“花瓣式”異形斜拉橋結構受力影響因素敏感性研究

閆 鵬

（山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

斜拉橋是由主塔、主梁及拉索等構件組成的一種空間超靜定結構體系[1-2]。斜拉橋分階段施工過程中施工材料、拉索初拉力等因素會對成橋階段受力狀態產生很大的影響[3-4]。因此通過對斜拉橋結構受力影響因素進行敏感性分析，對于通過減少敏感性因素誤差的方式達到斜拉橋合理成橋狀態具有非常重要的意義。

許多學者對異形斜拉橋參數敏感性問題進行了較為深入的研究。王生武針對異形獨塔斜拉橋的參數敏感性問題分別進行了理論分析和模型試驗，得出結構自重、斜拉索索力和整體溫度對大橋影響較大，而橋梁的整體剛度和混凝土收縮徐變對橋梁成橋狀態的影響較小的結論[5]；通過對無背索曲塔曲梁斜拉橋參數敏感性分析，劉世明等學者得出溫度作用和結構容重是影響該類斜拉橋成橋狀態結構受力的敏感性因素[6]。然而針對“花瓣式”異形鋼結構斜拉橋參數敏感性分析的研究較少，相關參考資料不足。為了探究“花瓣式”異形斜拉橋敏感性參數并保證結構經分階段施工后達到合理成橋狀態，本文以西安市富裕路灃河大橋為項目依托，分析結構容重、拉索彈模、拉索初張力、體系溫度等參數變化對結構受力的影響規律，為同類橋梁的順利施工提供理論指導。

1 工程概況

西安市富裕路灃河大橋跨徑布置為（2×80）m，外觀立體圖呈“花瓣式”，雙索面斜拉橋體系；主塔和主梁均采用鋼材料，塔墩采用固結形式，塔梁分離。“花瓣式”異形斜拉橋拉索分為水平索（8對）及斜拉索（2×8對），水平索在主塔兩端對稱張拉，斜拉索錨固端設置在主塔上端。“花瓣式”異形斜拉橋立面圖見圖1，側視圖見圖2（第61頁）。

西安富裕路灃河大橋鋼主塔采用吊裝法施工，鋼主梁采用頂推法施工。鋼主梁頂推施工采用多點步履式頂推施工方案，它在各個主墩上設置臨時墊塊，主墩兩側設置臨時墩，各臨時墩上設置一對具有水平千斤頂和豎向千斤頂的頂推設備。根據現場實際情況，為了保證鋼箱梁和鋼塔之間的協調施工，互不干擾，加快施工進度，綜合考慮最合理的施工流程如圖3所示。

圖3 灃河大橋施工流程圖

圖1 斜拉橋立面圖

圖2 斜拉橋側視圖

2 結構模型

基于Midas Civil建立“花瓣式”異形斜拉橋空間有限元模型，共劃分179個單元，186個節點。模型中采用梁單元模擬鋼箱梁和鋼拱塔結構，采用索單元模擬水平索和斜拉索，采用節點剛性連接模擬墩梁固結以及斜拉索節點和主梁節點之間的作用。根據橋梁施工過程共劃分40個施工階段。為了結構受力識別，順時針定義拱腳編號，即左側鋼拱塔近側拱腳定義為1號拱腳，遠側拱腳定義為2號拱腳；右側鋼拱塔遠側拱腳定義為3號拱腳，近側拱腳定義為4號拱腳。“花瓣式”斜拉橋有限元模型見圖4，模型參數信息見表1。

圖4 灃河大橋模型圖

表1 模型基本參數

3 影響因素敏感性分析

工廠預制及現場施工過程中鋼材施焊和螺栓的布置均會增加“花瓣式”異形斜拉橋鋼拱塔及鋼主梁自重，在模型中可通過對結構容重的調整來考慮該影響，根據工程實際情況結構容重的變化范圍取3%[7]；由于施工水平、儀器設備誤差等因素，斜拉索張拉索力與設計索力存在誤差，因此斜拉索初張力和拉索彈模的變化范圍選定為±5%[8]；施工過程中季節溫差、晝夜溫差均會對結構受力產生影響，因此整體溫度變化選定為±30℃[9]，模型中通過體系溫度升高和降低考慮整體溫度的影響。下面對“花瓣式”異形斜拉橋在結構容重、拉索彈模、初張力及整體溫度等結構受力因素分別作用下成橋狀態主梁撓度、梁截面應力、主塔變形、塔底截面應力、拉索索力進行研究。

3.1 主梁撓度分析

“花瓣式”異形斜拉橋鋼主梁撓度受結構容重、拉索彈性模量、拉索初張力及整體溫度等因素影響見圖5。

圖5 鋼主梁撓度

由圖5，整體降溫30℃引起鋼主梁左跨3/4跨徑及右跨1/4跨徑附近的豎向變形量最大為-9.89 mm；拉索初張力增大5%將會引起鋼主梁跨中附近產生向上的變形，變形量為5.99 mm；鋼主梁在結構容重增大3%和拉索彈模減小5%作用下均會產生下撓，變形量分別為-3.39 mm和-1.31 mm。綜上：結構容重、整體溫度和拉索初張力對鋼主梁撓度的影響程度較大，為敏感性因素；拉索彈模對鋼主梁撓度影響程度稍小，為非敏感因素。

