矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析研究

趙啟華

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610017)

1 矮塔斜拉橋

矮塔斜拉橋的施工控制是一個(gè)復(fù)雜而多變的系統(tǒng)工程，各種設(shè)計(jì)參數(shù)都可能對(duì)控制結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此要從眾多設(shè)計(jì)參數(shù)中鑒別出哪些是對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大的關(guān)鍵性參數(shù)，繼而為大跨度橋梁的施工控制提供重要意見和應(yīng)對(duì)措施。

不同的參數(shù)對(duì)同一座橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)的影響程度是不同的，同一參數(shù)對(duì)不同的結(jié)構(gòu)體系影響程度也不同。因此在施工與設(shè)計(jì)時(shí)，一方面，應(yīng)使?fàn)顟B(tài)參數(shù)與實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)相符合，如采用現(xiàn)場測量的方法或?qū)嶒?yàn)測量的方法確定結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和材料特性等參數(shù)。另一方面，必須對(duì)這些參數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)內(nèi)力、線形的影響程度進(jìn)行敏感性分析。參數(shù)敏感性具體表現(xiàn)在狀態(tài)參數(shù)發(fā)生某一變化后，結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力以及拉索的索力等相關(guān)受力性能隨之改變。結(jié)構(gòu)的參數(shù)敏感性分析的主要目的就是要找出對(duì)成橋運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)影響較大的參數(shù)。由于不同的參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響的程度大小不一，以此來確定哪些參數(shù)為主要狀態(tài)參數(shù)，哪些為次要狀態(tài)參數(shù)。

2 參數(shù)敏感性分析的內(nèi)容

依據(jù)黃龍帶矮塔斜拉橋的實(shí)際施工過程，對(duì)影響結(jié)構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。黃龍帶矮塔斜拉橋立面布置圖如圖1所示?？鐝?108+208+108) m，橋?qū)?×21.5 m；上部結(jié)構(gòu)采用左右分修單箱雙室混凝土箱形梁，跨中梁高3.8 m，根部梁高6.0 m，翼板懸臂4 m；三柱分離式索塔，斜拉索扇形布置，索距8 m，在分修箱梁的翼板懸臂端錨固，斜拉索錨固于縱橫格梁的節(jié)點(diǎn)處。

圖1 黃龍帶矮塔斜拉橋立面布置(單位:m)

本文所探討的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括主梁重量、環(huán)境濕度影響等11個(gè)參數(shù)，探討的結(jié)構(gòu)參數(shù)和參數(shù)的具體變化范圍如表1所示。表1中(±)的意思是在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上增大或減小參數(shù)值,其余參數(shù)的取值如預(yù)應(yīng)力相關(guān)參數(shù)、環(huán)境相對(duì)濕度等參數(shù)取值仍然以基準(zhǔn)狀態(tài)為準(zhǔn)。上述結(jié)構(gòu)參數(shù)在調(diào)整時(shí)，要考察成橋的橋梁控制相應(yīng)參數(shù)如表2所示。表中有“√”的內(nèi)容表示考察了該項(xiàng)。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)狀態(tài)一覽

3 設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

選用有限元分析軟件TDV RM進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型主要由以下幾個(gè)部分組成：主梁、塔、斜拉索、橋墩和樁基礎(chǔ)。主梁、索塔、橋墩及樁均采用空間梁單元，斜拉索采用索單元模擬。計(jì)算模型如圖2所示。

表2 主要結(jié)構(gòu)影響參數(shù)

圖2 黃龍帶矮塔斜拉橋計(jì)算模型模型

3.2 計(jì)算結(jié)果

各因素作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)最大值(絕對(duì)值)匯總見表3，其中由于應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用和結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)，表中列出了壓應(yīng)力最大增幅。

