大跨度纜索吊裝鋼箱拱橋成橋狀態參數敏感性分析

王 正,吳維彬,蔣凌杰,張 惠

(1.廣西交通工程檢測有限公司,廣西 南寧 530200;2.廣西交通技師學院,廣西 南寧 530002)

0 引言

大跨度鋼箱拱橋拱肋施工常采用纜索吊裝工藝,拱腳位置常采用固結方式,由于拱肋預制節段多,且整個施工過程要求一次張拉扣索就位,因此對拱肋的施工提出了更高的要求;同時,橋面跨度較大,常采用鋼格構橋面系,整個施工過程中對橋面線形的要求也較高。因此,在整個施工過程中,找出影響該類橋型成橋狀態的敏感性參數顯得尤為重要。

近年來,學者們就結構參數敏感性問題進行了廣泛的研究。張亞海等[1]以某大跨雙塔雙索面斜拉橋為背景,分析了拉索彈性模量變化、主梁剛度、索塔剛度等對橋梁線形、內力的變化敏感性;李杰等[2]以某多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱肋為背景,采用ALGOR軟件建立有限元模型,研究了二期恒載、整體升降溫、拱肋鋼管內填混凝土、拱肋壁厚、索力等對結構變化和受力的影響;關偉[3]以運城市一座下承式鋼管混凝土拱橋為背景,研究了拱肋間連接形式、拱肋鋼管壁厚、拱肋單側吊桿布置數量、拱肋管腔混凝土彈性模量、矢跨比、拱軸系數對結構穩定性的影響,得出影響結構穩定性的敏感參數。

目前,對于纜索吊裝鋼箱拱橋成橋狀態的參數敏感性問題分析的研究資料相對較少,本文以梧州市西江四橋為例,采用有限元分析的方案,通過改變拱肋容重、吊桿容重、吊桿彈性模量、橋面系容重、結構溫度等,分析拱肋應力、拱肋線形、橋面線形的變化,從而得到影響成橋狀態的敏感性參數。

1 結構參數敏感性分析方法

由于實際結構與理論分析中的參數取值不可避免地會產生偏差,將會導致橋梁結構的偏差在施工過程中一直累積到成橋階段,最終成橋階段與目標值產生偏差。在實際結構分析過程中,通過參數敏感性分析,利用有限元分析方法,考慮結構的施工階段,得到結構參數與結構響應之間的規律,為橋梁施工及設計過程提供參考。

對橋梁結構系統,假設系統F有n個因素,a={a1,a2,a3,…,an}所確定,則有:

F=f(a1,a2,a3,…,an)

(1)

(2)

式中:φk(ak)——系統特性F對ak的敏感性。

為了能夠對多參數系統特性中不同量綱的各參數的敏感程度進行對比分析,對參數進行無量綱處理。

因此,定義了無量綱化參數敏感性函數與敏感因子,參數ak的敏感度函數Sk(ak)為:

(3)

式中:k——1,2,3,…,n;

δF——系統特性F的相對誤差;

δak——參數ak的相對誤差。

2 工程實例

2.1 橋梁概況

梧州市西江四橋主橋為鋼箱系桿拱橋,由300 m中跨和兩側對稱布置的129 m邊跨組成。主跨和邊跨均采用纜索吊裝施工,拱肋采用鋼箱拱肋,吊桿索體由1 860 MPa級φ15.24 mm環氧噴涂無粘結鋼絞線組成,橋面系采用鋼梁格構橋面。如圖1所示。

圖1 梧州市西江四橋立面實例圖

2.2 結構建模

采用Midas Civil軟件建立空間有限元模型,扣背索、系桿、吊桿采用桁架單元模擬,拱肋、橫撐、主梁格構采用梁單元模擬,各邊界條件按實際模擬。如圖2所示為全橋空間結構計算模型。本文對主跨300 m鋼箱拱橋的成橋狀態進行參數敏感性分析。

