楊如剛,陳博,韓冰
(1.蜀道投資集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610041;2.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,四川 成都 610041;3.川南城際鐵路有限責(zé)任公司,四川 自貢 643000)
大跨度斜拉橋疊合梁截面采用橫梁、小縱梁與邊主梁形成的框架體系,形成較大的抗彎剛度與橫向抗扭剛度,在鋼板梁頂板剪力釘位置采用現(xiàn)澆混凝土與混凝土預(yù)制板形成整體,作為受壓區(qū)承受拉索施加的壓力,最大程度地利用鋼梁與混凝土的材料特性。由于截面桿件零碎,栓接過(guò)程復(fù)雜且不易控制、施工技術(shù)條件要求高等問(wèn)題,大跨度斜拉橋疊合梁施工誤差在所難免。在現(xiàn)實(shí)施工時(shí),存在諸多因素致使橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的目標(biāo),例如:設(shè)計(jì)參數(shù)不夠精確、構(gòu)件制造誤差、栓接誤差、結(jié)構(gòu)模型分析不準(zhǔn)確、測(cè)試誤差等[1],橋梁結(jié)構(gòu)的各工序施工會(huì)因?yàn)樯鲜龈鞣N誤差而發(fā)生目標(biāo)偏離,從而使得橋梁最終成橋指標(biāo)不能滿足要求。
近年來(lái),對(duì)于疊合梁施工誤差敏感性和誤差預(yù)測(cè)在大跨度斜拉橋施工中的體現(xiàn)的理論分析中國(guó)已有較多的研究[2-4],但是針對(duì)誤差產(chǎn)生的原因、誤差的變化以及如何傳播等方面研究頗少。因此,本文根據(jù)施工過(guò)程中非對(duì)稱疊合梁各種影響主梁安裝誤差的因素,分析在施工過(guò)程中線形誤差如何變化及傳播;與此同時(shí),研究在各類參數(shù)誤差的影響下,疊合梁截面鋼梁及橋面板的應(yīng)力變化情況。通過(guò)研究結(jié)果,為上部結(jié)構(gòu)拼裝過(guò)程中線形的較好調(diào)節(jié)和斜拉索張拉過(guò)程中初拉力的精度控制提供可靠依據(jù)[5-9]。
宜賓南溪長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)殡p塔雙索面半漂浮非對(duì)稱結(jié)構(gòu)體系,跨徑組合:280 m+572 m+(72.5+63+53.5)m,中跨與北岸邊跨的主梁為鋼-混凝土疊合梁;為平衡北岸邊跨重量,南岸邊跨主梁采用雙縱肋混凝土截面形式,且設(shè)置輔助墩2處,橋塔為花瓶形,共有斜拉索164 根。其總體布置如圖1 所示。主橋施工方法見(jiàn)表1。主橋標(biāo)準(zhǔn)梁段的施工步驟圖如圖2所示。
表1 主橋施工方法
圖1 宜賓南溪長(zhǎng)江大橋橋型布置圖(單位:m)
圖2 標(biāo)準(zhǔn)梁段施工步驟圖
基于宜賓南溪長(zhǎng)江大橋敏感性分析報(bào)告[10]及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況,需明確鋼梁與橋面板重量、拉索彈性模量、初張力及栓接誤差等參數(shù)及各自的變化范圍,以探討大橋敏感性參數(shù)對(duì)主梁線形、應(yīng)力的影響程度與機(jī)理。大橋的敏感性參數(shù)如表2 所示。
表2 敏感性參數(shù)
(1)采用有限元軟件NLABS 建立橋梁的基準(zhǔn)狀態(tài)模型,如圖3 所示,并引入幾何非線性,利用結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算來(lái)獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的基準(zhǔn)值。
