某懸臂澆筑梁橋施工控制參數(shù)敏感性分析應(yīng)用

肖偉，陳建宇

（重慶市建筑科學研究院，重慶 400016）

0 引言

懸臂澆筑施工的梁橋施工節(jié)段多，工期長，施工期間影響因素多，如果監(jiān)控過程中完全按照設(shè)計參數(shù)來指導施工，橋梁的成橋線形與內(nèi)力在眾多因素的影響下很難達到理想狀態(tài)[1]。為了使橋梁成橋線形和內(nèi)力滿足設(shè)計要求，需要對施工監(jiān)控控制參數(shù)進行敏感性識別。橋梁進行施工控制之前，要對橋梁進行計算分析，并通過現(xiàn)場材料試驗確定橋梁建設(shè)的材料參數(shù)是否與設(shè)計相符合。橋梁建筑材料參數(shù)主要包括：混凝土容重、彈模，預應(yīng)力損失的各種計算參數(shù)等[2]，這些因素會帶來施工中的誤差，而且本身這種分節(jié)段施工的橋梁誤差具有累加性，所以必須在計算過程中精確地考慮這些因素的影響。施工預拱度的主要計算依據(jù)為橋梁成橋階段的累計位移，應(yīng)力是對橋梁受力狀態(tài)的直接反應(yīng)，故本文在后續(xù)計算分析中將梁體施工過程的累計位移與成橋應(yīng)力狀態(tài)作為評價不同參數(shù)敏感性的控制指標[3]。

1 背景橋梁工程概況

合梁橋，主梁采用直腹板的單箱雙室箱梁，箱梁頂板寬度為22.5m，底板寬度為14.5m。0#、1#塊及16#、21#塊邊跨現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆，邊、中跨均設(shè)置2m長合龍段，其余梁段采用掛籃懸臂對稱澆筑施工。主梁懸臂澆筑梁段劃分長度為3.5m、4.5m，懸臂澆筑梁段最大重量約為315t（2#塊）。主墩為鋼筋混凝土空心薄壁墩，墩高18m，兩岸引橋為先簡支后連續(xù)預應(yīng)力混凝土T梁，下構(gòu)橋墩為柱式墩，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，橋臺采用U型橋臺接群樁基礎(chǔ)。

主橋箱梁采用先中跨后邊跨的合龍方式，中跨合攏后拆除9#墩、11#墩墩頂臨時固結(jié)，再進行懸臂施工19#塊與20#跨，最后進行邊跨合攏。橋型布置圖如圖1所示，主梁總體施工方法如表1所示。

圖1 橋型布置圖

表1 主梁總體施工方法

主橋為80m+125m+125m+75m預應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組

主要技術(shù)標準如下所示：

（1）設(shè)計荷載等級：公路：Ⅰ級，人群：2.625kN/m2；

（2）設(shè)計洪水頻率：1/100；

（3）設(shè)計時速：120km/h；

（4）設(shè)計風速：25m/s；

（5）橋面寬度：橋面整幅寬22.5m，橫斷面劃分為：0.5m（護欄）＋19.75m（行車道）＋0.5m（護欄）＋1.5m（人行道）＋0.25m（人行道欄桿）。

2 敏感性分析的主要方法

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)材料實際參數(shù)與設(shè)計值往往存在一定的誤差，結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)誤差是引起橋梁施工控制誤差的主要因素，因此不能完全按照設(shè)計參數(shù)來控制施工。不同的設(shè)計參數(shù)，對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響程度不同[4]，需對施工控制參數(shù)進行分析。

（1）直接通過現(xiàn)場量測或者試驗來確定設(shè)計參數(shù)的值，這種方式需要對許多橋梁的設(shè)計參數(shù)進行試驗，所以需要相應(yīng)的試驗儀器與場所，條件要求高。而且試驗結(jié)果的等待時間長，容易影響橋梁工期[4]。

（2）現(xiàn)在橋梁監(jiān)控中一般是直接通過結(jié)構(gòu)計算分析來確定主要設(shè)計參數(shù)，即通過分析對比每個參數(shù)在相同變化幅度下的設(shè)計參數(shù)對主梁線形與應(yīng)力的影響情況，即通過定量分析研究施工過程中各種誤差的變化對橋梁施工至成橋階段線形與應(yīng)力的影響程度，從而得出每個參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)的敏感性影響情況，即設(shè)計參數(shù)的敏感性分析方法?？梢愿鶕?jù)分析結(jié)果，得出各種設(shè)計參數(shù)中對橋梁結(jié)構(gòu)影響程度的強弱，從而分出設(shè)計參數(shù)中的主要參數(shù)與次要參數(shù)，然后對橋梁結(jié)構(gòu)影響較大的參數(shù)（即主要參數(shù)）進行現(xiàn)場實測或者對橋梁進行誤差分析，得出主要參數(shù)的實際值，再修改模型，運用到施工控制中去[5]。

