大跨度纜索吊裝鋼箱拱橋成橋狀態(tài)參數(shù)敏感性分析

王 正,吳維彬,蔣凌杰,張 惠

(1.廣西交通工程檢測(cè)有限公司,廣西 南寧 530200;2.廣西交通技師學(xué)院,廣西 南寧 530002)

0 引言

大跨度鋼箱拱橋拱肋施工常采用纜索吊裝工藝,拱腳位置常采用固結(jié)方式,由于拱肋預(yù)制節(jié)段多,且整個(gè)施工過(guò)程要求一次張拉扣索就位,因此對(duì)拱肋的施工提出了更高的要求;同時(shí),橋面跨度較大,常采用鋼格構(gòu)橋面系,整個(gè)施工過(guò)程中對(duì)橋面線形的要求也較高。因此,在整個(gè)施工過(guò)程中,找出影響該類(lèi)橋型成橋狀態(tài)的敏感性參數(shù)顯得尤為重要。

近年來(lái),學(xué)者們就結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的研究。張亞海等[1]以某大跨雙塔雙索面斜拉橋?yàn)楸尘?分析了拉索彈性模量變化、主梁剛度、索塔剛度等對(duì)橋梁線形、內(nèi)力的變化敏感性;李杰等[2]以某多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱肋為背景,采用ALGOR軟件建立有限元模型,研究了二期恒載、整體升降溫、拱肋鋼管內(nèi)填混凝土、拱肋壁厚、索力等對(duì)結(jié)構(gòu)變化和受力的影響;關(guān)偉[3]以運(yùn)城市一座下承式鋼管混凝土拱橋?yàn)楸尘?研究了拱肋間連接形式、拱肋鋼管壁厚、拱肋單側(cè)吊桿布置數(shù)量、拱肋管腔混凝土彈性模量、矢跨比、拱軸系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,得出影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的敏感參數(shù)。

目前,對(duì)于纜索吊裝鋼箱拱橋成橋狀態(tài)的參數(shù)敏感性問(wèn)題分析的研究資料相對(duì)較少,本文以梧州市西江四橋?yàn)槔?采用有限元分析的方案,通過(guò)改變拱肋容重、吊桿容重、吊桿彈性模量、橋面系容重、結(jié)構(gòu)溫度等,分析拱肋應(yīng)力、拱肋線形、橋面線形的變化,從而得到影響成橋狀態(tài)的敏感性參數(shù)。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析方法

由于實(shí)際結(jié)構(gòu)與理論分析中的參數(shù)取值不可避免地會(huì)產(chǎn)生偏差,將會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的偏差在施工過(guò)程中一直累積到成橋階段,最終成橋階段與目標(biāo)值產(chǎn)生偏差。在實(shí)際結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中,通過(guò)參數(shù)敏感性分析,利用有限元分析方法,考慮結(jié)構(gòu)的施工階段,得到結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的規(guī)律,為橋梁施工及設(shè)計(jì)過(guò)程提供參考。

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng),假設(shè)系統(tǒng)F有n個(gè)因素,a={a1,a2,a3,…,an}所確定,則有:

F=f(a1,a2,a3,…,an)

(1)

(2)

式中:φk(ak)——系統(tǒng)特性F對(duì)ak的敏感性。

為了能夠?qū)Χ鄥?shù)系統(tǒng)特性中不同量綱的各參數(shù)的敏感程度進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱處理。

因此,定義了無(wú)量綱化參數(shù)敏感性函數(shù)與敏感因子,參數(shù)ak的敏感度函數(shù)Sk(ak)為:

(3)

式中:k——1,2,3,…,n;

δF——系統(tǒng)特性F的相對(duì)誤差;

δak——參數(shù)ak的相對(duì)誤差。

2 工程實(shí)例

2.1 橋梁概況

梧州市西江四橋主橋?yàn)殇撓湎禇U拱橋,由300 m中跨和兩側(cè)對(duì)稱布置的129 m邊跨組成。主跨和邊跨均采用纜索吊裝施工,拱肋采用鋼箱拱肋,吊桿索體由1 860 MPa級(jí)φ15.24 mm環(huán)氧噴涂無(wú)粘結(jié)鋼絞線組成,橋面系采用鋼梁格構(gòu)橋面。如圖1所示。

圖1 梧州市西江四橋立面實(shí)例圖

2.2 結(jié)構(gòu)建模

采用Midas Civil軟件建立空間有限元模型,扣背索、系桿、吊桿采用桁架單元模擬,拱肋、橫撐、主梁格構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M,各邊界條件按實(shí)際模擬。如圖2所示為全橋空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。本文對(duì)主跨300 m鋼箱拱橋的成橋狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

