大跨度疊合混合梁斜拉橋施工階段敏感性分析

趙樹(shù)康，曾三林，葉子豪

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

大跨度疊合混合梁斜拉橋主跨采用疊合梁體系，通過(guò)現(xiàn)澆接縫混凝土使橋面板與焊有剪力釘?shù)匿摿焊裥纬烧w共同受力，邊跨則采用自重較大的現(xiàn)澆混凝土主梁壓重。結(jié)構(gòu)體系受力明確，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[1]。但大跨度疊合混合梁斜拉橋存在結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，施工步驟繁瑣，施工周期長(zhǎng)，施工技術(shù)要求高，施工控制難度大等問(wèn)題，施工過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生重要影響的參數(shù)眾多，各類(lèi)施工誤差耦合作用，進(jìn)而影響到斜拉橋成橋狀態(tài)是否能達(dá)到所期望的目標(biāo)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致施工過(guò)程和結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全性隱患。為了實(shí)現(xiàn)這一最終目標(biāo)，必須系統(tǒng)研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)施工過(guò)程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響，揭示結(jié)構(gòu)施工期力學(xué)特性時(shí)變過(guò)程規(guī)律[2]。

本文以某在建大跨度疊合/混合梁斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性影響，確定施工誤差來(lái)源及其分布，探討其對(duì)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程理想狀態(tài)的影響，期望可以為最優(yōu)施工控制方案的制訂提供依據(jù)，同時(shí)為施工過(guò)程中的有限元分析、參數(shù)識(shí)別、模型修正及誤差分析等研究工作提供基礎(chǔ)[3]。

1 工程背景

宜賓南溪長(zhǎng)江公路大橋主橋?yàn)殡p塔雙索面斜拉橋，跨度為280 m+572 m+(72.5+63+53.5) m，北岸邊跨及主跨主梁采用鋼-混凝土疊合梁，非對(duì)稱(chēng)縱向半漂浮體系，南岸邊跨主梁因配重需要采用雙縱肋混凝土主梁，并設(shè)置2個(gè)輔助墩，橋塔采用花瓶形塔，全橋共4×21+4×20=164根斜拉索?？傮w布置圖如圖1所示。

圖1 宜賓南溪長(zhǎng)江公路大橋橋型布置(單位：m)

施工方法：南岸混凝土邊跨采用支架現(xiàn)澆施工；北岸采用雙懸臂對(duì)稱(chēng)拼裝施工至19#段，北岸邊跨配重錨固段采用支架施工，邊跨合龍，繼續(xù)施工至21#段，南岸中跨單懸臂施工至20#段，中跨合龍，施工步驟如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)梁段施工步驟

2 研究?jī)?nèi)容與方法

2.1 研究?jī)?nèi)容

基于現(xiàn)場(chǎng)施工情況及相關(guān)文獻(xiàn)規(guī)范，確定了鋼梁自重和彈模、橋面板自重和彈模等11個(gè)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)及變化范圍，以探討結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的變化對(duì)施工過(guò)程理想狀態(tài)的影響程度。本文研究的結(jié)構(gòu)主要參數(shù)及變化范圍如表1所示，表中“±”表示增、減，如鋼梁自重±5 %表示鋼梁自重增加或減少5 %。索塔初始塔偏為+30 mm表示索塔施工完成后索塔偏向岸側(cè)30 mm；拉索錨點(diǎn)高程為+10 mm表示錨點(diǎn)高程高于設(shè)計(jì)值10 mm；拉索初張力+10 %表示在三張力不變情況下，初張力增加10 %。

2.2 研究方法

(1)采用西南交通大學(xué)李喬教授等開(kāi)發(fā)的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析系統(tǒng)計(jì)算專(zhuān)用分析軟件NLABS建立用于施工過(guò)程仿真分析的基準(zhǔn)狀態(tài)模型，通過(guò)結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算，獲得最大單懸臂施工理想狀態(tài)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的基準(zhǔn)值。