3.2 梁截面應力分析

“花瓣式”異形斜拉橋鋼主梁截面應力受體系溫度、容重、拉索初張力及拉索彈模等因素影響程度如圖6所示。

由圖6可知，降溫30℃時鋼主梁截面上緣將產生最大為-1.96 MPa的壓應力，下緣產生最大為0.82 MPa的拉應力；拉索初張力增大5%引起鋼主梁截面上緣和下緣的應力增量最大值分別為0.76 MPa和-0.59 MPa，其敏感性要小于整體溫差作用；當結構容重增大3%時，鋼主梁截面上緣最大會產生-0.81 MPa的壓應力增量，而截面下緣產生0.61 MPa的拉應力增量；當拉索彈模減小5%，主梁截面上、下緣最大應力增量分別為0.17 MPa和-0.11 MPa。綜上：整體溫度、拉索初張力和結構容重對“花瓣式”異形斜拉橋鋼主梁截面應力的影響程度較大，為敏感性因素；拉索彈性模量為非敏感因素。

圖6 鋼主梁上、下緣應力增量

3.3 塔頂變形分析

“花瓣式”異形斜拉橋鋼拱塔包括水平和垂直兩個方向的變形。鋼拱塔塔頂水平變形取向右為正，向左為負；豎直變形取向上為正，向下為負。“花瓣式”異形斜拉橋左鋼拱塔和右鋼拱塔塔頂變形對稱，因此僅以左鋼拱塔塔頂變形增量進行敏感性分析，斜拉橋雙拱塔塔頂水平變形和垂直變形受容重、拉索初張力、拉索彈模及體系溫度等因素影響見表2所示。

表2 塔頂變形增量 mm

由表2得知，“花瓣式”異形斜拉橋整體降溫30℃引起左鋼拱塔塔頂水平變形和垂直變形增量分別為14.895 mm和-11.106 mm；拉索初張力增大5%引起左鋼拱塔塔頂變形分別為-7.620 mm和-3.499 mm；塔頂變形對應容重增大3%和拉索彈模減小5%的最大值分別為-9.562 mm和-1.603 mm。綜上：整體溫度和結構容重對“花瓣式”異形斜拉橋鋼主梁截面應力的影響程度較大，為敏感性因素；拉索初張力和拉索彈性模量為非敏感因素。

3.4 塔底截面應力分析

“花瓣式”異形斜拉橋左右對稱，同時關于橋面縱軸線對稱，因此僅對1號拱腳截面應力進行敏感性分析。“花瓣式”異形斜拉橋雙拱塔1號拱腳截面應力受影響見表3所示。

表3 1號拱腳截面應力增量 MPa

由表3可以看出，整體降溫30℃引起“花瓣式”異形斜拉橋1號拱腳處截面最大應力增量為4.880 MPa，位于拱腳截面左下緣；拉索初張力增大5%引起1號拱腳截面左下緣應力增量最大為13.843 MPa；結構容重增加3%及拉索彈模減小5%對拱腳影響最大位置分別為截面左上緣和截面右上緣，為-5.179 MPa、-0.221 MPa。綜上：整體溫度和結構容重對“花瓣式”異形斜拉橋鋼主梁截面應力的影響程度較大，為敏感性因素；拉索初張力和拉索彈性模量為非敏感因素。

3.5 成橋狀態拉索索力分析

在容重、拉索初張力、拉索彈模及體系溫度影響下，“花瓣式”異形斜拉橋水平索S1～S8及斜拉索X1～X8成橋狀態索力值見圖7所示。

圖7 拉索索力增量

由圖7可知，成橋狀態拉索索力受拉索初張力增大5%及整體降溫30℃影響下的最大增量分別為113.1 kN和-79.6 kN，均發生在X8號斜拉索；結構容重增大3%時對S8號斜拉索成橋索力影響值最大為20.2 kN；拉索彈模減小5%對拉索索力增量最大值為-16.3 kN。綜上：整體溫度和拉索初張力對“花瓣式”異形斜拉橋成橋狀態拉索索力影響程度較大，為敏感性因素；結構容重和拉索彈模對成橋狀態索力影響程度較小，為非敏感因素。

4 結論

基于Midas Civil建立“花瓣式”異形斜拉橋有限元模型，分析了容重、拉索彈模、拉索初張力、體系溫度等結構受力影響因素變化對結構受力的敏感程度，結果表明：

a）體系溫度、拉索力和結構容重對“花瓣式”異形斜拉橋成橋狀態主梁撓度、主塔變形、拉索索力、拱腳及鋼主梁截面應力影響較大，為敏感因素；拉索彈模對上述指標的影響程度較小，為非敏感因素。

b）“花瓣式”異形斜拉橋在分階段施工過程中要嚴格控制整體溫度、拉索初張力及自重，根據施工現場監測數據對模型中的敏感因素進行適當修正，保證成橋狀態下主梁撓度、主塔變形、拉索索力、拱腳及鋼主梁截面應力等滿足設計精度要求。

c）將上述結構受力影響因素敏感性研究成果在西安市富裕路灃河大橋中進行應用，對主梁撓度、主塔變形、拉索索力、拱腳及鋼主梁截面應力監控數據表明本文的研究成果能夠有效減小施工過程誤差對成橋狀態的影響程度，可為其他“花瓣式”異形斜拉橋在設計、施工中的結構敏感性研究提供有益參考。