變化

3.5 斜拉索彈性模量

按斜拉索彈模增加5 %、減小5 %兩種情況考慮，基準(zhǔn)狀態(tài)拉索彈模為1.95×105MPa，兩種變化均以基準(zhǔn)狀態(tài)得到的安裝線形為計(jì)算的初始線形。

3.5.1 主梁成橋線形

拉索彈模變化對(duì)主梁成橋線形的影響如圖12所示。由圖可知，當(dāng)鋼主梁容重增加5 %和減小5 %時(shí)，主梁成橋線形變化出現(xiàn)明顯峰值，最大變化值20 mm發(fā)生在跨中梁段。

圖12 拉索彈性模量增減5%時(shí)主梁線形的變化

3.5.2 鋼主梁應(yīng)力

斜拉索彈模變化對(duì)鋼主梁應(yīng)力的影響如圖13所示。當(dāng)拉索彈模增加5 %時(shí)，主梁最大壓應(yīng)力為140.5 MPa，最大拉應(yīng)力為-85.7 MPa，應(yīng)力最大變化量為2.9 MPa，變化幅度為5.3 %；當(dāng)拉索彈模減小5 %時(shí)，主梁最大壓應(yīng)力為141.2 MPa，最大拉應(yīng)力為-91.3 MPa，應(yīng)力最大變化量為3.1 MPa，變化幅度為5.0 %。

圖13 拉索彈性模量增減5%時(shí)主梁下緣應(yīng)力變化

由圖13可以看出，斜拉索彈性模量的變化對(duì)鋼主梁應(yīng)力的影響均在3 MPa之內(nèi)，影響較小。

4 結(jié) 論

(1)橋面板重量、鋼主梁梁重、斜拉索彈性模量等結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響主梁成橋線形和主梁應(yīng)力的主要控制參數(shù)，而橋面板及鋼主梁的彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)成橋線形和主梁應(yīng)力影響較小。

(2)相對(duì)主梁應(yīng)力而言，大跨度疊合梁斜拉橋主梁線形對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化更為敏感，因此在施工控制過程中，應(yīng)著重對(duì)結(jié)構(gòu)線形加以嚴(yán)格監(jiān)控。

(3)在實(shí)際工程中，尤其是大跨度疊合梁斜拉橋這類特殊結(jié)構(gòu)，應(yīng)針對(duì)主要控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)整，以減小其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的不利影響。

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肖雄(1992～)，男，碩士研究生，從事大跨度橋梁結(jié)構(gòu)施工控制理論與實(shí)踐研究。

U448.21+5

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[定稿日期]2016-05-06