不對稱懸澆混合梁剛構(gòu)橋線形控制敏感性分析

張 永，陳偉杰，程劍煌，彭自強

（1.中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000；2.泉州市交通工程規(guī)劃建設(shè)技術(shù)中心，福建 泉州 362000；3.江西飛尚科技有限公司基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測與評估國家地方聯(lián)合工程研究中心，江西 南昌 330052）

鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋綜合了預(yù)應(yīng)力混凝土和大節(jié)段鋼箱梁的優(yōu)點，具有良好的社會經(jīng)濟效益[1-3]。在線形控制方面有如下難點：主跨中部采用大節(jié)段預(yù)制鋼箱梁，合龍調(diào)整能力有限；邊中跨結(jié)構(gòu)不對稱，施工過程中橋墩需要承擔(dān)不平衡彎矩；橋面不設(shè)置調(diào)平層，裸梁梁頂平整度、鋪裝恒載控制難度大；此外各類參數(shù)的離散性也導(dǎo)致與成橋目標(biāo)的偏離。敏感性分析為施工控制工作中的參數(shù)識別，模型修正，預(yù)測分析和誤差調(diào)整等工作提供依據(jù)[4]。

1 工程背景

安海灣特大橋主橋采用鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑組合為（135＋300＋135）m，主墩兩側(cè)采用混凝土懸澆，主跨跨中合龍段為長度103m 的大節(jié)段鋼箱梁，鋼箱梁與混凝土節(jié)段間設(shè)置5m 長鋼混結(jié)合段。主橋上下分幅布置，箱梁頂面橫坡為2.5%，以相應(yīng)設(shè)計標(biāo)高為原點分別向左右傾斜，梁底橫向保持水平?；炷林髁簽閱蜗鋯问?，頂板寬度為16.25m，底板寬度為7.65m。根部梁高15m，跨中梁高4.5m。梁高按2 次拋物線規(guī)律變化。主橋邊跨最大懸臂長度104.5m，分24個梁段，中跨最大懸臂長度82.5m，分為22 個梁段。如圖1、圖2 所示。

圖1 鋼-混凝土混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋立面布置圖

圖2 鋼-混凝土混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

2 參數(shù)敏感性分析方法

以主梁線形變化量作為控制目標(biāo)，敏感性分析的主要任務(wù)是確定對施工階段橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響較大的物理參數(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、施工方法及工程經(jīng)驗，調(diào)整混凝土彈性模量、主梁節(jié)段自重、預(yù)應(yīng)力損失、不對稱澆筑平衡配重、大節(jié)段鋼箱梁重量五個參數(shù)，計算控制目標(biāo)的變化，以此為據(jù)，確定主要和次要控制參數(shù)。

文中以主梁線形在設(shè)計參數(shù)下的計算值為基準(zhǔn)值，通過計算值與基準(zhǔn)值的偏差，分析影響程度。設(shè)計參數(shù)及調(diào)整值取值如表1。

3 關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析

3.1 計算模型說明

采用橋梁博士建立主橋的整體計算模型，主梁、橋墩均采用梁單元進(jìn)行模擬，橫隔板及齒板重量則按照自重系數(shù)的方式計入階段自重。參照設(shè)計圖紙，將全橋離散為157 個梁單元，163 個節(jié)點，混凝土彈性模量等材料特性參照規(guī)范取值，懸臂澆筑節(jié)段的初始加載齡期取為7 天[5]，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的張拉控制應(yīng)力取為1395MPa，計算模型如圖3 所示。

圖3 安海灣特大橋計算模型

3.2 混凝土彈性模量的影響分析

根據(jù)大量經(jīng)驗，混凝土彈性模量實測值往往較設(shè)計規(guī)范中的規(guī)定值偏高，有時可高出10%左右。按照表1 中所列參數(shù)調(diào)整系數(shù)，分別對最大懸臂和成橋階段兩種工況下主梁的線形變化量進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 彈性模量對最大懸臂狀態(tài)主梁位移的影響

圖5 彈性模量對成橋階段主梁位移的影響

表1 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計值及敏感性分析修正值

分析表明，當(dāng)材料彈性模量達(dá)到規(guī)范值的110%時，最大懸臂施工階段，邊、中跨懸臂端部位移變化量超過3mm；成橋狀態(tài)下，混凝土主梁和大節(jié)段鋼箱梁的位移變化量分別達(dá)到了11mm 和5mm。由此可見，鋼-混凝土混合梁結(jié)構(gòu)在混凝土彈性模量發(fā)生變化時，成橋階段的結(jié)構(gòu)撓度有一定影響。

3.3 漲模超方的影響分析

由于懸臂施工過程中漲模問題時有發(fā)生，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重普遍超過設(shè)計值，最大偏差可能會達(dá)到5%以上，隨著上部梁段的不斷增加，懸臂上的荷載產(chǎn)生彎曲作用會越來越大。通過調(diào)整主梁節(jié)段材料容重的方式，分別計算懸澆節(jié)段超方0%、1.25%、2.5%、3.75%、5%時，最大雙懸臂階段和成橋階段主梁的累計位移，如圖6、圖7 所示。

圖6 主梁節(jié)段超方對最大懸臂階段主梁位移的影響

圖7 主梁節(jié)段超方對成橋階段主梁位移的影響

在懸澆節(jié)段重量超出設(shè)計值時，混凝土主梁的位移變化明顯，但鋼主梁位移受影響較小。在超方5%時，最大懸臂狀態(tài)下，混凝土主梁位移變化量為-1.1cm；成橋階段，混凝土主梁位移變化量為-1.3cm，而鋼箱梁的位移變化量始終保持在1mm 內(nèi)。