（3）選定參數(shù)，大跨度橋梁的施工控制參數(shù)主要為結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)包括混凝土設(shè)計參數(shù)與預應(yīng)力損失計算參數(shù)，因此本文的計算分析參數(shù)主要包括：混凝土容重γ；混凝土彈性模量E；鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ；管道局部偏差摩擦影響系數(shù)k；錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值δ。

（4）確定每個參數(shù)的控制變化幅度：

a）規(guī)范規(guī)定混凝土實測容重與計算容重的誤差允許值在2%以內(nèi)，但是在橋梁施工過程中，由于混凝土模板變形、澆筑偏差、內(nèi)部管道的布置等均會引起梁體節(jié)段重量偏差[6]，所以容重的變化應(yīng)該考慮模板變形，澆筑偏差以及內(nèi)部管道布置引起的節(jié)段重量變化；

b）混凝土彈性模量變化不僅受混凝土配合比、集料特征、礦物組成的影響，而且與當?shù)販囟?、混凝土養(yǎng)護情況等有較大關(guān)系，一般而言，實測混凝土彈性模量與設(shè)計彈模的偏差在10%以內(nèi)；

c）規(guī)范規(guī)定預應(yīng)力張拉力誤差在6%以內(nèi)。

綜上所述，為了通過定量分析來確定不同參數(shù)對主梁的影響程度，參數(shù)變化的幅值取10%。

（5）進行計算分析參數(shù)發(fā)生變化時主梁的位移應(yīng)力情況。

（6）然后對比在相同變化幅值下，控制參數(shù)對主梁線形應(yīng)力的影響情況，以確定主要參數(shù)與次要參數(shù)。

3 參數(shù)敏感性計算分析

3.1 混凝土參數(shù)敏感性計算

橋梁材料部分設(shè)計參數(shù)如表2所示，主梁混凝土設(shè)計容重γ=25.0kN/m3、設(shè)計彈模E=3.55×104MPa。為了得出容重與彈模變化對橋梁的影響規(guī)律，分析容重與彈模對結(jié)構(gòu)的敏感性，本節(jié)通過將混凝土容重γ與彈模E增大或減小10%，計算成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的變化情況（符號規(guī)定：位移沿坐標軸向上為正值，向下為負值；應(yīng)力以受拉為正值，受壓負值）。

表2 橋梁材料部分設(shè)計參數(shù)表

容重γ與彈模E變化10%時，成橋狀態(tài)位移差值與應(yīng)力差值如圖2—圖7所示（注：圖中所示結(jié)果為變化后的結(jié)果減去容重變化前的結(jié)果）。

圖2 容重變化（成橋階段）撓度差值

圖3 容重變化（成橋階段）上緣應(yīng)力差值

圖4 容重變化（成橋階段）上緣應(yīng)力差值

圖5 彈模變化（成橋階段）撓度差值

圖6 彈模變化（成橋階段）上緣應(yīng)力差值

圖7 彈模變化（成橋階段）上緣應(yīng)力差值

由圖2計算結(jié)果可知：在成橋階段，容重γ增加10%的主梁位移略大于容重減小10%時的主梁位移，當容重γ增加10%時，主梁位移變化最大為37.788mm（方向向下），變化量為25%；容重γ減少10%時，主梁位移變化最大為37.136（方向向上），變化量為25%。容重變化對墩頂位置主梁的位移影響很小，位移變化最大的位置均位于柳州岸邊跨端部。

由此可知，當容重γ增加或減小10%時，邊跨合龍前的狀態(tài)下主梁節(jié)點位移差值大致為對稱分布，主梁位移隨容重的增大而增大。

由圖3-圖4計算結(jié)果可知，容重γ增加10%時，對應(yīng)單元上緣變化最大為1.29MPa（拉應(yīng)力），應(yīng)力變化幅度為16%，對應(yīng)單元下緣變化最大為1.40MPa（壓應(yīng)力），應(yīng)力變化幅度為17%，變化最大的位置位于0#塊附近；

容重γ減小10%時，對應(yīng)單元上緣變化最大為1.28MPa（壓應(yīng)力），應(yīng)力變化幅度為16%，對應(yīng)單元上緣變化最大為1.32MPa（拉應(yīng)力），應(yīng)力變化幅度為16%，變化最大的位置位于0#塊附近。