圖3 NLABS 有限元離散模型
(2)依據(jù)上述基準(zhǔn)狀態(tài)模型,采用控制變量法,根據(jù)某一參數(shù)的改變來(lái)調(diào)整模型中相應(yīng)的參數(shù),實(shí)現(xiàn)整個(gè)施工過(guò)程包含參數(shù)誤差的數(shù)值計(jì)算模擬,分析算得結(jié)構(gòu)中與各個(gè)參數(shù)誤差相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)誤差。
(3)分析在每個(gè)參數(shù)誤差影響下,從開(kāi)始安裝到最大單懸臂這一過(guò)程,主梁線形誤差是如何產(chǎn)生與變化的;同時(shí)分析疊合梁中鋼梁及橋面板對(duì)應(yīng)應(yīng)力變化的分布情況。
(4)明確在每個(gè)參數(shù)誤差作用下,新梁段安裝階段誤差傳播規(guī)律,探索各誤差對(duì)跨中合龍前最大單懸臂狀態(tài)的影響程度及演變歷程,為施工誤差限值的有效控制提供理論依據(jù)。
為了方便分析主梁線形誤差的形成機(jī)理及變化傳播過(guò)程,建立施工過(guò)程相對(duì)應(yīng)的主梁線形誤差如表3 所示。表中:e為線形誤差,e上標(biāo)為線形評(píng)價(jià)施工階段,N,0 表示N號(hào)梁段的安裝階段,N,1 表示N號(hào)索三張階段,e下標(biāo)為線形評(píng)價(jià)所對(duì)應(yīng)的位置,N表示N號(hào)鋼主梁遠(yuǎn)塔側(cè)控制點(diǎn)。
表3 施工過(guò)程中各梁段前端點(diǎn)線形誤差
將標(biāo)準(zhǔn)梁段施工步驟簡(jiǎn)化為兩階段:N-1#索三張→N鋼梁安裝,N鋼梁安裝→N#索三張,根據(jù)具體施工對(duì)各階段內(nèi)誤差產(chǎn)生因素進(jìn)行分析。
(1)N-1#索三張→N鋼梁安裝
對(duì)于剛安裝完的鋼梁,其eN,0N值主要包含以下幾方面:安裝前,已安鋼梁夾角及高程不夠精確所形成的線形誤差;安裝中,利用沖釘進(jìn)行相對(duì)位置的安裝,待安裝梁段與已安裝梁段相互作用所形成的線形誤差;待安梁段自重偏差所導(dǎo)致的線形誤差。
對(duì)于已安梁段來(lái)說(shuō),鋼梁的安裝過(guò)程只是其自重荷載的施加,故已安裝梁段的eN,0N-1值為上一階段的eN-1,1N-1與待安裝梁段自身誤差使已安裝梁段產(chǎn)生的誤差之和,后者包括新安裝梁段自重偏差及已成結(jié)構(gòu)(不包括新安裝鋼梁)整體剛度偏差引起的線形誤差。
(2)N鋼梁安裝→N#索三張
新安裝梁段線形誤差由eN,0N變化至eN,1N,其中主要因素可以歸納為4 個(gè)方面:N#斜拉索初張階段索力誤差;N#預(yù)制板安裝、N-1#濕接縫澆筑階段的預(yù)制板及濕接縫重量誤差;N#斜拉索二、三張索力誤差以及包括新安裝鋼梁及拉索的已成結(jié)構(gòu)整體剛度引起的誤差等。
該施工過(guò)程中,已成梁段線形誤差eN,0N-1主要由以下幾部分組成:上一階段線形誤差eN-1,1N-1;N#斜拉索初張階段索力誤差;N#預(yù)制板安裝、N-1#濕接縫重量誤差;N#斜拉索二張及三張索力誤差;已成梁段結(jié)構(gòu)整體剛度引起的誤差。
綜上所述,可以得到影響誤差的因素較多,且各因素之間存在耦合作用,以下結(jié)合工程實(shí)例從誤差的形成、變化及傳播3 個(gè)方面進(jìn)行分析。
本節(jié)主要討論鋼梁與橋面板自重、斜拉索彈性模量、初張力、栓接定位發(fā)生偏差對(duì)橋梁施工過(guò)程中誤差變化的影響。
