大跨度組合梁斜拉橋成橋狀態參數敏感性分析

張豐，顏東煌，陳常松

大跨度組合梁斜拉橋成橋狀態參數敏感性分析

張豐1, 2，顏東煌1，陳常松1

(1. 長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2. 湖南聯智科技股份有限公司，湖南 長沙 410219)

為保證大跨度鋼?混組合梁斜拉橋成橋后的主梁線形和結構各部位的受力均滿足規范要求，以赤壁長江公路大橋為研究對象，考慮幾何非線性因素建立有限元模型，對橋梁施工全過程進行仿真模擬。研究了成橋狀態的主梁線形、控制截面應力、斜拉索索力對鋼主梁的重量和彈性模量、橋面板的重量和彈性模量、拉索的彈性模量及溫度誤差的敏感程度。研究結果表明：鋼主梁重量、橋面板重量、拉索彈性模量及溫度誤差對成橋狀態結構行為的影響顯著，而鋼主梁彈性模量和橋面板彈性模量誤差的影響較小。研究結果可為其施工控制中的誤差修正、關鍵控制量確定等提供依據，也可為類似橋梁工程施工提供參考。

斜拉橋；鋼?混組合梁；敏感性分析；施工控制

斜拉橋屬于高次超靜定復雜時變體系，一般采用懸臂澆筑法或懸臂拼裝法進行施工，施工過程的影響因素較多，如：構件自重和彈性模量等參數的誤差、施工臨時荷載、混凝土收縮徐變、預應力、環境溫度變化、施工誤差及測量誤差[1]等都會影響斜拉橋的結構狀態，導致其實際狀態與設計狀態之間產生偏差。施工時，應及時采取合理的糾偏措施，避免誤差進一步積累，影響成橋結構的線形、應力及結構安全[2]。

結構參數誤差是斜拉橋施工控制中誤差產生的重要來源之一，不同結構參數變化對同一個結構的影響程度也不一樣[3]。目前，已有學者對斜拉橋施工控制中參數誤差的影響進行了研究。黃燦[4]等人基于幾何控制法原理，針對特大跨徑鋼箱梁斜拉橋施工期間的結構力學行為對結構參數的敏感程度做了相關研究。李忠三[5]等人分析了混合梁斜拉橋設計參數的敏感性，并在施工控制中對這些參數進行識別和修正，取得了良好控制效果。劉旭政[6]等人研究了獨塔混凝土斜拉橋施工控制中參數誤差對成橋狀態線形和內力的影響。施文彬[7]等人研究了溫度差異對板桁斜拉橋施工過程中控制線形的影響。但這些研究主要集中在鋼箱梁和混凝土梁，對組合梁的結構參數誤差研究較少，與傳統混凝土和鋼箱梁斜拉橋相比，影響大跨度鋼?混組合梁斜拉橋施工的結構參數更多。作者以赤壁長江公路大橋的施工監控為例，擬對其結構參數進行敏感性分析，研究各參數誤差對橋梁結構力學的影響程度，并確定主要敏感性參數，以期為類似橋梁施工監控提供借鑒。

1 工程概況

赤壁長江公路大橋[8]是國道G351臺州至小金跨越長江大橋，其主橋(90 m+240 m+720 m+240 m+ 90 m)為雙塔雙索鋼?混全組合梁斜拉橋，如圖1所示。其中，洪湖側邊跨240 m跨過北岸長江大堤，赤壁側邊跨240 m作為副通航孔，主跨720 m為目前世界上跨度最大的鋼?混組合梁斜拉橋。采用縱向半漂浮體系，鋼主梁橫斷面采用箱形。全橋寬為36.5 m，橋面板為存放齡期不少于180 d的C60鋼筋混凝土橋面板，標準段板厚26 cm，邊跨壓重段板厚59 cm。主橋共116對高強平行鋼絲斜拉索，最大長度達到387.18 m。主梁上拉索間距有12 m和8 m 2種形式，按照雙索面扇形布置。主塔采用H形塔。

圖1 主橋橋型立面布置(單位：m)

2 結構計算模型

采用平面有限元程序BDCMS(橋梁設計與施工控制分析程序)建立結構模型，考慮材料的幾何非線性影響，全橋共劃分為843個節點，1 682個單元。其中，斜拉索單元采用兩端帶剛臂的懸鏈線索單元模擬，主塔單元和主梁單元采用梁單元模擬，所有梁段的支架單元類型為一般桁架單元。

