大跨度連續(xù)剛構橋參數(shù)敏感性及結構強健性分析

劉 濤

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142）

目前大部分連續(xù)梁剛構橋都采用懸臂澆筑的施工方法，要經(jīng)歷一個長期而又復雜的施工過程及結構體系轉(zhuǎn)換過程，各施工階段的結構受力都將伴隨著結構體系、約束條件和荷載作用變化而不斷變化。由于施工過程中受到許多不確定性因素影響，包括材料的性能、施工荷載、預應力損失、混凝土收縮徐變、溫度等在理想狀態(tài)與實際狀態(tài)之間存在的差異，因此在設計時就需要對橋梁的結構進行計算，確定主要的敏感性參數(shù)，以便在施工中重點關注，對施工監(jiān)控起到有效的預防和控制效果。

近年來我國越來越多的橋梁在使用過程中出現(xiàn)了不同程度的破壞，經(jīng)過研究統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)其主要原因為設計不合理及施工質(zhì)量問題。橋梁的強健性設計就是針對這一現(xiàn)狀提出的設計方法，其主要內(nèi)容就是通過采取適當?shù)念A防性措施，使橋梁具有抵抗最不利荷載的能力，使橋梁有能力避免由于設計和施工中的偏差而導致的顯著破壞。

1 參數(shù)敏感性分析方法

結構參數(shù)敏感性分析步驟為：①建立結構計算模型；②從撓度、彎矩、應力等結構響應中，選取一個或多個作為控制目標；③改變各個設計參數(shù)，進行結構計算，得出各控制目標的變化幅度，根據(jù)影響程度判定此項參數(shù)為該控制目標的敏感性參數(shù)或非敏感性參數(shù)。

1.1 工程實例

以某高速公路上跨越山谷大河的（130m＋248m＋130m）連續(xù)剛構橋為例，進行結構敏感性分析。該橋為三向預應力混凝土結構，主梁為分幅式單箱單室截面，每幅箱梁頂板寬13.85m，底板寬7.5m，兩翼板懸臂長3.175m。 箱梁跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高4.8m，橋墩與箱梁相接的根部斷面及墩頂0號梁段高16.0m。箱梁從跨中至根部，箱高以1.8次拋物線變化。下部構造主墩采用鋼筋混凝土空心墩，橫橋向?qū)?.5m，縱橋向頂寬12.0m；交界墩采用雙柱薄壁空心墩，空心墩橫橋向?qū)?.2m，縱橋向墩頂寬3.7m。采用Midas Civil2006建立模型選取荷載短期效應組合下結構應力為控制目標。

根據(jù)《橋涵施工規(guī)范》規(guī)定，橋梁結構斷面尺寸允許有±5%誤差，橋面鋪裝厚度允許超厚L/5000（L為連續(xù)剛構主跨跨徑），預應力鋼絞線容許±6%誤差，據(jù)此選取箱梁超重，鋪裝超鋪，預應力張拉力等幾個內(nèi)容作為設計參數(shù)進行計算。鑒于設計中考慮整個橋面鋪裝超厚L/5000（L為連續(xù)剛構主跨跨徑）偏大，設計中考慮橋面鋪裝超厚L/7000（L為連續(xù)剛構主跨跨徑）。

下面為荷載短期效應組合下1號節(jié)段頂板部位壓應力儲備受考察參數(shù)變化的影響：

（1）箱梁超重5%情況：主梁比正常設計壓應力減少1.03MPa，正常使用抗裂驗算通過；

（2）鋪裝層超厚3.5cm情況：主梁比正常設計壓應力減少0.8MPa，正常使用抗裂驗算通過；

（3）縱向預應力張拉力減少6%情況：主梁比正常設計壓應力減少1.224MPa，正常使用抗裂驗算不滿足。

從以上幾個參數(shù)的偏差產(chǎn)生的影響來看，結構設計對預應力張拉力減少6%的變化最敏感，最不能接受。因此可以認為預應力損失為短期效應下結構應力的敏感性參數(shù)，應該從多方面入手確保施工達到設計的預應力度。