(1)鋼梁自重
以南溪橋?yàn)橛?jì)算實(shí)例,考慮鋼梁的自重荷載均存在±5%偏差這一情況,建立從安裝階段到其最大單懸臂狀態(tài)下的JZ15(6#段)、JZ11(10#段)、JZ7(14#段)梁段前端控制點(diǎn)線形的誤差變化如圖4 所示,以圖中“鋼梁自重+5%(JZ7)”標(biāo)識(shí)為例,表示在所有梁段自重均增加5%的情況下,隨著施工進(jìn)展,南岸14#塔江側(cè)JZ7 號(hào)主梁前端點(diǎn)線形誤差的變化情況。
圖4 鋼梁自重±5%時(shí)主梁線形誤差
由圖4 可知:鋼梁自重存在±5%偏差時(shí),對(duì)主梁線形誤差影響較大,其中JZ7 梁的線形誤差達(dá)到了14 cm;隨著施工階段的進(jìn)行,JZ15、JZ11、JZ7 梁段的線形誤差均逐步增長(zhǎng),誤差變化線斜率逐漸減小,趨向于零,原因在于后續(xù)梁段的超重對(duì)前面施工梁段的影響會(huì)隨著懸臂段的伸長(zhǎng)逐漸減弱。JZ15、JZ11、JZ7 梁分別在6、5、4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段施工后線形誤差穩(wěn)定在一定值,原因在于隨著分析梁段遠(yuǎn)離索塔,結(jié)構(gòu)體系柔度越大,結(jié)構(gòu)自重位移較剛體轉(zhuǎn)動(dòng)位移占總位移的比例逐漸減小,自重影響能力逐步減弱。
基于鋼梁自重荷載均發(fā)生+5%偏差的情況,在施工過(guò)程中JZ15、JZ11、JZ7 梁拉索錨點(diǎn)處的鋼梁與橋面板應(yīng)力誤差分別如圖5、6 所示。
圖5 鋼梁自重+5%時(shí)鋼梁應(yīng)力誤差
由圖5 可知:JZ15、JZ11、JZ7 梁拉索錨點(diǎn)處的鋼梁下緣應(yīng)力誤差隨著施工階段不斷增大,其增長(zhǎng)速率隨著距離橋塔越近而呈減小趨勢(shì),下緣最大應(yīng)力誤差小于5 MPa;上緣最大應(yīng)力誤差為-1.5 MPa。
由圖6 可知:JZ15、JZ11、JZ7 梁拉索錨點(diǎn)處橋面板的下緣應(yīng)力誤差呈先增后減趨勢(shì),最大應(yīng)力誤差為-0.03 MPa 左右;上緣最大應(yīng)力誤差小于0.2 MPa。
圖6 鋼梁自重+5%時(shí)橋面板應(yīng)力誤差
(2)橋面板自重
基于橋面板自重荷載均發(fā)生±5%偏差的情況,在施工過(guò)程中,JZ15、JZ11、JZ7 梁段線形的誤差變化如圖7 所示。
圖7 橋面板自重±5%時(shí)主梁線形誤差
由圖7 可知:當(dāng)橋面板自重載荷發(fā)生±5%偏差時(shí),JZ15、JZ11、JZ7 梁分別存在80.5 mm、198.1 mm、382.6 mm 的線形誤差。橋面板的線形誤差變化趨勢(shì)與鋼梁較為相似,但鋼梁的線形誤差要比橋面板的小,受影響程度更低,主要是由于鋼梁的自重基數(shù)更小,自重作用下的變形量就相對(duì)更小。
基于橋面板自重荷載均發(fā)生+5%偏差的情況,在施工過(guò)程中,JZ15、JZ11、JZ7 梁錨點(diǎn)處的鋼梁與橋面板應(yīng)力誤差變化如圖8、9 所示。
圖8 橋面板自重+5%時(shí)鋼梁應(yīng)力誤差
由圖8 可知:在橋面板自重增加5%后,鋼梁上緣應(yīng)力誤差隨施工階段進(jìn)行在±1 MPa 內(nèi)波動(dòng),下緣應(yīng)力誤差隨施工階段進(jìn)行呈快速增大趨勢(shì)。
由圖9 可知:橋面板上下緣應(yīng)力誤差均呈先減后增趨勢(shì),其中上緣應(yīng)力誤差變化明顯,下緣應(yīng)力誤差變化相對(duì)較小。