斜拉索分別選用PESC7系列的139、151、187、211、223、241、253、283、301，共9種規格。為方便讀取斜拉索索力，建模時，將相同梁段上的一對斜拉索作為一個拉索單元，彈性模量為1.95×105MPa，線膨脹系數為1.20×10?5，其他材料的參數見表1。

3 敏感性分析

結合工程實際情況，本研究主要分析鋼主梁自重和彈性模量、橋面板自重和彈性模量、斜拉索彈性模量及構件溫度誤差對成橋結構狀態的影響，確定本橋的主要敏感性參數，具體表現：某一結構參數發生一定幅值變化，由此引起成橋狀態時主梁線形、控制截面應力以及斜拉索索力的變化情況。本研究僅以鋼主梁重量、橋面板重量及構件溫度誤差為例進行分析。

表1 材料參數

3.1 鋼主梁重量

對大跨度組合梁斜拉橋而言，鋼主梁重量是施工控制的重要參數，因為鋼主梁重量變化直接改變了主梁恒載，從而導致主梁撓度和應力發生相應變化。另外，主梁恒載變化也將導致索力變化，索力變化會影響索長和主梁線形[9]，如圖2所示?？紤]到鋼箱梁工廠制造誤差和以往橋梁施工控制的經驗，本研究將鋼主梁重量在設計值基礎上變化±5%，其他參數保持不變，見表2。

表2 鋼主梁重量變化下的主梁應力變化值

由表2和圖2可知，鋼主梁重量變化±5%時，主梁線形變化在?71～70 mm之間(絕對差值=參數變化后終值?基準狀態初值，相對差值=絕對差值/基準狀態初值×100%)，合龍段附近影響最明顯。鋼主梁下緣應力差值在?5.1～5.0 MPa，塔區梁段影響最明顯，變化幅度為4.6%。斜拉索索力差值變化在?96.1～96.1 kN之間，尾索索力變化較大且跨中合龍段附近的變化最明顯，變化幅度為1.6%。

3.2 橋面板重量

主梁是由鋼主梁和混凝土板之間通過剪力釘連接形成的組合結構，是鋼?混組合梁斜拉橋最特殊之處。橋面板重量對主梁結構行為的影響主要出現在濕接縫澆筑完且強度未達到設計強度之前[10]。此時，橋面板沒有參與結構受力，僅作為外荷載施加在鋼主梁上，其對結構行為影響機理與鋼主梁重量變化的影響相同。基于本橋梁混凝土橋面板現場實際稱重結果可知，橋面板超重最大可達到7%，超輕最大可達到4%，普遍重量誤差在±3%～4%，所以本研究在設計值的基礎上取±5%作為分析橋面板重量誤差對橋梁結構成橋狀態的影響。

圖2 鋼主梁重量誤差的影響

steel main beam

表3 橋面板重量變化下的主梁應力變化值

由表3和圖3可知，橋面板重量變化為±5%時，對主梁線形影響顯著。主梁線形變化在?121～121 mm之間，對跨中合龍段附近梁段線形影響較大。隨著懸臂施工越長，主梁剛度逐漸減小。距離塔區越遠，對線形的影響越大。但由于邊跨梁段安裝有59 cm厚的壓重橋面板、壓重箱及輔助墩支撐，在這三者共同作用下，邊跨主梁位置不會發生很大變化；鋼主梁下緣應力差值為?8.5～8.5 MPa，塔區梁段影響最明顯，變化幅度為7.6%；成橋拉索索力差值為?168.1～168.3 kN，合龍段附近拉索索力變化最明顯，變化幅度為2.7%。

3.3 結構溫度

溫度變化對大跨度斜拉橋受力與變形影響是復雜的，特別是日照溫差。對結構狀態進行量測時，野外環境溫度往往達不到設計要求，一定程度上影響結構實測數據的真實性，必然也不能保證施工控制的有效性[11]。施工過程中，結構溫度場的變化對橋梁狀態變量產生的影響比結構參數誤差的大[12]。為了后續參數識別和預測工作的準確性，有必要對其進行參數敏感性分析，如圖4所示。本橋所在位置屬于華中地區亞熱帶氣候區，經洪湖、赤壁氣象站資料分析，項目區年平均氣溫12～17 ℃，極端最低氣溫?14.6 ℃，極端最高氣溫40.7 ℃，月平均最低氣溫2 ℃左右，月平均最高氣溫33.3 ℃。本研究在設計值15 ℃的基礎上，分別選取結構整體升溫10 ℃、斜拉索升溫10 ℃以及主梁升溫10 ℃進行研究，見表4。

