“花瓣式”異形斜拉橋結(jié)構(gòu)受力影響因素敏感性研究

閆 鵬

（山西交通控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

斜拉橋是由主塔、主梁及拉索等構(gòu)件組成的一種空間超靜定結(jié)構(gòu)體系[1-2]。斜拉橋分階段施工過(guò)程中施工材料、拉索初拉力等因素會(huì)對(duì)成橋階段受力狀態(tài)產(chǎn)生很大的影響[3-4]。因此通過(guò)對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)受力影響因素進(jìn)行敏感性分析，對(duì)于通過(guò)減少敏感性因素誤差的方式達(dá)到斜拉橋合理成橋狀態(tài)具有非常重要的意義。

許多學(xué)者對(duì)異形斜拉橋參數(shù)敏感性問(wèn)題進(jìn)行了較為深入的研究。王生武針對(duì)異形獨(dú)塔斜拉橋的參數(shù)敏感性問(wèn)題分別進(jìn)行了理論分析和模型試驗(yàn)，得出結(jié)構(gòu)自重、斜拉索索力和整體溫度對(duì)大橋影響較大，而橋梁的整體剛度和混凝土收縮徐變對(duì)橋梁成橋狀態(tài)的影響較小的結(jié)論[5]；通過(guò)對(duì)無(wú)背索曲塔曲梁斜拉橋參數(shù)敏感性分析，劉世明等學(xué)者得出溫度作用和結(jié)構(gòu)容重是影響該類(lèi)斜拉橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力的敏感性因素[6]。然而針對(duì)“花瓣式”異形鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋參數(shù)敏感性分析的研究較少，相關(guān)參考資料不足。為了探究“花瓣式”異形斜拉橋敏感性參數(shù)并保證結(jié)構(gòu)經(jīng)分階段施工后達(dá)到合理成橋狀態(tài)，本文以西安市富裕路灃河大橋?yàn)轫?xiàng)目依托，分析結(jié)構(gòu)容重、拉索彈模、拉索初張力、體系溫度等參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律，為同類(lèi)橋梁的順利施工提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

西安市富裕路灃河大橋跨徑布置為（2×80）m，外觀立體圖呈“花瓣式”，雙索面斜拉橋體系；主塔和主梁均采用鋼材料，塔墩采用固結(jié)形式，塔梁分離?！盎ò晔健碑愋涡崩瓨蚶鞣譃樗剿鳎?對(duì)）及斜拉索（2×8對(duì)），水平索在主塔兩端對(duì)稱(chēng)張拉，斜拉索錨固端設(shè)置在主塔上端?！盎ò晔健碑愋涡崩瓨蛄⒚鎴D見(jiàn)圖1，側(cè)視圖見(jiàn)圖2（第61頁(yè)）。

西安富裕路灃河大橋鋼主塔采用吊裝法施工，鋼主梁采用頂推法施工。鋼主梁頂推施工采用多點(diǎn)步履式頂推施工方案，它在各個(gè)主墩上設(shè)置臨時(shí)墊塊，主墩兩側(cè)設(shè)置臨時(shí)墩，各臨時(shí)墩上設(shè)置一對(duì)具有水平千斤頂和豎向千斤頂?shù)捻斖圃O(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為了保證鋼箱梁和鋼塔之間的協(xié)調(diào)施工，互不干擾，加快施工進(jìn)度，綜合考慮最合理的施工流程如圖3所示。

圖3 灃河大橋施工流程圖

圖1 斜拉橋立面圖

圖2 斜拉橋側(cè)視圖

2 結(jié)構(gòu)模型

基于Midas Civil建立“花瓣式”異形斜拉橋空間有限元模型，共劃分179個(gè)單元，186個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中采用梁?jiǎn)卧M鋼箱梁和鋼拱塔結(jié)構(gòu)，采用索單元模擬水平索和斜拉索，采用節(jié)點(diǎn)剛性連接模擬墩梁固結(jié)以及斜拉索節(jié)點(diǎn)和主梁節(jié)點(diǎn)之間的作用。根據(jù)橋梁施工過(guò)程共劃分40個(gè)施工階段。為了結(jié)構(gòu)受力識(shí)別，順時(shí)針定義拱腳編號(hào)，即左側(cè)鋼拱塔近側(cè)拱腳定義為1號(hào)拱腳，遠(yuǎn)側(cè)拱腳定義為2號(hào)拱腳；右側(cè)鋼拱塔遠(yuǎn)側(cè)拱腳定義為3號(hào)拱腳，近側(cè)拱腳定義為4號(hào)拱腳?！盎ò晔健毙崩瓨蛴邢拊Ｐ鸵?jiàn)圖4，模型參數(shù)信息見(jiàn)表1。