由圖5計算結(jié)果可知，在成橋階段，彈性模量E增加10%時，對應(yīng)節(jié)點位移變化最大為13.120mm（方向向上），位移變化幅度為8%；彈性模量E減少10%時，對應(yīng)節(jié)點位移變化最大為16.127mm（方向向下），位移變化幅度為9%。彈性模量的變化對墩頂位置的位移影響很小，變化最大的位置為懸臂端部。

由此可知，成橋狀態(tài)下，當混凝土彈性模量E增加或減小10%時，每個T構(gòu)的主梁節(jié)點位移差值變化趨勢相同且分布對稱，主梁節(jié)點位移差值大致為對稱分布，位移結(jié)果隨著彈性模量的增大而減小。

由圖6、圖7計算結(jié)果可知，混凝土彈性模量的變化對橋梁該階段應(yīng)力影響較小，在成橋階段，彈性模量E增加10%時，對單元上緣變化最大為0.10MPa，應(yīng)力變化幅度為1.2%，對單元下緣變化最大為0.10MPa，應(yīng)力變化幅度為1.1%；彈性模量E減小10%時，對單元上緣變化最大為0.08MPa，對單元下緣變化最大為0.08MPa，應(yīng)力變化幅度小于1%，變化最大的位置均為墩頂附近。

3.2 預應(yīng)力損失參數(shù)敏感性計算

預應(yīng)力損失是橋設(shè)計與施工必須考慮的一項，與混凝土材料收縮徐變類似，預應(yīng)力損失無法進行精確的計算，原因在于引起預應(yīng)力損失的因素很多，比如混凝土材料收縮徐變、錨具變形、鋼筋與波紋管的摩擦、鋼束的實際布置情況與設(shè)計中的差異、鋼筋回縮等[7]。每個國家針對預應(yīng)力損失的計算理論不同，本文主要是針對我國的公路橋梁設(shè)計規(guī)范中所考慮的影響預應(yīng)力損失的參數(shù)進行敏感性分析[8]。

預應(yīng)力損失計算的設(shè)計參數(shù)包括：設(shè)計鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)；管道局部偏差摩擦影響系數(shù)k；錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值[9]。

為了分析預應(yīng)力損失參數(shù)的影響，本節(jié)主要分析以上三個參數(shù)變化10%時對中成橋節(jié)段的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的變化規(guī)律。計算結(jié)果如圖8—圖11所示（符號規(guī)定：位移沿坐標軸向上為正值，向下為負值；應(yīng)力計算結(jié)果拉正壓負；主梁節(jié)點位移與應(yīng)力差值均為預應(yīng)力損失計算參數(shù)變化10%時的計算結(jié)果減去預應(yīng)力損失計算參數(shù)取理論值時的計算結(jié)果）。

圖8 預應(yīng)力參數(shù)變化（成橋狀態(tài)）位移差值

圖9 預應(yīng)力參數(shù)變化（中跨合龍前）位移差值

圖10 預應(yīng)力參數(shù)變化（中跨合龍前）位移差值

圖11 預應(yīng)力參數(shù)變化（中跨合龍前）位移差值

由圖8計算結(jié)果可知，在成橋狀態(tài)下：

鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ變化10%時，對應(yīng)節(jié)點位移變化的最大值為0.93mm，變化量為1.5%，變化最大的位置為中跨合龍段；

管道局部偏差摩擦影響系數(shù)k變化10%時，對應(yīng)節(jié)點位移變化的最大值為0.76mm，變化量為1.3%，變化最大的位置為邊跨合龍段；

錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值δ變化10%時，對應(yīng)節(jié)點位移變化的最大值為0.32mm，變化量小于1%，變化最大的位置為中跨合龍段；

預應(yīng)力損失計算參數(shù)變化10%時，在邊跨合龍前的狀態(tài)下，主梁節(jié)點位移差為對稱分布，位移差值變化趨勢和數(shù)值大小相同，對主梁線形影響最為敏感的計算參數(shù)為鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ。

由圖9—圖11計算結(jié)果可知，鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ變化10%時，主梁上、下緣應(yīng)力變化為對稱分布，對主梁上緣應(yīng)力的影響大于對下緣應(yīng)力的影響。主梁上緣應(yīng)力變化的最大值為0.12MPa，變化幅度為1.4%，變化最大的位置位于1#塊；下緣應(yīng)力變化最大值為0.07MPa，變化幅度小于1%，變化最大的位置位于中跨跨中。

