斜拉索張拉與主梁澆筑誤差對(duì)無(wú)背索斜拉橋的影響研究

荀敬川，劉吉誠(chéng)，彭晶蓉，李源

(1.中建路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050001； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院； 3.西安工業(yè)大學(xué))

無(wú)背索斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)與施工高度耦合，即斜拉橋所采用的施工方法、施工中斜拉索張拉的順序和張拉力的大小、施工節(jié)段的立模標(biāo)高、混凝土的澆注程序、材料性能以及施工過(guò)程中橋梁周圍大氣的濕度與溫度都將直接影響成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布與成橋線形。

該文以某無(wú)背索斜拉橋?yàn)楸尘?，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工監(jiān)控及相關(guān)科研工作，選取該橋的主梁澆筑厚度誤差作為不確定因素，從概率角度對(duì)該橋的力學(xué)行為進(jìn)行分析，在結(jié)構(gòu)受力和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，為該橋的施工控制精度提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某混凝土無(wú)背索斜拉橋跨徑布置為(80+40) m，為獨(dú)塔雙索面斜拉橋，平面位于直線上，立面位于R=6 500 m的豎曲線上。設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，γ0=1.1。

該橋?yàn)樗憾展探Y(jié)體系，橋?qū)?0.5 m，主梁橫截面采用兩個(gè)分離的箱形截面，中間用橫梁連接，主梁兩端采用支座支撐。采用分離式橋塔，主塔傾角為59°，兩個(gè)橋塔主塔柱中心間距為28 m，橋面以上塔高約66 m。主塔柱斷面為矩形，順橋向長(zhǎng)度5.0～8.5 m，橫橋向?qū)挾?.0 m。主塔塔頂采用3根鋼筋混凝土橫梁相連，橫梁采用寬1.7 m、高3 m的實(shí)心矩形截面。斜拉索錨固點(diǎn)在梁上間距為4 m，塔上間距為3.414～3.454 m，塔端作為固定端，僅在梁端張拉。全橋橋型布置如圖1所示。

2 研究方法

該橋施工主要流程為：鉆孔灌注樁、承臺(tái)及橋臺(tái)施工→支架上現(xiàn)澆混凝土箱梁及橫梁、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束→逐段澆筑橋塔并掛斜拉索→在梁端張拉斜拉索、調(diào)整索力→拆除支架，完成橋面系及附屬工程施工。計(jì)算模型中主要?jiǎng)澐值氖┕るA段如表1所示。該橋計(jì)算分析采用Midas/Civil，主梁、主塔、橋墩、承臺(tái)、樁基均采用梁?jiǎn)卧?；斜拉索采用桁架單元模擬，考慮垂度對(duì)斜拉索彈性模量的影響；斜拉索錨固點(diǎn)與主梁、主塔之間采用剛臂連接。

為保證橋梁成橋線形及受力狀態(tài)基本符合設(shè)計(jì)要求，必須通過(guò)理論分析來(lái)確定橋梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，每

圖1 依托工程橋跨布置圖(單位：cm)

表1 主要施工階段

個(gè)階段在受力和變形方面的理想狀態(tài)，以便控制施工過(guò)程中每個(gè)階段的結(jié)構(gòu)行為，使其最終的成橋線形和受力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于混凝土無(wú)背索斜拉橋的施工，主要不確定因素為斜拉索的張拉和主梁澆筑過(guò)程中模板搭設(shè)精度引起的主梁厚度誤差。該橋共有C1～C13共13對(duì)拉索，選取C1、C5、C7、C9和C13編號(hào)的拉索共計(jì)5對(duì)分別為單一隨機(jī)變量進(jìn)行分析；主梁在澆筑過(guò)程中，每個(gè)梁段頂板厚度澆筑超方的量是隨機(jī)分布的，因隨機(jī)變量較多，主梁節(jié)段劃分經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，以20 m為一節(jié)段作為一隨機(jī)變量進(jìn)行分析。

3 斜拉索初張拉力誤差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)于單根斜拉索初張拉力誤差分析，考慮拉索初張拉力誤差為設(shè)計(jì)張拉力的±5%、±10%，選取部分拉索對(duì)斜拉索張拉階段進(jìn)行分析，工況如表2所示。

表2 單根斜拉索初張拉力誤差工況表

根據(jù)表2工況，可得到主梁撓度變化計(jì)算結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 工況1主梁撓度變化量

