鋼管混凝土拱橋靜力參數敏感性分析

劉登源

長沙理工大學土木工程學院 湖南 長沙 410114

近年來大跨徑鋼管混凝土拱橋在國內發展十分迅速[1]，上承式鋼管混凝土拱橋應用愈發廣泛。在我國山區、峽谷等地具備很好的競爭力。在我國，已建成的上承式鋼管混凝土拱橋有很多，如貴州香火巖特大橋、云南涼水溝大橋，它們在施工過程中都要進行控制，尤其是主拱圈的施工，為了確保施工過程的安全，研究主要設計參數對結構施工過程中主要構件變形和應力的影響，并采取有針對性的控制措施。如李杰等[2]對異形鋼拱橋進行了敏感性分析，譚亞杰[3]對混凝土拱橋做了敏感性分析，但如今研究上承式鋼管混凝土拱橋施工期參數敏感性的文章還鮮有報道，本文以涂乍特大橋為背景，采用 Midas civil構建有限元模型，并進行參數敏感性分析。

1 工程概況

涂乍特大橋位于湖南湘西自治州保靖縣，橋梁主跨為252m，橋寬12m，橋梁上部采用先簡支后連續預制T梁。主拱圈共兩個拱肋，每個拱肋由截面相同的四根鋼管組成，兩個拱肋之間橫撐除拱腳部分采用“X形”外，其它位置為雙“K形”焊接連接。主拱圈鋼管內為C55混凝土。大橋立面圖如圖1所示，橫斷面見圖2。

圖1 大橋立面圖

圖2 大橋橫斷面圖

2 有限元模型的建立

采用大型通用有限元軟件Midas civil創建涂乍特大橋模型。全橋共分為12個拱段，依次選取各拱段右端截面，拱段截面從左側拱腳往右側依次編號為1-13號，分別分析對應截面的變形和應力。有限元模型如圖3所示，施工階段的劃分見表1。

表1 施工階段的劃分

圖3 涂乍特大橋的有限元模型

3 主要設計參數及敏感性系數

3.1 參數的選取

在施工過程中，影響結構自身安全的因素有很多，如鋼管管壁厚度在制造中出現誤差，導致鋼管的自重和剛度受到影響；鋼管內泵送的混凝土容重可能與實際有偏差；扣錨索索力也可能存在張拉偏差的原因[4]；由于材料的影響，二期荷載集度與設計的偏差等，這些都可能給施工帶來安全隱患。

為此，研究施工期各主要設計參數對結構響應的敏感程度就顯得尤為重要，本文主要使主拱圈在施工過程中變形和應力符合要求，選取主拱肋鋼管的壁厚、管內混凝土容重、扣錨索索力、二期荷載集度四個主要設計參數，以原設計值為基準，取參數變化幅度為+10%，同時保持其他參數不變，進行單因素參數敏感性分析計算[5]。相關參數及變化如表2所示。

表2 結構主要設計參數及其變化范圍

3.2 敏感性系數

敏感性分析常用敏感性系數[6]來反應，敏感度系數是評估指標對不確定性因素的敏感程度，計算的公式為：

4 設計參數敏感性分析

4.1 主拱肋變形分析

按照上文表2的主要設計參數及變化范圍依次改變有限元模型中主拱肋鋼管壁厚、管內混凝土容重、扣錨索索力、二期荷載集度，對施工期的主拱圈進行參數敏感性分析，考慮自重和二期恒載，計算到成橋狀態下對應控制截面的變形與原有限元模型的差值，分析并對比對主拱肋的影響程度大小。分析結果如圖4、5所示。

圖4 參數變化時各拱段截面累計豎向變形

由圖4可知，施工期各截面累計豎向變形從左側拱腳到右側拱腳基本上是先增大后減小，拱頂處達到最大，而且基本都大于原設計值。除了扣錨索索力增大的情況外，變形在11號截面達到最大值，且基本小于原設計值。根據圖5可知，豎向變形差基本呈對稱分布，當拱肋鋼管壁厚增加10%時，主拱圈向下撓度增加，變形差最大值在9號截面的62.2mm，由上文的式(1)知，此時敏感性系數計算最大值為9.54，所以主拱肋鋼管壁厚變化對結構影響較大，為豎向變形敏感性因素。同樣，當扣錨索索力增加10%時，敏感性系數最大值為9.76，為敏感性因素。反而，對于管內混凝土容重增加和二期荷載集度增加10%，敏感性系數最大值分別為0.13和0，為不敏感因素。

圖5 參數變化時各拱段截面累計豎向變形差

4.2 主拱肋應力分析

在施工過程中，主拱肋應力控制很有必要，主拱肋拉、壓應力不能超過規范值，因為這關乎著施工階段的安全。應力分析結果如圖6、7所示。

圖6 參數變化時各拱段截面應力

由圖6可知，拱腳截面應力遠大于其他截面，達到289.8Mpa。除了扣錨索索力變化的情況外，其他總體變化趨勢為從拱腳到拱頂鋼管的壓應力先減小后增大。再由圖7可知，在拱肋鋼管壁厚變化10%和扣錨索索力增大10%的情況下，主拱肋各截面累計應力差在各截面的變化較大，截面應力敏感性系數分別為1.11和1.95，為敏感性因素。當管內混凝土容重增加10%時，應力敏感性系數最大為0.35，而當二期荷載集度增加10%，敏感性系數幾乎為0，這兩者都屬于不敏感因素。

圖7 參數變化時各拱段截面應力差

對主拱肋的影響上述4個主要設計參數分析下表3所示。

表3 主拱肋位移和應力變化量及敏感性系數

5 結語

通過Midas civil 對某特大橋的施工期的靜力參數敏感性分析，得到的主要設計參數對主拱肋變形和應力的影響程度的變化規律：

(1)通過引入敏感性參數，改變主要設計參數，對主拱肋變形和應力影響最大的是主拱肋鋼管壁厚和扣錨索索力，為敏感性因素。因此，在橋梁施工和監控過程中，要注意加工的鋼管壁厚是否符合設計值，加強對扣錨索索力的監測。而管內混凝土容重和二期荷載集度為不敏感因素，基本上可以忽略這兩種參數影響。

(2)扣錨索索力變化對主拱肋的豎向變形和應力影響較大，吊裝主拱圈時要及時監測扣錨索索力，特別注意半幅第3段到第6段拱肋的豎向變形和應力監測，及時調整索力。

(3)為確保上承式鋼管混凝土拱橋施工過程的安全，應該加強對主拱肋變形和應力監測，及時調整線形，也要對施工原材料進行檢驗。