矮塔斜拉橋設計參數敏感性分析研究

趙啟華

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川成都 610017)

1 矮塔斜拉橋

矮塔斜拉橋的施工控制是一個復雜而多變的系統工程，各種設計參數都可能對控制結果產生較大影響。因此要從眾多設計參數中鑒別出哪些是對結構影響較大的關鍵性參數，繼而為大跨度橋梁的施工控制提供重要意見和應對措施。

不同的參數對同一座橋梁結構的力學狀態的影響程度是不同的，同一參數對不同的結構體系影響程度也不同。因此在施工與設計時，一方面，應使狀態參數與實際結構參數相符合，如采用現場測量的方法或實驗測量的方法確定結構的幾何參數和材料特性等參數。另一方面，必須對這些參數對橋梁結構成橋狀態內力、線形的影響程度進行敏感性分析。參數敏感性具體表現在狀態參數發生某一變化后，結構的位移、內力以及拉索的索力等相關受力性能隨之改變。結構的參數敏感性分析的主要目的就是要找出對成橋運營階段結構受力狀態影響較大的參數。由于不同的參數變化對結構影響的程度大小不一，以此來確定哪些參數為主要狀態參數，哪些為次要狀態參數。

2 參數敏感性分析的內容

依據黃龍帶矮塔斜拉橋的實際施工過程，對影響結構的部分結構參數進行敏感性分析。黃龍帶矮塔斜拉橋立面布置圖如圖1所示。跨徑(108+208+108) m，橋寬2×21.5 m；上部結構采用左右分修單箱雙室混凝土箱形梁，跨中梁高3.8 m，根部梁高6.0 m，翼板懸臂4 m；三柱分離式索塔，斜拉索扇形布置，索距8 m，在分修箱梁的翼板懸臂端錨固，斜拉索錨固于縱橫格梁的節點處。

圖1 黃龍帶矮塔斜拉橋立面布置(單位:m)

本文所探討的結構參數包括主梁重量、環境濕度影響等11個參數，探討的結構參數和參數的具體變化范圍如表1所示。表1中(±)的意思是在設計基準值的基礎上增大或減小參數值,其余參數的取值如預應力相關參數、環境相對濕度等參數取值仍然以基準狀態為準。上述結構參數在調整時，要考察成橋的橋梁控制相應參數如表2所示。表中有“√”的內容表示考察了該項。

表1 主要結構參數狀態一覽

3 設計參數敏感性分析計算

3.1 計算模型

選用有限元分析軟件TDV RM進行計算。結構的計算模型主要由以下幾個部分組成：主梁、塔、斜拉索、橋墩和樁基礎。主梁、索塔、橋墩及樁均采用空間梁單元，斜拉索采用索單元模擬。計算模型如圖2所示。

表2 主要結構影響參數

圖2 黃龍帶矮塔斜拉橋計算模型模型

3.2 計算結果

各因素作用下結構反應最大值(絕對值)匯總見表3，其中由于應力對結構正常使用和結構安全直接相關，表中列出了壓應力最大增幅。

表3 各因素作用下結構反應最大值(絕對值)匯總

4 設計參數敏感性控制目標分析

設定控制目標為y，此控制選項可以為應力或拉索索力等，從要進行敏感性分析的參數中取一個狀態參數設為x，令y=f(x)，當狀態參數發生變化值為Δx，則

y0=f(x0)

x0為x的參數基準值，由于不同參數對結構影響大小不同，為使結構變化較明顯故不同參數變化值取值不同。為方便比較參數變化對結構影響的大小，取參數基準值的5 %為標準。由于為線彈性分析，變化不是5 %的參數通過線性換算為5 %來進行比較。而

y1=f(x0+Δx)=f(x0+0.05x0)

則參數敏感性目標值選取為

β=|y1-y0|=|f(x0+Δx)-f(x0)|=

|f(x0+0.05x0)-f(x0)|

β值越大，說明該控制目標對該參數越敏感。

4.1 選取主梁上緣應力為控制目標

選取主梁的上緣應力作為控制目標，分析參數變化對主梁上緣應力的敏感性。見表4。

表4 控制目標為β1時參數敏感性計算

選取運營狀態的橋梁結構進行研究，令主梁的上緣應力差值絕對值之和作為控制目標β1，即：

n為主梁梁段號，di0為參數未改變時第i梁段的上緣應力，di1為參數發生變化后第i梁段的上緣應力。

進行歸一化處理后的控制目標值w見表5。

表5 歸一化后控制目標值w計算

從表5中可以看出，對運營狀態下橋梁結構進行敏感性分析，當控制目標取為β1時，其敏感程度由強到弱順次為主梁容重、溫度、索梁塔溫差、環境相對濕度、超載、塔梁剛度、預應力參數、頂推力、墩剛度、塔偏移，歸一化取值后主梁容重、溫度、索梁塔溫差、環境相對濕度取值大于0.3，為敏感性參數，其余各參數敏感性較弱。

