大跨度疊合混合梁斜拉橋施工階段敏感性分析

趙樹康，曾三林，葉子豪

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

大跨度疊合混合梁斜拉橋主跨采用疊合梁體系，通過現澆接縫混凝土使橋面板與焊有剪力釘的鋼梁格形成整體共同受力，邊跨則采用自重較大的現澆混凝土主梁壓重。結構體系受力明確，優勢互補[1]。但大跨度疊合混合梁斜拉橋存在結構體系復雜，施工步驟繁瑣，施工周期長，施工技術要求高，施工控制難度大等問題，施工過程中對結構狀態產生重要影響的參數眾多，各類施工誤差耦合作用，進而影響到斜拉橋成橋狀態是否能達到所期望的目標，同時也會導致施工過程和結構運營安全性隱患。為了實現這一最終目標，必須系統研究關鍵結構參數對施工過程結構力學行為的影響，揭示結構施工期力學特性時變過程規律[2]。

本文以某在建大跨度疊合/混合梁斜拉橋為研究對象，考慮結構幾何非線性影響，確定施工誤差來源及其分布，探討其對結構施工過程理想狀態的影響，期望可以為最優施工控制方案的制訂提供依據，同時為施工過程中的有限元分析、參數識別、模型修正及誤差分析等研究工作提供基礎[3]。

1 工程背景

宜賓南溪長江公路大橋主橋為雙塔雙索面斜拉橋，跨度為280 m+572 m+(72.5+63+53.5) m，北岸邊跨及主跨主梁采用鋼-混凝土疊合梁，非對稱縱向半漂浮體系，南岸邊跨主梁因配重需要采用雙縱肋混凝土主梁，并設置2個輔助墩，橋塔采用花瓶形塔，全橋共4×21+4×20=164根斜拉索。總體布置圖如圖1所示。

圖1 宜賓南溪長江公路大橋橋型布置(單位：m)

施工方法：南岸混凝土邊跨采用支架現澆施工；北岸采用雙懸臂對稱拼裝施工至19#段，北岸邊跨配重錨固段采用支架施工，邊跨合龍，繼續施工至21#段，南岸中跨單懸臂施工至20#段，中跨合龍，施工步驟如圖2所示。

圖2 標準梁段施工步驟

2 研究內容與方法

2.1 研究內容

基于現場施工情況及相關文獻規范，確定了鋼梁自重和彈模、橋面板自重和彈模等11個結構主要參數及變化范圍，以探討結構主要參數的變化對施工過程理想狀態的影響程度。本文研究的結構主要參數及變化范圍如表1所示，表中“±”表示增、減，如鋼梁自重±5 %表示鋼梁自重增加或減少5 %。索塔初始塔偏為+30 mm表示索塔施工完成后索塔偏向岸側30 mm；拉索錨點高程為+10 mm表示錨點高程高于設計值10 mm；拉索初張力+10 %表示在三張力不變情況下，初張力增加10 %。

2.2 研究方法

(1)采用西南交通大學李喬教授等開發的大跨度橋梁結構非線性分析系統計算專用分析軟件NLABS建立用于施工過程仿真分析的基準狀態模型，通過結構有限元分析計算，獲得最大單懸臂施工理想狀態橋梁結構應力和位移的基準值。

表1 結構主要參數變化范圍

(2)在其他結構參數保持不變的前提下，根據所研究的單一參數的變化修改分析模型，完成參數誤差存在的情況下的施工全過程有限元模擬分析，提取出各個參數誤差所對應的結構響應誤差。

(3)對比分析各參數誤差對施工過程結構力學行為的影響情況，揭示結構施工過程中結構力學特性時變過程規律，確定關鍵結構參數偏差對控制結果的影響程度，為現場施工控制誤差限值的確定提供理論支撐，為最優控制決策提供科學依據。

3 結構行為敏感性分析

以南溪長江公路大橋為研究對象，對所研究的結構參數對施工過程理想狀態結構行為的影響進行匯總，在此基礎上分別考察主梁線形、鋼梁應力、橋面板應力、索塔塔偏、索塔應力、拉索應力等6類結構行為對上述參數的變化的敏感程度，分析影響上述結構行為的主要因素，并對應提出相應的控制策略。

