矮塔斜拉橋成橋階段參數敏感性分析

張宿峰 陶潔璇 劉冬源 劉開來 艾永明

收稿日期：2023-10-30

作者簡介：張宿峰（1977—），男，山東聊城人，博士，高級工程師，研究方向：橋梁施工管理。

摘 要：參數敏感性分析是橋梁結構進行事前主動施工控制的一種有效方法。以佳木斯松花江特大橋為工程背景，對施工過程中可能對矮塔斜拉橋成橋狀態產生較大影響的控制因素進行敏感性分析，從而明確施工控制重點，為該類橋梁的施工控制及狀態評估提供參考。

關鍵詞：矮塔斜拉橋；參數；敏感性分析

中圖分類號：U448.27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2024）03-0114-03

0引言

矮塔斜拉橋是近年來發展起來的一種新型橋梁結構，其受力特點介于傳統梁式橋與常規斜拉橋之間，屬于高次超靜定結構[1]。矮塔斜拉橋的索塔高度較低、主梁剛度較大、無索區段較長，具有力學性能優越、造型美觀、經濟指標良好等優點，近年來在我國得到了較快發展，在世界各國也得到了廣泛應用。矮塔斜拉橋具有結構體系復雜、施工周期長等特點，且結構成橋狀態下力學性能的影響參數較多。在復雜漫長的橋梁施工過程中，混凝土材料的容重、收縮徐變及彈性模量，拉索的初始張拉力及彈性模量，預應力鋼束的錨下控制應力，索塔抗彎剛度和環境相對濕度等參數，均有可能偏離原設計值，導致橋梁內力和線形偏離結構的理想成橋狀態。此外，不同參數對矮塔斜拉橋成橋狀態的影響程度也不相同 [2-5]。

為確保矮塔斜拉橋達到理想的成橋狀態，對橋梁的施工過程進行控制是一種重要手段。通常需要在橋梁施工前及施工過程中，利用參數敏感性分析方法，了解這些影響參數對結構性能的敏感程度和變化規律。通過抓住主要狀態參數，忽略次要狀態參數的影響，明確施工控制的重點因素，從而可以更好地保證橋梁結構的最終成橋狀態[6]。因此，參數敏感性分析是橋梁結構施工事前控制的一個重要方法，對于矮塔斜拉橋的主動施工控制具有重要意義。

1參數敏感性分析方法

對矮塔斜拉橋進行參數敏感性分析時，應根據矮塔斜拉橋的受力特點和實際施工方案，選取出有可能對結構最終成橋狀態有影響的狀態參數。然后選擇結構模型的任意一個影響參數，設為狀態參數x，并以主梁撓度、應力或拉索索力等結構響應作為控制目標y。如果狀態參數x發生一個小范圍的變化（文中取狀態參數基準值的5%），則對應的結構控制目標，可根據公式（1）計算：

y0=f（x0）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：x0為狀態參數x的基準值，對應的結構控制目標為y0。

狀態參數變化后的結構控制目標y1，可根據公式（2）計算：

（2）

然后，選取結構成橋狀態下半橋主梁控制梁段控制目標差值的均方差值為參數敏感性指標，計算公式如下：

（3）

式中：N為半橋主梁的控制梁段數，di為第i控制梁段的控制目標差值： 取值為? ? ? ? ? ? ? 。? ? ?為對半橋主梁控制梁段的控制目標差值取平均值，其計算公式如式（4）所示：

（4）

對結構各控制目標下的影響參數進行敏感性分析時，因橋梁結構的各狀態參數在性質、大小和單位方面存在顯著差異，因而需要對參數敏感性指標做歸一化處理，公式如式（5）所示：

（5）

本文定義歸一化指標在0.3以上的影響參數為主要狀態參數[7]。

2工程概況

鶴大高速佳木斯松花江特大橋為預應力混凝土箱梁矮塔斜拉橋，為塔梁固結、墩梁分離的六跨連續體系。主橋跨徑布置為（110+4×200+110）m，五塔單索面，橋長1 020 m。

主橋上部結構為預應力混凝土變截面箱梁，采用整幅式斜腹板單箱三室截面。箱梁頂板寬28 m，設置2%雙向橫坡，頂板中間2.5 m寬度為斜拉索區，單側懸臂長4 m。箱梁中跨跨中42 m范圍梁段及邊跨梁段28.2 m范圍梁段采用等截面，梁高4.0 m，其他梁段梁高由4.0 m按1.8次拋物線變至0號塊梁段7 m高。

橋面按雙向四車道布置，索塔主體高度26.5 m，為單柱式橋塔，布置在中央分隔帶上，并與主梁固結。全橋共設置5×14對斜拉索，采用單索面、雙排、半扇形布置，并以中央分隔帶作為斜拉索的主梁端錨固區。全橋有限元模型見圖1。