圖9 橋面板自重+5%時(shí)橋面板應(yīng)力誤差
(3)拉索彈模
基于拉索彈模均發(fā)生±8%偏差的情況,在施工過(guò)程中,JZ15、JZ11、JZ7 梁前端點(diǎn)的線形誤差變化如圖10 所示。
圖10 拉索彈?!?%時(shí)主梁線形誤差
由圖10 可知:在拉索彈?!?%偏差的情況下,主梁線形誤差呈現(xiàn)波浪式上升或下降的趨勢(shì),對(duì)JZ7梁段的線形誤差影響達(dá)到6 cm;隨著施工階段的進(jìn)行,JZ15、JZ11、JZ7 梁的線形誤差呈增大趨勢(shì)。對(duì)于三張階段與安裝階段的線形誤差呈反向變化的情況,其原因主要為三張階段對(duì)于相同的索力,拉索彈性模量不同帶來(lái)新拉索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的改變,對(duì)主梁線形會(huì)產(chǎn)生較大影響,同時(shí)已成拉索的誤差也會(huì)影響結(jié)構(gòu)變形,而在安裝階段是荷載的施加,只有已成拉索被動(dòng)受力。對(duì)比各線形誤差線可以看出,隨著懸臂段的加長(zhǎng),線形誤差趨于穩(wěn)定所需要的標(biāo)準(zhǔn)施工階段數(shù)逐漸增加,因?yàn)閼冶墼介L(zhǎng),結(jié)構(gòu)剛度越小,拉索張力越大,拉索彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響作用就越大。
基于拉索彈性模量均增加8%偏差的情況,在施工過(guò)程中,JZ15、JZ11、JZ7 梁錨點(diǎn)處的鋼梁與橋面板應(yīng)力誤差變化情況分別如圖11、12 所示。
圖11 拉索彈模+8%時(shí)鋼梁應(yīng)力誤差
由圖11 可知:在安裝后3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段施工中,JZ15、JZ11、JZ7 鋼梁的上緣應(yīng)力誤差呈先減后增的趨勢(shì),且增加段應(yīng)力誤差變化較快;下緣應(yīng)力誤差呈先增后減的趨勢(shì),在后一節(jié)段拉索三張后應(yīng)力誤差達(dá)到最大。
由圖12 可知:JZ15、JZ11、JZ7 梁的橋面板截面應(yīng)力誤差均小于0,可知拉索彈模的增加可降低橋面板的應(yīng)力水平。
圖12 拉索彈模+8%時(shí)橋面板應(yīng)力誤差
綜上,當(dāng)拉索彈模增加8%時(shí),鋼梁應(yīng)力誤差最大為2 MPa,橋面板應(yīng)力誤差最大為-0.15 MPa,因此拉索彈模對(duì)二者的應(yīng)力水平影響較低。
(4)初張力
控制三張力不變,當(dāng)拉索初張力均改變±10%時(shí),在施工過(guò)程中,JZ15、JZ11、JZ7 梁前端點(diǎn)主梁線形誤差變化情況如圖13 所示。
圖13 初張力±10%時(shí)主梁線形誤差
由圖13 可知:在初張力±10%偏差的情況下,JZ15、JZ11、JZ7 梁的線形誤差分別接近2 cm、12 cm、32 cm,并且在對(duì)應(yīng)拉索張拉階段,線形誤差均達(dá)到峰值,在后續(xù)施工階段,線形誤差均基本保持不變;對(duì)比分析6 條誤差線可知,隨著懸臂的加長(zhǎng),誤差值增加越快,這是因?yàn)閼冶墼介L(zhǎng),結(jié)構(gòu)體系越柔,初張力的影響效應(yīng)越強(qiáng)。
基于初張力增加10%的情況,在施工過(guò)程中,JZ15、JZ11、JZ7 梁拉索錨點(diǎn)處的鋼梁與橋面板應(yīng)力誤差分別如圖14、15 所示。
圖14 初張力+10%時(shí)鋼梁應(yīng)力誤差
