獨塔斜拉橋施工控制中的參數(shù)敏感性分析

吳鳳民

(湖南省懷化市農(nóng)村公路建設(shè)辦公室， 湖南 懷化 418000)

大跨徑混凝土獨塔斜拉橋施工周期長，施工工序復(fù)雜，常有混凝土攪拌不充分、振搗不均勻以及模板漲模、松模導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)重度與理論計算值差異較大的現(xiàn)象發(fā)生；結(jié)構(gòu)彈性模量在施工過程中受混凝土配合比和養(yǎng)護(hù)條件等多種因素影響，致使其與設(shè)計值總會存在偏差；扣索的幾何非線性近似求解常導(dǎo)致索力計算結(jié)果的誤差；施工過程中溫度的整體升降變化也會影響到最終結(jié)構(gòu)的成橋內(nèi)力，以上幾種參數(shù)的誤差都會對橋梁施工控制產(chǎn)生一定影響，從而導(dǎo)致最終的實際成橋狀態(tài)與理論成橋狀態(tài)有所偏差[1]。因此在橋梁施工過程中需要對以上參數(shù)進(jìn)行識別，并計算對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響大的參數(shù)，在施工過程中著重進(jìn)行控制，盡量減小這些參數(shù)誤差所產(chǎn)生的影響；而對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小的參數(shù)可適當(dāng)降低要求，簡化施工過程[2]。

1 工程背景

保靖縣酉水三橋位于保靖路，其主橋為跨越酉水河的大跨徑獨塔斜拉橋，全長359 m，主跨196 m，次邊跨62 m，邊跨101 m。其中主橋為獨塔雙索面不對稱斜拉橋，結(jié)構(gòu)體系采用三跨連續(xù)固結(jié)體系，扣索呈空間密索型布置，邊跨處設(shè)置1處輔助墩。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位： cm)

主梁為預(yù)應(yīng)力砼箱型梁，截面形式為單箱三室。橋面全寬30.5m，底板寬12.5m，梁高3.2m，頂板設(shè)雙向2%橫坡。梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為7.2m，邊跨現(xiàn)澆段索距為4.8m，混凝土標(biāo)號為C55，主梁橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁橫斷面圖(單位： cm)

主塔形式為鉆石形，材料采用鋼筋混凝土，其中混凝土標(biāo)號為C50。主塔高128 m，由上、中、下塔柱以及下橫梁4個部分組成，其中塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，下橫梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 有限元模型建立與參數(shù)選取

采用Midas/Civil建立酉水三橋空間有限元模型，采用空間梁單元模擬主梁與主塔，采用只受拉桁架單元模擬扣索，采用Enrst公式修正扣索的彈性模量以考慮垂度效應(yīng)[3]。該橋有限元模型共660個節(jié)點、750個單元。主梁與主塔連接處的邊界條件采用彈性連接中的剛性連接。索塔底部邊界條件為固結(jié)。主梁邊支座與輔助墩邊界條件采用一般支承約束Dy、Dz。該橋有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型圖

依據(jù)對酉水三橋施工過程的誤差因素分析，本文選取自重、混凝土彈性模量、扣索索力以及結(jié)構(gòu)整體溫度變化4個參數(shù)進(jìn)行敏感性研究。以理想成橋狀態(tài)下各個構(gòu)件的無應(yīng)力狀態(tài)量為基準(zhǔn)，對上述參數(shù)逐一進(jìn)行改變，在保證其余參數(shù)不變的情況下，分別進(jìn)行主梁線形與應(yīng)力、塔頂位移以及塔根應(yīng)力分析。根據(jù)計算結(jié)果分析影響該獨塔斜拉橋施工過程的各參數(shù)敏感性。

酉水三橋有限元模型混凝土容重均值取25 kN/m3，參考文獻(xiàn)[4]，其變異系數(shù)取值為0.05，因此取自重變化5%進(jìn)行分析；該橋主梁與主塔結(jié)構(gòu)均采用C50混凝土，根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]，其均值為3.45×107kN/m2，變異系數(shù)取值為0.05，因此取彈性模量變化5%進(jìn)行分析；扣索索力參考文獻(xiàn)[4],取變化5%進(jìn)行分析；結(jié)構(gòu)整體溫度考慮該橋整個施工階段橋址處的溫度變化，取結(jié)構(gòu)整體溫度變化10 ℃進(jìn)行分析，為便于各參數(shù)計算結(jié)果的對比，主梁位移與應(yīng)力分析僅取各參數(shù)單向變化結(jié)果，參數(shù)變化范圍如表1所示。