表3 各因素作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)最大值(絕對(duì)值)匯總

4 設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性控制目標(biāo)分析

設(shè)定控制目標(biāo)為y，此控制選項(xiàng)可以為應(yīng)力或拉索索力等，從要進(jìn)行敏感性分析的參數(shù)中取一個(gè)狀態(tài)參數(shù)設(shè)為x，令y=f(x)，當(dāng)狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化值為Δx，則

y0=f(x0)

x0為x的參數(shù)基準(zhǔn)值，由于不同參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)影響大小不同，為使結(jié)構(gòu)變化較明顯故不同參數(shù)變化值取值不同。為方便比較參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響的大小，取參數(shù)基準(zhǔn)值的5 %為標(biāo)準(zhǔn)。由于為線彈性分析，變化不是5 %的參數(shù)通過線性換算為5 %來進(jìn)行比較。而

y1=f(x0+Δx)=f(x0+0.05x0)

則參數(shù)敏感性目標(biāo)值選取為

β=|y1-y0|=|f(x0+Δx)-f(x0)|=

|f(x0+0.05x0)-f(x0)|

β值越大，說明該控制目標(biāo)對(duì)該參數(shù)越敏感。

4.1 選取主梁上緣應(yīng)力為控制目標(biāo)

選取主梁的上緣應(yīng)力作為控制目標(biāo)，分析參數(shù)變化對(duì)主梁上緣應(yīng)力的敏感性。見表4。

表4 控制目標(biāo)為β1時(shí)參數(shù)敏感性計(jì)算

選取運(yùn)營狀態(tài)的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，令主梁的上緣應(yīng)力差值絕對(duì)值之和作為控制目標(biāo)β1，即：

n為主梁梁段號(hào)，di0為參數(shù)未改變時(shí)第i梁段的上緣應(yīng)力，di1為參數(shù)發(fā)生變化后第i梁段的上緣應(yīng)力。

進(jìn)行歸一化處理后的控制目標(biāo)值w見表5。

表5 歸一化后控制目標(biāo)值w計(jì)算

從表5中可以看出，對(duì)運(yùn)營狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行敏感性分析，當(dāng)控制目標(biāo)取為β1時(shí)，其敏感程度由強(qiáng)到弱順次為主梁容重、溫度、索梁塔溫差、環(huán)境相對(duì)濕度、超載、塔梁剛度、預(yù)應(yīng)力參數(shù)、頂推力、墩剛度、塔偏移，歸一化取值后主梁容重、溫度、索梁塔溫差、環(huán)境相對(duì)濕度取值大于0.3，為敏感性參數(shù)，其余各參數(shù)敏感性較弱。

4.2 選取主梁下緣應(yīng)力為控制目標(biāo)

選取主梁的下緣應(yīng)力作為控制目標(biāo)，分析參數(shù)變化對(duì)主梁下緣應(yīng)力的敏感性，見表6。

選取運(yùn)營狀態(tài)的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，令主梁的下緣應(yīng)力差值絕對(duì)值之和作為控制目標(biāo)β2，即

n為主梁梁段號(hào)，di0為參數(shù)未改變時(shí)第 i 梁段的下緣應(yīng)

表6 控制目標(biāo)為β2時(shí)參數(shù)敏感性計(jì)算

力，di1為參數(shù)發(fā)生變化后第i梁段的下緣應(yīng)力。

進(jìn)行歸一化處理后的控制目標(biāo)值w見表7。

表7 歸一化后控制目標(biāo)值w計(jì)算

從表7中可以看出，對(duì)運(yùn)營狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行敏感性分析，當(dāng)控制目標(biāo)取為β2時(shí)，其敏感程度由強(qiáng)到弱順次為主梁容重、索梁塔溫差、溫度、環(huán)境相對(duì)濕度、超載、塔梁剛度、頂推力、預(yù)應(yīng)力參數(shù)、墩剛度、塔偏移，歸一化取值后主梁容重、索梁塔溫差、溫度、環(huán)境相對(duì)濕度取值大于0.3，為敏感性參數(shù)，其余各參數(shù)敏感性較弱。

4.3 選取拉索索力為控制目標(biāo)

選取拉索索力為控制目標(biāo)，分析參數(shù)變化對(duì)拉索索力的敏感性，見表8。

表8 控制目標(biāo)為β3時(shí)參數(shù)敏感性計(jì)算

選取運(yùn)營狀態(tài)的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，令拉索索力差值絕對(duì)值之和作為控制目標(biāo)β3，即

