大跨度連續剛構橋施工控制參數敏感性分析

肖 雄，趙 雷，黃志霜(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

大跨度連續剛構橋施工控制參數敏感性分析

肖 雄，趙 雷，黃志霜
(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

為深入研究大跨度預應力混凝土連續剛構橋施工控制參數的敏感性，確定結構主要和次要控制參數，采用有限元軟件MIDAS Civil建立大跨度連續剛構橋三維有限元模型，分析了施工控制中各設計參數的取值對主梁線形及應力的影響程度。研究結果表明材料密度、預應力損失、收縮徐變以及溫度荷載對主梁線形影響明顯，為主要控制參數，其中預應力損失和收縮徐變對主梁長期撓度影響最為顯著；主梁結構自重偏差和預應力損失對箱梁截面頂板及底板壓應力均有較大影響，且頂板應力受預應力損失影響的程度更大。

橋梁工程；控制參數；敏感性分析；連續剛構橋；施工控制

大跨度橋梁施工控制的主要目的，在于保證橋梁的施工安全，以及成橋后橋梁的線形和受力狀態均滿足設計要求[1]。由于各種因素的影響，大跨度橋梁結構實際參數與相應的結構設計參數總是存在一定的誤差，無法完全相吻合。結構設計參數誤差是引起橋梁施工控制誤差的主要因素，結構設計參數的變化能導致結構形狀和內力的改變，關系著最終成橋階段的合攏精度和結構受力與預期值的吻合程度[2-4]。

不同的設計參數, 對于同一座橋梁而言，其對結構狀態的影響程度不同。參數敏感性分析的目的，就是要確定在橋梁施工過程中對結構作用效應影響較大的設計參數[1],即主要控制參數。本文結合實際工程，著重分析結構的材料密度、混凝土彈性模量、預應力損失、收縮徐變以及溫度對主梁線形的影響，并研究了主要控制參數對主梁截面應力狀態的影響。

1 工程概況

某大橋全長460 m，主橋上部結構采用(125+220+115) m三跨預應力混凝土連續剛構。主梁采用C60混凝土，橫斷面為單箱單室截面，箱梁全寬14.9 m，縱向為變截面，主橋主墩處箱梁梁高14 m，跨中及邊墩處箱梁梁高3.8 m。主橋采用對稱掛籃懸臂澆筑法施工，最大懸澆長度為102 m。

2 參數敏感性分析

利用有限元軟件MIDAS Civil建立全橋三維有限元模型(圖1)。全橋共劃分139個單元，36個施工階段；汽車荷載為公路-Ⅰ級，按3車道加載。依據JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，計算結構成橋10a、30a的收縮徐變量。

圖1 有限元模型

2.1 結構參數對主梁線形的影響

2.1.1 結構自重偏差敏感性分析

在橋梁施工過程中，由于混凝土模板變形、混凝土配合比偏差及澆筑偏差等均會引起梁體節段重量偏差[3]。在有限元軟件分析中，通過改變混凝土容重來進行模擬計算。以單T主梁最大懸臂狀態為研究對象，分別將主梁混凝土密度增大和減小5 %、10 %來進行模擬，分析結構自偏差對主梁線形的影響[3-6]。梁重偏差對結構線形的影響如圖2所示。

圖2 密度不同取值時的主梁撓度

由圖2可以看出，當結構密度發生變化時，主梁根部附近及懸臂端位移變化不明顯，最大變化值發生在第25#節段。密度變化量為±5 %時，主梁撓度變化量為-12.2 %～12.2 %；當密度變化±10 %時，主梁撓度變化量約為密度變化量±5 %時的兩倍。

2.1.2 混凝土彈性模量偏差敏感性分析

大跨度連續剛構橋結構剛度主要取決于構件截面面積、截面慣性矩以及材料的彈性模量，而現代橋梁主要構件施工一般使用鋼模板，截面面積和慣性矩相對誤差較小[6]。本橋主梁采用C60混凝土彈性模量為3.64×104MPa，彈性模量偏差對主梁線形的影響如表1所示。

計算結果表明：混凝土彈性模量的變化對結構不同的施工階段影響程度不同，對成橋平衡狀態下主梁線形的影響相對顯著。當彈性模量減小10 %時，主梁最大懸臂階段和成橋平衡階段結點標高最大變化量分別為-7.5 mm和8.5 mm。

表1 混凝土彈性模量偏差對主梁線形的影響

注：△h指節點標高變化；A、B點分別為最大懸臂階段位移最大節點和懸臂末端節點；C、D點分別指成橋平衡狀態下，中跨位移最大節點和中跨跨中節點。

2.1.3 預應力損失敏感性分析

大跨度預應力混凝土連續剛構橋在成橋后往往會出現箱梁剛度降低、腹板開裂及跨中持續下撓等病害，尤其是主跨跨中長期撓度的加大，會對橋梁線形產生較大的影響[7]。本文側重分析不同位置的鋼束預應力的不同程度損失對主梁跨中長期撓度的影響。分別就主梁截面頂板和底板預應力損失10 %、20 %和30 %的情況下，計算分析結構在成橋10 a內，主跨跨中撓度的變化。計算結果如圖3、圖4所示。

圖3 頂板預應力損失對跨中撓度的影響

圖4 底板預應力損失對跨中撓度的影響

由圖3、圖4可知：截面頂板和底板預應力的損失都會對主梁跨中長期撓度產生較大影響。預應力損失程度越大，跨中撓度增長速率越大，且最終下撓程度越明顯。圖3顯示當截面頂板預應力損失30 %時，跨中位移差最大可達到41 mm。頂板預應力損失比底板預應力損失對主梁跨中撓度的影響更大。