3.4 預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力損失的影響分析

實際施工環(huán)境中，預(yù)應(yīng)力損失很難精確估計，導(dǎo)致主梁的理論位移不能與實際很好地符合。為了解主梁線形隨預(yù)應(yīng)力損失變化的規(guī)律，通過計算張拉控制應(yīng)力為設(shè)計值的100%、95%、90%、85%、80%時主梁最大懸臂與施工階段的位移變化情況，對其影響量進(jìn)行討論。計算結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 預(yù)應(yīng)力損失對最大懸臂狀態(tài)主梁撓度的影響

圖9 預(yù)應(yīng)力損失對成橋階段主梁撓度的影響

分析表明，與主梁節(jié)段重量參數(shù)類似，預(yù)應(yīng)力損失對混凝土主梁位移影響較大，對鋼主梁位移影響較小。張拉控制應(yīng)力按照80%設(shè)計值考慮時，最大懸臂狀態(tài)下，混凝土主梁位移變化量較設(shè)計值偏低2.7cm；成橋階段，混凝土主梁位移變化量較設(shè)計值偏低3.4cm。此時，鋼箱梁跨中的位移變化量僅為2mm。

3.5 不對稱懸臂澆筑平衡配重的影響分析

本橋采用掛籃對稱懸臂澆筑前22 個梁段，然后不對稱懸臂澆筑邊跨23、24#梁段（合計重量為328.6t）。為平衡邊跨梁段不對稱荷載在主墩墩底引起的彎矩效應(yīng)，降低結(jié)構(gòu)安全隱患，需要在中跨側(cè)設(shè)置相應(yīng)的配重，并在邊跨合龍后卸載。但受作業(yè)面及工序時間限制，既定施工方案中，中跨22#節(jié)段懸臂端最大能夠配載的重量僅為150t。考慮到受工期等因素影響，施工臨時荷載的配置具有不確定性，計算平衡配重為0t、50t、100t、150t 四種情況下，主梁最大懸臂與施工階段的位移變化情況，討論平衡配重變化對主梁撓度的影響量。計算結(jié)果如圖10、圖11 所示。

圖10 平衡配重對最大懸臂狀態(tài)主梁撓度的影響

圖11 平衡配重對成橋階段主梁撓度的影響

分析表明，邊、中跨側(cè)混凝土主梁懸臂端撓度在平衡配重的改變下呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。不施加平衡配重與施加150t 配重相比，最大懸臂狀態(tài)下，邊跨懸臂端下?lián)?.7cm，中跨懸臂端位移上撓3.3cm；成橋狀態(tài)下主梁的位移變化與最大懸臂狀態(tài)下基本一致。

3.6 大節(jié)段鋼箱梁重量制造偏差的影響分析

大節(jié)段鋼箱梁的預(yù)制過程，要經(jīng)歷多個步驟，實際重量與設(shè)計重量偏差，導(dǎo)致安裝后鋼箱梁恒載撓度偏離理論值[6]。本處討論其重量偏差對成橋線形的影響，通過調(diào)整鋼箱梁材料容重為設(shè)計值95%、97.5%、102.5%、105%的方式實現(xiàn)。計算結(jié)果如圖12 所示。

圖12 大節(jié)段鋼箱梁重量制造偏差對成橋階段主梁撓度的影響

當(dāng)大節(jié)段重量增大時，橋面系施工完成階段主跨撓度增加而邊跨撓度減小，增重5%時，大節(jié)段鋼箱梁跨中最大下?lián)狭繛?.3cm，對混凝土懸臂端的影響量1.2cm；當(dāng)鋼箱梁節(jié)段重量減小時，主跨撓度減小而邊跨撓度增大，減重5%時，大節(jié)段鋼箱梁跨中最大上撓量為1.7cm。由此可見，大節(jié)段鋼箱梁重量的制造偏差對其成橋累計位移影響較為顯著。

4 結(jié)論

本文以安海灣特大橋主橋工程為代表，對鋼-混疑土混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋不對稱懸澆施工過程及成橋狀態(tài)下，混凝土彈模、主梁節(jié)段超方、預(yù)應(yīng)力損失、平衡配重、大節(jié)段鋼梁重量等因素下主梁線形的影響進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）混凝土彈模、主梁節(jié)段超方、預(yù)應(yīng)力損失對主梁線形影響較明顯。應(yīng)根據(jù)實測的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對以上參數(shù)進(jìn)行識別與修正，使計算模型匹配現(xiàn)場實際，以指導(dǎo)主梁的線形控制。

（2）平衡配重在變化幅度較大時對主梁線形有較大影響，施工進(jìn)行至大懸臂前，應(yīng)明確不平衡懸臂施工作業(yè)面允許的最大配重重量，并對計算模型進(jìn)行調(diào)整，在保證線形目標(biāo)的同時，盡可能改善橋梁內(nèi)力狀態(tài)。

（3）大節(jié)段鋼箱梁對自身和懸澆主梁線形均有明顯影響。由于調(diào)整手段有限，應(yīng)從鋼箱梁制造實際進(jìn)行控制，嚴(yán)格控制重量誤差不超過設(shè)計要求。