表1 各參數(shù)變化范圍表參數(shù)自重/%彈性模量/%索力值/%結(jié)構(gòu)整體溫度/℃變化范圍±5±5±5±10

3 主梁計算結(jié)果

3.1 主梁位移分析

對該橋主梁位移進(jìn)行計算分析，將該橋主梁等分為37段，共38個節(jié)點，主梁各節(jié)點在參數(shù)變化后的豎向位移相對于初始豎向位移的變化值如圖4所示。

圖4 主梁豎向位移變化圖

由圖4可知，結(jié)構(gòu)自重增加5%后，主梁位移變化的總體趨勢為主跨產(chǎn)生明顯下?lián)?，且在主跨跨中附近達(dá)到最大，最大值為-60 mm，其余截面幾乎未發(fā)生變化?？鬯魉髁p少5%與結(jié)構(gòu)自重增加5%對于主梁豎向位移的影響基本一致，且主跨跨中下?lián)细?，最大撓度達(dá)到了79 mm；考慮該橋結(jié)構(gòu)不對稱，主跨跨徑遠(yuǎn)大于邊跨，因此在結(jié)構(gòu)自重與扣索索力變化后邊跨撓度變化值較小。整體升溫10 ℃后，主梁的主跨跨中附近與塔梁固結(jié)處的豎向位移產(chǎn)生了一定位移，但遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)自重與扣索索力引起的主梁豎向位移，最大位移值均為9 mm；經(jīng)分析，由于塔梁固結(jié)處約束較強，溫度作用下產(chǎn)生的次內(nèi)力使主塔產(chǎn)生了豎向位移；主跨跨中附近產(chǎn)生位移，為溫度作用下扣索的伸長量發(fā)生變化所致。結(jié)構(gòu)混凝土彈性模量減少10%對于主梁豎向位移影響最小，最大位移值僅4 mm。

由上述分析可得：相比于整體溫度與混凝土彈性模量，結(jié)構(gòu)自重與扣索索力的改變對于主梁位移的影響較大，為影響主梁位移的敏感參數(shù)。

3.2 主梁應(yīng)力分析

主梁應(yīng)力控制作為施工控制的重點，往往決定了該橋能否達(dá)到理想的成橋狀態(tài)，改變結(jié)構(gòu)自重、扣索索力、混凝土彈性模量以及整體溫度后，分別對該橋主梁截面上下緣應(yīng)力進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 主梁上緣應(yīng)力對比圖

圖6 主梁下緣應(yīng)力對比圖

對比主梁上下緣應(yīng)力可得，上下緣應(yīng)力的變化趨勢大體相反，數(shù)值也基本接近，主梁應(yīng)力均因整體升溫、結(jié)構(gòu)自重與扣索索力3個參數(shù)的變化而產(chǎn)生較大變化，其中又以整體升溫的影響最為明顯。整體升溫10 ℃后，主梁的3跨跨中位置均產(chǎn)生較大應(yīng)力，但次邊跨與其余2跨的跨中應(yīng)力值反號，應(yīng)力峰值位于主跨跨中附近，為4.05 MPa，該參數(shù)為影響主梁應(yīng)力的最敏感參數(shù)。結(jié)構(gòu)自重減少5%與索力減少5%時，主梁應(yīng)力變化規(guī)律一致，主梁應(yīng)力均在3跨跨中位置產(chǎn)生較大變化且3跨應(yīng)力均同號，但索力變化同時還導(dǎo)致墩梁固結(jié)處與輔助墩處產(chǎn)生反號應(yīng)力。彈性模量對于主梁應(yīng)力的改變基本上沒有影響。

