鐵路和公路斜拉橋施工階段參數(shù)敏感性對(duì)比分析

張運(yùn)波

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁院, 湖北武漢 430063)

現(xiàn)有公路斜拉橋的設(shè)計(jì)和施工相對(duì)鐵路斜拉橋來(lái)說已經(jīng)比較成熟和完善，鐵路斜拉橋的設(shè)計(jì)和施工方法大多借鑒公路斜拉橋，由于鐵路斜拉橋和公路斜拉橋在結(jié)構(gòu)和功能需求等方面不同，必然帶來(lái)一些不同的問題，所以通過分析各種影響參數(shù)在鐵路斜拉橋和公路斜拉橋施工過程中對(duì)結(jié)構(gòu)行為的不同影響，可以更好地了解鐵路斜拉橋在施工過程中的力學(xué)行為特點(diǎn)，為以后鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考借鑒[1]。

1　工程背景

為了更加明確地研究鐵路斜拉橋和公路斜拉橋在施工階段中結(jié)構(gòu)行為上的特點(diǎn)及區(qū)別，選取某長(zhǎng)江鐵路大橋(以下簡(jiǎn)稱“鐵路橋”)和某長(zhǎng)江公路大橋(以下簡(jiǎn)稱“公路橋”)進(jìn)行對(duì)比分析，采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件NLABS對(duì)公路橋和鐵路橋進(jìn)行有限元施工階段模擬(考慮幾何非線性效應(yīng))[2、3]，以下通過選取斜拉橋施工過程中一些控制工況分別對(duì)鐵路橋和公路橋進(jìn)行比較分析，具體橋梁參數(shù)見表1，有限元成橋模型見圖1。

首先對(duì)兩座斜拉橋按照其施工方案和實(shí)際施工狀態(tài)進(jìn)行全程模擬，并且以該狀態(tài)下斜拉橋的各個(gè)施工階段作為基準(zhǔn)狀態(tài)，通過改變結(jié)構(gòu)主要影響參數(shù)對(duì)兩座斜拉橋施工階段進(jìn)行比較分析，主要對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)在兩座斜拉橋在施工過程中對(duì)橋梁變形的影響。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)[2-4]變化內(nèi)容見表2，其中斜拉索初張力的變化是指在斜拉橋施工過程中對(duì)涉及到斜拉索張拉工況的階段對(duì)該階段斜拉索索力在設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的變化。

表1　鐵路橋和公路橋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比

圖1　鐵路橋和公路橋有限元模型對(duì)比

2　參數(shù)敏感性計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

通過仿真模擬公路橋和鐵路橋整個(gè)施工過程，分析整個(gè)施工過程參數(shù)變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)斜拉橋特點(diǎn)，本次研究主要選擇最大對(duì)稱懸臂及最大單懸臂兩個(gè)典型施工階段進(jìn)行對(duì)比分析。

表2　主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1　最大對(duì)稱懸臂施工階段

最大對(duì)稱懸臂階段，即隨著梁段對(duì)稱架設(shè)的進(jìn)行，懸臂長(zhǎng)度逐漸增大，岸側(cè)懸臂端即將達(dá)到輔助墩墩頂，主梁正好處于一個(gè)最大對(duì)稱懸臂施工狀態(tài)，兩座斜拉橋該階段有限元模型對(duì)比如圖2。

圖2　最大對(duì)稱懸臂階段有限元模型對(duì)比

從表3和表4可以看到，在最大對(duì)稱懸臂階段，參數(shù)變化對(duì)兩座斜拉橋的影響量隨著參數(shù)變化量的增大而增大。從相對(duì)影響量大小可以看到，各種參數(shù)對(duì)主梁位移的影響明顯要比塔偏和斜拉索索力大很多。各種參數(shù)對(duì)兩座橋梁的影響也不太一致，其中斜拉索索力對(duì)公路橋的影響最大，其次為吊機(jī)荷載和主梁升溫，而主梁彈模的變化對(duì)橋梁整個(gè)狀態(tài)基本上沒有影響；鐵路橋則是除了主梁彈模對(duì)其影響較小外，其它三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)其影響都較大。

綜上，在對(duì)稱懸臂施工階段，兩座斜拉橋主梁位移對(duì)斜拉索索力、吊機(jī)荷載及主梁升溫的變化都比較敏感；參數(shù)變化對(duì)鐵路橋主塔塔偏幾乎沒有影響，而對(duì)于公路橋影響則較大；各種參數(shù)變化對(duì)兩座斜拉橋斜拉索索力影響都很小。

表3　最大對(duì)稱懸臂階段結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)橋梁變形影響

注：括號(hào)里面數(shù)值為對(duì)應(yīng)數(shù)值變化最大相對(duì)百分?jǐn)?shù)

表4　最大對(duì)稱懸臂階段結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)斜拉索索力影響

注：括號(hào)里面數(shù)值為對(duì)應(yīng)數(shù)值變化最大相對(duì)百分?jǐn)?shù)