圖4 灃河大橋模型圖

表1 模型基本參數(shù)

3 影響因素敏感性分析

工廠預(yù)制及現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中鋼材施焊和螺栓的布置均會(huì)增加“花瓣式”異形斜拉橋鋼拱塔及鋼主梁自重，在模型中可通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)容重的調(diào)整來(lái)考慮該影響，根據(jù)工程實(shí)際情況結(jié)構(gòu)容重的變化范圍取3%[7]；由于施工水平、儀器設(shè)備誤差等因素，斜拉索張拉索力與設(shè)計(jì)索力存在誤差，因此斜拉索初張力和拉索彈模的變化范圍選定為±5%[8]；施工過(guò)程中季節(jié)溫差、晝夜溫差均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生影響，因此整體溫度變化選定為±30℃[9]，模型中通過(guò)體系溫度升高和降低考慮整體溫度的影響。下面對(duì)“花瓣式”異形斜拉橋在結(jié)構(gòu)容重、拉索彈模、初張力及整體溫度等結(jié)構(gòu)受力因素分別作用下成橋狀態(tài)主梁撓度、梁截面應(yīng)力、主塔變形、塔底截面應(yīng)力、拉索索力進(jìn)行研究。

3.1 主梁撓度分析

“花瓣式”異形斜拉橋鋼主梁撓度受結(jié)構(gòu)容重、拉索彈性模量、拉索初張力及整體溫度等因素影響見(jiàn)圖5。

圖5 鋼主梁撓度

由圖5，整體降溫30℃引起鋼主梁左跨3/4跨徑及右跨1/4跨徑附近的豎向變形量最大為-9.89 mm；拉索初張力增大5%將會(huì)引起鋼主梁跨中附近產(chǎn)生向上的變形，變形量為5.99 mm；鋼主梁在結(jié)構(gòu)容重增大3%和拉索彈模減小5%作用下均會(huì)產(chǎn)生下?lián)?，變形量分別為-3.39 mm和-1.31 mm。綜上：結(jié)構(gòu)容重、整體溫度和拉索初張力對(duì)鋼主梁撓度的影響程度較大，為敏感性因素；拉索彈模對(duì)鋼主梁撓度影響程度稍小，為非敏感因素。

3.2 梁截面應(yīng)力分析

“花瓣式”異形斜拉橋鋼主梁截面應(yīng)力受體系溫度、容重、拉索初張力及拉索彈模等因素影響程度如圖6所示。

由圖6可知，降溫30℃時(shí)鋼主梁截面上緣將產(chǎn)生最大為-1.96 MPa的壓應(yīng)力，下緣產(chǎn)生最大為0.82 MPa的拉應(yīng)力；拉索初張力增大5%引起鋼主梁截面上緣和下緣的應(yīng)力增量最大值分別為0.76 MPa和-0.59 MPa，其敏感性要小于整體溫差作用；當(dāng)結(jié)構(gòu)容重增大3%時(shí)，鋼主梁截面上緣最大會(huì)產(chǎn)生-0.81 MPa的壓應(yīng)力增量，而截面下緣產(chǎn)生0.61 MPa的拉應(yīng)力增量；當(dāng)拉索彈模減小5%，主梁截面上、下緣最大應(yīng)力增量分別為0.17 MPa和-0.11 MPa。綜上：整體溫度、拉索初張力和結(jié)構(gòu)容重對(duì)“花瓣式”異形斜拉橋鋼主梁截面應(yīng)力的影響程度較大，為敏感性因素；拉索彈性模量為非敏感因素。

圖6 鋼主梁上、下緣應(yīng)力增量

3.3 塔頂變形分析

“花瓣式”異形斜拉橋鋼拱塔包括水平和垂直兩個(gè)方向的變形。鋼拱塔塔頂水平變形取向右為正，向左為負(fù)；豎直變形取向上為正，向下為負(fù)?！盎ò晔健碑愋涡崩瓨蜃箐摴八陀忆摴八斪冃螌?duì)稱(chēng)，因此僅以左鋼拱塔塔頂變形增量進(jìn)行敏感性分析，斜拉橋雙拱塔塔頂水平變形和垂直變形受容重、拉索初張力、拉索彈模及體系溫度等因素影響見(jiàn)表2所示。