因此，整體溫度為主梁應(yīng)力的最敏感參數(shù)，結(jié)構(gòu)自重與扣索索力次之，而混凝土彈性模量非敏感參數(shù)。

4 主塔計算結(jié)果

4.1 塔頂位移分析

各參數(shù)變化后，對主塔塔頂?shù)目v向與豎向位移的變化量進(jìn)行計算，得出塔頂位移變化量如表3所示(橫向位移變化量均較小，故未示出)。

結(jié)構(gòu)自重與扣索索力對塔頂縱向位移的影響較大。自重增加5%，使塔頂向主跨方向位移偏移了15 mm；索力減少5%，塔頂向主跨方向位移偏移了14 mm，考慮主跨跨度遠(yuǎn)大于邊跨，自重增加或索力減少導(dǎo)致的主跨主梁下?lián)弦泊笥谶吙缰髁合聯(lián)?，因此塔頂向主跨縱向偏移。結(jié)構(gòu)整體溫度的升降對塔頂縱向位移幾乎無影響，但是對豎向位移影響較大，主塔豎向位移最大值達(dá)到了12.54 mm，而彈性模量對于主塔縱向與豎向位移均較小。由此可判斷，結(jié)構(gòu)自重、扣索索力以及整體溫度均為塔頂位移的敏感參數(shù)。

表3 塔頂位移變化量參數(shù)變化幅度ΔX/mmΔZ/mm結(jié)構(gòu)自重增加5%15.31 0.82減小5%-15.31 -0.82 混凝土彈性模量增加5%0.54 0.04 減小5%-0.46 -0.06 整體溫度升高10℃0.40 12.54 降低10℃-0.38 -12.50 扣索索力增加5%14.42 -0.31 減小5%-14.42 0.31

4.2 塔根應(yīng)力分析

參數(shù)變化后，塔根相應(yīng)的應(yīng)力變化量如表4所示。由表可知，扣索索力的變化引起塔根應(yīng)力變化較明顯，尤其對于上緣應(yīng)力，最大值達(dá)到了3.28MPa。結(jié)構(gòu)自重與整體溫度的變化對于塔根應(yīng)力的影響較小，最大值均不大于0.4 MPa，混凝土彈性模量對于塔根應(yīng)力的影響基本可忽略。因此，扣索索力為塔根應(yīng)力的唯一敏感參數(shù)。

表4 塔根應(yīng)力變化量參數(shù)變化幅度右上緣應(yīng)力/MPa左上緣應(yīng)力/MPa右下緣應(yīng)力/MPa左下緣應(yīng)力/MPa結(jié)構(gòu)自重增加5%-0.39 -0.32 0.08 0.01 減小5%0.40 0.33 -0.07 0.00 混凝土彈性模量增加5%0.01 0.01 -0.01 -0.01減小5%-0.01 -0.01 0.02 0.02 整體溫度升高10 ℃0.17 0.18 -0.23 -0.24降低10 ℃-0.17 -0.18 0.23 0.24 扣索索力增加5%3.28 -3.30 -1.29 1.30減小5%-328 3.31 1.30 -1.29

5 結(jié)論

以保靖縣酉水三橋為工程背景，采用Midas/Civil建立該橋有限元模型，對該大跨徑獨塔斜拉橋施工過程中的幾個重要參數(shù)(結(jié)構(gòu)自重、扣索索力、混凝土彈性模量以及整體溫度)進(jìn)行敏感性分析，得到以下結(jié)論：

1) 總體來看，扣索索力為酉水三橋施工過程中的最敏感參數(shù)，其對主梁位移、主梁應(yīng)力、主塔塔頂位移以及塔根應(yīng)力的影響均較大，其次為結(jié)構(gòu)自重與整體溫度，混凝土彈性模量的影響基本忽略不計。

2) 由于酉水三橋結(jié)構(gòu)布置形式、約束強弱的差異，主梁跨中附近、墩梁固結(jié)處以及塔頂對于參數(shù)的改變最為敏感，而橋端以及塔根位移敏感性較低，受到的影響較小。

綜上所述，在酉水三橋施工過程中應(yīng)加強對結(jié)構(gòu)自重、扣索索力以及整體溫度3個參數(shù)的控制，并注重對敏感性較高部位的位移與應(yīng)力監(jiān)控，以保證該橋達(dá)到合理成橋狀態(tài)。