2.1.4 混凝土收縮徐變敏感性分析

為研究混凝土收縮徐變對主梁線形的影響，分別模擬計算不考慮收縮徐變作用下主梁的變形情況；考慮收縮徐變效應下成橋狀態及成橋10 a、30 a主梁線形變化。取主跨的半跨梁計算結果如圖5所示。

圖5 收縮徐變對主梁撓度的影響

由圖5 分析可知，考慮混凝土的收縮徐變效應與否，成橋30 a，主梁撓度最大差值達58 mm，在成橋平衡狀態主梁撓度最大差值也達到了26 mm。

為計算分析混凝土時間效應對主梁合攏精度的影響，考慮當前后主墩及其單T主梁施工時間相差60 d、90 d時，計算得出主梁合龍口兩懸臂端高差分別為6 mm、8 mm，可見混凝土的時間效應對結構線形的影響應得到足夠重視。

2.1.5 溫度荷載分析

在懸臂施工階段，年溫度荷載對結構影響不大，但日照溫差荷載和驟然降溫荷載將引起結構較大的變形[6]。參照JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》，考慮箱梁頂板升、降溫情況下，分別計算單T主梁最大懸臂狀態懸臂端標高的變化。計算結果如表2所示。

表2 溫度梯度荷載對主梁線形的影響

注：△t為箱梁頂板溫度變化；△h為懸臂端標高變化。

由表2可知，箱梁頂板溫度每升高1℃，最大懸臂端下撓1.8 mm，每下降1℃，最大懸臂端上撓2.0 mm。

2.2 主要控制參數對主梁應力的影響

通過上述各結構參數的敏感性分析，確定了材料密度、預應力損失、收縮徐變以及溫度荷載為結構的主要控制參數。作為主要控制參數，進一步分析其對主梁截面應力的影響。限于篇幅，本文僅列出結構自重偏差和預應力損失對主梁截面應力的影響分析。

2.2.1 自重偏差

考慮最不利施工階段，即單T最大懸臂施工狀態，將混凝土容重分別增大和減小5 %、10 %，計算自重偏差下主梁根截面上下翼緣最大壓應力變化幅度，計算結果如表3所示。

分析表3數據可知，隨著混凝土密度的增大，主梁根截面上緣壓應力會減小，下緣壓應力會增大，反之，規律相似。當混凝土自重偏差±5 %～±10 %時，上下緣壓應力最大變化幅度接近15 %。

2.2.2 預應力損失

為分析預應力損失對主梁截面應力的影響，分別考慮全橋預應力損失10 %、20 %和30 %情況下，計算主梁截面頂板及底板的最大壓應力大小。取主跨的半跨梁計算結果如圖6、圖7所示。

表3 自重偏差對主梁應力的影響

圖6 預應力損失對主梁頂板應力的影響

圖7 預應力損失對主梁底板應力的影響

由圖6、圖7可知，預應力損失對主梁截面頂板和底板最大壓應力值均有不同程度的影響，頂板應力受預應力損失的影響更明顯。預應力損失越大，頂板最大壓應力的減小程度越顯著，預應力每損失10 %，頂板最大壓應力值最大可減小2.63 MPa。對于底板，最大壓應力沿主梁變化情況有所不同，在距離主梁根截面72 m左右范圍內，預應力每損失10 %，底板最大壓應力是逐漸增大的，最大可增加0.7 MPa；在此范圍之外，即跨中附近截面，預應力每損失10 %，底板最大壓應力逐漸減小，最大可減小1.62 MPa。

3 結 論

通過在一定范圍內對主梁自重、混凝土彈性模量、預應力損失、收縮徐變以及溫度等結構參數的取值進行變化，分析其對主梁線形及截面應力的影響程度，得出如下結論。

(1)材料密度、預應力損失、收縮徐變以及溫度荷載對主梁線形影響明顯，為主要控制參數，其中預應力損失和收縮徐變對主梁長期撓度影響最為顯著，在施工監控計算過程中應根據實際施工工序考慮混凝土收縮徐變效應的影響。

(2)主梁結構自重偏差和預應力損失對梁截面頂板及底板壓應力均有較大影響，且頂板壓應力受預應力損失影響的程度更大，底板壓應力受預應力損失影響情況沿主梁方向變化有所不同。

(3)在實際工程中，應針對主要控制參數進行實時監控調整，以減小其對橋梁結構的不利影響，改善結構的整體性能。

[1] 徐君蘭.大跨度橋梁施工控制 [M].北京：人民交通出版社，2000: 69-71.

[2] 向中富.橋梁施工控制技術 [M].北京：人民交通出版社，2001: 69-72.

[3] 趙曉華，孫航，張謝東.PC梁橋結構參數對最大懸臂結構力學性能的敏感性分析 [J].公路交通科技，2011，28(11)：95-98.

[4] 方華兵，田啟賢.大跨度預應力混凝土連續剛構橋主梁線形控制參數敏感性分析 [J].橋梁建設，2006(2)：81-83.

[5] 王立峰，紀世奎，孫勇.龍華松花江特大橋結構參數敏感性分析 [J].東北林業大學學報，2010，38(2)：91-92.

[6] 馬顯紅，余毅.高墩大跨連續剛構橋施工控制參數敏感性分析 [J].橋梁建設，2012，42(3)：57-61.

[7] 卜建清，崔金燦.預應力損失對大跨度PC連續梁橋撓度的影響 [J].鐵道工程學報，2014(7)：57-60.

肖雄(1992～)，男，碩士研究生，從事大跨度橋梁結構施工控制理論與實踐研究。

U448.21+5

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[定稿日期]2016-05-30