圖3 各工況主梁撓度變化量(拉索索力超張拉10%)

由圖2可知：在工況1時(shí)，拉索C1初張拉力出現(xiàn)誤差時(shí)，主梁在C1錨固點(diǎn)處的撓度變化量最大，在主跨跨中約40 m處，有最小值。且索力增大一定數(shù)值與索力減小相同數(shù)值對(duì)主梁撓度的影響值互為相反數(shù)。

由圖3可得：由于該橋的主梁施工方式為滿堂支架施工，初張拉力誤差對(duì)主梁變形影響較小，當(dāng)對(duì)應(yīng)的各工況拉索索力超張拉+10%時(shí)，C1對(duì)應(yīng)主梁最大撓度變化約為0.2 mm；C5、C7、C9、C13分別為0.9、1.0、0.5和0.3 mm。由此可見，索力增大會(huì)引起該索及其相鄰范圍內(nèi)的主梁撓度均有一定增加，且在該索錨固處有峰值，整個(gè)線形呈光滑的曲線。其中，越靠近中跨處的拉索，引起的變化量峰值越大。

圖4、5為工況1、2拉索索力變化圖。

圖4 工況1拉索索力變化量

圖5 工況2拉索索力變化量

由圖4、5可得到1根拉索索力變化對(duì)其他拉索索力變化量的影響。拉索C1的初張拉力誤差對(duì)于主跨其他拉索的索力影響隨著其距離C1越遠(yuǎn)而逐漸減小。拉索C5的初張拉力誤差對(duì)于主跨長(zhǎng)索的索力影響亦隨著其距離C5越遠(yuǎn)而逐漸減小，對(duì)短索C1～C4的影響可忽略不計(jì)。在單根斜拉索初張拉力出現(xiàn)誤差時(shí)，對(duì)主梁的線形、索力都有影響。斜拉索在出現(xiàn)張拉力誤差時(shí)，對(duì)于其所在節(jié)段的撓度影響最大，對(duì)已施工的斜拉索索力隨其距離增大而變小，而對(duì)該斜拉索之后施工的斜拉索拉力影響均較小?？傮w來(lái)說(shuō)，中間索C7的影響最大，距C7距離增大影響量均有減小趨勢(shì)，因此，在施工控制中，對(duì)于中間部分斜拉索張拉時(shí)控制應(yīng)更嚴(yán)格。

4 主梁頂板厚度澆筑超方對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

4.1 澆筑超方厚度隨機(jī)分布

在主梁澆筑過(guò)程中，往往會(huì)由于各種原因?qū)е轮髁喉敯搴穸葷仓交蚯贩?，如立模定位不?zhǔn)、模板尺寸誤差、澆筑過(guò)程控制不到位等。在澆筑過(guò)程中，每個(gè)梁段頂板厚度澆筑方量是隨機(jī)分布的，根據(jù)概率設(shè)計(jì)函數(shù)蒙特卡羅方法直接進(jìn)行5次隨機(jī)抽樣，分別為工況2～6，如表3所示，對(duì)主梁的影響換算為均布荷載施加于主梁?jiǎn)卧稀仓^(guò)程中理想狀態(tài)為工況1。

表3 澆筑超方工況對(duì)應(yīng)超方厚度

主梁頂板厚度澆筑超方對(duì)主跨主梁變形的影響結(jié)果如圖6所示。

圖6 超方澆筑主梁厚度成橋撓度變化量

由圖6可知：與工況1相比，由于主梁各節(jié)段頂板厚度的增加，導(dǎo)致主梁的自重增加，因此工況2～6的成橋線形下?lián)现稻兴黾樱畲笤黾又禐?.3 mm，從成橋控制目標(biāo)分析，遠(yuǎn)小于JTG/F80-1-2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中成橋高程控制量(L/5 000+20)=36 mm，滿足施工控制精度需要。

主梁頂板厚度澆筑超方對(duì)斜拉索索力的影響結(jié)果如圖7所示。

圖7 各工況索力變化值

由圖7可知：與工況1相比，工況2～6的成橋索力均有變化，其中最長(zhǎng)索C1～C3索力增大，而C4～C13均有所減小。其中，C1成橋拉索索力最大增加約17.8%，數(shù)值為565 MPa，拉索應(yīng)力均滿足規(guī)范需要。

