異形索塔斜拉橋參數(shù)敏感性分析

劉增武， 辛景舟， 周水興， 包發(fā)文

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶市 400074)

1 引言

異形索塔斜拉橋是由異形索塔、主梁以及斜拉索組成的超靜定結(jié)構(gòu)體系,因其造型優(yōu)美而迅速流行起來。異形索塔斜拉橋在實(shí)際施工過程中受施工方案與工藝、以及自然環(huán)境等諸多因素的影響，易造成實(shí)際結(jié)構(gòu)施工參數(shù)和設(shè)計(jì)值之間產(chǎn)生偏差，如果不能很好地識(shí)別并消除施工中各種偏差對(duì)橋梁成橋目標(biāo)的影響，可能導(dǎo)致成橋內(nèi)力狀態(tài)和成橋線形與理論計(jì)算有較大偏離。因此有必要分析異形索塔斜拉橋施工參數(shù)對(duì)成橋狀態(tài)的影響，通過控制施工過程中的主要敏感性參數(shù)偏差有效減小對(duì)成橋狀態(tài)的不利影響。

斜拉橋施工過程的影響因素較多，許多學(xué)者、專家對(duì)影響常規(guī)斜拉橋施工過程中的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。王生武等分析異形獨(dú)塔斜拉橋設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性，提出了減少異形獨(dú)塔斜拉橋施工誤差的建議；鄔曉光等對(duì)影響雙曲拱塔斜拉橋成橋內(nèi)力和線形的設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性進(jìn)行了研究，為此類異形斜拉橋的施工控制和施工誤差來源提供借鑒。然而未見主塔四肢偏移的異形塔斜拉橋施工參數(shù)敏感性研究的相關(guān)文獻(xiàn)，并且同類型橋梁的施工控制資料和研究資料較少。

鑒于此類型橋梁在施工過程中受力復(fù)雜且受到的影響因素較多，為確保此類型斜拉橋施工順利實(shí)施和成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，該文以貴州沿河烏江三橋，一座“飛鴿”形主塔四肢偏移的異形塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過結(jié)合實(shí)際施工方案建立空間桿系有限元模型，分別研究主梁自重、斜拉索剛度、施工荷載、斜拉索初張拉力以及混凝土收縮徐變等參數(shù)變化對(duì)成橋時(shí)主梁線形、斜拉索索力，以及索塔應(yīng)力和塔頂偏位的影響規(guī)律，并結(jié)合烏江三橋?qū)嶋H監(jiān)控工作，對(duì)主要敏感性參數(shù)采取重點(diǎn)控制和修正的措施。

2 工程概況

貴州沿河烏江三橋主橋?yàn)?145+160) m的異形索塔雙索面固結(jié)體系預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主橋全長305 m，索塔采用“飛鴿”造型，索塔外形新穎，在中國國內(nèi)尚屬首座，索塔高度138.5 m。該橋主梁截面采用邊主梁，主橋橋面設(shè)置雙向2%的橫坡，主梁頂面寬為24.5 m，主梁高為2.5 m，主梁頂板厚為0.32 m，主塔、主梁材料分別為C50和C55混凝土。全橋共有40對(duì)呈扇形布置的斜拉索，斜拉索材料為抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線。橋型布置圖見圖1。

3 有限元模型

利用空間有限元軟件Midas/Civil2015建立全橋空間桿系單元結(jié)構(gòu)模型，全橋共劃分為478個(gè)節(jié)點(diǎn)，離散為389個(gè)單元，其中主梁120個(gè)單元，索塔189個(gè)單

圖1 貴州沿河烏江三橋橋型布置(單位：m)

元，斜拉索80個(gè)單元。異形索塔和預(yù)應(yīng)力混凝土主梁采用梁單元模擬；斜拉索采用桁架單元模擬，斜拉索垂度效應(yīng)通過Ernst公式進(jìn)行修正；掛籃荷載和橋面鋪裝分別以節(jié)點(diǎn)荷載和均布荷載形式施加，斜拉索力采用初拉力形式施加到相應(yīng)拉索中；全橋的邊界條件為：① 主梁0#和1#塊施工支架采用僅受壓節(jié)點(diǎn)彈性支撐，支撐剛度與實(shí)際支架等效處理；② 斜拉索與索塔、主梁之間的連接采用剛臂模擬；③ 橋塔底部采用一般支撐固結(jié)處理，主塔、主塔橫梁和主梁0#塊之間的固結(jié)通過設(shè)置剛性連接處理，主梁端部支座通過一般支撐釋放DX約束模擬。

