剛構-連續梁橋施工期可靠性分析

王 博，朱金涌

（1.甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070；2.鐵道第一設計院，甘肅 蘭州 730000）

剛構-連續梁橋施工期可靠性分析

王 博1，朱金涌2

（1.甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070；2.鐵道第一設計院，甘肅 蘭州 730000）

依據預應力混凝土剛構-連續組合梁橋懸臂現澆施工特點，確立了懸臂施工過程中其結構抗力和荷載效應概率模型，分兩種工況應用JC法對跨廣珠西線特大橋進行施工期可靠性分析，并就已澆梁段恒載、混凝土強度、施工活載、風荷載和其他荷載及其偏差等因素對梁體結構施工的可靠度影響程度進行分析，可為制定合理的施工方案和采用具體的工程措施提供相應參考。

剛構-連續梁橋；施工期；可靠性分析

0　引言

據不完全統計，近年發生的橋梁坍塌事故，約一半以上發生于施工過程中。事故高發的原因是多方面的，缺乏可靠性研究是主要原因之一。故有必要對其可靠性進行分析。

1　結構抗力的不定性因素分析

結構抗力是材料的力學性能與幾何關系之間的函數，而材料的學性能和幾何特征具有隨機性，故抗力可表示為若干隨機變量的隨機函數。常用因素的不確定性來描述隨機變量的隨機性，其不確定性反映了構件的客觀情況，同時在結構的可靠性分析中，需對其不定性加以分析。

2　結構抗力效應的概率模型

規范［1］規定，鋼筋混凝土構件采用短暫狀況設計時，混凝土受壓區邊緣的正壓應力不應超過。此時，結構在強度失效下的抗力可表示為：

式中：f'ck、f'k為混凝土軸心抗壓強度標準值和構件材料性能的標準值，kPa；kmh、Kp1為材料性能、抗力計算模式的不定性系數。

3　橋墩荷載效應的概率模型

剛構—連續梁橋在懸臂施工期間，橋墩能夠承受的載荷是有限的，合攏之前，懸臂長度最大，澆筑偏差、風荷載以及掛籃偏移等使結構產生不平衡力矩，該力矩對雙懸臂結構的穩定最為不利。因此，對該狀態下的結構進行可靠度分析，保證安全，并算出允許施工荷載偏差，指導施工。

4　橋梁結構可靠性分析［2-7］

橋梁的懸澆施工，是懸臂長隨懸澆梁段增多而逐步變長的過程，施工恒、活載、風載也是隨臂長增大而逐步增大，結構的抗力亦隨之變化。調查資料表明，結構質量事故發生率比較高的時段是在最大懸臂狀態和澆注最后一塊梁段時。

4.1可靠性功能函數

荷載效應S和結構抗力R都是時間的函數，故施工期可靠性分析模型是一動態模型，其功能函數可表示為：

考慮墩底處施工荷載作用下的強度失效，可靠度功能函數可寫為：

式中：SM、SN為墩底處所順橋向的彎矩（kN·m）和軸力（kN）；S'M為風荷載在墩底處產生的橫橋向彎矩，kN·m；x0、y0為順、橫橋向截面受壓區高度，m；Ix、Iy為截面橫、順橋向的慣性矩，m4。

4.2工程背景

該橋為五跨剛構—連續梁橋，橋跨為34.95 m+ 2×66.5 m+57.5 m+40.04 m，主梁采用掛籃懸澆施工，掛籃重55 t，最大懸臂長為33.25 m。主梁采用C55混凝土，預應力鋼筋采用φj15.24鋼絞線，普通鋼筋采用HRB335。本橋19#墩、21#墩、22#墩采用矩形實心墩橋墩。橋墩縱橋向寬2.8 m，橫橋向寬7.2 m，橋墩為C30混凝土，彈性模量為3.45× 104MPa，20#墩為鋼箱墩結構，該地區的基本風壓為500 Pa。本文以19#墩為例，對其施工過程中在最不利狀態下的可靠度進行分析。

4.3可靠性分析

根據施工特點，先算出每個梁段的懸臂自重和施工活載的作用效應，然后對整個施工分布活載作用進行組合。計算各種作用效應值和結構的抗力，分別求出不同工況下的作用組合效應，由式（3）分別算出相應的可靠度功能函數，最后算出可靠度指標。

