特大預應力混凝土連續梁彎橋預拱度多因素敏感性分析

李華東 （中鐵建城市建設投資有限公司，江蘇 南京 230000）

0 引言

隨著我國大基建的規模和速度不斷發展，大量公路正在建設。橋梁作為公路建設的關鍵工程，其建設任務更加艱巨。在各種橋型中，預應力連續梁橋特點明顯。它具有變形小、剛度大、施工技術成熟的優點，但因其施工過程中采用掛籃懸臂施工，結構體系為T構形式，而T型結構在施工過程中因為立模標高的給定不同導致成橋線形的不確定，以及因為T構根部彎矩過大等原因給施工帶來很大的難度和挑戰。因此，預應力連續梁橋的施工監控就顯得必不可少，而且愈發重要。施工過程中立模標高的給定主要根據已有線形監控結果和施工預拱度及時調整結構體系因數。因數有哪些、因數如何調整、因數調整多少是施工監控組的重點工作。有關連續梁橋預拱度因素的研究常見報道。研究表明影響橋梁預拱度的主要有材料的容重，鋼束預應力、彈性模量、支座沉降、混凝土收縮及合攏順序等。已有文獻少有有關彎橋影響因素敏感性報道，因此本文采用正交分析法，選取若干因素進行連續梁彎橋預拱度多因素敏感性分析，以期為同類連續梁彎橋的施工監控提供參考依據。

1 正交分析方法

對于連續梁橋預拱度的因素敏感性分析，當只強調一個因素的影響而忽略其他因素作用時，顯然是與實際情況不符的。只有全面考慮各個因素的作用并區分主次順序才是最符合實際情況的。傳統的多因素分析的全面試驗法存在試驗方案多，工作量大的特點。如3因素4水平的全面試驗次數≥4=64次。而正交實驗法就是利用正交表來完成試驗的設計和數據分析，以期達到最好目標。如3因素4水平的正交試驗次數為16次。能挑選出最具代表性的試驗方案，由少數試驗方案推出合理的較優方案。

正交分析結果常采用方差分析或極差分析。其中極差分析具有直觀、簡單特點，且能分析出各因素多指標影響的主次順序的優點。因此，本文采用極差方法分析連續梁彎橋的預拱度敏感性。極差分析中有K、R兩個計算參數，其中K為第i水平下第j列因素的統計參數；R為第j列因素在各水平下分析指標統計值的最大值與最小值之差，表達式如下：

R表示分析指標受第j列因素影響引起的變化幅度。R越大表明分析指標受第j列因素影響的變化幅度越大，因此第j列因素也越重要。

2 預應力連續梁彎橋多因素敏感性分析

2.1 工程背景與有限元模型

本文以安徽省宿州站涉鐵市政道路改造工程（銀河一路上跨京滬鐵路立交）第四聯連續梁彎橋為工程背景，主橋上部為預應力混凝土現澆連續梁彎橋。主橋跨徑組合為75.5+95+130+2×92+65，橋梁立面圖如圖1所示。箱梁采用單箱三室，主梁寬度為21.49m，75.5邊跨邊墩梁端梁高3.6m，漸變至跨中3.8m；其余聯跨中梁高均為3.8m，橋墩根部梁高6.0m或7.5m，按1.8次拋物線變化。底板采用變厚度布置，根部底板厚為1.5m，跨中厚為0.3m，底板上緣按1.8次拋物線變化。主梁采用掛籃懸臂施工。為保障箱梁在T型結構體系下的施工安全，將箱梁與墩柱臨時固結，增加墩柱節點剛度。

圖1 橋梁立面圖

圖2 橋梁有限元模型

彎橋各因素水平取值 表1

彎梁正交分析計算結果 表2

各因素極差分析結果 表3

采用Midas Civil軟件建立分析模型，全橋共建立397個節點，336個單元，模型如圖2所示。

3 多因素正交分析

在橋梁施工過程中，由于混凝土容重的離散性及梁段澆筑尺寸與設計尺寸不符等原因；導致梁段自重與設計自重存在誤差。由于橋梁結構剛度受混凝土彈性模量影響，進而混凝土彈性模量影響橋梁結構變形與內力。但是實際的混凝土彈性模量具有離散性且受齡期影響，導致材料彈性模量實際值與設計值不相符。橋梁預應力損失是不可避免的，損失的多少會直接影響橋梁結構內力與施工變形。環境相對濕度的改變會影響到混凝土的收縮量。支座沉降會直接影響結構體系的內力和變形。因此，本文選取混凝土容重、鋼束預應力、彈性模量、支座沉降和環境相對濕度5個因素，采用正交分析法對該橋預拱度敏感性進行多因素分析。該橋的5個因素基準值如下：混凝土容重為26kN/m3，預應力荷載為1395MPa，混凝土彈性模量為3.55×10MPa，支座沉降為20mm，環境相對濕度為70%。以此為基準值進行多因素正交分析，每個因素4個水平，為了使各參數變化幅度保持一致，4個水平分別按0.9、0.95、1.05、1.1倍基準值取值，各因素水平值如表1所示。

選用L(4)正交表（表格為16行5列，每列4中數字）安排計算分析，共進行16次正交分析，正交分析結果如表2所示。對正交分析結果進行極差分析，極差分析結果如表3。分析結果表明，5個考察因素對橋梁各孔預拱度的影響程度有所不同。對于第3、5孔跨中預拱度各因素的影響程度的大小關系為：鋼束預應力>混凝土容重>彈性模量>支座沉降>相對濕度。對于第2孔跨中預拱度各因素影響程度的大小關系為：鋼束預應力>彈性模量>混凝土容重>支座沉降>相對濕度。對于第4孔跨中預拱度各因素影響程度的大小關系為：混凝土容重>彈性模量>支座沉降>鋼束預應力>相對濕度。由此可見，混凝土容重、鋼束預應力、彈性模量、支座沉降是主要因素，而且會隨著考察指標的不同呈現出差異重要性，環境濕度是影響預拱度的次要因素，影響程度較小。

4 結論

本文采用正交分析法對預應力連續梁彎橋預拱度敏感性進行多因素分析，克服了單因素敏感性分析不全面的局限性。研究結果表明混凝土容重、預應力荷載、彈性模量、支座沉降是影響橋梁各跨預拱度的主要因素，環境濕度是次要因素；而且，影響各跨預拱度的主要因素敏感性也存在差異。所以，施工監控過程中，立模標高調整也會因為各跨位置的不同而側重點有所不同。限于篇幅，本文只選擇了5中影響因素對彎橋預拱度進行分析，溫度變化及混凝土收縮徐變、合攏段順序等因素的敏感性分析，有待進一步研究。