按照施工方案將模型劃分為205個(gè)施工階段，包括索塔和主梁施工，索塔橫梁的分次澆筑與預(yù)應(yīng)力筋張拉，施工掛籃安裝與前移以及斜拉索的3次張拉等。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

斜拉橋在施工過程中受到結(jié)構(gòu)自重、溫度、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失、初拉索力等參數(shù)影響。結(jié)合貴州沿河烏江三橋現(xiàn)場實(shí)際施工和監(jiān)控情況，通過單一變量原則，僅控制單一參數(shù)變化，同時(shí)其他參數(shù)保持不變，對(duì)主梁自重、斜拉索剛度、施工荷載、斜拉索初張拉力和混凝土收縮徐變5個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。以成橋索塔應(yīng)力和偏位，以及主梁線形和索力為控制目標(biāo)，研究參數(shù)變化對(duì)橋梁內(nèi)力和變形的影響，通過模擬計(jì)算確定敏感性參數(shù)和非敏感性參數(shù)。

4.1 主梁自重

貴州沿河烏江三橋的主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，主梁重度修正后取25.79 kN/m3。主梁在澆筑過程中因立模偏差、掛籃變形以及混凝土澆筑方量偏差等都會(huì)引起主梁重量的變化。結(jié)合多座橋梁的施工經(jīng)驗(yàn)和參考有關(guān)文獻(xiàn)，考慮主梁自重增大5%對(duì)成橋狀態(tài)的影響，主梁自重參數(shù)變化對(duì)成橋索塔應(yīng)力和塔頂偏位影響如表1所示，主梁自重參數(shù)變化對(duì)主梁線形和索力的影響如圖2所示。

表1 主梁自重參數(shù)變化對(duì)成橋索塔應(yīng)力和塔頂偏位的影響

圖2 主梁自重參數(shù)變化(增加5%主梁自重) 對(duì)主梁線形和索力的影響

由表1和圖2可知：主梁超重5%時(shí)，對(duì)主梁撓度、成橋索力、索塔應(yīng)力以及索塔頂部水平偏位影響較大，邊跨跨中最大下?lián)侠鄯e位移差為61.06 mm，索力最大差值為255 kN，增加5.8%。索塔頂部水平偏位為2.82 mm，增大10%，索塔應(yīng)力最大差值為0.13 MPa。上述結(jié)果表明：主梁自重對(duì)成橋狀態(tài)的影響較大，是主梁撓度、成橋索力、索塔內(nèi)力以及索塔偏位的敏感性參數(shù)。因此主梁自重參數(shù)不能忽視，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控影響主梁自重的因素，在主梁節(jié)段施工過程中嚴(yán)格控制定位鋼筋和模板位置，對(duì)模板固定鋼筋仔細(xì)排查，確保模板精度符合規(guī)范要求，并根據(jù)實(shí)測(cè)混凝土重度及時(shí)修正有限元模型。

4.2 斜拉索剛度

貴州沿河烏江三橋斜拉索采用PE防護(hù)單絲涂覆環(huán)氧涂層預(yù)應(yīng)力鋼絞線，斜拉索彈性模量E=1.95×108MPa。斜拉索垂度效應(yīng)隨其長度增加而變得明顯，可以通過Ernst來修正。斜拉索的軸向剛度由彈性模量和面積決定，由于斜拉索制造偏差小，拉索面積變化不大。通過改變斜拉索的彈性模量來模擬拉索剛度的變化，研究斜拉索彈性模量(E)減小10%對(duì)成橋內(nèi)力和變形的影響，斜拉索彈性模量參數(shù)變化對(duì)成橋索塔應(yīng)力和塔頂偏位影響如表2所示，斜拉索彈性模量參數(shù)變化對(duì)主梁線形和索力的影響如圖3所示。

表2 拉索彈性模量參數(shù)變化對(duì)成橋索塔應(yīng)力和塔頂偏位的影響

圖3 斜拉索彈性模量變化(減小10%彈性模量) 對(duì)主梁線形和索力的影響

由表2和圖3可知：彈性模量減小10%時(shí)，索塔應(yīng)力最大差值為0.02 MPa，索塔塔頂水平偏位差值為0.29 mm，變化幅度為1%。主梁最大下?lián)侠塾?jì)位移為10.48 mm，最大上撓累計(jì)位移為13.37，變化幅度為8%，索力差值最大為20 kN，減小0.6%。上述結(jié)果表明：斜拉索剛度變化10%對(duì)成橋狀態(tài)影響較小，為非敏感性參數(shù)，再加上斜拉索實(shí)際加工制造偏差在10%以內(nèi)，因此采用有限元模擬計(jì)算時(shí)忽略斜拉索剛度(彈性模量)參數(shù)對(duì)成橋內(nèi)力和變形的影響。

