塔墩梁固結的矮塔斜拉橋結構參數敏感性分析

姜志剛 聞 超

(中鐵大橋科學研究院有限公司 武漢 430034)

矮塔斜拉橋作為一種新興的橋梁結構,其受力介于連續梁橋(或剛構橋)與斜拉橋之間,近年來,以其結構新穎、跨越能力大、施工方便、主梁剛度大、經濟性好等優點,在150～350 m跨徑的橋梁中越來越廣泛地應用[1-3]。我國自2000年蕪湖長江大橋修建以來,陸續修建了百余座矮塔斜拉橋。目前,矮塔斜拉橋普遍采用懸臂法澆筑,其優越性顯而易見,施工中凸現問題也不少。懸臂法施工時各施工階段荷載狀況與結構體系的變化,加之濕度、溫度等環境因素的影響,以及混凝土本身材料時間依存性的影響,這些影響因素會引起橋梁結構的內力、線形與設計的理想狀態產生偏差,甚至威脅橋梁的施工安全[4-6]。為了保證結構的合理成橋,必須對結構參數進行敏感性分析,得出結構內力、位移、索力、橋塔偏位等對結構參數變化的敏感程度,從而根據敏感性分析結果制定相應的施工控制手段。

1 敏感性分析原則與方法

在施工過程中,橋梁結構參數真實值往往與設計理論值存在一定偏差,從而導致結構狀態偏離理想成橋狀態[7-8]。為了探究結構參數變化對橋梁結構狀態的影響程度,往往采用參數敏感性分析。參數敏感性分析是以結構參數設計值計算得到的成橋狀態為基準狀態,通過賦予不同結構參數一定的變化范圍,從而建立結構參數變化與橋梁結構狀態影響量之間的函數關系式。對于某一橋梁結構,假定其成橋狀態主要受n個結構參數(a1,a2,…,an)的影響,則有

F=(a1,a2,…,am,…,an)

分析第m(1≤m≤n)個參數am對結構狀態的影響時,在參數am理論值的基礎上變化5%～10%,而其余參數取值均保持不變,計算得到新的成橋狀態。

將參數變化后的成橋狀態與基準成橋狀態相減,得到該參數變化下的橋梁結構狀態變化量,從而建立各結構參數的敏感性方程。

式中:δm為第m(1≤m≤n)個參數am變化下的橋梁結構狀態變化量;F為結構參數理論值計算得到的成橋狀態(線形、應力、索力等);F*為結參數變化后計算得到的成橋狀態(線形、應力、索力等)。

參數敏感性目標結果δ越大,表明參數對結構狀態的影響也越大。

根據結構參數變化量引起的橋梁結構狀態變化量大小,判定影響結構狀態的主要結構參數與次要結構參數。

2 仿真計算與分析

2.1 工程概況

背景橋梁為單索面雙排索預應力混凝土矮塔斜拉橋(見圖1),主橋橋長501 m,橋跨組成為128 m+245 m+128 m,墩梁塔固結。主梁為C60全預應力混凝土箱形梁,截面采用單箱三室斜腹板形式,頂板寬27 m,底板寬度從12.826 m漸變至16.052 m,跨中梁高4 m,墩頂梁高9 m;主梁設置31個懸臂施工節段,10～28號節段每隔2個節段設置1組斜拉索,斜拉索設置于中央分隔帶,采用規格為55直徑15.2 mm的鋼絞線,全橋共40組,墩頂位置無索區長67 m,梁上索距8 m,塔上索距1.3 m。主墩為單箱雙室C40混凝土空心薄壁墩,墩高分別為115,116 m,主塔塔高34.9 m。

橋墩采用液壓爬模施工,主梁除墩頂0號塊和邊跨現澆段采用支架施工,其余位置(1～31號塊)均采用掛籃懸臂澆筑施工,每施工2個節段,張拉1組斜拉索,斜拉索采用滯后張拉方式。

圖1 橋型布置圖(單位:cm)

