獨塔斜拉橋施工控制中的參數敏感性分析

吳鳳民

(湖南省懷化市農村公路建設辦公室， 湖南 懷化 418000)

大跨徑混凝土獨塔斜拉橋施工周期長，施工工序復雜，常有混凝土攪拌不充分、振搗不均勻以及模板漲模、松模導致混凝土結構重度與理論計算值差異較大的現象發生；結構彈性模量在施工過程中受混凝土配合比和養護條件等多種因素影響，致使其與設計值總會存在偏差；扣索的幾何非線性近似求解常導致索力計算結果的誤差；施工過程中溫度的整體升降變化也會影響到最終結構的成橋內力，以上幾種參數的誤差都會對橋梁施工控制產生一定影響，從而導致最終的實際成橋狀態與理論成橋狀態有所偏差[1]。因此在橋梁施工過程中需要對以上參數進行識別，并計算對結構內力影響大的參數，在施工過程中著重進行控制，盡量減小這些參數誤差所產生的影響；而對結構內力影響較小的參數可適當降低要求，簡化施工過程[2]。

1 工程背景

保靖縣酉水三橋位于保靖路，其主橋為跨越酉水河的大跨徑獨塔斜拉橋，全長359 m，主跨196 m，次邊跨62 m，邊跨101 m。其中主橋為獨塔雙索面不對稱斜拉橋，結構體系采用三跨連續固結體系，扣索呈空間密索型布置，邊跨處設置1處輔助墩。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位： cm)

主梁為預應力砼箱型梁，截面形式為單箱三室。橋面全寬30.5m，底板寬12.5m，梁高3.2m，頂板設雙向2%橫坡。梁上標準索距為7.2m，邊跨現澆段索距為4.8m，混凝土標號為C55，主梁橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁橫斷面圖(單位： cm)

主塔形式為鉆石形，材料采用鋼筋混凝土，其中混凝土標號為C50。主塔高128 m，由上、中、下塔柱以及下橫梁4個部分組成，其中塔柱為鋼筋混凝土結構，下橫梁為預應力鋼筋混凝土結構。

2 有限元模型建立與參數選取

采用Midas/Civil建立酉水三橋空間有限元模型，采用空間梁單元模擬主梁與主塔，采用只受拉桁架單元模擬扣索，采用Enrst公式修正扣索的彈性模量以考慮垂度效應[3]。該橋有限元模型共660個節點、750個單元。主梁與主塔連接處的邊界條件采用彈性連接中的剛性連接。索塔底部邊界條件為固結。主梁邊支座與輔助墩邊界條件采用一般支承約束Dy、Dz。該橋有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型圖

依據對酉水三橋施工過程的誤差因素分析，本文選取自重、混凝土彈性模量、扣索索力以及結構整體溫度變化4個參數進行敏感性研究。以理想成橋狀態下各個構件的無應力狀態量為基準，對上述參數逐一進行改變，在保證其余參數不變的情況下，分別進行主梁線形與應力、塔頂位移以及塔根應力分析。根據計算結果分析影響該獨塔斜拉橋施工過程的各參數敏感性。

酉水三橋有限元模型混凝土容重均值取25 kN/m3，參考文獻[4]，其變異系數取值為0.05，因此取自重變化5%進行分析；該橋主梁與主塔結構均采用C50混凝土，根據文獻[5-6]，其均值為3.45×107kN/m2，變異系數取值為0.05，因此取彈性模量變化5%進行分析；扣索索力參考文獻[4],取變化5%進行分析；結構整體溫度考慮該橋整個施工階段橋址處的溫度變化，取結構整體溫度變化10 ℃進行分析，為便于各參數計算結果的對比，主梁位移與應力分析僅取各參數單向變化結果，參數變化范圍如表1所示。

表1 各參數變化范圍表參數自重/%彈性模量/%索力值/%結構整體溫度/℃變化范圍±5±5±5±10

3 主梁計算結果

3.1 主梁位移分析

對該橋主梁位移進行計算分析，將該橋主梁等分為37段，共38個節點，主梁各節點在參數變化后的豎向位移相對于初始豎向位移的變化值如圖4所示。

圖4 主梁豎向位移變化圖

由圖4可知，結構自重增加5%后，主梁位移變化的總體趨勢為主跨產生明顯下撓，且在主跨跨中附近達到最大，最大值為-60 mm，其余截面幾乎未發生變化?？鬯魉髁p少5%與結構自重增加5%對于主梁豎向位移的影響基本一致，且主跨跨中下撓更大，最大撓度達到了79 mm；考慮該橋結構不對稱，主跨跨徑遠大于邊跨，因此在結構自重與扣索索力變化后邊跨撓度變化值較小。整體升溫10 ℃后，主梁的主跨跨中附近與塔梁固結處的豎向位移產生了一定位移，但遠小于結構自重與扣索索力引起的主梁豎向位移，最大位移值均為9 mm；經分析，由于塔梁固結處約束較強，溫度作用下產生的次內力使主塔產生了豎向位移；主跨跨中附近產生位移，為溫度作用下扣索的伸長量發生變化所致。結構混凝土彈性模量減少10%對于主梁豎向位移影響最小，最大位移值僅4 mm。