2.2　最大單懸臂施工階段：

最大單懸臂階段，即中跨合龍之前，輔助墩支座在先前階段已經(jīng)加入，岸側(cè)梁段到達(dá)邊墩頂部且邊墩支座也已經(jīng)安裝，江側(cè)梁段處于最大懸臂狀態(tài)，此施工階段是合龍前最不利的一個(gè)控制性施工階段。兩座斜拉橋該階段有限元模型對(duì)比如圖3。

從表5和表6可以看到，在最大單懸臂階段，由于懸臂長(zhǎng)度的增加，使得江側(cè)主梁整體剛度有所減小。鐵路橋由于其懸臂端側(cè)斜拉索并未張拉，對(duì)其主梁剛度的影響較大；而公路橋此時(shí)斜拉索基本張拉完畢，斜拉索的彈性支承對(duì)其主梁剛度貢獻(xiàn)已經(jīng)接近最大值。

圖3　最大單懸臂階段有限元模型對(duì)比

結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)變化最大單懸臂施工階段橋梁變形變化/cm主梁位移主塔塔偏公路橋鐵路橋公路橋鐵路橋主梁彈模+2%-0.17^0.8(-0.71%)-0.12^0.35(0.84%)-0.0027(-0.25%)-0.0009(0.03%)+5%-0.41^1.99(-1.77%)-0.31^0.85(1.95%)-0.0073(-0.64%)-0.0023(0.08%)斜拉索索力+2%-0.10^60.08(-53.3%)-0.09^5.95(28.54%)-3.0321(199.86%)-0.0081(0.29%)-2%-60.26^0.10(53.46%)-5.96^0.09(-28.56%)-3.1905(-200.52%)0.0081(-0.29%)吊機(jī)荷載+100kN-14.08^0.12(12.49%)-0.98^0(-4.64%)-0.7226(-48.24%)0.0007(-0.02%)+200kN-28.19^0.24(25.01%)-1.96^0.01(-9.29%)-1.4453(-96.5%)0.0014(-0.05%)主梁升溫+10℃-0.38^8.79(-7.79%)-0.25^3.37(16.16%)-1.8567(122.38%)-0.0075(0.27%)-10℃-9.26^0.40(8.22%)-3.47^0.25(-16.64%)1.8941(-124.85%)0.0074(-0.26%)

注：括號(hào)里面數(shù)值為對(duì)應(yīng)數(shù)值變化最大相對(duì)百分?jǐn)?shù)

綜上，在最大單懸臂施工階段，斜拉索索力的變化仍然是影響橋梁行為的主要因素，吊機(jī)荷載和主梁溫度的變化對(duì)主梁主梁位移的影響較大；各種參數(shù)變化對(duì)鐵路橋主塔塔偏幾乎沒有影響，而公路橋塔偏受參數(shù)變化影響較大；同時(shí)各種參數(shù)變化對(duì)兩座斜拉橋斜拉索索力影響很小。

3　結(jié)論

通過對(duì)公路橋和鐵路橋最大對(duì)稱懸臂施工階段和最大單懸臂施工階段中各種參數(shù)變化對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

表6　最大單懸臂階段結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)斜拉索索力影響

注：括號(hào)里面數(shù)值為對(duì)應(yīng)數(shù)值變化最大相對(duì)百分?jǐn)?shù)

(1)在施工階段中，結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)主梁位移影響最大，其中斜拉索索力和溫度變化對(duì)主梁位移影響相對(duì)其它因素要敏感得多，其它因素對(duì)主梁位移的影響都相對(duì)較小，并且參數(shù)變化對(duì)橋梁行為的影響都隨著懸臂長(zhǎng)度的增大而減小。從對(duì)代表施工階段分析后可知，斜拉索索力和吊機(jī)荷載的影響對(duì)公路橋比其它因素大，而鐵路橋則是對(duì)主梁溫度和斜拉索索力變化比較敏感。

(2)由于鐵路橋橋塔剛度比公路橋主塔剛度大很多，在施工階段中，參數(shù)變化對(duì)鐵路橋主塔塔偏幾乎沒有影響，而對(duì)公路橋塔偏影響很大，當(dāng)斜拉索索力變化2 %時(shí)，公路橋主塔塔偏相對(duì)變化達(dá)到了199.86 %(絕對(duì)值3 cm)。

(3)在施工階段中，參數(shù)變化對(duì)鐵路橋和公路橋斜拉索索力的影響都很小。

綜上：結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)主梁位移影響最大，對(duì)斜拉索索力的影響很??；各種參數(shù)變化對(duì)兩座斜拉橋主梁位移的影響大小排序基本一致，其中斜拉索索力對(duì)主梁位移影響最大，其次為吊機(jī)荷載和主梁溫度變化，主梁剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)行為影響很小；鐵路斜拉橋主塔塔偏基本不受外界影響，公路斜拉橋主塔塔偏則受外界影響影響相對(duì)較大；斜拉索索力對(duì)鐵路鋼桁斜拉橋的影響比公路斜拉橋小，而溫度荷載的變化對(duì)鐵路鋼桁斜拉橋的影響相對(duì)于公路斜拉橋來(lái)說要大很多。