2.2 有限元模型

采用通用有限元軟件midas Civil2019建立矮塔斜拉橋計算分析模型,以梁單元模擬主梁、主塔、主墩及承臺,只受拉的桁架單元模擬斜拉索,全橋共劃分為424個梁單元,144個桁架單元,643個節點。其中斜拉索的索梁錨點、索塔錨點均以設計坐標建立,且分別與各錨點相應的節點進行剛性連接。同時假定主梁為全預應力混凝土構件,不考慮普通鋼筋、橫豎向預應力對結構受力的影響。計算中采用正裝模擬掛籃懸臂澆筑施工,以各節段主梁立模(掛籃前移)、混凝土澆筑、預應力張拉、斜拉索張拉等工序建立施工階段有限元仿真模型,該橋結構有限元模型見圖2。

圖2 有限元計算模型

2.3 靜力分析結果

在基準狀態下,成橋階段主梁線形、主梁應力、斜拉索索力,以及塔頂偏位的靜力分析結果見圖3。文中主梁線形(豎向位移)以向上為“+”、以向下為“-”;主梁應力以拉應力為“+”、以壓應力為“-”;斜拉索以索力增大為“+”、以減小為“-”;塔頂偏位以順橋向為“+”、以逆橋向為“-”。

圖3 成橋狀態下靜力分析結果

3 結構參數敏感性分析

結合矮塔斜拉橋受力特性,選取可能發生并會對結構實際狀態產生較大影響的結構參數,根據工程經驗,給定各結構參數變化范圍,見表1。分別計算各參數變化下,主梁線形及應力、斜拉索索力、橋塔偏位等控制目標的變化量,并根據變化量大小確定影響結構狀態的敏感性參數。

表1 施工控制參數取值

3.1 主梁自重

矮塔斜拉橋各混凝土節段均采用掛籃懸臂澆筑施工,在澆筑過程中,主梁自重容易受以下因素影響:①混凝土實際容重與理論容重不一致;②隨著模板使用時間的增長,模板會產生一定變形,或者澆筑過程出現的脹?，F象,使得箱梁截面尺寸變大;③現場存在混凝土澆筑方量超方的現象。為便于分析,計算中通過改變主梁容重模擬主梁自重的變化。以主梁混凝土容重26 kN/m3為基準,分別計算容重±5% 2種情況下,主梁線形與應力、斜拉索索力、塔頂偏位的變化情況,見圖4。由圖4可見,主梁自重變化對主梁線形、應力及斜拉索索力的影響較大,對橋塔偏位影響較小。具體表現為:以主梁自重超重5%為例,主梁豎向位移最大增加31.3 mm,變化幅度達13.1%,發生在邊跨(或中跨)3/8跨位置;主梁上、下緣應力最大增加1.3 MPa,變化幅度達8.9%,且逐漸靠近墩頂位置,應力變化值也逐漸增大;成橋索力最大增加238 kN,且越靠近中間索(5～6號索),索力增量越大;橋塔縱向偏位最大變化在2 mm范圍內。因此施工過程中,需要密切關注混凝土實際容重及澆筑方量,防止主梁自重過大對橋梁結構產生不利影響。

圖4 主梁自重敏感性分析結果

3.2 斜拉索張拉力

斜拉索作為矮塔斜拉橋結構體系的體外預應力,其可以有效地改善橋梁結構的內力、線形狀態。背景橋梁采用鋼絞線斜拉索,通過千斤頂進行單根鋼絞線等值張拉,在實際施工中,由于張拉工藝的特殊性、索力監測誤差以及拉索隊伍施工技能的良莠不齊,必然導致斜拉索張拉力偏離設計理論值。本文假定張拉力偏差±5%,研究其對矮塔斜拉橋各結構狀態的影響程度,敏感性分析結果見圖5。

圖5 斜拉索張拉力敏感性分析結果

由圖5可見,斜拉索張拉力變化對主梁應力、索力的影響較大,對主梁線形的整體影響程度相對較小,對橋塔偏位影響甚微。具體表現為:拉索張拉力增加5%,主梁(除合龍段附近區域)豎向位移變化量在10 mm范圍內;主梁上、下緣應力最大增加1.3 MPa,變化幅度達7.3%,且逐漸靠近墩頂位置,應力變化量也逐漸增大;成橋索力最大增加411 kN,越接近邊跨(或中跨)合龍段區域的拉索受影響程度越大;橋塔縱向偏位最大變化在1 mm范圍內。拉索張拉力減小5%,上述控制目標呈相反變化。因此斜拉索張拉時,需嚴格按照理論張拉力進行張拉,并采用壓力環、頻譜法、油壓表等多種監測手段相互校核,保證斜拉索張拉力的控制精度。