主梁頂板厚度澆筑超方對(duì)主跨主梁應(yīng)力的影響結(jié)果如表4所示。

表4 不同工況下主梁應(yīng)力

表4表明：依據(jù)前述假定工況，即主梁頂板澆筑厚度超方不超過(guò)2 cm時(shí)，在施工過(guò)程中，主梁上、下緣截面應(yīng)力變化較小，也均未超過(guò)設(shè)計(jì)所規(guī)定的應(yīng)力控制值。

4.2 主梁頂板厚度整體澆筑超方影響

在施工控制中，若因某種因素導(dǎo)致澆筑整體超方，其對(duì)橋梁施工控制的影響假定5種工況進(jìn)行分析研究，各工況如表5所示。

當(dāng)主梁頂板澆筑厚度超方時(shí)，給主梁造成的影響不僅是其自重發(fā)生變化，而且主梁截面也相應(yīng)發(fā)生變化，剛度隨之改變，經(jīng)計(jì)算分析，與工況1相比，工況2～5各截面的剛度分別增加1.44%、2.88%、4.30%與5.72%，在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，要考慮剛度的影響。

主梁頂板厚度澆筑超方對(duì)主跨主梁變形的影響結(jié)果如圖8所示。

表5 整體超方工況

圖8 各整體澆筑工況主梁變形

由圖8可知：工況2～5與工況1相比，雖然主梁自重增加，但隨著頂板厚度增加，結(jié)構(gòu)剛度增大，其變形反而有所減小。工況2比工況1最大變形值小2.85 cm；工況3～5比工況1分別小5.62、8.32和11.00 cm；因此，從上述計(jì)算結(jié)果分析，當(dāng)每節(jié)梁段澆筑超方時(shí)，對(duì)主梁剛度影響更為明顯。從成橋控制目標(biāo)分析，JTG/F80-1-2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中成橋高程控制量為(L/5 000+20)=36 mm，可推斷主梁頂板超方澆筑厚度不應(yīng)大于1.5 cm。

主梁頂板厚度澆筑超方對(duì)斜拉索索力的影響結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同工況下拉索應(yīng)力分布

圖9表明：在各工況下，斜拉索成橋索力與工況1相比，最長(zhǎng)索成橋索力變化最為明顯，最大變化量為17.8%；C4、C5兩根索變化量最小，C6～C13變化量較平均。從橋梁施工監(jiān)控角度考慮，上述工況的索力值變化均未超過(guò)成橋索力控制值。

主梁頂板整體澆筑厚度超方時(shí)，主梁截面也相應(yīng)發(fā)生變化，剛度隨之改變，經(jīng)計(jì)算分析，主梁上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 不同工況下主梁應(yīng)力

表6表明：當(dāng)混凝土澆筑厚度增加，在施工過(guò)程中，主梁上緣的最大拉應(yīng)力有所減小，而下緣最大壓應(yīng)力均會(huì)增大。

針對(duì)上述結(jié)果，增加工況6，對(duì)主梁頂板厚度澆筑超方量1.5 cm進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為工況6比工況1最大變形值小3.48 cm。從線形、索力及應(yīng)力等多方面綜合考慮，在施工控制過(guò)程中，若主梁頂板厚度澆筑超方量在1.5 cm以上時(shí)，不滿足施工控制精度要求。

5 結(jié)論

(1) 索力增大一定數(shù)值與減小相同數(shù)值對(duì)主梁撓度的影響互為相反數(shù)。越靠近中跨處的拉索，引起的變化量峰值越大。

(2) 索力增大會(huì)引起該索及其相鄰范圍內(nèi)的主梁撓度均有一定增加，且在該索錨固處有峰值。但滿堂支架對(duì)主梁線形影響均較小，C7索索力增大10%時(shí)對(duì)主梁的撓度影響量?jī)H為1 mm。

(3) 主梁的隨機(jī)超方澆筑控制為2 cm時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的主梁線形、拉索應(yīng)力、主梁上、下緣截面應(yīng)力變化較小，且滿足規(guī)范要求。

(4) 主梁的整體超方澆筑會(huì)影響主梁的剛度，依托工程建議主梁整體超方不應(yīng)超過(guò)1.5 cm，否則影響主梁線形驗(yàn)收。