松花江特大橋有限元模型中采用的材料參數見表1。

3松花江特大橋敏感性分析

本文根據規范、設計圖紙及施工記錄等資料，確定出各種影響參數的基準值，并完整、準確地模擬分析橋梁結構的實際施工過程。然后選定控制目標，基于各影響參數發生較小幅度的變化（參數基準值的5%）得到各影響參數的靈敏度方程。依據參數靈敏度，確定結構的主要和次要狀態參數。

3.1 以主梁撓度為控制目標

控制目標為主梁撓度時的參數靈敏度如表2所示。從表2中可以看出，當控制目標為主梁撓度時，成橋狀態下的橋梁結構參數，按敏感度強弱排序為主梁混凝土容重、拉索初拉力、鋼束錨下控制應力、主梁彈性模量、環境相對濕度、拉索彈性模量和橋塔剛度。運營10年后，環境相對濕度的影響明顯變大，其敏感度由第5位增大至第3位。分析認為，這是由于混凝土徐變受環境相對濕度的影響較大，而除主梁混凝土容重外的其他因素的影響略有降低。

歸一化處理后，成橋狀態下主梁混凝土容重、拉索初拉力的靈敏度大于0.3，敏感性較強，為主要狀態參數。其余各參數的敏感性較弱，為次要狀態參數。另外，運營10年后環境相對濕度的靈敏度也大于0.3，表現出較強的敏感性。

3.2 以主梁截面上緣應力為控制目標

控制目標為主梁截面上緣應力時的參數靈敏度如表3所示。從表3中可以看出，當控制目標為主梁截面上緣應力時，成橋狀態下的橋梁結構參數，按敏感度強弱排序為拉索初拉力、主梁混凝土容重、鋼束錨下控制應力、環境相對濕度、主梁彈性模量、拉索彈性模量和橋塔剛度。運營10年后，拉索初拉力、環境相對濕度的影響程度進一步增大，且拉索初拉力的貢獻占據主導地位。

歸一化處理后，成橋和運營10年狀態下拉索初拉力、主梁混凝土容重的靈敏度均大于0.3，表現出較強的敏感性，為主要狀態參數。其余各參數的敏感性較弱，為次要狀態參數。

3.3 以主梁截面下緣應力為控制目標

控制目標為主梁截面下緣應力時的參數靈敏度如表4所示。從表4中可以看出，當控制目標為主梁截面下緣應力時，成橋狀態下的橋梁結構參數按敏感度強弱排序為：主梁混凝土容重、拉索初拉力、鋼束錨下控制應力、環境相對濕度、主梁彈性模量、拉索彈性模量和橋塔剛度。運營10年后，拉索初拉力的影響程度進一步增大，且占據主導地位。

歸一化處理后，成橋狀態下主梁混凝土容重、拉索初拉力、錨下控制應力的靈敏度大于0.3，敏感性較強，為主要狀態參數。而運營10年后，受混凝土徐變的影響，其主要狀態參數則變化為拉索初拉力和主梁混凝土容重。

3.4 以拉索索力為控制目標

控制目標為拉索索力時的參數靈敏度如表5所示。從表5中可以看出，當控制目標為拉索索力時，成橋狀態下的橋梁結構參數按敏感度強弱排序為拉索初拉力、主梁混凝土容重、拉索彈性模量、主梁彈性模量、環境相對濕度、鋼束錨下控制應力和橋塔剛度。運營10年后，受混凝土徐變的影響，主梁混凝土容重的影響有一定程度增強。

歸一化處理后，成橋和運營10年狀態下拉索初拉力、主梁混凝土容重、拉索彈模的靈敏度均大于0.3，表現出較強的敏感性，為主要狀態參數。其余各參數的敏感性較弱，為次要狀態參數。

4結束語

本文以松花江特大橋為工程背景，以成橋及運營10年狀態下的主梁撓度、應力和斜拉索索力等結構響應為控制目標，對主梁混凝土容重、拉索初拉力和鋼束錨下控制應力等7個參數進行敏感性分析，研究了各參數對矮塔斜拉橋結構狀態的影響，得出以下結論：①影響矮塔斜拉橋結構狀態的關鍵因素主要是拉索初拉力、主梁混凝土容重及鋼束錨下控制應力。②在橋梁運營階段，受混凝土徐變作用，結構永存預應力降低，拉索索力對結構受力性能的影響明顯增強。③橋梁施工時，應嚴格控制主梁混凝土的施工工藝，防止超方增加主梁自重，應嚴格控制斜拉索及預應力束的制作及施工質量，防止拉索索力和鋼束錨下控制應力發生較大偏差。④橋梁運營階段應重點監測結構關鍵部件的截面應力及拉索索力。

參考文獻

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[2] 陳恒大，姚絲思，鄔曉光.跨中交叉布索的多塔斜拉橋受力機理及參數分析[J].鐵道科學與工程學報，2018，15（10）：2549-2556.

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[6] 鮑英基，蔣斌松，李文斌.PC矮塔斜拉橋運營階段參數敏感性分析[J].公路，2020，8（8）：216-222.

[7] 王永廷，田建港，秦龍，等.矮塔斜拉橋結構參數敏感性分析[J].公路交通科技：應用技術版，2014，10（7）：266-268.