大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制參數(shù)敏感性分析

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

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制參數(shù)敏感性分析

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

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

橋梁工程；控制參數(shù)；敏感性分析；連續(xù)剛構(gòu)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(tài)均滿足設(shè)計(jì)要求[1]。由于各種因素的影響，大跨度橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際參數(shù)與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)總是存在一定的誤差，無(wú)法完全相吻合。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)誤差是引起橋梁施工控制誤差的主要因素，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形狀和內(nèi)力的改變，關(guān)系著最終成橋階段的合攏精度和結(jié)構(gòu)受力與預(yù)期值的吻合程度[2-4]。

不同的設(shè)計(jì)參數(shù), 對(duì)于同一座橋梁而言，其對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響程度不同。參數(shù)敏感性分析的目的，就是要確定在橋梁施工過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)影響較大的設(shè)計(jì)參數(shù)[1],即主要控制參數(shù)。本文結(jié)合實(shí)際工程，著重分析結(jié)構(gòu)的材料密度、混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力損失、收縮徐變以及溫度對(duì)主梁線形的影響，并研究了主要控制參數(shù)對(duì)主梁截面應(yīng)力狀態(tài)的影響。

1 工程概況

某大橋全長(zhǎng)460 m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用(125+220+115) m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。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?yàn)樽兘孛妫鳂蛑鞫仗幭淞毫焊?4 m，跨中及邊墩處箱梁梁高3.8 m。主橋采用對(duì)稱掛籃懸臂澆筑法施工，最大懸澆長(zhǎng)度為102 m。

2 參數(shù)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(gè)單元，36個(gè)施工階段；汽車荷載為公路-Ⅰ級(jí)，按3車道加載。依據(jù)JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算結(jié)構(gòu)成橋10a、30a的收縮徐變量。

圖1 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)主梁線形的影響

2.1.1 結(jié)構(gòu)自重偏差敏感性分析

在橋梁施工過(guò)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(huì)引起梁體節(jié)段重量偏差[3]。在有限元軟件分析中，通過(guò)改變混凝土容重來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。以單T主梁最大懸臂狀態(tài)為研究對(duì)象，分別將主梁混凝土密度增大和減小5 %、10 %來(lái)進(jìn)行模擬，分析結(jié)構(gòu)自偏差對(duì)主梁線形的影響[3-6]。梁重偏差對(duì)結(jié)構(gòu)線形的影響如圖2所示。

圖2 密度不同取值時(shí)的主梁撓度

由圖2可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)密度發(fā)生變化時(shí)，主梁根部附近及懸臂端位移變化不明顯，最大變化值發(fā)生在第25#節(jié)段。密度變化量為±5 %時(shí)，主梁撓度變化量為-12.2 %～12.2 %；當(dāng)密度變化±10 %時(shí)，主梁撓度變化量約為密度變化量±5 %時(shí)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(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)剛度主要取決于構(gòu)件截面面積、截面慣性矩以及材料的彈性模量，而現(xiàn)代橋梁主要構(gòu)件施工一般使用鋼模板，截面面積和慣性矩相對(duì)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(duì)主梁線形的影響如表1所示。

計(jì)算結(jié)果表明：混凝土彈性模量的變化對(duì)結(jié)構(gòu)不同的施工階段影響程度不同，對(duì)成橋平衡狀態(tài)下主梁線形的影響相對(duì)顯著。當(dāng)彈性模量減小10 %時(shí)，主梁最大懸臂階段和成橋平衡階段結(jié)點(diǎn)標(biāo)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(duì)主梁線形的影響

注：△h指節(jié)點(diǎn)標(biāo)高變化；A、B點(diǎn)分別為最大懸臂階段位移最大節(jié)點(diǎn)和懸臂末端節(jié)點(diǎn)；C、D點(diǎn)分別指成橋平衡狀態(tài)下，中跨位移最大節(jié)點(diǎn)和中跨跨中節(jié)點(diǎn)。

2.1.3 預(yù)應(yīng)力損失敏感性分析

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在成橋后往往會(huì)出現(xiàn)箱梁剛度降低、腹板開裂及跨中持續(xù)下?lián)系炔『Γ绕涫侵骺缈缰虚L(zhǎng)期撓度的加大，會(huì)對(duì)橋梁線形產(chǎn)生較大的影響[7]。本文側(cè)重分析不同位置的鋼束預(yù)應(yīng)力的不同程度損失對(duì)主梁跨中長(zhǎng)期撓度的影響。分別就主梁截面頂板和底板預(yù)應(yīng)力損失10 %、20 %和30 %的情況下，計(jì)算分析結(jié)構(gòu)在成橋10 a內(nèi)，主跨跨中撓度的變化。計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 頂板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)跨中撓度的影響