由上述分析可得：相比于整體溫度與混凝土彈性模量，結構自重與扣索索力的改變對于主梁位移的影響較大，為影響主梁位移的敏感參數。

3.2 主梁應力分析

主梁應力控制作為施工控制的重點，往往決定了該橋能否達到理想的成橋狀態，改變結構自重、扣索索力、混凝土彈性模量以及整體溫度后，分別對該橋主梁截面上下緣應力進行計算，計算結果如圖5、圖6所示。

對比主梁上下緣應力可得，上下緣應力的變化趨勢大體相反，數值也基本接近，主梁應力均因整體升溫、結構自重與扣索索力3個參數的變化而產生較大變化，其中又以整體升溫的影響最為明顯。整體升溫10 ℃后，主梁的3跨跨中位置均產生較大應力，但次邊跨與其余2跨的跨中應力值反號，應力峰值位于主跨跨中附近，為4.05 MPa，該參數為影響主梁應力的最敏感參數。結構自重減少5%與索力減少5%時，主梁應力變化規律一致，主梁應力均在3跨跨中位置產生較大變化且3跨應力均同號，但索力變化同時還導致墩梁固結處與輔助墩處產生反號應力。彈性模量對于主梁應力的改變基本上沒有影響。

因此，整體溫度為主梁應力的最敏感參數，結構自重與扣索索力次之，而混凝土彈性模量非敏感參數。

圖5 主梁上緣應力對比圖

圖6 主梁下緣應力對比圖

4 主塔計算結果

4.1 塔頂位移分析

各參數變化后，對主塔塔頂的縱向與豎向位移的變化量進行計算，得出塔頂位移變化量如表3所示(橫向位移變化量均較小，故未示出)。

結構自重與扣索索力對塔頂縱向位移的影響較大。自重增加5%，使塔頂向主跨方向位移偏移了15 mm；索力減少5%，塔頂向主跨方向位移偏移了14 mm，考慮主跨跨度遠大于邊跨，自重增加或索力減少導致的主跨主梁下撓也大于邊跨主梁下撓，因此塔頂向主跨縱向偏移。結構整體溫度的升降對塔頂縱向位移幾乎無影響，但是對豎向位移影響較大，主塔豎向位移最大值達到了12.54 mm，而彈性模量對于主塔縱向與豎向位移均較小。由此可判斷，結構自重、扣索索力以及整體溫度均為塔頂位移的敏感參數。

表3 塔頂位移變化量參數變化幅度ΔX/mmΔZ/mm結構自重增加5%15.31 0.82減小5%-15.31 -0.82 混凝土彈性模量增加5%0.54 0.04 減小5%-0.46 -0.06 整體溫度升高10℃0.40 12.54 降低10℃-0.38 -12.50 扣索索力增加5%14.42 -0.31 減小5%-14.42 0.31

4.2 塔根應力分析

參數變化后，塔根相應的應力變化量如表4所示。由表可知，扣索索力的變化引起塔根應力變化較明顯，尤其對于上緣應力，最大值達到了3.28MPa。結構自重與整體溫度的變化對于塔根應力的影響較小，最大值均不大于0.4 MPa，混凝土彈性模量對于塔根應力的影響基本可忽略。因此，扣索索力為塔根應力的唯一敏感參數。

表4 塔根應力變化量參數變化幅度右上緣應力/MPa左上緣應力/MPa右下緣應力/MPa左下緣應力/MPa結構自重增加5%-0.39 -0.32 0.08 0.01 減小5%0.40 0.33 -0.07 0.00 混凝土彈性模量增加5%0.01 0.01 -0.01 -0.01減小5%-0.01 -0.01 0.02 0.02 整體溫度升高10 ℃0.17 0.18 -0.23 -0.24降低10 ℃-0.17 -0.18 0.23 0.24 扣索索力增加5%3.28 -3.30 -1.29 1.30減小5%-328 3.31 1.30 -1.29

5 結論

以保靖縣酉水三橋為工程背景，采用Midas/Civil建立該橋有限元模型，對該大跨徑獨塔斜拉橋施工過程中的幾個重要參數(結構自重、扣索索力、混凝土彈性模量以及整體溫度)進行敏感性分析，得到以下結論：

1) 總體來看，扣索索力為酉水三橋施工過程中的最敏感參數，其對主梁位移、主梁應力、主塔塔頂位移以及塔根應力的影響均較大，其次為結構自重與整體溫度，混凝土彈性模量的影響基本忽略不計。

2) 由于酉水三橋結構布置形式、約束強弱的差異，主梁跨中附近、墩梁固結處以及塔頂對于參數的改變最為敏感，而橋端以及塔根位移敏感性較低，受到的影響較小。

綜上所述，在酉水三橋施工過程中應加強對結構自重、扣索索力以及整體溫度3個參數的控制，并注重對敏感性較高部位的位移與應力監控，以保證該橋達到合理成橋狀態。