斜拉橋施工參數(shù)敏感性分析

李夫凱, 張 力

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

斜拉橋施工參數(shù)敏感性分析

李夫凱1, 張 力2

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

在斜拉橋的施工過(guò)程中，存在很多不確定因素和不可避免的誤差，這些因素會(huì)影響橋梁施工控制精度，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)不完全一致。在施工控制過(guò)程中，必須識(shí)別這些參數(shù)，分析這些參數(shù)可能引起的誤差，并進(jìn)行調(diào)整和修正。通過(guò)某斜拉橋成橋狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀態(tài)偏差的主要因素及其影響大小分析，望能對(duì)以后同類橋梁施工及施工管理提供微薄的參考價(jià)值。

斜拉橋；施工控制精度；成橋狀態(tài)；設(shè)計(jì)狀態(tài)

1 概 述

在斜拉橋的施工過(guò)程中，存在很多不確定因素和不可避免的誤差，這些因素會(huì)影響橋梁施工控制的精度，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)不完全一致[1-2]。造成橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀態(tài)偏差的主要原因是實(shí)際施工過(guò)程中各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，與設(shè)計(jì)狀態(tài)有一定偏差，另外施工誤差、測(cè)量誤差等也是重要的影響因素。設(shè)計(jì)參數(shù)包括自重、混凝土彈性模量、斜拉索彈性模量、斜拉索索力、溫度等[3-5]。在這些參數(shù)中，有些參數(shù)的改變會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，稱之為敏感參數(shù)。有些參數(shù)的改變對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響較小，稱之為非敏感參數(shù)[6-7]。參數(shù)敏感性分析的目的就是通過(guò)識(shí)別確認(rèn)其中對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響較大的參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響程度，一方面保證了施工的精確性，另一方面可以適當(dāng)放寬對(duì)某些非敏感性參數(shù)的控制要求，減少人力物力[8]。

本文以某120 m+160 m獨(dú)塔雙索面斜拉橋?yàn)槔M(jìn)行分析，涉及敏感性分析的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有：主梁自重變化、溫度變化、主梁混凝土彈性模量變化、索力偏差、預(yù)應(yīng)力參數(shù)變化等。以成橋階段主梁變形與拉索內(nèi)力作為控制目標(biāo)。在進(jìn)行參數(shù)敏感性分析時(shí)，一般只要使需要考察的參數(shù)變化一定幅度，其他參數(shù)采用設(shè)計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)值，在這個(gè)條件下考察控制目標(biāo)的變化程度來(lái)判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性，得到結(jié)果可以指導(dǎo)施工控制工作[8-9]。

2 主梁自重敏感性分析

模板變形、截面尺寸誤差、混凝土超方等都會(huì)引起結(jié)構(gòu)自重的變化，因此在實(shí)際施工過(guò)程中主梁自重很容易產(chǎn)生偏差[7]。在保持模型其他參數(shù)不變的前提下，將主梁自重分別增加5%、10%，計(jì)算目標(biāo)工況下主梁線形和內(nèi)力變化，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖中數(shù)據(jù)均為目標(biāo)值與基準(zhǔn)取值的計(jì)算差值。

圖1 成橋階段主梁累計(jì)撓度變化值

圖2 成橋階段拉索索力變化值

從圖1、圖2中可以看出成橋階段當(dāng)主梁自重增加5%時(shí)最大撓度變化值最大達(dá)120 mm，自重增加10%時(shí)此處撓度變化值最大達(dá)238 mm；當(dāng)自重增加5%時(shí)索力最大變化了227 kN(4.4%)，當(dāng)自重增加10%時(shí)索力最大變化了455 kN(8.7%)。由此可見(jiàn)，主梁自重的變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力的影響均十分顯著。

3 溫度敏感性分析

溫差可以分晝夜溫差和季節(jié)溫差兩種，晝夜溫差是結(jié)構(gòu)局部溫差，季節(jié)溫差則是結(jié)構(gòu)均勻性整體升溫或整體降溫[1,10]，下面分別對(duì)兩種溫差進(jìn)行研究分析。