3.3 預應力

預應力作為混凝土橋梁的重要組成部分,其張拉控制力大小直接影響著主梁的受力狀態。預應力張拉過程中,實際張拉控制力必然會受管道摩阻損失、鋼束參數、張拉設備、張拉工藝、張拉張拉持荷時間等因素影響。為探究預應力張拉控制力變化對橋梁結構狀態的影響,在設計張拉力的基礎上變化±5%,得到成橋狀態下各控制指標結果,見圖6。由圖6可見,預應力增加5%,主梁線形的整體影響量從墩頂位置至邊跨(或中跨)合龍段逐步增加,最大增加19 mm,變化幅度達9.5%;主梁應力越接近墩頂位置,其受影響程度越大,且上緣應力受影響程度大于主梁下緣應力,上緣應力最大增加0.98 MPa,變化幅度達2.6%,下緣應力最大減小0.4 MPa,變化幅度為1.4%;成橋索力越接近中跨合龍段(或邊墩)區域,其受影響程度越大,最大增加50 kN,變化幅度0.7%;索塔偏位所受影響較小。

3.4 混凝土彈性模量

在實際施工過程中,混凝土彈性模量往往與理論設計值(3.6×104MPa)存在一定的偏差。通過計算發現,混凝土彈性模量變化對矮塔斜拉橋主梁線形、應力、索力和塔頂偏位的影響很小,本文不作另外展示。

3.5 斜拉索彈性模量

受工廠加工制造、批次的影響,各根鋼絞線的實際彈性模量并不完全相同,從而會對相應整束斜拉索彈性模量產生一定影響。通過將斜拉索彈性模量變化±10%,可以得到斜拉索彈性模量變化對矮塔斜拉橋各結構狀態影響規律,見圖7。由圖7可見,斜拉索彈性模量增加10%,主梁線形的整體影響程度從墩頂位置至邊跨(或中跨)合龍段逐漸增大,最大增加10.7 mm,變化幅度達4.1%;主梁應力受斜拉索彈性模量變化的整體影響程度較小,且上緣應力受影響程度與主梁下緣應力影響接近,越接近墩頂位置,其受影響程度越大,最大增加0.32 MPa,變化幅度為1.1%;成橋索力越接近中間區域,其受影響程度越大,最大增加51 kN,變化幅度達0.7%;索塔偏位所受影響較小。

圖6 預應力敏感性分析結果

圖7 斜拉索彈性模量敏感性分析結果

3.6 收縮徐變

從橋梁的施工到橋梁的通車運營,混凝土的收縮徐變無時無刻都在發生。隨著橋梁建設和使用的全過程,其影響不容忽視。橋梁在成橋階段下主梁線形、應力及索力受收縮徐變1,3,10年的影響結果,見圖8。

圖8 收縮徐變敏感性分析結果

由圖8可見,收縮徐變對成橋狀態下的結構線形、應力、索力、橋塔偏位均有很大影響,且隨著時間的增長,各項控制指標變化量逐漸增大。受1年收縮徐變的影響,主跨跨中處主梁線形變化最大,最大下撓51.7 mm,且10年后增大為138 mm;主梁上、下緣應力最大變化均出現在中跨跨中,跨中位置主梁上緣壓應力最大增加0.93 MPa,下緣拉應力最大增加1.85 MPa,且10年后上、下緣應力變化量分別增大為-1.90,3.81 MPa;收縮徐變作用下成橋索力逐漸減小,成橋1年時,索力最大減小57 kN,而成橋10年狀態下索力最大減小173 kN;在成橋1年狀態下,1號塔、2號塔塔頂偏位所受影響較大,變化量分為19.3,-18.2 mm。