2 橋梁的強健性分析

高墩大跨連續(xù)剛構橋強健性分析主要內(nèi)容為通過對施工中的一些偏差進行模擬，確保結構在這些偏差的作用下，橋梁不致發(fā)生破壞并影響使用功能。

仍以（130m＋248m＋130m）連續(xù)剛構為例對橋梁的強健性進行分析，主要內(nèi)容包括預備鋼束的啟用和掛籃傾覆兩個方面的內(nèi)容。

2.1 預備鋼束的啟用

預備鋼束的主要作用：①防止施工期間由于管道漏漿堵塞而備用的；②在橋梁通車使用一階段時間后，當橋梁承載能力下降后，通過張拉預備鋼束來提高橋的承載能力。

施工階段本橋懸臂施工共33個梁段采用掛籃懸臂澆筑施工，假設22節(jié)段施工時一孔鋼束沒能張拉，預備索在下一節(jié)段啟用，對應箱梁而言，掛籃最大荷載時頂板可能受拉。預備索張拉前梁端部比正常施工壓應力儲備減少1.2MPa，頂板堵管一側(cè)接近角點應力為0.3MPa。

在預備孔穿索補充張拉相應噸位后，隨后的施工過程中主梁累積的應力與正常施工差別不大，認為懸臂施工過程中頂板T組鋼束個別意外的堵管可以通過補充張拉預備索的方式補救。

2.2 掛籃傾覆

掛籃是懸臂施工的主要設備，在懸澆施工過程中，有時會出現(xiàn)掛籃掉落的情況，需要對橋墩的穩(wěn)定性情況進行分析。

假設結構在澆筑最后一個懸澆塊時發(fā)生掛籃傾覆。

（1）剛構橋的主要荷載：最大懸臂階段結構自重、最大懸臂階段一側(cè)掛蘭傾覆、施工期間橫向風荷載。

（2）主墩強度情況：主墩底部軸力最大，在偏心彎矩下截面驗算較為不利。估算的主墩底部軸力為－294549kN，彎矩為146332kN·m。主墩頂部軸力較小，在不平衡彎矩的作用下，截面角點最小壓應力儲備不足1.0MPa。

掛籃傾覆是懸臂施工最不利工況，在發(fā)生掛籃墜落的情況下，橋墩有可能發(fā)生破壞，因此應該采取措施，如壓重和后錨等多種安全措施以確保掛籃正常運轉(zhuǎn)。

3 結語

高墩大跨連續(xù)梁剛構橋適用范圍廣、經(jīng)濟性好，現(xiàn)在已經(jīng)成為幾十米到200多米跨度的主力橋型，但是近年來，大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋在運營期陸續(xù)出現(xiàn)跨中下?lián)?、腹板斜裂縫、底板裂縫等病害，需要我們在設計理論、施工方法中不斷探索完善。因此橋梁在設計時就應該對結構的參數(shù)敏感性及強健性進行分析，以保證施工過程質(zhì)量控制更有針對性，同時對可能出現(xiàn)的施工偏差留有一定的安全儲備，保證施工期間安全，并減小運營階段橋梁病害出現(xiàn)的概率。

［1］顧安邦，張永水.橋梁施工監(jiān)測與控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］葛耀君.分段施工橋梁分析與控制［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］張繼堯，王昌將.懸臂澆筑預應力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］JTGD62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.

［5］徐岳，王亞君，萬振江.預應力混凝土連續(xù)梁橋設計［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［6］吳巖，黃云涌.橋梁結構的強健性設計［J］.黑龍江交通科技，2009（12）.

［7］方華兵，田啟賢.大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋主梁線性控制參數(shù)敏感性分析［J］.橋梁建設，2006（2）.

［8］劉英富，周可夫.PC斜拉橋參數(shù)敏感性分析研究［J］.公路工程，2009，34（10）.

［9］劉代全，龍正聰，王解軍，李全林.預應力混凝土連續(xù)剛構橋的施工控制［J］.公路，2006（2）.

［10］陳素君.高墩大跨連續(xù)剛構橋的設計與施工監(jiān)控［J］.公路，2003（3）.