(1) 晝夜溫差敏感性分析。晝夜溫差的模擬可以通過(guò)軟件中的溫度梯度功能實(shí)現(xiàn)，在其他條件不變的前提下，設(shè)定主梁頂板溫度和底板溫度差分別為10 ℃，-10 ℃時(shí)，通過(guò)計(jì)算成橋狀態(tài)下主梁內(nèi)力和線形的變化來(lái)判斷晝夜溫差的敏感性[4-6]。其結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 成橋階段主梁累計(jì)撓度變化值

圖4 成橋階段拉索索力變化值

從圖3、圖4中可以看出，成橋階段晝夜溫差使得橋梁結(jié)構(gòu)線形發(fā)生變化，其中變化最大為主跨跨中位置，差值為16 mm；晝夜溫差也使全橋索力發(fā)生一定變化，根部及兩端的拉索索力變化大于跨中位置，其中索力變化最大差值為88 kN(2.3%)，出現(xiàn)在主梁根部拉索區(qū)。由此可得，晝夜溫差對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力有一定影響。

(2) 季節(jié)溫差敏感性分析。季節(jié)性溫差的模擬可以通過(guò)在模型中添加溫度荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體升溫按25 ℃考慮，系統(tǒng)整體降溫也按25 ℃考慮。通過(guò)計(jì)算模型成橋狀態(tài)下主梁內(nèi)力和線形的變化來(lái)判斷季節(jié)性溫差的敏感性。其結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 成橋階段主梁累計(jì)撓度變化值

圖6 成橋階段拉索索力變化值

從圖5、圖6中可以看出，成橋階段季節(jié)性溫差使得橋梁結(jié)構(gòu)線形發(fā)生變化最大為主梁根部位置，差值為7 mm；全橋索力變化最大為邊跨及主跨跨中位置，其中索力變化最大差值為17 kN(0.3%)。經(jīng)過(guò)比較可知，季節(jié)性溫差對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響明顯小于晝夜溫差產(chǎn)生的影響。季節(jié)性溫差對(duì)橋梁構(gòu)的線形和內(nèi)力影響比較小。

4 主梁彈性模量敏感性分析

橋梁在實(shí)際施工過(guò)程中由于各方面因素影響混凝土的彈性模量往往與設(shè)計(jì)值不相符[7，11]，為了研究其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響程度，下面主要列出主梁混凝土彈性模量增加5%和10%后目標(biāo)工況下橋梁線形及受力性能的變化情況。如圖7、圖8所示。

圖7 成橋階段主梁累計(jì)撓度變化值

圖8 成橋階段拉索索力變化值

從圖7、圖8可以看出，主梁混凝土彈性模量增大10%時(shí)成橋階段撓度最大變化量只有4 mm，拉索索力最大變化量為12 kN(0.2%)。而主梁混凝土彈性模量增大5%時(shí)，其撓度、索力的變化量均為上述數(shù)值的一半。由此可得，主梁彈性模量的變化對(duì)全橋線形和受力性能的影響較小。

5 拉索索力敏感性分析

相比于其他類型橋梁，斜拉索在斜拉橋中承擔(dān)了相當(dāng)大的荷載作用。而在施工中由于各種原因造型索力不同于計(jì)算索力幾乎每個(gè)橋都是，只是根據(jù)施工單位的責(zé)任態(tài)度不同，差別大小不同而已[2，7]。本文通過(guò)對(duì)模型中成橋索力值增大5%、10%的方式來(lái)分析索力對(duì)成橋狀態(tài)下線形的影響，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 成橋階段主梁累計(jì)撓度變化值

從圖9中可以看出，成橋索力增大5%時(shí)，主梁撓度最大變化量達(dá)61 mm，成橋索力增大10%時(shí)，主梁撓度最大變化量達(dá)128 mm，由此可得，斜拉索索力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的線形影響顯著。

因此，在每個(gè)施工階段，都要加大對(duì)索力的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作，根據(jù)設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制二次調(diào)索過(guò)程中的索力大小，減小索力誤差給橋梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響，以保證橋梁結(jié)構(gòu)最終線形和內(nèi)力合理。

