鋼-混凝土混合梁三塔斜拉橋結構參數敏感性分析

過黃喜

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

斜拉橋是由塔、梁、索組成的高次超靜定結構體系，受施工過程中施工誤差和環境因素的影響，成橋后線形和內力狀態與設計理論狀態會存在一定偏差。主梁質量、溫度和材料參數等變化都會影響施工控制，造成成橋后結構響應與設計狀態有所偏差。目前對獨塔和雙塔斜拉橋的參數分析較多，如張憲堂等對雙塔雙索鋼箱梁斜拉橋的參數敏感性進行研究，確定了監控關鍵控制量，為結構參數識別及誤差修正提供了科學依據；鄔曉光等對雙鋼拱塔斜拉橋進行參數敏感性分析，結果顯示整體溫度作用及拉索初張力對雙鋼拱塔斜拉橋成橋狀態鋼主梁豎向位移、鋼主梁截面上下緣應力、塔頂變形、塔底截面應力、拉索索力影響較大,為敏感參數，結構容重、拉索彈性模量為非敏感參數。但對三塔鋼-混凝土混合梁斜拉橋的參數分析較少。該文針對瀘州某鋼-混凝土混合梁斜拉橋的結構特點，通過MIDAS/Civil有限元軟件建立模型，對該橋施工過程中的設計參數進行敏感性分析，研究主梁線形、主梁應力、斜拉索索力的變化規律，確定結構的敏感參數及其影響范圍。

1 工程背景

某三塔雙索面斜拉橋的跨徑布置為(55+60+425+425+60+55) m，其中2個主跨各有391 m鋼箱梁，其余均為混凝土箱梁(見圖1)。根據錨箱位置不同，分別采用分離式雙箱和單箱多室的截面形式，主梁中心線處主梁內輪廓高3.97 m，主梁全寬49.0 m，斜底板寬11.892 6 m，水平底板寬分別為10.208 m(分離雙箱)、27.175 6 m(單箱)。鋼箱梁頂面設2%雙向橫坡，底面水平(見圖2)。

圖1 橋梁結構布置(單位：m)

圖2 鋼箱梁主梁斷面示意圖(單位：mm)

主塔采用高低塔結構，高低橋塔均設置于橋面中分帶，橫橋向為獨柱形式，縱橋向為分肢菱形造型。高塔斜拉索呈空間索面扇形布置，低塔斜拉索呈平行索面扇形布置。高塔斜拉索在梁上錨固于箱梁外側邊腹板與橫隔梁相交的邊緣位置，單側共21對斜拉索，索梁錨固點順橋向標準間距為12.0 m，從最短索開始的6對拉索的索塔錨固點豎向間距為2.0 m，上面4對拉索的索塔錨固點豎向間距為3.0 m。低塔斜拉索在梁上錨固于箱梁中部小縱梁，單側共10對斜拉索，鋼梁段索梁錨固點順橋向標準間距為12.0 m，混凝土梁段索梁錨固點順橋向標準間距為9.0 m。

2 計算模型及結構參數

2.1 結構模型

應用MIDAS/Civil軟件建立全橋有限元模型(見圖3)，對全橋進行施工過程模擬分析和控制計算。模型共1 066 個節點、776個單元，其中桁架單元168個。主梁和主塔均采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。斜拉索與主梁、主塔之間均采用剛性連接，輔助墩墩底和主塔塔底施以豎向、橫向、縱向約束，在中塔和邊塔位置對主梁同樣施加豎向、橫向、縱向約束。

圖3 橋梁結構有限元模型

2.2 結構參數

橋梁主跨采取懸臂拼裝法施工，在主梁合龍前主梁處于懸臂狀態，隨著懸臂施工長度的增加，主梁柔度增加，合龍后結構體系發生轉變，主梁合龍前后的結構剛度相差懸殊，較小的結構參數誤差都將引起較大的梁段標高、主梁應力誤差。結合工程實際情況及相關文獻資料，選取主梁自重、斜拉索索力及彈性模量等作為結構分析參數，分析時僅改變單一參數，分別計算橋梁成橋狀態下主梁線形、主梁應力、斜拉索索力，分析結構參數對橋梁結構的影響。

3 計算結果分析

3.1 主梁自重影響分析

鑒于鋼箱梁廠家制造和現場施工、拼裝誤差，難以避免出現梁段重量超重或超輕的情況。在鋼箱梁和混凝土梁自重參數設計值的基礎上同時變化±2%、±5%，其他參數不變，計算成橋后主梁線形、主梁應力及斜拉索索力，結果見表1、圖4。

由圖4、表1可知：主梁自重變化對結構成橋狀態的影響較大，自重變化±2%、±5%，主線線形的整體波動趨勢基本一致，最大變化幅度隨自重變化的增大而增大，主要變化集中在主跨，邊跨混凝土梁的結構響應變化比主跨鋼箱梁的結構響應變化小。主梁自重變化±2%時，主跨線形最大變化值為22.1 mm、變化幅度為1.3%，主梁應力最大變化值為4.0 MPa、變化幅度為9.0%，索力最大變化值為70.7 kN、變化幅度為0.8%；邊跨線形最大變化值為1.1 mm、變化幅度為4.4%，最大應力變化值為0.1 MPa、變化幅度為2.2%，最大索力變化值為43.8 kN、變化幅度為0.1%。主梁自重變化±5%時，主跨線形最大變化值為54.9 mm、變化幅度為3.2%，應力最大變化值為10.0 MPa、變化幅度為3.6%，索力最大變化值為176.6 kN、變化幅度為2.0%；邊跨線形最大變化值為2.8 mm、變化幅度為11.7%，最大應力變化值為0.5 MPa、變化幅度為3.6%，最大索力變化值為120.4 kN、變化幅度為2.0%。

