大跨徑剛構拱橋施工期參數識別與敏感性分析

2023-07-18 06:44:25鐘耀鋒

西部交通科技 2023年4期

摘要：文章為了研究剛構拱橋各參數對橋梁線形的影響，對橋梁施工過程中進行參數誤差分析，保證橋梁在施工過程中滿足變形和應力的要求。使用Midas Civil建立某大橋模型，選取容重、彈性模量、摩阻系數等參數為研究對象，研究其對主梁施工過程中位移的響應程度。研究結果表明：容重對梁體撓度的影響線性規律較強，而彈性模量與預應力管道摩阻系數對梁體撓度的影響線性規律較弱。

關鍵詞：剛構拱橋；參數敏感性分析；有限元分析；主梁撓度

中圖分類號：U448.23A361225

0引言

由于已經建成的大跨度預應力混凝土連續剛構橋的下撓問題日益凸顯，梁拱組合剛構橋作為能有效提升剛度、克服下撓問題的橋型，越發受設計人員的青睞［1-2］。其中，下承式梁拱組合剛構橋因其結構剛度大、外形美觀等優點成為常選的橋型設計方案之一，而施工過程的精確數值模擬是保證其施工安全的重要措施。在實際施工過程中，容重、彈性模量、摩阻系數以及截面幾何尺寸等參數的實際值與設計值之間必然存在誤差，而這些參數的偏差，也會導致結構的狀態與按設計值計算出的結果之間存在一定的誤差［3］。為了保證橋梁能盡量向設計的理想狀態靠攏，順利完成施工，減小結構線形的偏差，優化結構內力的狀況，需要量化各個參數對結構撓度、應力的影響程度。本次參數分析主要對結構自重、彈性模量、預應力管道摩阻系數進行敏感性分析，探究其對主梁撓度的敏感程度。研究成果可為類似剛構拱設計和施工提供參考和借鑒。

1工程概況

某高速公路特大橋為連續剛構-拱組合橋，橋跨布置為（76+160+76）m，全長為313.6 m。截面形式采用單箱雙室箱型變截面，跨中及邊墩支點處的梁高為3.0 m，主墩墩梁固結處的梁高為8.5 m，箱梁頂板寬度為14.2 m，主墩墩梁固結處局部頂寬16.3 m，箱梁頂板厚0.44 m，底板厚度為0.35～0.40 m，腹板厚度為0.50～1.0 m。箱梁共設6道支點橫隔板，邊墩支點處的橫隔板厚度為1.60 m，主墩墩頂橫隔板厚度為1.8 m。箱梁于各吊桿處共設18道吊點橫梁，吊點橫梁厚度為0.5 m，高度為1.40 m。剛構拱主梁斷面構造如圖1所示，剛構拱邊跨和中跨節段劃分分別如圖2、圖3所示。

2結構有限元模型與參數

2.1結構有限元模型

將（76+160+76）m預應力混凝土剛構拱橋簡化成空間桿系結構模式，用橋梁結構計算分析軟件Midas Civil建立施工控制仿真分析模型。在模型中除了吊桿結構通過桁架單元模擬，拱腳結構通過實體單元模擬外，其他的結構（包括橋墩、主梁以及拱肋）均由梁單元模擬。其中，主拱肋需要采用施工階段聯合截面進行定義，主梁主要根據施工節段進行單元劃分。根據資料，現將主橋離散成3 898個節點、3 054個單元。橋梁主墩為雙支薄壁墩，設置彈性連接（剛性）約束；邊墩處均設置單向（豎向）鉸支撐約束。計算模型如圖4所示。

2.2結構參數

為直觀地展現各個參數的敏感性，需要量化各個參數對結構撓度、應力的影響程度。本文主要對結構自重、彈性模量、預應力管道摩阻系數進行敏感性分析［4-5］。

結構自重、彈性模量、預應力管道摩阻系數三個參數的敏感性量化分析通過以下幾步完成：

（1）對單個敏感性參數加以5%、10%的幅度進行調整，其他參數不變。

（2）本文主要選取有代表性的參數包括結構容重、彈性模量、預應力管道摩阻系數，觀測每個參數單獨變化時，橋梁結構在施工階段以及成橋階段各個截面的變化。

（3）為了方便各參數之間作比較，把參數對結構撓度的影響量化，采用敏感度系數進行分析，則有：

3.1主梁容重敏感性分析

現針對本文案例中考慮主梁容重增加5%與10%的情況，在有限元軟件中調整主梁的容重參數，分別在最大懸臂狀態、梁體合龍完成后卸除壓載狀態這兩個狀態中進行梁體累計撓度的敏感性分析。

最大懸臂階段撓度-容重敏感性分析見圖5。

由圖5可以看出，在容重變化后，撓度變化量最大的位置位于中跨，而計算出敏感度系數最高的位置位于邊跨。為分析情況將對具體的數據進行分析，現將圖5中邊跨和中跨的最值、位置分別進行匯總，結果如下頁表1所示。

通過數據并結合圖5與表1可分析出以下結論：

隨著容重的增大，施工最大懸臂階段的累計撓度也越大。當容重增大10%時，最大懸臂階段中跨撓度最大可以增加27.1 mm，位置為距離主墩中心65.5 m處，屬于中跨14#塊與15#塊交界處。剔除存在零值的邊跨6#、7#、8#塊位置以及0#塊位置，最大懸臂階段鋼筋混凝土容重對梁體累計撓度的敏感度系數為-5.5～7.2；僅考慮中跨區域，則敏感度系數為1.6～3.8。