由表4和圖4可知，結構各部位對溫度變化的敏感程度存在較大差異，斜拉索升溫10 ℃對主梁線形影響最明顯，最大值達到158 mm。成橋索力也對拉索升溫最敏感，索力差值最大為136 kN，變化幅度為3.6%。主梁和斜拉索溫度變化對鋼主梁下緣應力都有較大的影響，應力差值最大為10.5 MPa，變化幅度為12.3%。

表4 溫度變化下主梁應力變化值

3.4 敏感性分析結果

考慮施工全過程，針對構件重量、彈性模量及溫度等結構參數進行系統敏感性分析，并對各結構參數的影響程度進行排序，具體結果見表5～7。由表5～7可知，鋼主梁和橋面板自重、拉索彈性模量以及溫度誤差對成橋狀態結構行為影響顯著。

表5 成橋狀態線形敏感性分析

表6 成橋狀態鋼梁下緣應力敏感性分析

表7 成橋狀態索力敏感性分析

3.5 施工過程中實測值與理論值的對比分析

通過參數敏感性分析，找出本橋的主要敏感性參數，將混凝土橋面板實際重量、施工臨時荷載(安全施工平臺、現澆帶模板支架等)等代入有限元模型進行優化，控制了結構實際狀態與理論計算狀態之間的偏差?？紤]本橋為南北對稱結構，本研究僅選取洪湖側主梁施工到6#梁段時控制點高程及對應拉索索力進行對比分析，結果見表8、9。

由表8、9可知，赤壁長江公路大橋懸臂施工階段的主梁線形平順，上、下游高程控制點實測數據的平均值與理論值的誤差符合設計要求，斜拉索索力狀態良好，滿足《公路斜拉橋設計規范 (JTC3365?01?2020)》允許索力施工誤差±5%要求。

表8 施工過程主梁控制點高程

注：“—”表示此標高控制點被破壞

表9 施工過程斜拉索索力

4 結論

通過研究各結構參數變化對成橋狀態結構行為影響及主要敏感性參數確定，得到結論：

1) 斜拉橋施工過程中，溫度場變化非常復雜，而溫度變化對成橋狀態結構行為影響顯著。因此，施工中，應該將重要控制工序安排在一天中溫度較穩定的時間段進行，同時也應該在溫度變化較小的時間段進行實測數據采集，最大程度保證實測數據的真實性。

2) 鋼主梁重量、橋面板重量及拉索彈模誤差對本橋成橋狀態結構行為的影響較大，屬于敏感性參數。施工中，應該重點關注各參數變化的影響，并且在橋梁模型優化時對其進行修正；鋼主梁彈性模量和橋面板彈性模量誤差對成橋狀態結構行為影響較小。施工控制中，進行模型修正時，可以忽略。

3) 該方法運用到赤壁長江公路大橋的施工控制中取得了良好效果，也為同類型斜拉橋施工提供了借鑒和參考。

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Parameter sensitivity analysis of the long-span composite girder cable-stayed bridge in the finished bridge state

ZHANG Feng1, 2, YAN Dong-huang1, CHEN Chang-song1

(1. School of Civil Engineering , Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. Hunan Lianzhi Technology Co., Ltd., Changsha 410219, China)

In order to ensure the stress of the main girder and structure of long-span steel-concrete composite girder cable-stayed bridge meet the specification requirement, the finite element model was established considering geometric nonlinear factors. The bridge construction process of the Chibi Yangtze River Highway Bridge was simulated. The sensitivity of the weight and elastic modulus of the main beam and bridge deck, elastic modulus of cable and temperature error to the main beam alignment, control section stress and cable force in finished bridge state was investigated. The results show that, the errors of steel main girder weight, bridge deck weight, cable elastic modulus, and temperature have significant effects on the structural behavior of the completed bridge. However, the steel main girder elastic modulus and bridge deck elastic modulus errors have little influence. The research results can provide scientific basis for error correction in construction control, calculating the key control variables, and also provide reference for the construction of the similar types of bridge projects.

cable-stayed bridge; steel-concrete composite girder; sensitivity analysis; construction control

U448.27

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0091 ? 07

2020?09?20

張豐(1995?)，男，長沙理工大學碩士生。