表2 塔頂變形增量 mm

由表2得知，“花瓣式”異形斜拉橋整體降溫30℃引起左鋼拱塔塔頂水平變形和垂直變形增量分別為14.895 mm和-11.106 mm；拉索初張力增大5%引起左鋼拱塔塔頂變形分別為-7.620 mm和-3.499 mm；塔頂變形對(duì)應(yīng)容重增大3%和拉索彈模減小5%的最大值分別為-9.562 mm和-1.603 mm。綜上：整體溫度和結(jié)構(gòu)容重對(duì)“花瓣式”異形斜拉橋鋼主梁截面應(yīng)力的影響程度較大，為敏感性因素；拉索初張力和拉索彈性模量為非敏感因素。

3.4 塔底截面應(yīng)力分析

“花瓣式”異形斜拉橋左右對(duì)稱(chēng)，同時(shí)關(guān)于橋面縱軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，因此僅對(duì)1號(hào)拱腳截面應(yīng)力進(jìn)行敏感性分析?！盎ò晔健碑愋涡崩瓨螂p拱塔1號(hào)拱腳截面應(yīng)力受影響見(jiàn)表3所示。

表3 1號(hào)拱腳截面應(yīng)力增量 MPa

由表3可以看出，整體降溫30℃引起“花瓣式”異形斜拉橋1號(hào)拱腳處截面最大應(yīng)力增量為4.880 MPa，位于拱腳截面左下緣；拉索初張力增大5%引起1號(hào)拱腳截面左下緣應(yīng)力增量最大為13.843 MPa；結(jié)構(gòu)容重增加3%及拉索彈模減小5%對(duì)拱腳影響最大位置分別為截面左上緣和截面右上緣，為-5.179 MPa、-0.221 MPa。綜上：整體溫度和結(jié)構(gòu)容重對(duì)“花瓣式”異形斜拉橋鋼主梁截面應(yīng)力的影響程度較大，為敏感性因素；拉索初張力和拉索彈性模量為非敏感因素。

3.5 成橋狀態(tài)拉索索力分析

在容重、拉索初張力、拉索彈模及體系溫度影響下，“花瓣式”異形斜拉橋水平索S1～S8及斜拉索X1～X8成橋狀態(tài)索力值見(jiàn)圖7所示。

圖7 拉索索力增量

由圖7可知，成橋狀態(tài)拉索索力受拉索初張力增大5%及整體降溫30℃影響下的最大增量分別為113.1 kN和-79.6 kN，均發(fā)生在X8號(hào)斜拉索；結(jié)構(gòu)容重增大3%時(shí)對(duì)S8號(hào)斜拉索成橋索力影響值最大為20.2 kN；拉索彈模減小5%對(duì)拉索索力增量最大值為-16.3 kN。綜上：整體溫度和拉索初張力對(duì)“花瓣式”異形斜拉橋成橋狀態(tài)拉索索力影響程度較大，為敏感性因素；結(jié)構(gòu)容重和拉索彈模對(duì)成橋狀態(tài)索力影響程度較小，為非敏感因素。

4 結(jié)論

基于Midas Civil建立“花瓣式”異形斜拉橋有限元模型，分析了容重、拉索彈模、拉索初張力、體系溫度等結(jié)構(gòu)受力影響因素變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力的敏感程度，結(jié)果表明：

a）體系溫度、拉索力和結(jié)構(gòu)容重對(duì)“花瓣式”異形斜拉橋成橋狀態(tài)主梁撓度、主塔變形、拉索索力、拱腳及鋼主梁截面應(yīng)力影響較大，為敏感因素；拉索彈模對(duì)上述指標(biāo)的影響程度較小，為非敏感因素。

b）“花瓣式”異形斜拉橋在分階段施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制整體溫度、拉索初張力及自重，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型中的敏感因素進(jìn)行適當(dāng)修正，保證成橋狀態(tài)下主梁撓度、主塔變形、拉索索力、拱腳及鋼主梁截面應(yīng)力等滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度要求。

c）將上述結(jié)構(gòu)受力影響因素敏感性研究成果在西安市富裕路灃河大橋中進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)主梁撓度、主塔變形、拉索索力、拱腳及鋼主梁截面應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明本文的研究成果能夠有效減小施工過(guò)程誤差對(duì)成橋狀態(tài)的影響程度，可為其他“花瓣式”異形斜拉橋在設(shè)計(jì)、施工中的結(jié)構(gòu)敏感性研究提供有益參考。