式中：kp1為抗力計算模式不定性系數；kG、kw為恒載、風載統計參數；kQ為施工荷載與理論計算荷載之比；vQ為施工分布活載偏差系數；vp為懸臂兩側因施工誤差引起的梁體自重相對偏差系數；v'p為兩端澆筑速度不平衡系數。

由統計參數算出對應于各作用效應組合的結構的強度可靠性指標和穩定可靠性指標。由JC法計算得出可靠度指標：β=5.43、β2=5.61。懸臂現澆施工中，不是最大懸臂的時候，澆筑最后一塊梁段的時候。也說明在施工荷載偏差對結構安全與否非常關鍵。

4.4可靠性參數影響分析

本文分不考慮風荷載作用和考慮風荷載兩種工況研究各設計變量對可靠度的影響。

經統計分析，分別算出各變量在不同均值條件下的可靠度指標，再取不同變異系數，進而分析各變量對可靠指標的影響，對強度可靠度進行參數影響分析。

（1）工況1下強度可靠度參數影響分析

各參數的變異系數對強度可靠指標的影響見圖1，強度可靠度隨著設計變量變異系數增大而降低。故盡量減小荷載、材料、荷載偏差的變異性來提高結構的可靠度。此外，施工活載的統計參數和偏差系數幾乎不影響，而抗力計算模式的不定性系數、自重統計參數、最后塊件的澆筑不平衡系數和已澆塊件偏差系數對可靠度指標的影響較大，混凝土強度統計參數的變異系數變化的影響最大。

通過計算，混凝土強度性能統計參數每提高5%，可靠指標平均提高0.18；抗力每提高5%，強度可靠指標平均增大0.1；當澆筑速度偏差小于40%時可靠指標滿足規范要求（大于4.7）；不考慮已澆梁段偏差時可靠度指標為5.259，當澆筑速度偏差小于2%時，本橋的可靠指標大于4.7，且澆筑速度偏差每增大1%，可靠指標就減小0.08；不考慮施工活載時的可靠指標為5.668，按本文布載考慮時為5.64。

圖1　工況1下各參數的變異系數對強度可靠指標的影響

從圖1可看出，對可靠指標的影響很大的是已澆段自重偏差的均值及澆筑速度偏差。故在澆筑最后一段梁段時強度引起可靠指標偏小的重要原因就是存在已澆筑梁段的自重和兩端澆筑速度的偏差，使得施工荷載偏差最大，此時不平衡力矩最大，結構處于最危險狀態。另外，施工分布活載偏差對結構可靠指標會一定產生影響，但影響比較小。

（2）工況2下強度可靠度參數影響分析

各參數的變異系數對強度可靠指標的影響見圖2，混凝土強度統計參數對強度可靠指標影響最大，抗力計算模式不定性次之，KG的影響也不可忽略，而Vp和Kw的影響不是很大。

圖2　工況2下各參數的變異系數對強度可靠指標的影響

通過計算，抗力每提高5%，強度可靠指標會平均提高0.107；混凝土強度性能統計參數每提高10%，可靠指標平均提高0.237，當Kmh＞1.1時可靠指標就能滿足大于4.7的規范要求；不考慮風載時可靠指標為5.47，和按規范考慮風載時的5.43相差6%左右。

從圖2可看出，已澆梁段的自重偏差對可靠度影響最大，其次是風載影響。故施工中嚴格控制兩端自重誤差，盡量避免在大風天氣施工。混凝土材料性能統計參數和抗力計算模式的不定性系數對可靠指標的影響很大，設計時應通過提高混凝土標號等措施來提高結構的抗力。

5　結論

本文結合實橋建立了可靠度功能函數，通過計算，表明該大橋懸臂施工是安全的，并得出結論，施工最危險的時候是澆筑最后一塊塊件的時候。

（1）設計時除考慮通過提高結構抗力的方法提高結構的可靠度外，施工時應兩端盡量同時澆筑，嚴格控制施工自重誤差是提高該橋可靠指標，保證安全的最有利措施。

（2）風荷載對最大懸臂階段可靠度影響較大，施工應避開大風天氣。

（3）施工分布活載對該橋墩的強度失效的可靠度影響不大，可忽略。

［1］TB10002.3-2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.

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U445

A

1009-7716（2016）01-0112-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.032

2015-09-09

王博（1981-），男，甘肅通渭人，講師，從事橋梁工程教學、科研工作。