4.3 施工荷載

貴州沿河烏江三橋施工荷載包括前支點(diǎn)掛籃、施工人員和機(jī)具、混凝土傾倒(振搗)荷載、以及提前堆放的施工材料和拉索等，在橋梁施工過程中施工荷載的變化可能影響橋梁成橋狀態(tài)，通過對(duì)主梁掛籃重量增加10%模擬施工荷載的變化，施工荷載參數(shù)變化對(duì)成橋索塔應(yīng)力和塔頂偏位的影響如表3所示，施工荷載參數(shù)變化對(duì)主梁線形和索力的影響如圖4所示。

表3 施工荷載參數(shù)變化對(duì)成橋索塔應(yīng)力和塔頂偏位的影響

圖4 施工荷載變化(主梁掛籃重量增加10%) 對(duì)主梁線形和索力的影響

由表3和圖4可知：當(dāng)施工荷載增加10%時(shí)，索塔應(yīng)力差值最大為0.01 MPa，索塔塔頂水平偏位差值為0.05 mm，主梁累計(jì)位移差值最大為-12.78 mm，位于中跨端部懸臂施工最大懸臂端部位置，索力差值最大為-38 kN，索力增加0.9%。以上結(jié)果表明：施工荷載對(duì)成橋索塔應(yīng)力和索塔偏位以及成橋索力影響很小，這與施工荷載在橋梁建成后撤除有關(guān)。但在橋梁施工中仍要加強(qiáng)施工荷載的監(jiān)控，使有限元模擬計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)際施工荷載保持一致。

4.4 斜拉索初張拉力

貴州沿河烏江三橋采用前支點(diǎn)掛籃對(duì)主梁進(jìn)行施工，在主梁施工過程中斜拉索分3次張拉，即：安裝掛籃進(jìn)行第1次張拉，澆筑一半混凝土進(jìn)行第2次張拉，混凝土澆筑完畢強(qiáng)度達(dá)90%進(jìn)行第3次張拉。斜拉索在實(shí)際張拉過程中由于自身應(yīng)力松弛特性、施工張拉技術(shù)、環(huán)境溫度以及索力測(cè)量偏差等因素的影響，造成實(shí)際拉索索力和設(shè)計(jì)索力之間產(chǎn)生偏差，索力偏差通常小于5%?；谛崩鞒鯊埨p小5%對(duì)成橋內(nèi)力、線形和索力的影響，確定其敏感性。初張拉力減小5%對(duì)成橋索塔應(yīng)力和偏位的影響如表4所示，初張拉力參數(shù)變化對(duì)主梁線形和索力的影響如圖5所示。

表4 初張拉力參數(shù)變化對(duì)成橋索塔應(yīng)力和塔頂偏位的影響

圖5 初張拉力參數(shù)變化(減小5%初張拉力) 對(duì)主梁線形和索力的影響

由表4和圖5可知：斜拉索初張拉力變化對(duì)主梁的撓度和斜拉索成橋索力有很大影響。當(dāng)初張拉力降低5%時(shí)，邊跨主梁下?lián)献畲罄塾?jì)位移差為67.09 mm，主跨下?lián)献畲罄塾?jì)位移差為63.90 mm。成橋索力差值最大為232 kN,減小5.1%，位于邊跨側(cè)端錨索(S20處)，主跨側(cè)成橋索力最大差值為219 kN,減小5.6%，位于主跨側(cè)端錨索(M20)。初拉索力降低5%時(shí)，索塔應(yīng)力差值變化較小為0.08 MPa，索塔塔頂水平位移差值為0.52 mm，有一定的影響。上述結(jié)果表明：斜拉索索力變化對(duì)成橋索塔應(yīng)力影響較小，但對(duì)成橋索力和主梁的位移有很大的影響，對(duì)索塔的水平偏位影響也不能忽視，因此，斜拉索初張拉力為敏感性參數(shù)。斜拉索張拉時(shí)要嚴(yán)格分級(jí)張拉并考慮溫度對(duì)索力的影響，嚴(yán)格控制張拉力和設(shè)計(jì)索力偏差在合理范圍內(nèi)，斜拉索測(cè)量時(shí)應(yīng)避免風(fēng)荷載、溫度及施工機(jī)具振動(dòng)等對(duì)索力的影響，確保成橋主梁撓度和成橋索力，以及索塔應(yīng)力和塔頂偏位滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5 混凝土收縮徐變