3.7 季節溫差

以20 ℃為基準溫度,季節溫差按±10 ℃考慮,計算成橋狀態下主梁線形、應力、成橋索力和塔頂位移的改變量,見圖9。

由于矮塔斜拉橋跨度較大,且為高次超靜定結構,在受季節溫差的影響下,結構會產生較大的溫度效應,由此會對結構狀態產生一定影響。由圖9可見,整體升溫10 ℃作用下,主梁中跨上撓,最大上撓量為22 mm;季節溫差對上、下緣應力的影響較小,應力改變量最大為0.16 MPa;對成橋索力的影響也較小,索力改變量最大為31 kN;但對主塔偏位影響較大,最大偏位達18 mm。

3.8 索梁溫差

由于斜拉索和混凝土2種材料對溫度的敏感性不一致,在受到大氣氣溫的影響下,斜拉索具有較快的升溫和降溫特性,選取斜拉索與混凝土主梁正溫差10 ℃和負溫差10 ℃ 2種工況,計算其對各結構狀態的影響量,見圖10。由圖10可見,在成橋階段索梁溫差作用下,主梁中跨會產生向下位移,最大位移改變量為15 mm;主梁上、下緣應力受索梁溫差影響相對較小,所受影響量在0.5 MPa之內;索梁溫差對成橋索力影響較大,且對各索索力的影響較為均勻,索力最大變化量為153 kN;主塔偏位影響較小,影響量不超過2 mm。

圖9 季節溫差敏感性分析結果

圖10 索梁溫差敏感性分析結果

4 施工控制實施

4.1 實施方案

根據上述敏感性分析結果,主梁自重、斜拉索張拉力、混凝土收縮徐變和索梁溫差對各結構狀態影響顯著,是影響結構狀態的主要結構參數。因此在矮塔斜拉橋施工過程中,需根據上述主要結構參數制定嚴格的施工控制實施方案:在主梁各節段開始施工前,盡量在標準養護室內進行測定混凝土容重、彈模試驗,為參數修正作理論基礎;在立模階段,嚴格控制主梁的立模標高,檢查掛籃的錨固系統是否牢固可靠,并盡量避免使用已變形模板;在混凝土澆筑階段,嚴格控制混凝土的澆筑方量,防止出現超方、欠方現象;在混凝土養護期間,嚴格控制混凝土的養護齡期及強度,合格后方可進行后續施工;此外,還需嚴格控制斜拉索和預應力的張拉精度,必要時根據索力與主梁線形匹配結果,對索力進行優化調整,使成橋后的橋梁狀態最大限度地接近理想狀態;溫度效應對結構狀態的影響不容忽視,在進行施工監測時,需盡量避免溫度的影響,或在溫度較為穩定的時間段內進行。

4.2 實施結果

該橋已于2023年4月順利合龍,合龍后主梁橋面標高誤差見圖11,誤差基本控制在±30 mm范圍內,達到施工控制理想精度;斜拉索索力誤差見圖12,誤差基本控制在±7%范圍內,滿足部分混凝土斜拉橋斜拉索索力精度控制要求。

圖11 合龍后主梁標高誤差

圖12 合龍后斜拉索索力誤差

5 結論

本文采用有限元軟件重點分析了矮塔斜拉橋成橋狀態下結構參數對橋梁結構狀態的影響規律,得出以下結論。

1) 主梁自重、斜拉索張拉力、混凝土收縮徐變和索梁溫差對各橋梁結構狀態影響顯著,是影響結構狀態的主要敏感性參數;主梁和斜拉索彈性模量、預應力、季節溫差對各結構狀態影響相對較小,是影響結構狀態的次要敏感性參數。

2) 在矮塔斜拉橋施工過程中,要嚴格控制混凝土的容重和澆筑量,并盡量避免模板變形,嚴格控制斜拉索和預應力的張拉精度。

3) 溫度效應對結構狀態的影響不容忽視,在進行施工監測時,需盡量拋除溫度的影響,或在溫度較為穩定的時間段內進行。

4) 獲取影響結構狀態的敏感性參數,為施工控制實施奠定了理論基礎,基于此,橋梁合龍后,橋面標高和斜拉索索力誤差均滿足施工控制精度要求。