式中:n為拉索編號(hào)，di0為參數(shù)未改變時(shí)第i號(hào)拉索的索力，di1為參數(shù)發(fā)生變化后第i號(hào)拉索的索力。

進(jìn)行歸一化處理后的控制目標(biāo)值w見表9。

表9 歸一化后控制目標(biāo)值w計(jì)算

表9中對(duì)運(yùn)營狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行敏感性分析，當(dāng)控制目標(biāo)取為β3時(shí)，其敏感程度由強(qiáng)到弱順次為主梁容重、溫度、索梁塔溫差、環(huán)境相對(duì)濕度、塔梁剛度、超載、預(yù)應(yīng)力參數(shù)、頂推力、墩剛度、塔偏移，歸一化取值后主梁容重、溫度、索梁塔溫差取值大于0.3，為敏感性參數(shù)，其余各參數(shù)敏感性較弱。

5 結(jié)論

在運(yùn)營狀態(tài)下，取大橋上緣應(yīng)力、下緣應(yīng)力及拉索索力為控制目標(biāo)，對(duì)主梁容重、溫度、索梁塔溫差、環(huán)境相對(duì)濕度、塔梁剛度、超載、預(yù)應(yīng)力參數(shù)、頂推力、墩剛度、塔偏移等10個(gè)參數(shù)的敏感性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)主梁上緣應(yīng)力影響較大的參數(shù)有主梁容重、溫度作用、索梁塔溫差、環(huán)境相對(duì)濕度。

(2)對(duì)主梁下緣應(yīng)力影響較大的參數(shù)有主梁容重、索梁塔溫差、溫度、環(huán)境相對(duì)濕度。

(3)對(duì)拉索索力影響較大的參數(shù)有主梁容重、系統(tǒng)溫差、索梁塔溫差。

(4)對(duì)主墩影響較大的參數(shù)有收縮徐變、溫度、索梁塔溫度變化、墩高變化。

判定主梁容重、溫度、索梁塔溫差、環(huán)境相對(duì)濕度是對(duì)矮塔斜拉橋控制參數(shù)影響較大的因素，屬于比較敏感的結(jié)構(gòu)參數(shù)；判定超載、塔梁剛度偏差及預(yù)應(yīng)力參數(shù)是對(duì)矮塔斜拉橋控制參數(shù)影響較小的因素，屬于不太敏感的結(jié)構(gòu)參數(shù)；判定頂推力、墩剛度及塔偏移是對(duì)矮塔斜拉橋控制參數(shù)影響小的因素，屬于不敏感的結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于溫度及環(huán)境濕度對(duì)橋梁的性能影響比較大同時(shí)也屬于環(huán)境參數(shù)，所以在施工控制中要注意對(duì)環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)控，尋求合理的立模、架設(shè)時(shí)間，修正結(jié)構(gòu)狀態(tài)的溫度效應(yīng)；對(duì)環(huán)境濕度變化也要進(jìn)行細(xì)致的分析并制定詳細(xì)合理的施工控制方案；主梁容重、塔梁剛度、預(yù)應(yīng)力參數(shù)對(duì)橋梁的性能影響較大，而在施工中這些參數(shù)一般都與設(shè)計(jì)值有一定的偏差，因此在施工中要嚴(yán)格控制工藝，保證材料比例、模板精度符合要求，嚴(yán)格控制混凝土的養(yǎng)護(hù)條件和時(shí)間及預(yù)應(yīng)力束的制作和施工質(zhì)量；在運(yùn)營時(shí)應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測關(guān)鍵部位的應(yīng)力及斜拉索的索力。

綜上所述，主梁容重變化、溫差作用、索梁塔溫差、環(huán)境相對(duì)濕度變化是影響矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)計(jì)算的控制性參數(shù)，屬于比較敏感的結(jié)構(gòu)參數(shù)。應(yīng)嚴(yán)格施工控制和施工監(jiān)測，使橋梁實(shí)際受力與理論計(jì)算盡量保持一致，確保橋梁安全。