鐵路和公路斜拉橋施工階段參數敏感性對比分析

張運波

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司橋梁院, 湖北武漢 430063)

現有公路斜拉橋的設計和施工相對鐵路斜拉橋來說已經比較成熟和完善，鐵路斜拉橋的設計和施工方法大多借鑒公路斜拉橋，由于鐵路斜拉橋和公路斜拉橋在結構和功能需求等方面不同，必然帶來一些不同的問題，所以通過分析各種影響參數在鐵路斜拉橋和公路斜拉橋施工過程中對結構行為的不同影響，可以更好地了解鐵路斜拉橋在施工過程中的力學行為特點，為以后鐵路斜拉橋設計和施工提供一定的參考借鑒[1]。

1　工程背景

為了更加明確地研究鐵路斜拉橋和公路斜拉橋在施工階段中結構行為上的特點及區別，選取某長江鐵路大橋(以下簡稱“鐵路橋”)和某長江公路大橋(以下簡稱“公路橋”)進行對比分析，采用橋梁結構分析軟件NLABS對公路橋和鐵路橋進行有限元施工階段模擬(考慮幾何非線性效應)[2、3]，以下通過選取斜拉橋施工過程中一些控制工況分別對鐵路橋和公路橋進行比較分析，具體橋梁參數見表1，有限元成橋模型見圖1。

首先對兩座斜拉橋按照其施工方案和實際施工狀態進行全程模擬，并且以該狀態下斜拉橋的各個施工階段作為基準狀態，通過改變結構主要影響參數對兩座斜拉橋施工階段進行比較分析，主要對比分析不同結構參數在兩座斜拉橋在施工過程中對橋梁變形的影響。主要結構參數[2-4]變化內容見表2，其中斜拉索初張力的變化是指在斜拉橋施工過程中對涉及到斜拉索張拉工況的階段對該階段斜拉索索力在設計值的基礎上進行一定的變化。

表1　鐵路橋和公路橋結構參數對比

圖1　鐵路橋和公路橋有限元模型對比

2　參數敏感性計算結果對比分析

通過仿真模擬公路橋和鐵路橋整個施工過程，分析整個施工過程參數變化對橋梁結構的影響，根據斜拉橋特點，本次研究主要選擇最大對稱懸臂及最大單懸臂兩個典型施工階段進行對比分析。

表2　主要結構參數

2.1　最大對稱懸臂施工階段

最大對稱懸臂階段，即隨著梁段對稱架設的進行，懸臂長度逐漸增大，岸側懸臂端即將達到輔助墩墩頂，主梁正好處于一個最大對稱懸臂施工狀態，兩座斜拉橋該階段有限元模型對比如圖2。

圖2　最大對稱懸臂階段有限元模型對比

從表3和表4可以看到，在最大對稱懸臂階段，參數變化對兩座斜拉橋的影響量隨著參數變化量的增大而增大。從相對影響量大小可以看到，各種參數對主梁位移的影響明顯要比塔偏和斜拉索索力大很多。各種參數對兩座橋梁的影響也不太一致，其中斜拉索索力對公路橋的影響最大，其次為吊機荷載和主梁升溫，而主梁彈模的變化對橋梁整個狀態基本上沒有影響；鐵路橋則是除了主梁彈模對其影響較小外，其它三個結構參數的變化對其影響都較大。

綜上，在對稱懸臂施工階段，兩座斜拉橋主梁位移對斜拉索索力、吊機荷載及主梁升溫的變化都比較敏感；參數變化對鐵路橋主塔塔偏幾乎沒有影響，而對于公路橋影響則較大；各種參數變化對兩座斜拉橋斜拉索索力影響都很小。

表3　最大對稱懸臂階段結構參數變化對橋梁變形影響

注：括號里面數值為對應數值變化最大相對百分數

表4　最大對稱懸臂階段結構參數變化對斜拉索索力影響

注：括號里面數值為對應數值變化最大相對百分數

2.2　最大單懸臂施工階段：

最大單懸臂階段，即中跨合龍之前，輔助墩支座在先前階段已經加入，岸側梁段到達邊墩頂部且邊墩支座也已經安裝，江側梁段處于最大懸臂狀態，此施工階段是合龍前最不利的一個控制性施工階段。兩座斜拉橋該階段有限元模型對比如圖3。