圖2 全橋有限元離散模型圖

2.3 拱肋容重變化對(duì)結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響分析

分別考查拱肋容重變化±2%、±5%對(duì)拱肋線形、橋面線形及拱肋應(yīng)力的影響,研究結(jié)果見(jiàn)圖3～5。

圖3 拱肋線形隨拱肋容重變化曲線圖

圖5 拱肋應(yīng)力隨拱肋容重變化曲線圖

2.4 吊桿容重變化對(duì)結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響分析

分別考查吊桿容重變化±2%、±5%對(duì)拱肋線形、橋面線形及拱肋應(yīng)力的影響,研究結(jié)果見(jiàn)圖6～8。

圖6 拱肋線形隨吊桿容重變化曲線圖

圖7 橋面線形隨吊桿容重變化曲線圖

圖8 拱肋應(yīng)力隨吊桿容重變化曲線圖

2.5 吊桿彈性模量變化對(duì)結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響分析

分別考查吊桿彈性模量變化±2%、±5%對(duì)拱肋線形、橋面線形及拱肋應(yīng)力的影響,研究結(jié)果見(jiàn)圖9～11。

圖9 拱肋線形隨吊桿彈性模量變化曲線圖

圖10 橋面線形隨吊桿彈性模量變化曲線圖

圖11 拱肋應(yīng)力隨吊桿彈性模量變化曲線圖

2.6 橋面系容重變化對(duì)結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響分析

分別考查橋面系容重變化±2%、±5%對(duì)拱肋線形、橋面線形及拱肋應(yīng)力的影響,研究結(jié)果見(jiàn)圖12～14。

圖12 拱肋線形隨橋面系容重變化曲線圖

圖13 橋面線形隨橋面系容重變化曲線圖

圖14 拱肋應(yīng)力隨橋面系容重變化曲線圖

2.7 溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響分析

分別考查溫度變化±10 ℃、±20 ℃對(duì)拱肋線形、橋面線形及拱肋應(yīng)力的影響,研究結(jié)果見(jiàn)圖15～17。

圖15 拱肋線形隨溫度變化曲線圖

圖16 橋面線形隨環(huán)境溫度變化曲線圖

圖17 拱肋應(yīng)力隨溫度變化曲線圖

2.8 拱肋線形影響因素分析

將前文中參數(shù)變化的極大值作用下對(duì)拱肋線形的影響最大值取絕對(duì)值,然后求出各影響量所占百分比,并按影響量從大到小進(jìn)行排序,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 拱肋線形參數(shù)敏感性排序表

表1中就拱肋線形最大變化量比較了各參數(shù)的敏感程度。由表1分析可知,環(huán)境溫度對(duì)拱肋線形產(chǎn)生絕對(duì)重要影響,在施工中一定要注意各個(gè)吊裝階段的溫度線形修正問(wèn)題,否則將會(huì)使拱肋線形嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)預(yù)期。除去環(huán)境溫度的絕對(duì)影響,重新計(jì)算各影響量所占百分比,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 拱肋線形不含溫度參數(shù)敏感性排序表

由表2中數(shù)據(jù)可見(jiàn),除去環(huán)境溫度的影響,相比拱肋容重對(duì)拱肋線形的影響,橋面系容重、吊桿彈性模量、吊桿容重等參數(shù)的影響可以忽略。因此,對(duì)于拱肋線形的影響,環(huán)境溫度和拱肋容重的影響占主導(dǎo)地位。

2.9 拱肋應(yīng)力影響因素分析

將前文中參數(shù)變化的極大值作用下對(duì)拱肋應(yīng)力的影響最大值取絕對(duì)值,然后求出各影響量所占百分比,并按影響量從大到小進(jìn)行排序,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 拱肋應(yīng)力參數(shù)敏感性排序表

由表3分析可知,導(dǎo)致拱肋應(yīng)力變化的最主要因素是環(huán)境溫度、拱肋容重,而橋面系容重、吊桿彈性模量、吊桿容重等參數(shù)則對(duì)拱肋應(yīng)力影響較小。

2.10 橋面線形影響因素分析

將前文中參數(shù)變化的極大值作用下對(duì)橋面線形的影響最大值取絕對(duì)值,然后求出各影響量所占百分比,并按影響量從大到小進(jìn)行排序,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 橋面線形參數(shù)敏感性排序表

由表4分析可知,導(dǎo)致橋面線形變化的最主要因素是環(huán)境溫度,而吊桿彈性模量、橋面系容重、拱肋容重、吊桿容重等參數(shù)則對(duì)橋面線形影響較小。該橋橋面格構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu),橋面系容重變化未引起橋面線形顯著的變化。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了纜索吊裝施工鋼箱拱橋過(guò)程中各影響因素對(duì)成橋拱肋線形、橋面線形、拱肋應(yīng)力等的影響,采用有限元分析的方法對(duì)梧州市西江四橋進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析,得出主要結(jié)論如下:

(1)影響拱肋線形的主要因素為溫度、拱肋容重。環(huán)境溫度的改變對(duì)拱肋線形的影響最明顯,為最敏感的參數(shù),因此,應(yīng)特別注意在建造過(guò)程中盡可能詳細(xì)考慮溫度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響;拱肋容重對(duì)拱肋線形具有較大影響,為了盡可能對(duì)拱肋線形進(jìn)行更好的控制,需要在吊裝前稱重每個(gè)節(jié)段的重量,并與設(shè)計(jì)圖紙對(duì)比,保證拱肋節(jié)段重量的準(zhǔn)確性。拱肋容重、吊桿容重、橋面系容重對(duì)拱肋線形的影響較小,為非敏感因素。

(2)影響橋面線形的主要因素為環(huán)境溫度,吊桿彈性模量、橋面系容重、拱肋容重、吊桿容重等參數(shù)則對(duì)橋面線形影響較小,為非敏感因素。在橋面系施工過(guò)程中,要嚴(yán)格進(jìn)行溫度的監(jiān)控,考慮溫度對(duì)于橋面線形的影響。

(3)影響拱肋應(yīng)力的主要因素為環(huán)境溫度、拱肋容重,橋面系容重、吊桿彈性模量、吊桿容重對(duì)拱肋應(yīng)力影響較小,為非敏感因素。