圖2 全橋有限元離散模型圖

2.3 拱肋容重變化對結構成橋狀態的影響分析

分別考查拱肋容重變化±2%、±5%對拱肋線形、橋面線形及拱肋應力的影響,研究結果見圖3～5。

圖3 拱肋線形隨拱肋容重變化曲線圖

圖5 拱肋應力隨拱肋容重變化曲線圖

2.4 吊桿容重變化對結構成橋狀態的影響分析

分別考查吊桿容重變化±2%、±5%對拱肋線形、橋面線形及拱肋應力的影響,研究結果見圖6～8。

圖6 拱肋線形隨吊桿容重變化曲線圖

圖7 橋面線形隨吊桿容重變化曲線圖

圖8 拱肋應力隨吊桿容重變化曲線圖

2.5 吊桿彈性模量變化對結構成橋狀態的影響分析

分別考查吊桿彈性模量變化±2%、±5%對拱肋線形、橋面線形及拱肋應力的影響,研究結果見圖9～11。

圖9 拱肋線形隨吊桿彈性模量變化曲線圖

圖10 橋面線形隨吊桿彈性模量變化曲線圖

圖11 拱肋應力隨吊桿彈性模量變化曲線圖

2.6 橋面系容重變化對結構成橋狀態的影響分析

分別考查橋面系容重變化±2%、±5%對拱肋線形、橋面線形及拱肋應力的影響,研究結果見圖12～14。

圖12 拱肋線形隨橋面系容重變化曲線圖

圖13 橋面線形隨橋面系容重變化曲線圖

圖14 拱肋應力隨橋面系容重變化曲線圖

2.7 溫度變化對結構成橋狀態的影響分析

分別考查溫度變化±10 ℃、±20 ℃對拱肋線形、橋面線形及拱肋應力的影響,研究結果見圖15～17。

圖15 拱肋線形隨溫度變化曲線圖

圖16 橋面線形隨環境溫度變化曲線圖

圖17 拱肋應力隨溫度變化曲線圖

2.8 拱肋線形影響因素分析

將前文中參數變化的極大值作用下對拱肋線形的影響最大值取絕對值,然后求出各影響量所占百分比,并按影響量從大到小進行排序,結果見表1。

表1 拱肋線形參數敏感性排序表

表1中就拱肋線形最大變化量比較了各參數的敏感程度。由表1分析可知,環境溫度對拱肋線形產生絕對重要影響,在施工中一定要注意各個吊裝階段的溫度線形修正問題,否則將會使拱肋線形嚴重偏離設計預期。除去環境溫度的絕對影響,重新計算各影響量所占百分比,結果見表2。

表2 拱肋線形不含溫度參數敏感性排序表

由表2中數據可見,除去環境溫度的影響,相比拱肋容重對拱肋線形的影響,橋面系容重、吊桿彈性模量、吊桿容重等參數的影響可以忽略。因此,對于拱肋線形的影響,環境溫度和拱肋容重的影響占主導地位。

2.9 拱肋應力影響因素分析

將前文中參數變化的極大值作用下對拱肋應力的影響最大值取絕對值,然后求出各影響量所占百分比,并按影響量從大到小進行排序,結果見表3。

表3 拱肋應力參數敏感性排序表

由表3分析可知,導致拱肋應力變化的最主要因素是環境溫度、拱肋容重,而橋面系容重、吊桿彈性模量、吊桿容重等參數則對拱肋應力影響較小。

2.10 橋面線形影響因素分析

將前文中參數變化的極大值作用下對橋面線形的影響最大值取絕對值,然后求出各影響量所占百分比,并按影響量從大到小進行排序,結果見表4。

表4 橋面線形參數敏感性排序表

由表4分析可知,導致橋面線形變化的最主要因素是環境溫度,而吊桿彈性模量、橋面系容重、拱肋容重、吊桿容重等參數則對橋面線形影響較小。該橋橋面格構采用鋼結構,橋面系容重變化未引起橋面線形顯著的變化。

3 結語

本文分析了纜索吊裝施工鋼箱拱橋過程中各影響因素對成橋拱肋線形、橋面線形、拱肋應力等的影響,采用有限元分析的方法對梧州市西江四橋進行了參數敏感性分析,得出主要結論如下:

(1)影響拱肋線形的主要因素為溫度、拱肋容重。環境溫度的改變對拱肋線形的影響最明顯,為最敏感的參數,因此,應特別注意在建造過程中盡可能詳細考慮溫度對結構變形的影響;拱肋容重對拱肋線形具有較大影響,為了盡可能對拱肋線形進行更好的控制,需要在吊裝前稱重每個節段的重量,并與設計圖紙對比,保證拱肋節段重量的準確性。拱肋容重、吊桿容重、橋面系容重對拱肋線形的影響較小,為非敏感因素。

(2)影響橋面線形的主要因素為環境溫度,吊桿彈性模量、橋面系容重、拱肋容重、吊桿容重等參數則對橋面線形影響較小,為非敏感因素。在橋面系施工過程中,要嚴格進行溫度的監控,考慮溫度對于橋面線形的影響。

(3)影響拱肋應力的主要因素為環境溫度、拱肋容重,橋面系容重、吊桿彈性模量、吊桿容重對拱肋應力影響較小,為非敏感因素。