表1 結(jié)構(gòu)主要參數(shù)變化范圍

(2)在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變的前提下，根據(jù)所研究的單一參數(shù)的變化修改分析模型，完成參數(shù)誤差存在的情況下的施工全過(guò)程有限元模擬分析，提取出各個(gè)參數(shù)誤差所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)誤差。

(3)對(duì)比分析各參數(shù)誤差對(duì)施工過(guò)程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響情況，揭示結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)力學(xué)特性時(shí)變過(guò)程規(guī)律，確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)偏差對(duì)控制結(jié)果的影響程度，為現(xiàn)場(chǎng)施工控制誤差限值的確定提供理論支撐，為最優(yōu)控制決策提供科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)構(gòu)行為敏感性分析

以南溪長(zhǎng)江公路大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)所研究的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)施工過(guò)程理想狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為的影響進(jìn)行匯總，在此基礎(chǔ)上分別考察主梁線形、鋼梁應(yīng)力、橋面板應(yīng)力、索塔塔偏、索塔應(yīng)力、拉索應(yīng)力等6類(lèi)結(jié)構(gòu)行為對(duì)上述參數(shù)的變化的敏感程度，分析影響上述結(jié)構(gòu)行為的主要因素，并對(duì)應(yīng)提出相應(yīng)的控制策略。

3.1 線形影響分析

3.1.1 主梁線形

各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)最大單懸臂施工理想狀態(tài)的主梁線形的影響如下表2所示，規(guī)定豎直向上為正，反之為負(fù)。

從表2可以看出最大單懸臂狀態(tài)主梁線形對(duì)鋼梁及橋面板自重的變化非常敏感，主梁自重是主梁線形最大影響因素之一，原因在于自重偏差直接改變主梁恒載，造成主梁位移偏差；其次是拉索初張力偏差，對(duì)主梁線形的影響達(dá)到了46.3 cm，原因主要是由于初張時(shí)橋面板間濕接縫尚未澆筑完成，結(jié)構(gòu)比較柔軟，而三張時(shí)橋面板與鋼梁形成的疊合梁體系，結(jié)構(gòu)剛度增加。在三張力不變的情況下，初張力出現(xiàn)偏差，會(huì)導(dǎo)致主梁位移發(fā)生變化，這也是疊合梁斜拉橋的特點(diǎn)之一。鋼梁彈模、橋面板彈模、拉索彈模也是影響主梁線形的重要因素，鋼梁彈模較橋面板對(duì)主梁線形影響程度更大。而邊跨現(xiàn)澆混凝土段自重、初始塔偏、錨點(diǎn)高程、索塔剛度等對(duì)主梁線形影響不大。

表2 各參數(shù)變化對(duì)主梁線形的影響 mm

3.1.2 索塔塔偏

各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)最大單懸臂施工理想狀態(tài)的索塔塔偏的影響如表3所示，表中誤差上、下限分別為結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生正、負(fù)偏差所造成的影響值，規(guī)定索塔偏向岸側(cè)為正，偏向江側(cè)為正。

表3 各參數(shù)變化對(duì)塔偏的影響 mm

鋼梁自重、橋面板自重、索塔剛度、拉索彈模等是塔偏重要影響因素，而諸如初始塔偏、鋼梁彈模、橋面板彈模、拉索初張力、邊跨混凝土自重等對(duì)塔偏的影響并不顯著。由于施工控制中主要關(guān)注主梁線形及斜拉索索力，通過(guò)控制施工質(zhì)量難以達(dá)到控制塔偏的目的，必要時(shí)采用調(diào)整索力等方法來(lái)消除或減少不利因素的影響，同時(shí)在有限元分析中準(zhǔn)確模擬主梁自重、混凝土收縮及徐變的影響對(duì)控制塔偏意義重大。