梁體合龍完成后卸除壓載階段撓度-容重敏感性分析結果見圖6所示。

將計算數據的最值與其位置匯總，結果如表2所示。

通過表2數據分析可知，當容重增大10%時，最大懸臂階段中跨撓度最大可以增加28.7 mm，位置為距離主墩中心70 m處，屬于中跨15#塊與16#塊交界處。梁體合龍完成后卸除壓載階段鋼筋混凝土容重對中跨梁體累計撓度的敏感度系數為-3.5～10.2，說明容重對梁體的撓度具有很大的影響。

3.2彈性模量敏感性分析

在主梁的建模計算中，主梁的材料特性是按C55混凝土材料進行計算的。而混凝土的彈性模量作為衡量混凝土剛度大小的指標，其數值與組成混凝土材料的特性、混凝土的配合比及齡期都有關［6-7］。為方便初步計算與分析，通常將材料的彈性模量作為梁體截面剛度的代表參數進行敏感性分析［8］。將主梁的彈性模量變化分別設置為90%、95%、105%、110%代入有限元模型中，不同彈性模量下的敏感性系數計算結果見表3所示。

通過表3的數據分析可知：隨著彈性模量的增大，彈性模量對梁體撓度敏感度系數的絕對值在逐漸減小，這說明彈性模量對梁體撓度的敏感性在逐漸降低，彈性模量對梁體撓度的影響是非線性的。另外，彈性模量對梁體撓度的敏感度系數都為負值，說明彈性模量的增加對梁體累計撓度的發展起限制性作用。敏感度系數大致為-1.26～-0.78，表明對梁體的撓度有著一定的影響。

3.3預應力管道摩阻系數敏感性分析

預應力管道的摩阻系數是影響有效預應力的重要因素之一，而有效預應力的大小也會對結構的撓度變化和應力產生影響。在國內工程中，規范規定的預應力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預應力損失的估算公式如式（2）所示：

由式（2）可知，有效預應力與管道摩阻系數之間的關系并不是線性的。根據結構剛度方程式（3）可以推導出方程式（4）。

由式（4）可知，基于彈性分析，在結構剛度矩陣不變的情況下，結構的位移與載荷成線性關系。但由于有效預應力與管道摩阻系數之間為非線性關系（隨著管道摩阻系數的增大，有效預應力會隨之減小，但減小的速率會逐漸減慢），管道摩阻系數對梁體變形與應力的影響在理論上也是非線性的。保持剛構拱結構其他設計參數不變，分別取摩阻系數為100%、105%、110%代入有限元軟件中進行參數分析。將中跨梁體具體數據的最值與其位置進行匯總，結果如表4所示。

根據表4分析結果可知，當管道摩阻系數增大10%時，最大懸臂階段中跨梁體撓度的最大偏差值為0.26 mm，位置位于中跨9#塊。當管道摩阻系數增大5%時，計算出的最大懸臂階段中跨敏感度系數為0.004 3～0.089 5；當管道摩阻系數增大10%時，計算出的最大懸臂階段中跨敏感度系數為0.004 1～0.088 2。隨著管道摩阻系數的增大，管道摩阻系數對中跨梁體撓度的敏感性在逐漸降低。通過研究可以發現，管道摩阻系數對梁體變形的影響很小，為最低敏感性參數。

3.4參數敏感性比較

通過對結構容重、彈性模量及預應力管道摩阻系數結構的變形進行敏感性分析，各參數對于中跨梁體累計撓度的敏感度系數與線性關系的強弱情況如表5所示。

由表5可知：容重、彈性模量、預應力管道摩阻系數對中跨梁體變形的敏感性是逐漸降低的；預應力管道摩阻系數為最弱敏感性參數；容重對梁體變形的線形具有決定性的影響。

4結語

本文以某剛構拱橋為研究背景，分別研究了結構自重、彈性模量、預應力管道摩阻系數對主梁施工期撓度及敏感性系數的影響規律，得出以下結論：

（1）從選取的3個參數對主梁位移的響應來看，容重對梁體撓度與應力的敏感性是最高的，彈性模量次之，管道摩阻系數的敏感性最低。

（2）分析了各參數的敏感度系數情況，發現容重對梁體撓度影響線性規律較強，而彈性模量與預應力管道摩阻系數對梁體撓度的影響線性規律較弱。

（3）在施工過程中需對結構的位移和應力影響較大的參數進行嚴格的控制和監測，并及時對計算模型進行修正，如在主梁施工過程中嚴格控制混凝土的用量、模板尺寸誤差、索力測量誤差等，以滿足變形和應力的要求。

參考文獻［1］張永水，曹淑上.連續剛構橋線形控制方法研究［J］.中外公路，2006（6）：83-86.

［2］程敏超，虞廬松，李子奇，等.鐵路矮塔斜拉橋結構參數敏感性分析［J］.蘭州交通大學學報，2019，38（2）：26-31.

［3］趙超.長聯預應力混凝土連續梁橋施工監控［D］.哈爾濱：東北林業大學，2019.

［4］范江超.大跨徑PC梁橋施工控制及零號塊局部應力分析［D］.廣州：廣州大學，2020.