表1 自重變化時主梁應力和斜拉索索力的變化

圖4 自重變化對主梁線形的影響

3.2 斜拉索張拉索力影響分析

該橋采用懸臂拼裝法施工，考慮溫度作用、風荷載及施工誤差的影響，懸臂拼裝過程中MP4中塔兩側的斜拉索順橋向和橫橋向都會出現索力偏差。在中塔斜拉索順橋向和橫橋向張拉索力設計值的基礎上變化±3%、±5%、±10%，其他參數不變，計算成橋狀態下主梁線形、主梁應力及斜拉索索力。

中塔順橋向龍馬潭側斜拉索索力變化時主梁線形、主梁應力及斜拉索索力的變化見圖5和表2。由圖5、表2可知：斜拉索索力變化對主梁線形的影響很大，影響主要集中在張拉索力改變的龍馬潭側主跨，張拉索力改變越大，變化幅度越大；對納溪側主跨及邊跨的影響極小。張拉索力變化±3%時，主梁線形最大變化值為48.1 mm、變化幅度為2.8%，主梁應力最大變化值為8.0 MPa、變化幅度為3.1%，成橋索力最大變化值為128.2 kN、變化幅度為2.5%；張拉索力變化±5%時，主梁線形最大變化值為80.3 mm、變化幅度為4.6%，主梁應力最大變化值為13.0 MPa、變化幅度為4.7%，成橋索力最大變化值為213.9 kN、變化幅度為4.2%；張拉索力變化±10%時，主梁線形最大變化值為161.7 mm、變化幅度為9.3%，主梁應力最大變化值為25.0 MPa、變化幅度為9.8%，成橋索力最大變化值為428.7 kN、變化幅度為8.5%。

圖5 順橋向索力變化對主梁線形的影響

表2 順橋向索力變化時主梁應力和斜拉索索力的變化

中塔橫橋向上游側斜拉索索力變化時主梁線形、主梁應力及斜拉索索力的變化見圖6和表3。由圖6、表3可知：張拉索力變化對主梁線形、主梁應力和成橋索力的影響很大，主要變化集中在中塔兩側主跨，張拉索力變化越大，變化幅度越大。張拉索力變化±3%時，主梁線形最大變化值為23.9 mm、變化幅度為1.4%，主梁應力最大變化值為4.0 MPa、變化幅度為2.0%，成橋索力最大變化值為127.1 kN、變化幅度為2.5%；張拉索力變化±5%時，主梁線形最大變化值為39.9 mm、變化幅度為2.3%，主梁應力最大變化值為7.0 MPa、變化幅度為2.8%，成橋索力最大變化值為212.0 kN、變化幅度為4.2%；張拉索力變化±10%時，主梁線形最大變化值為80.2 mm、變化幅度為4.6%，主梁應力最大變化值為14.0 MPa、變化幅度為5.1%，成橋索力最大變化值為425.1 kN、變化幅度為8.4%。

表3 橫橋向索力變化時主梁應力和斜拉索索力的變化

圖6 橫橋向索力變化對主梁線形的影響

3.3 斜拉索彈性模量影響分析

鋼絲的彈性模量和面積是斜拉索主要剛度誤差來源，一般情況下，鋼絲制作精度高，高強鋼絲的彈性模量較穩定，則面積和彈性模量的誤差較小。由于斜拉橋跨徑較大，索的垂度效應會引起索的軸向剛度下降，通常通過換算彈性模量來修正。在斜拉索彈性模量設計值1.95 MPa的基礎上變化±2%、±5%，其他參數不變，計算成橋狀態下主梁線形、主梁應力及斜拉索索力，結果見圖7和表4。

圖7 斜拉索彈性模量變化對主梁線形的影響

表4 斜拉索彈性模量變化時主梁應力和斜拉索索力的變化

由圖7、表4可知：斜拉索彈性模量對主梁線形、主梁應力、斜拉索索力有一定影響，主要變化集中在中塔兩側主跨，變化幅度隨著斜拉索彈性模量的增大而增大。彈性模量變化±2%時，主梁線形最大變化值為27.8 mm、變化幅度為1.6%，主梁應力最大變化值為2.0 MPa、變化幅度為1.2%，成橋索力最大變化值為14.9 kN、變化幅度為0.2%；彈性模量變化±5%時，主梁線形最大變化值為71.5 mm、變化幅度為4.2%，主梁應力最大變化值為6.0 MPa、變化幅度為2.1%，成橋索力最大變化值為37.9 kN、變化幅度為0.5%。

4 結論

(1) 橋梁整體主梁自重對結構影響顯著，屬于敏感參數。主梁自重變化引起的邊跨混凝土梁的結構響應遠小于主跨鋼箱梁的結構響應，斜拉橋施工過程中需嚴格把控主跨鋼箱梁節段重量。

(2) 斜拉索張拉索力對橋梁結構的影響很大，中塔空間索橫向、縱向索力的改變對成橋響應都有重要影響，縱橋向索力改變造成的結構響應大于橫橋向索力改變造成的結構響應。為保證結構安全，斜拉橋施工過程中需控制斜拉索張拉力，確保索力精準。

(3) 對于主梁成橋線形，敏感因素影響程度排序依次為斜拉索張拉索力、主梁自量、拉索彈性模量；對于成橋主梁應力，敏感因素影響程度排序依次為斜拉索張拉索力、斜拉索彈性模量、主梁梁段重量；對于成橋索力，敏感因素影響程度排序依次為斜拉索張拉索力、鋼箱梁梁段重量、斜拉索彈性模量。