從表5和表6可以看到，在最大單懸臂階段，由于懸臂長度的增加，使得江側主梁整體剛度有所減小。鐵路橋由于其懸臂端側斜拉索并未張拉，對其主梁剛度的影響較大；而公路橋此時斜拉索基本張拉完畢，斜拉索的彈性支承對其主梁剛度貢獻已經接近最大值。

圖3　最大單懸臂階段有限元模型對比

結構參數參數變化最大單懸臂施工階段橋梁變形變化/cm主梁位移主塔塔偏公路橋鐵路橋公路橋鐵路橋主梁彈模+2%-0.17^0.8(-0.71%)-0.12^0.35(0.84%)-0.0027(-0.25%)-0.0009(0.03%)+5%-0.41^1.99(-1.77%)-0.31^0.85(1.95%)-0.0073(-0.64%)-0.0023(0.08%)斜拉索索力+2%-0.10^60.08(-53.3%)-0.09^5.95(28.54%)-3.0321(199.86%)-0.0081(0.29%)-2%-60.26^0.10(53.46%)-5.96^0.09(-28.56%)-3.1905(-200.52%)0.0081(-0.29%)吊機荷載+100kN-14.08^0.12(12.49%)-0.98^0(-4.64%)-0.7226(-48.24%)0.0007(-0.02%)+200kN-28.19^0.24(25.01%)-1.96^0.01(-9.29%)-1.4453(-96.5%)0.0014(-0.05%)主梁升溫+10℃-0.38^8.79(-7.79%)-0.25^3.37(16.16%)-1.8567(122.38%)-0.0075(0.27%)-10℃-9.26^0.40(8.22%)-3.47^0.25(-16.64%)1.8941(-124.85%)0.0074(-0.26%)

注：括號里面數值為對應數值變化最大相對百分數

綜上，在最大單懸臂施工階段，斜拉索索力的變化仍然是影響橋梁行為的主要因素，吊機荷載和主梁溫度的變化對主梁主梁位移的影響較大；各種參數變化對鐵路橋主塔塔偏幾乎沒有影響，而公路橋塔偏受參數變化影響較大；同時各種參數變化對兩座斜拉橋斜拉索索力影響很小。

3　結論

通過對公路橋和鐵路橋最大對稱懸臂施工階段和最大單懸臂施工階段中各種參數變化對比分析，可以得到以下結論：

表6　最大單懸臂階段結構參數變化對斜拉索索力影響

注：括號里面數值為對應數值變化最大相對百分數

(1)在施工階段中，結構參數變化對主梁位移影響最大，其中斜拉索索力和溫度變化對主梁位移影響相對其它因素要敏感得多，其它因素對主梁位移的影響都相對較小，并且參數變化對橋梁行為的影響都隨著懸臂長度的增大而減小。從對代表施工階段分析后可知，斜拉索索力和吊機荷載的影響對公路橋比其它因素大，而鐵路橋則是對主梁溫度和斜拉索索力變化比較敏感。

(2)由于鐵路橋橋塔剛度比公路橋主塔剛度大很多，在施工階段中，參數變化對鐵路橋主塔塔偏幾乎沒有影響，而對公路橋塔偏影響很大，當斜拉索索力變化2 %時，公路橋主塔塔偏相對變化達到了199.86 %(絕對值3 cm)。

(3)在施工階段中，參數變化對鐵路橋和公路橋斜拉索索力的影響都很小。

綜上：結構參數變化對主梁位移影響最大，對斜拉索索力的影響很小；各種參數變化對兩座斜拉橋主梁位移的影響大小排序基本一致，其中斜拉索索力對主梁位移影響最大，其次為吊機荷載和主梁溫度變化，主梁剛度變化對結構行為影響很小；鐵路斜拉橋主塔塔偏基本不受外界影響，公路斜拉橋主塔塔偏則受外界影響影響相對較大；斜拉索索力對鐵路鋼桁斜拉橋的影響比公路斜拉橋小，而溫度荷載的變化對鐵路鋼桁斜拉橋的影響相對于公路斜拉橋來說要大很多。