混凝土收縮徐變影響混凝土斜拉橋的施工和成橋運(yùn)營，混凝土收縮徐變特性影響因素多、離散性強(qiáng)。由于現(xiàn)在常用的混凝土收縮徐變參數(shù)是通過對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的，再加上橋梁施工時(shí)環(huán)境的差異，所以混凝土收縮徐變?cè)谟邢拊M時(shí)很難準(zhǔn)確把握。采用CEB-FIP(1990)建議的混凝土收縮徐變模型，通過考慮10年收縮徐變對(duì)成橋內(nèi)力和變形的影響，分析收縮徐變的敏感性，10年收縮徐變影響下成橋索塔應(yīng)力和偏位的變化值如表5所示，收縮徐變對(duì)主梁線形和索力的影響如圖6所示。

表5 收縮徐變對(duì)成橋索塔應(yīng)力和塔頂偏位的影響

由表5和圖6可知：混凝土收縮徐變對(duì)成橋狀態(tài)主梁的撓度、斜拉索成橋索力和索塔偏位影響很大，對(duì)成橋索塔應(yīng)力影響不大。邊跨主梁下?lián)献畲罄塾?jì)位移差為47.63 mm，主跨下?lián)献畲罄塾?jì)位移差為47.42 mm。邊跨錨索(S20)成橋索力差值最大為-245 kN，減小5.4%，主跨錨索(M20)成橋索力差值為188 kN，減小4.6%。索塔應(yīng)力最大差值為0.12 MPa，索塔塔頂水平位移差值為-6.32 mm。上述結(jié)果表明：混凝土收縮徐變對(duì)主梁撓度、斜拉索成橋索力和索塔偏位影響顯著，屬于敏感參數(shù)。為減小混凝土收縮徐變對(duì)橋梁內(nèi)力和變形產(chǎn)生的影響，建議結(jié)合橋梁施工環(huán)境選取合理的收縮徐變計(jì)算模型，并在混凝土澆筑時(shí)添加恰當(dāng)?shù)耐饧觿?，?duì)已澆筑混凝土進(jìn)行充分合理的養(yǎng)護(hù)。

圖6 收縮徐變(10年收縮徐變) 對(duì)主梁線形和索力的影響

將上述5種參數(shù)對(duì)成橋索塔應(yīng)力、塔頂偏位，以及主梁線形和斜拉索力的影響進(jìn)行匯總，結(jié)果見表6。

表6 影響參數(shù)變化引起的成橋狀態(tài)下相關(guān)指標(biāo)增量最大值

5 結(jié)論

利用有限元軟件結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場施工方案對(duì)全橋進(jìn)行模擬計(jì)算，分別考慮不同參數(shù)的影響，對(duì)參數(shù)變化進(jìn)行全面的分析，得出以下結(jié)論：

(1) 主梁自重、斜拉索初張拉力、混凝土收縮徐變對(duì)成橋狀態(tài)影響較大，為敏感性參數(shù)。斜拉索彈性模量、施工荷載對(duì)成橋狀態(tài)影響很小，為非敏感性參數(shù)。

(2) 索塔應(yīng)力、索塔水平偏位的敏感參數(shù)為主梁自重和收縮徐變，其中收縮徐變會(huì)減小主塔在運(yùn)營期的拉應(yīng)力，對(duì)主塔有利。主梁變形和成橋索力的敏感參數(shù)為主梁自重、斜拉索初張拉力和收縮徐變。當(dāng)初張拉力降低5%時(shí)，主梁下?lián)侠塾?jì)位移差為-67 mm，邊跨端錨索索力差為232 kN,對(duì)成橋狀態(tài)影響很大，建議斜拉索在安裝和施工張拉時(shí)要嚴(yán)格控制。

(3) 在實(shí)際施工過程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力產(chǎn)生較大影響的敏感參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場具體施工情況及時(shí)修正混凝土重度以及斜拉索初拉力的理論參數(shù)值，確保橋梁成橋后的索塔應(yīng)力、索塔變形、主梁線形以及斜拉索索力等符合設(shè)計(jì)要求。

在橋梁施工過程中，修正主要敏感參數(shù)，舍棄不敏感參數(shù)，將這種方法應(yīng)用于貴州沿河烏江三橋的施工監(jiān)控過程中，取得了良好的效果。