由圖14 可知:JZ15、JZ11、JZ7 鋼梁上緣應(yīng)力誤差僅在對(duì)應(yīng)拉索張拉階段發(fā)生變化,上緣最大應(yīng)力誤差不大于10 MPa;下緣應(yīng)力誤差在對(duì)應(yīng)拉索張拉階段變化較快,其余節(jié)段變化較緩慢,最大應(yīng)力誤差在5 MPa 以內(nèi)。
由圖15 可知:JZ15、JZ11、JZ7 梁的橋面板上下緣應(yīng)力均變小,且應(yīng)力誤差最小在0.2 MPa 以內(nèi)。
圖15 初張力+10%時(shí)橋面板應(yīng)力誤差
綜上,橋面板的應(yīng)力水平受初張力影響相對(duì)較??;鋼梁的應(yīng)力水平受初張力影響相對(duì)較大,且上緣應(yīng)力受影響程度更顯著。
(5)栓接誤差
基于新安裝梁段采用相對(duì)位置安裝且各梁段栓接誤差均為±5 mm 的情況,在施工過(guò)程中,JZ15、JZ11、JZ7梁前端點(diǎn)主梁線形的誤差變化如圖16所示。
圖16 栓接誤差±5 mm 時(shí)主梁線形誤差
由圖16 可知:栓接誤差均為±5 mm 時(shí),對(duì)主梁線形誤差的影響僅僅產(chǎn)生在鋼梁安裝階段,后續(xù)施工階段基本保持不變,栓接誤差對(duì)已成梁段的線形誤差變化無(wú)影響。
栓接誤差對(duì)JZ15、JZ11、JZ7 梁錨點(diǎn)截面應(yīng)力無(wú)影響。原因在于栓接過(guò)程未對(duì)結(jié)構(gòu)剛度造成影響,主梁結(jié)構(gòu)僅僅發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng),未對(duì)內(nèi)力分布造成影響,故結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)也與基準(zhǔn)模型一致。
本節(jié)主要以鋼梁與橋面板自重、斜拉索彈性模量、初張力、栓接定位發(fā)生變化引起橋梁施工過(guò)程中主梁的線形誤差為對(duì)象,研究誤差的傳遞規(guī)律。為方便各敏感性參數(shù)的影響效應(yīng)對(duì)比,參數(shù)變化比例絕對(duì)值均為5%,施工過(guò)程中在鋼梁自重+5%、橋面板自重+5%、拉索彈模+5%、初張力-5%的工況下,主梁線形誤差包絡(luò)圖如圖17 所示,將栓接定位誤差-5 mm 的誤差傳播亦列入其中。該圖為南岸索塔江側(cè)的主梁線形誤差情況,坐標(biāo)0 點(diǎn)為中跨合龍段的順橋向中心點(diǎn)。
圖17 主梁安裝線形誤差傳播
由圖17 可以看出:在相同誤差百分比條件下,各敏感性參數(shù)對(duì)最大單懸臂狀態(tài)的影響程度由大到小依次是:橋面板自重+5%、鋼梁自重+5%、初張力-5%、拉索彈模+5%。而栓接誤差-5 mm 的影響比以上所有敏感性參數(shù)的影響更大。
通過(guò)五次多項(xiàng)式數(shù)值擬合得到主梁各安裝階段的線形誤差擬合函數(shù):y=B0+B1x+B2x2+函數(shù)各參量取值如表4 所示。其中y表示線形誤差,單位為mm,x為順橋向坐標(biāo),單位為m,以14#索塔中心為x原點(diǎn)坐標(biāo),小里程方向?yàn)閤軸正方向。
表4 主梁安裝階段線形誤差傳遞曲線擬合函數(shù)
對(duì)上述擬合函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)并統(tǒng)一單位后(表5),得到各敏感性參數(shù)發(fā)生變化所引起主梁線形誤差的傳遞規(guī)律。
表5 誤差傳遞曲線擬合函數(shù)一階導(dǎo)數(shù) 10-3 rad