管道局部偏差系數(shù)k變化10%時，主梁上、下緣應(yīng)力變化為對稱分布，對主梁上緣應(yīng)力的影響大于對下緣應(yīng)力的影響。主梁上緣應(yīng)力變化的最大值為0.09MPa，變化幅度為1.1%，變化最大的位置位于1#塊；下緣應(yīng)力變化最大值為0.03MPa，變化幅度小于1%，變化最大的位置位于中跨跨中。

錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值δ變化10%時，主梁上、下緣應(yīng)力變化為對稱分布，對主梁上緣應(yīng)力的影響大于對下緣應(yīng)力的影響。主梁上緣應(yīng)力變化的最大值為0.06MPa，變化幅度小于1%，變化最大的位置位于中跨跨中；下緣應(yīng)力變化最大值為0.04MPa，變化幅度小于1%，變化最大的位置位于中跨跨中與邊跨合龍段。

4 參數(shù)敏感性識別

混凝土容重γ、混凝土彈性模量E、鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ、管道局部偏差摩擦影響系數(shù)k、錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值δ等參數(shù)對橋梁成橋狀態(tài)的影響程度，統(tǒng)計如表3所示（注：表3中位移變化負號表示向下，正號表示向上；應(yīng)力變化負號表示受壓，正號表示受拉；影響幅度表示該位置變化的最大值所占變化前的百分比）。

由表3可知，在10%變化范圍內(nèi)，容重γ橋梁位移與應(yīng)力的影響大于混凝土彈性模量E，混凝土參數(shù)的影響大于預應(yīng)力損失計算參數(shù)的影響（管道摩阻系數(shù)μ，管道偏差系數(shù)k，錨具變形、鋼筋回縮量和接縫壓縮值δ）。因此在施工中可設(shè)定混凝土容重γ和混凝土彈性模量E為主要參數(shù)，其余的為次要參數(shù)[9]。

5 參數(shù)修正后的橋梁線形與應(yīng)力控制結(jié)果

將實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行對比，可以看出施工控制的結(jié)果是否理想?，F(xiàn)場施工單位根據(jù)監(jiān)控人員要求，對主梁混凝土容重與彈模進行了現(xiàn)場測定與試驗，以下計算理論值（圖12—圖17）均是根據(jù)現(xiàn)場混凝土容重測定后的修正結(jié)果。

表3 成橋狀態(tài)下控制參數(shù)敏感性統(tǒng)計表格

圖12 9#墩主梁位移情況

圖13 10#墩主梁位移情況

圖14 11#墩主梁位移情況

由圖12—圖17的控制結(jié)果圖可知：

（1）實測線形在理論線形上下浮動。5#塊施工完成后主梁實測線形與理論線形的最大誤差為1.9cm，位于10#墩3#塊；10#塊施工完成后主梁實測線形與理論線形的最大誤差為2.0cm，位于10#墩10#塊；15#塊施工完成后主梁實測線形與理論線形的最大誤差為1.8cm，位于10#墩13#塊。主梁線形誤差均在規(guī)范允許范圍內(nèi)；

（2）結(jié)構(gòu)實測應(yīng)力在理論應(yīng)力上下浮動，主梁截面應(yīng)力分布均勻，局部未出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)力誤差最大在1MPa以內(nèi)，結(jié)構(gòu)受力正常，控制結(jié)果比較良好，結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)論

圖15 9#墩墩頂主梁應(yīng)力狀態(tài)

圖16 10#墩墩頂主梁應(yīng)力狀態(tài)

圖17 11#墩墩頂主梁應(yīng)力狀態(tài)

通過在定量范圍內(nèi)對混凝土容重、混凝土彈性模量、預應(yīng)力損失計算參數(shù)對主梁線形及截面應(yīng)力的影響程度計算以及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，得出如下結(jié)論：

（1）在10%的變化范圍下，混凝土容重γ對橋梁的線形和應(yīng)力均存在較大影響；混凝土彈性模量E對橋梁線形影響較大，對應(yīng)力影響較??；

（2）在10%變化范圍內(nèi)，混凝土容重γ對橋梁位移與應(yīng)力的影響大于混凝土彈性模量E，混凝土參數(shù)的影響大于管道摩阻系數(shù)μ，管道偏差系數(shù)k，錨具變形、鋼筋回縮量和接縫壓縮值δ的影響。因此在施工中可設(shè)定混凝土容重γ和混凝土彈性模量E為主要參數(shù)，預應(yīng)力損失計算參數(shù)為次要參數(shù)；

（3）根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析，目前橋梁施工到主梁15#節(jié)段，線形與應(yīng)力控制結(jié)果均在理論值上下波動，誤差均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全。