3.2 應(yīng)力影響分析

3.2.1 主梁應(yīng)力

各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)最大單懸臂施工理想狀態(tài)的主梁應(yīng)力的影響如表4所示，由于各參數(shù)變化對(duì)橋面板壓應(yīng)力影響值在0～0.19 MPa范圍內(nèi)，對(duì)于抗壓強(qiáng)度很高的混凝土橋面板影響微乎其微，故表中僅列出了各參數(shù)對(duì)鋼梁上下翼緣的拉壓應(yīng)力的影響。

表4 各參數(shù)變化對(duì)鋼梁應(yīng)力的影響 MPa

對(duì)鋼梁上下翼緣應(yīng)力影響較大的是拉索初張力、鋼梁及橋面板自重；其余參數(shù)對(duì)鋼梁應(yīng)力影響不大。當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，鋼梁壓應(yīng)力最大增量為14.01 MPa，拉應(yīng)力最大增量為16.05 MPa，其最大拉壓應(yīng)力值均小于規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力。結(jié)合主梁線形敏感性分析可得：雖然多個(gè)因素都可能對(duì)主梁線形產(chǎn)生較為顯著的影響，而可對(duì)主梁應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響的因素卻不多，這一現(xiàn)象是由斜拉橋?qū)偃嵝越Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)所決定的[4]。故在大跨度疊合混合梁斜拉橋主梁的施工控制中，采用線形為主，應(yīng)力為輔的控制原則。

3.2.2 索塔應(yīng)力

在考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)存在誤差的情況下，最大單懸臂狀態(tài)下索塔壓應(yīng)力及索應(yīng)力受各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響見(jiàn)表5，由于索塔全截面受壓，拉索全部受拉，表中索塔應(yīng)力變化為壓應(yīng)力增量，拉索應(yīng)力變化為拉應(yīng)力增量。

表5 各參數(shù)變化對(duì)索塔應(yīng)力的影響 MPa

由表5可以看出橋面板自重、鋼梁自重、拉索自重及彈模對(duì)拉索應(yīng)力影響最大，是影響索應(yīng)力的主要因素，其余因素對(duì)拉索應(yīng)力影響不顯著。各研究參數(shù)對(duì)最大單懸臂階段的索塔壓應(yīng)力的影響量較小，僅橋面板自重變化在索塔岸側(cè)造成1.12 MPa的增量，其余參數(shù)變化影響極值均在1 MPa以內(nèi)，這對(duì)于混凝土索塔結(jié)構(gòu)受力影響不大。

4 結(jié)論

(1)鋼梁及橋面板自重的變化對(duì)最大單懸臂狀態(tài)主梁線形影響最大，其次是拉索初張力偏差，鋼梁彈模、橋面板彈模、拉索彈模也是影響主梁線形的重要因素。而初始塔偏、錨點(diǎn)高程、索塔剛度等對(duì)主梁線形影響不大，可適當(dāng)放寬誤差限值[5]。

(2)從塔偏影響因素分析得出，除鋼主梁及橋面板自重、拉索彈模對(duì)塔偏影響較大外，其余參數(shù)變化對(duì)塔偏影響均在毫米數(shù)量級(jí)，說(shuō)明主跨疊合梁與邊跨混凝土梁組成的結(jié)構(gòu)體系提高了斜拉橋順橋向整體抗彎剛度。

(3)斜拉索初張力對(duì)主梁線形及鋼梁應(yīng)力均影響較大， 關(guān)系著鋼梁與橋面板之間內(nèi)力分布的分布情況，在施工中應(yīng)該重點(diǎn)控制，保證張拉到位，滿足施工控制限值要求。

(4)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)主梁線形影響較大，尤其是主梁自重和拉索初張力，故需要在鋼梁及橋面板安裝前進(jìn)行精準(zhǔn)稱(chēng)重，修正模型自重荷載，同時(shí)減小初張力誤差。而索、塔、梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)各參數(shù)變化不敏感，故實(shí)際施工控制過(guò)程中，在結(jié)構(gòu)處于安全的前提下，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注主梁線形及塔偏[6]。