6 預(yù)應(yīng)力敏感性分析

預(yù)應(yīng)力參數(shù)主要包括預(yù)應(yīng)力與管道壁的摩擦系數(shù)，管道每米局部偏差影響系數(shù)，錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值等[4-5]，這些參數(shù)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值分別為0.17、0.001 5 m-1、0.006 m。實(shí)際施工中這些參數(shù)很難與理論值保持完全一致，特別在管道彎曲半徑上，施工單位往往不按照設(shè)計(jì)半徑設(shè)置，而是根據(jù)方便隨意彎折了事，對(duì)預(yù)應(yīng)力損失影響較大。因此本文通過(guò)對(duì)這三個(gè)參數(shù)分別增大5%、10%后成橋階段主梁撓度、索力的變化情況來(lái)判斷其敏感性，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 成橋階段主梁累計(jì)撓度變化值

圖11 成橋階段拉索索力變化值

從圖10、圖11中可以看出，將預(yù)應(yīng)力三個(gè)參數(shù)增大10%時(shí)，主梁撓度最大變化量只有0.5 mm，拉索索力最大變化量只有1.2 kN。由此可得，主梁預(yù)應(yīng)力參數(shù)的變化對(duì)橋梁成橋狀態(tài)時(shí)的線形和內(nèi)力并無(wú)明顯影響。

7 參數(shù)敏感性結(jié)果分析

前面已分析了主梁自重、晝夜溫差、季節(jié)性溫差、混凝土彈性模量、索力、預(yù)應(yīng)力參數(shù)對(duì)主梁成橋階段的線形和索力的影響?，F(xiàn)將各參數(shù)影響程度進(jìn)行排序。表1、表2文中分析了參數(shù)變化5%和10%后的情況，為便于比較，均選取參數(shù)變化10%后對(duì)成橋階段的影響。并且基于該變量絕對(duì)值的大小對(duì)參數(shù)敏感性進(jìn)行排序[12]。

表1 主梁線形各影響因素敏感程度排序

表2 拉素索力各影響因素敏感程度排序

8 結(jié)束語(yǔ)

本文以成橋階段主梁變形、拉索索力作為控制目標(biāo)。對(duì)主梁自重、溫度、主梁彈性模量、索力、預(yù)應(yīng)力參數(shù)5個(gè)參數(shù)的敏感性進(jìn)行了分析。并根據(jù)分析結(jié)果將各參數(shù)對(duì)主梁線形、索力的影響程度進(jìn)行排序。經(jīng)過(guò)分析可知，對(duì)斜拉橋成橋安全度敏感性程度較大的參數(shù)是主梁自重、拉索索力[12]、晝夜溫差等。因此、施工單位在施工中應(yīng)嚴(yán)格對(duì)這些因素進(jìn)行控制，管理單位可根據(jù)敏感因素的敏感程度采取針對(duì)性管理策略，以求達(dá)到更好的成橋狀態(tài)。

[1] 匡樹(shù)鈞.斜拉橋施工監(jiān)控技術(shù)[J].山西建筑，2008,34(8):333～334.

[2] 郝中海.五河口斜拉橋施工質(zhì)量監(jiān)理[M].北京：人民交通出版社，2009.

[3] 王 君.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工監(jiān)控與結(jié)構(gòu)仿真分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 顧安邦,范立礎(chǔ).橋梁工程(下冊(cè))[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5] 項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京：人民交通出版社，2002.

[6] 劉旭政,黃平明,許漢錚.獨(dú)塔斜拉橋參數(shù)敏感性分析[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007,27(6):63～66.

[7] 中交第二航務(wù)工程局有限公司.斜拉橋——公路橋梁施工系列手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2014.

[8] 張自榮，薛 進(jìn).斜拉橋施工監(jiān)理技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[9] 岳東杰.現(xiàn)代大型斜拉橋塔梁施工測(cè)控技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[10] 完海鷹,許利星,馬慶宏.單索面矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析[J].工程與建設(shè),2012,26(3):349～351.

[11] 王 濤.矮塔斜拉橋的施工監(jiān)控技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[12] 續(xù)若楠.矮塔斜拉橋施工控制與索力優(yōu)化研究[D].南京：東南大學(xué)，2011.

2016-09-07；修改日期：2016-09-09

李夫凱(1984-)，男，安徽合肥人，碩士，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司工程師．

U448.27

A

1673-5781(2016)05-0689-04