由表5 可以看出:當(dāng)各參數(shù)發(fā)生偏差時(shí),誤差傳遞曲線擬合函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值均增大,說(shuō)明主梁線形誤差傳播曲線為超線性曲線,是發(fā)散的,這符合實(shí)際的施工情況,新梁段在安裝階段的線形誤差絕對(duì)值整體呈增大趨勢(shì)。
對(duì)幾組敏感性參數(shù)變化所引起的主梁線形誤差分析:橋面板自重變化對(duì)主梁線形誤差的傳播影響最為顯著,誤差傳播曲線斜率也是迅速增大;鋼梁自重變化與初張力變化所對(duì)應(yīng)的主梁線形誤差傳播擬合曲線函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)大小較為接近,表明相同誤差水平下,二者對(duì)線形誤差傳播的貢獻(xiàn)作用接近,可以考慮在施工過(guò)程中通過(guò)調(diào)整初張力達(dá)到對(duì)主梁自重造成的線形偏差進(jìn)行糾偏;而拉索彈模對(duì)誤差傳播影響較小,前期施工階段作用較小,施工階段誤差傳播作用明顯。
栓接定位誤差傳播曲線擬合函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)隨著懸臂的伸長(zhǎng)增長(zhǎng)迅速,且數(shù)量級(jí)較大,可以看出其影響的不僅僅是安裝梁段的高程,還有安裝梁段的絕對(duì)角度,對(duì)于栓接型主梁,已成梁段的角度偏差對(duì)后續(xù)梁段安裝會(huì)造成巨大影響。與焊接型主梁不同,栓接型主梁拼接板制造完成后,其無(wú)應(yīng)力角度基本就是固定的,角度調(diào)整范圍較小。
(1)鋼混疊合梁施工過(guò)程中,主梁的線形誤差受鋼梁及橋面板的自重、初張力改變的影響較為顯著,懸臂越長(zhǎng),線形誤差越大,線形誤差的變化速率越來(lái)越大;主梁的線形誤差受拉索彈性模量的影響相對(duì)較小,呈波浪式變化,且三張階段與安裝階段的線形誤差呈反向增加趨勢(shì),整體線形誤差變大;栓接誤差對(duì)主梁線形誤差的影響僅發(fā)生在鋼梁安裝階段,后續(xù)施工階段的線形誤差基本保持不變。
(2)鋼梁下緣應(yīng)力受鋼梁及橋面板的自重影響較為顯著,鋼梁上緣應(yīng)力及橋面板應(yīng)力受鋼梁及橋面板自重影響相對(duì)較小;鋼梁與橋面板應(yīng)力受拉索彈性模量的影響均較小,且拉索彈性模量的增加對(duì)橋面板應(yīng)力有降低作用;橋面板的應(yīng)力誤差受初張力影響相對(duì)較小,鋼梁的應(yīng)力誤差受初張力影響相對(duì)較大,且僅產(chǎn)生于拉索張拉階段;主梁應(yīng)力誤差受栓接誤差的影響幾乎為0。
(3)主梁安裝的線形誤差傳播為超線性曲線,呈發(fā)散狀。誤差水平相同時(shí),主梁線形誤差的傳播受橋面板自重的影響最為顯著,受鋼梁自重與初張力影響較為接近,受拉索彈性模量的影響最小。但栓接誤差所引起的傳播效應(yīng)最大,且傳播范圍最廣,因此在主梁安裝過(guò)程中,應(yīng)該盡量通過(guò)螺栓與孔的間隙對(duì)主梁線形進(jìn)行調(diào)整至最理想狀態(tài)。
(4)在鋼混疊合梁安裝過(guò)程中,鋼梁自重、橋面板自重、初張力、拉索彈性模量都是極為重要的參數(shù)識(shí)別對(duì)象,有必要對(duì)模型中的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行時(shí)刻修正,可以通過(guò)改變安裝過(guò)程中初張力的大小對(duì)主梁線形誤差進(jìn)行調(diào)整,此時(shí)需密切關(guān)注鋼梁下緣應(yīng)力的變化情況。