3.1 線形影響分析

3.1.1 主梁線形

各結構參數的變化對最大單懸臂施工理想狀態的主梁線形的影響如下表2所示，規定豎直向上為正，反之為負。

從表2可以看出最大單懸臂狀態主梁線形對鋼梁及橋面板自重的變化非常敏感，主梁自重是主梁線形最大影響因素之一，原因在于自重偏差直接改變主梁恒載，造成主梁位移偏差；其次是拉索初張力偏差，對主梁線形的影響達到了46.3 cm，原因主要是由于初張時橋面板間濕接縫尚未澆筑完成，結構比較柔軟，而三張時橋面板與鋼梁形成的疊合梁體系，結構剛度增加。在三張力不變的情況下，初張力出現偏差，會導致主梁位移發生變化，這也是疊合梁斜拉橋的特點之一。鋼梁彈模、橋面板彈模、拉索彈模也是影響主梁線形的重要因素，鋼梁彈模較橋面板對主梁線形影響程度更大。而邊跨現澆混凝土段自重、初始塔偏、錨點高程、索塔剛度等對主梁線形影響不大。

表2 各參數變化對主梁線形的影響 mm

3.1.2 索塔塔偏

各結構參數變化對最大單懸臂施工理想狀態的索塔塔偏的影響如表3所示，表中誤差上、下限分別為結構參數發生正、負偏差所造成的影響值，規定索塔偏向岸側為正，偏向江側為正。

表3 各參數變化對塔偏的影響 mm

鋼梁自重、橋面板自重、索塔剛度、拉索彈模等是塔偏重要影響因素，而諸如初始塔偏、鋼梁彈模、橋面板彈模、拉索初張力、邊跨混凝土自重等對塔偏的影響并不顯著。由于施工控制中主要關注主梁線形及斜拉索索力，通過控制施工質量難以達到控制塔偏的目的，必要時采用調整索力等方法來消除或減少不利因素的影響，同時在有限元分析中準確模擬主梁自重、混凝土收縮及徐變的影響對控制塔偏意義重大。

3.2 應力影響分析

3.2.1 主梁應力

各結構參數變化對最大單懸臂施工理想狀態的主梁應力的影響如表4所示，由于各參數變化對橋面板壓應力影響值在0～0.19 MPa范圍內，對于抗壓強度很高的混凝土橋面板影響微乎其微，故表中僅列出了各參數對鋼梁上下翼緣的拉壓應力的影響。

表4 各參數變化對鋼梁應力的影響 MPa

對鋼梁上下翼緣應力影響較大的是拉索初張力、鋼梁及橋面板自重；其余參數對鋼梁應力影響不大。當結構參數發生變化時，鋼梁壓應力最大增量為14.01 MPa，拉應力最大增量為16.05 MPa，其最大拉壓應力值均小于規范規定的容許應力。結合主梁線形敏感性分析可得：雖然多個因素都可能對主梁線形產生較為顯著的影響，而可對主梁應力產生顯著影響的因素卻不多，這一現象是由斜拉橋屬柔性結構的特點所決定的[4]。故在大跨度疊合混合梁斜拉橋主梁的施工控制中，采用線形為主，應力為輔的控制原則。

3.2.2 索塔應力

在考慮結構參數存在誤差的情況下，最大單懸臂狀態下索塔壓應力及索應力受各結構參數的影響見表5，由于索塔全截面受壓，拉索全部受拉，表中索塔應力變化為壓應力增量，拉索應力變化為拉應力增量。

表5 各參數變化對索塔應力的影響 MPa

由表5可以看出橋面板自重、鋼梁自重、拉索自重及彈模對拉索應力影響最大，是影響索應力的主要因素，其余因素對拉索應力影響不顯著。各研究參數對最大單懸臂階段的索塔壓應力的影響量較小，僅橋面板自重變化在索塔岸側造成1.12 MPa的增量，其余參數變化影響極值均在1 MPa以內，這對于混凝土索塔結構受力影響不大。

4 結論

(1)鋼梁及橋面板自重的變化對最大單懸臂狀態主梁線形影響最大，其次是拉索初張力偏差，鋼梁彈模、橋面板彈模、拉索彈模也是影響主梁線形的重要因素。而初始塔偏、錨點高程、索塔剛度等對主梁線形影響不大，可適當放寬誤差限值[5]。

(2)從塔偏影響因素分析得出，除鋼主梁及橋面板自重、拉索彈模對塔偏影響較大外，其余參數變化對塔偏影響均在毫米數量級，說明主跨疊合梁與邊跨混凝土梁組成的結構體系提高了斜拉橋順橋向整體抗彎剛度。

(3)斜拉索初張力對主梁線形及鋼梁應力均影響較大， 關系著鋼梁與橋面板之間內力分布的分布情況，在施工中應該重點控制，保證張拉到位，滿足施工控制限值要求。

(4)結構參數的變化對主梁線形影響較大，尤其是主梁自重和拉索初張力，故需要在鋼梁及橋面板安裝前進行精準稱重，修正模型自重荷載，同時減小初張力誤差。而索、塔、梁結構應力對各參數變化不敏感，故實際施工控制過程中，在結構處于安全的前提下，應重點關注主梁線形及塔偏[6]。