雙塔雙索面PC斜拉橋結構參數(shù)敏感性分析

摘要：為研究雙塔雙索面PC斜拉橋施工過程中荷載參數(shù)變化對成橋狀態(tài)的影響，文章以某跨徑為（179+360+179）m的斜拉橋為例，利用桿系有限元軟件Midas Civil對其進行參數(shù)敏感性分析，以對成橋狀態(tài)目標對象5%影響量為參數(shù)敏感性界線，研究了主梁自重、主梁預應力荷載及斜拉索初張力在±5%范圍內(nèi)變化時對主梁豎向位移、主梁應力、斜拉索索力和主塔偏位的影響。結果表明：主梁自重對主梁線形和主塔水平位移最大影響幅度分別為20.5%和9.4%，為敏感性參數(shù)，而對主梁應力和斜拉索索力影響較小，最大變化幅度分別為3.6%和3.9%，為非敏感性參數(shù)；主梁預應力對主梁線形、斜拉索索力及主塔水平位移影響較小，最大影響幅度分別為0.9%、0.1%和2%，而對主梁應力影響稍大，幅度為4.4%，但整體而言表現(xiàn)為非敏感性參數(shù)；斜拉索初張力對主梁線形和主塔水平位移最大影響幅度分別為21.8%和8.8%，為敏感性參數(shù)，而對主梁應力和斜拉索索力影響較小，最大變化幅度分別為2.7%和1.8%，為非敏感性參數(shù)。

關鍵詞：斜拉橋；雙塔雙索面；自重；預應力；拉索初張力

中圖分類號：U448.27" " " 文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.042

文章編號：1673-4874（2024）11-0141-03

0引言

斜拉橋以獨特的斜拉索結構實現(xiàn)了橋梁跨度的極大化，滿足了現(xiàn)代交通對跨河、江及峽谷地區(qū)大型橋梁的需求［1-2］。PC斜拉橋多采用懸臂澆筑法施工，工藝成熟可控且經(jīng)濟性好，但此類橋梁施工中凸顯的問題亦不少。作為高次超靜定結構，其施工過程受各種因素影響，施工狀態(tài)很難與理想設計狀態(tài)吻合，導致橋梁合龍精度差，成橋內(nèi)力狀態(tài)和線形與設計不符，最終影響大橋運營使用。為了保證大橋能達到合理成橋狀態(tài)，有必要對結構進行參數(shù)敏感性分析，以獲得參數(shù)變化對結構力學狀態(tài)的影響程度，從而有針對性地對橋梁施工采取控制措施。鑒于此，本文以某雙塔雙索面PC斜拉橋為依托工程，選取主梁自重、主梁預應力荷載、斜拉索初張力三個參數(shù)對結構進行結構靜力響應分析，以期為同類型橋梁的施工控制提供參考。

1工程概況

某特大橋主橋采用雙塔雙索面PC斜拉橋方案，整體跨徑布置為179 m+360 m+179 m，索塔采用倒Y形空心薄壁墩，其中左塔墩高164.01 m，右塔墩高168.51 m。主橋橋面寬30.6 m，主梁設計為預應力混凝土分離式箱形斷面，全橋共計236道斜拉索，拉索采用VSL SSI 2000體系。

2有限元模型

利用空間有限元程序Midas Civil 2019建立大橋仿真分析模型，其中承臺、主塔及主梁采用空間梁單元模擬，斜拉索采用僅受拉桁架單元模擬，斜拉索與主梁、主塔之間采用彈性中的剛性連接，掛籃重量以節(jié)點荷載體現(xiàn)，并在施工階段中通過激活/鈍化功能模擬掛籃前移。大橋共計節(jié)點劃分1 069個，梁單元710個，桁架單元236個，大橋有限元模型如圖1所示。

3結構參數(shù)影響分析

結合雙塔雙索面漂浮體系斜拉橋的受力特性，本文選取施工過程中最可能發(fā)生且對結構實際狀態(tài)有較大影響的三個荷載參數(shù)進行敏感性分析，分別為主梁自重、主梁預應力荷載和斜拉索初張力，其中各參數(shù)偏差范圍結合類似工程經(jīng)驗及相關文獻［3-5］推薦取值，如表1所示。分析過程采用單一變量法進行控制，即僅調(diào)整單一參數(shù)的變化幅值，其余參數(shù)保持設計值不變，以此獲得結構的敏感性參數(shù)和非敏感性參數(shù)。

3.1主梁自重

大橋橋面采用掛籃懸臂澆筑法施工，受模板脹模及立模標高等影響，往往導致主梁自重與設計值產(chǎn)生偏差。以主梁容重設計值25 kN/m3為基準，在±5%偏差工況下，自重變化對主梁線形、應力、斜拉索索力及主塔偏位的影響如下頁圖2所示。（注：文中位移向上為“+”，向下為“-”；應力以受拉為“+”，受壓為“-”；索力增大為“+”，減小為“-”；主塔偏位順橋向“+”，逆橋向為“-”。）