4.2 選取主梁下緣應力為控制目標

選取主梁的下緣應力作為控制目標，分析參數變化對主梁下緣應力的敏感性，見表6。

選取運營狀態的橋梁結構進行研究，令主梁的下緣應力差值絕對值之和作為控制目標β2，即

n為主梁梁段號，di0為參數未改變時第 i 梁段的下緣應

表6 控制目標為β2時參數敏感性計算

力，di1為參數發生變化后第i梁段的下緣應力。

進行歸一化處理后的控制目標值w見表7。

表7 歸一化后控制目標值w計算

從表7中可以看出，對運營狀態下橋梁結構進行敏感性分析，當控制目標取為β2時，其敏感程度由強到弱順次為主梁容重、索梁塔溫差、溫度、環境相對濕度、超載、塔梁剛度、頂推力、預應力參數、墩剛度、塔偏移，歸一化取值后主梁容重、索梁塔溫差、溫度、環境相對濕度取值大于0.3，為敏感性參數，其余各參數敏感性較弱。

4.3 選取拉索索力為控制目標

選取拉索索力為控制目標，分析參數變化對拉索索力的敏感性，見表8。

表8 控制目標為β3時參數敏感性計算

選取運營狀態的橋梁結構進行研究，令拉索索力差值絕對值之和作為控制目標β3，即

式中:n為拉索編號，di0為參數未改變時第i號拉索的索力，di1為參數發生變化后第i號拉索的索力。

進行歸一化處理后的控制目標值w見表9。

表9 歸一化后控制目標值w計算

表9中對運營狀態下橋梁結構進行敏感性分析，當控制目標取為β3時，其敏感程度由強到弱順次為主梁容重、溫度、索梁塔溫差、環境相對濕度、塔梁剛度、超載、預應力參數、頂推力、墩剛度、塔偏移，歸一化取值后主梁容重、溫度、索梁塔溫差取值大于0.3，為敏感性參數，其余各參數敏感性較弱。

5 結論

在運營狀態下，取大橋上緣應力、下緣應力及拉索索力為控制目標，對主梁容重、溫度、索梁塔溫差、環境相對濕度、塔梁剛度、超載、預應力參數、頂推力、墩剛度、塔偏移等10個參數的敏感性進行了分析，得出以下結論：

(1)對主梁上緣應力影響較大的參數有主梁容重、溫度作用、索梁塔溫差、環境相對濕度。

(2)對主梁下緣應力影響較大的參數有主梁容重、索梁塔溫差、溫度、環境相對濕度。

(3)對拉索索力影響較大的參數有主梁容重、系統溫差、索梁塔溫差。

(4)對主墩影響較大的參數有收縮徐變、溫度、索梁塔溫度變化、墩高變化。

判定主梁容重、溫度、索梁塔溫差、環境相對濕度是對矮塔斜拉橋控制參數影響較大的因素，屬于比較敏感的結構參數；判定超載、塔梁剛度偏差及預應力參數是對矮塔斜拉橋控制參數影響較小的因素，屬于不太敏感的結構參數；判定頂推力、墩剛度及塔偏移是對矮塔斜拉橋控制參數影響小的因素，屬于不敏感的結構參數。由于溫度及環境濕度對橋梁的性能影響比較大同時也屬于環境參數，所以在施工控制中要注意對環境溫度和濕度進行監控，尋求合理的立模、架設時間，修正結構狀態的溫度效應；對環境濕度變化也要進行細致的分析并制定詳細合理的施工控制方案；主梁容重、塔梁剛度、預應力參數對橋梁的性能影響較大，而在施工中這些參數一般都與設計值有一定的偏差，因此在施工中要嚴格控制工藝，保證材料比例、模板精度符合要求，嚴格控制混凝土的養護條件和時間及預應力束的制作和施工質量；在運營時應重點監測關鍵部位的應力及斜拉索的索力。

綜上所述，主梁容重變化、溫差作用、索梁塔溫差、環境相對濕度變化是影響矮塔斜拉橋設計計算的控制性參數，屬于比較敏感的結構參數。應嚴格施工控制和施工監測，使橋梁實際受力與理論計算盡量保持一致，確保橋梁安全。