圖4 底板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)跨中撓度的影響

由圖3、圖4可知：截面頂板和底板預(yù)應(yīng)力的損失都會(huì)對(duì)主梁跨中長(zhǎng)期撓度產(chǎn)生較大影響。預(yù)應(yīng)力損失程度越大，跨中撓度增長(zhǎng)速率越大，且最終下?lián)铣潭仍矫黠@。圖3顯示當(dāng)截面頂板預(yù)應(yīng)力損失30 %時(shí)，跨中位移差最大可達(dá)到41 mm。頂板預(yù)應(yīng)力損失比底板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)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(duì)主梁線形的影響，分別模擬計(jì)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(yīng)下成橋狀態(tài)及成橋10 a、30 a主梁線形變化。取主跨的半跨梁計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 收縮徐變對(duì)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(yīng)與否，成橋30 a，主梁撓度最大差值達(dá)58 mm，在成橋平衡狀態(tài)主梁撓度最大差值也達(dá)到了26 mm。

為計(jì)算分析混凝土?xí)r間效應(yīng)對(duì)主梁合攏精度的影響，考慮當(dāng)前后主墩及其單T主梁施工時(shí)間相差60 d、90 d時(shí)，計(jì)算得出主梁合龍口兩懸臂端高差分別為6 mm、8 mm，可見(jiàn)混凝土的時(shí)間效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)線形的影響應(yīng)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(duì)結(jié)構(gòu)影響不大，但日照溫差荷載和驟然降溫荷載將引起結(jié)構(gòu)較大的變形[6]。參照J(rèn)TG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，考慮箱梁頂板升、降溫情況下，分別計(jì)算單T主梁最大懸臂狀態(tài)懸臂端標(biāo)高的變化。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 溫度梯度荷載對(duì)主梁線形的影響

注：△t為箱梁頂板溫度變化；△h為懸臂端標(biāo)高變化。

由表2可知，箱梁頂板溫度每升高1℃，最大懸臂端下?lián)?.8 mm，每下降1℃，最大懸臂端上撓2.0 mm。

2.2 主要控制參數(shù)對(duì)主梁應(yīng)力的影響

通過(guò)上述各結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析，確定了材料密度、預(yù)應(yīng)力損失、收縮徐變以及溫度荷載為結(jié)構(gòu)的主要控制參數(shù)。作為主要控制參數(shù)，進(jìn)一步分析其對(duì)主梁截面應(yīng)力的影響。限于篇幅，本文僅列出結(jié)構(gòu)自重偏差和預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁截面應(yīng)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(tài)，將混凝土容重分別增大和減小5 %、10 %，計(jì)算自重偏差下主梁根截面上下翼緣最大壓應(yīng)力變化幅度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

分析表3數(shù)據(jù)可知，隨著混凝土密度的增大，主梁根截面上緣壓應(yīng)力會(huì)減小，下緣壓應(yīng)力會(huì)增大，反之，規(guī)律相似。當(dāng)混凝土自重偏差±5 %～±10 %時(shí)，上下緣壓應(yīng)力最大變化幅度接近15 %。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力損失

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

表3 自重偏差對(duì)主梁應(yīng)力的影響

圖6 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁頂板應(yīng)力的影響

圖7 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁底板應(yīng)力的影響

由圖6、圖7可知，預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁截面頂板和底板最大壓應(yīng)力值均有不同程度的影響，頂板應(yīng)力受預(yù)應(yīng)力損失的影響更明顯。預(yù)應(yīng)力損失越大，頂板最大壓應(yīng)力的減小程度越顯著，預(yù)應(yīng)力每損失10 %，頂板最大壓應(yīng)力值最大可減小2.63 MPa。對(duì)于底板，最大壓應(yīng)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(nèi)，預(yù)應(yīng)力每損失10 %，底板最大壓應(yīng)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(yù)應(yīng)力每損失10 %，底板最大壓應(yīng)力逐漸減小，最大可減小1.62 MPa。

3 結(jié) 論

通過(guò)在一定范圍內(nèi)對(duì)主梁自重、混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力損失、收縮徐變以及溫度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值進(jìn)行變化，分析其對(duì)主梁線形及截面應(yīng)力的影響程度，得出如下結(jié)論。

(1)材料密度、預(yù)應(yīng)力損失、收縮徐變以及溫度荷載對(duì)主梁線形影響明顯，為主要控制參數(shù)，其中預(yù)應(yīng)力損失和收縮徐變對(duì)主梁長(zhǎng)期撓度影響最為顯著，在施工監(jiān)控計(jì)算過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工工序考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)的影響。

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

(3)在實(shí)際工程中，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，改善結(jié)構(gòu)的整體性能。

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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]2016-05-30