由于大橋結構對稱，且分析模型并未考慮非線性影響，兩種荷載工況計算結果基本呈對稱趨勢。由圖2可知，以主梁容重增大5%為例，主梁中跨跨中豎向位移增大了72.9 mm，變化幅度為20.5%；主梁上、下緣應力最大變化為0.4 MPa，位于中跨跨中位置，變化幅度為3.6%；斜拉索最大索力變化為147.4 kN，為靠近墩塔位置短斜拉索，變化幅度較小，為3.9%；主塔縱向水平位移最大變化值為21.9 mm，變化幅度為9.4%。以成橋狀態(tài)目標對象5%影響量為參數(shù)敏感性界線［6］，由此可知，對于主梁線形和主塔水平位移，主梁自重差異為敏感性參數(shù)，而對于主梁應力和斜拉索索力，其為非敏感性參數(shù)。因此施工過程中，應加強混凝土澆筑質(zhì)量控制，嚴格控制超方和欠方。

3.2主梁預應力荷載

斜拉橋作為一種大型橋梁結構，其橋面承受著巨大的荷載和復雜的應力狀態(tài)。而預應力可有效地提高橋面混凝土結構的抗壓強度和抗裂性能，確保橋面的穩(wěn)定性和安全性。受張拉工藝、設備及預應力管道摩擦阻力等因素影響，預應力必然會產(chǎn)生不同的損失。以主梁錨下預應力控制力1 395 MPa為基準，在±5%偏差工況下，成橋狀態(tài)下對各控制指標的影響結果如圖3所示。

由圖3可知，在主梁預應力增加5%的情況下，主梁線形、斜拉索索力及主塔水平位移變化幅度均較小，其中主梁豎向變形控制在3.2 mm以內(nèi)，斜拉索索力變化值控制在1.9 kN以內(nèi)，主塔水平位移控制在4.7 mm以內(nèi)，最大變化幅度分別為0.9%、0.1%、2.0%；而較于前者，主梁應力變化幅度稍大，上、下緣應力最大變化值為0.5 MPa，變化幅度4.4%。但整體而言，在上述預應力取值范圍內(nèi)，預應力荷載對四者表現(xiàn)為非敏感性參數(shù)。

3.3斜拉索初張力

大橋斜拉索分2次施工，第1次為橋面梁施工階段，第2次為橋面合龍后對斜拉索索力進行精調(diào)。對長大橋梁而言，斜拉索通常較長，受溫度、風致振動以及作業(yè)隊伍安裝水平等因素影響，往往導致斜拉索索力偏離設計值。本文假定斜拉索索力偏離設計值±5%，探究其對結構成橋狀態(tài)的影響，分析結果如圖4所示。

由圖4可知，斜拉索初張力變化對主梁線形和主塔水平位移影響較大，表現(xiàn)為敏感性參數(shù)；對主梁應力和斜拉索索力影響較小，表現(xiàn)為非敏感性參數(shù)。具體為斜拉索索力減小5%，主梁豎向位移最大變化值為77.7 mm，變化幅度21.8%；主塔水平位移最大變化值為20.5 mm，變化幅度8.8%；主梁應力最大變化值為0.3 MPa，變化幅度2.7%；斜拉索索力最大變化54.9 kN，變化幅度1.8%。因此在進行斜拉索張拉施工時，務必精確遵循理論上的張拉力標準，同時結合壓力環(huán)、頻譜法、油壓表等多種監(jiān)測技術相互校驗，以確保對斜拉索張拉力的控制達到極高的精確度和可靠性。

4結語

本文依托某雙塔雙索面PC斜拉橋為研究對象，利用有限元程序Midas Civil建立大橋空間桿系仿真模型，分析了主梁自重、主梁應力荷載、斜拉索初張力三個參數(shù)變化對結構成橋狀態(tài)主梁豎向位移、主梁應力、斜拉索索力和塔頂偏位的影響，主要結論如下：

（1）以對成橋狀態(tài)目標對象5%影響量為參數(shù)敏感性界線，主梁自重對于主梁線形和主塔水平位移為敏感性參數(shù)，而對于主梁應力和斜拉索索力為非敏感性參數(shù)。

（2）主梁預應力在±5%范圍內(nèi)變化，其對主梁線形、斜拉索索力及塔頂偏位影響較小，對主梁應力影響稍大，但對四個影響量整體表現(xiàn)為非敏感性參數(shù)。

（3）斜拉索初張力變化對主梁位移和塔偏影響較大，表現(xiàn)為敏感性參數(shù)；對主梁應力和斜拉索索力影響較小，表現(xiàn)為非敏感性參數(shù)。

（4）在PC斜拉橋施工過程中，需嚴格控制混凝土澆筑方量，避免超方，同時注意預應力及斜拉索索力的張拉精度。

參考文獻：

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［3］李文濤，劉耀東，曹明明.基于均勻設計的組合梁斜拉橋施工控制多參數(shù)敏感性分析［J］.科學技術與工程，2024，24（3）：1 234-1 241.

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［6］李文濤，劉耀東，曹明明.基于均勻設計的組合梁斜拉橋施工控制多參數(shù)敏感性分析［J］.科學技術與工程，2024，24（3）：1 234-1 241.

作者簡介：劉巍（1991—），碩士，工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18