非對稱部分斜拉橋線形控制影響因素對比分析

李 丹 肖永久 王常峰

（煙臺大學，山東 煙臺 264005）

0 引言

斜拉橋因其外形優美，構造輕柔且具有較大的跨越能力而倍受人們的喜愛。斜拉橋在大跨徑橋梁中占據了極其重要的地位，成為現代橋梁技術發展的一個重要方向[1]。部分斜拉橋是近年來國內外新興的一種介于連續梁和斜拉橋之間的過渡橋型，具有梁剛、塔矮、索傾角小、無索區段大等特點[2-3]。部分斜拉橋在施工過程中施工監控的最根本要求是要保證橋梁結構的安全性和可靠性，具體表現為確保施工過程中部分斜拉橋結構的內力和線形變化始終處于可控的安全范圍內[4]。

王軍璽[5]、張善等[6]都建立了以主梁線形控制為主斜拉索索力和主梁應力兼顧的監控系統；李忠三等[7]對荊岳長江公路大橋的結構參數進行敏感性分析，優化了計算模型，保證了大跨度混合斜拉橋的施工控制的精度；劉榕等[8]研究了影響溫州甌江特大橋結構內力、變形和自振特性等設計參數的變化情況并定量地了解各參數對于結構力學性能的影響程度；楊輝[9]介紹了四川涪江五橋主梁懸臂施工過程中線形控制的主要內容及其方法，詳細講解了斜拉橋大跨徑線形控制的要點和關鍵工序；孫建淵等[10]結合漳州戰備大橋的施工控制的特點，介紹了漳州戰備大橋施工控制的基本原理以及實驗方法。

本文以（35+168+136+35）m斜拉橋為工程實例，分析斜拉橋的線形控制影響因素，以促進斜拉橋施工控制技術在國內的推廣和應用，也為類似斜拉橋的研究提供重要的參考價值。

1 工程概況

新建上海經蘇州至湖州鐵路跨常臺高速蘇嘉航線（35+168+136+35）m預應力混凝土非對稱獨塔部分斜拉橋，全長375.7m，其主跨168m跨越常臺高速，邊跨136m跨越蘇嘉運河。箱梁最低點梁高在梁端及跨中4.5m，主跨輔助墩處6.5m，橋塔處8.5m。橋塔處墩、塔、梁固結，其他支墩處縱向活動。梁體采用外側斜腹板單箱雙室混凝土箱梁，頂寬14.3m，其控制斷面寬度和梁高按圓曲線變化。斜拉索采用空間雙索面體系，梁上間距6.0m，與主梁采用成品梁端錨具形式，主梁內設置錨固梁，張拉端設置在梁上，斜拉索采用單根張拉[11]。

該橋為非對稱結構，施工工序復雜，小里程邊跨采用滿堂支架現澆施工、大里程邊跨采用懸臂澆筑施工、主跨采用掛籃懸臂澆筑施工，大里程主跨的合攏段與小里程主跨的合攏段澆筑時間不一致，先合攏大里程側再合攏小里程側。主梁立面布置圖如圖1所示。

圖1 主梁立面布置圖

2 有限元模型

通過有限元軟件Midas∕civil建立了非對稱獨塔部分斜拉橋的施工仿真模型，其中包括410個節點，52個受拉索單元，310個梁單元，130個施工階段。有限元模型如圖2所示。

圖2 斜拉橋空間有限元模型

3 線形控制參數敏感性分析

該橋采用懸臂施工，施工過程中每個施工步驟如澆筑混凝土、張拉預應力、張拉斜拉索對結構的變形均有較大的影響。高速鐵路對梁面的線形要求較高，因此施工過程中需要確定重要的影響因素，對其進行重點控制。

對于大跨度非對稱部分斜拉橋，其線形控制的影響因素很多，為了解這些設計參數對斜拉橋線形監控的影響程度，本文選取材料彈性模量、材料容重、預應力管道摩擦系數、控制應力這四個主要因素進行探討，選取斜拉橋施工的成橋階段（二期恒載加載完成）作為研究對象，在原設計參數的基礎上分別增大以及減小5%和10%，然后分析各參數對累計位移的影響[11]，對施工監控關鍵參數進行敏感性分析，以便為斜拉橋施工誤差的修正提供科學依據。

3.1 混凝土容重對主梁線形控制的影響

斜拉橋有限元模型中主梁采用 C60 混凝土，混凝土容重的規范值為25kN∕m3。為分析混凝土容重對主梁線形控制的影響，以規范值為基準，分別取容重標準值按照偏差-10%，-5%，0%，5%，10%進行分析，得出主梁成橋十年階段累計位移數據。混凝土容重的變化對主梁累計位移的影響見圖3。該階段不同混凝土容重偏差與混凝土容重規范值的位移差值見圖4。

圖3 混凝土容重對主梁累計位移的影響曲線圖

圖4 混凝土容重的主梁位移差值曲線圖

由圖3可以看出，混凝土的容重發生變化時，主梁累計位移變化明顯。隨著混凝土容重的增加，主梁的累計位移也隨之增加。

由圖4可以看出，混凝土容重偏差與規范值的位移差值變化隨混凝土容重的增大而增大，混凝土容重增大或減小5%和10%時，主梁撓度差分布大致對稱，且具有類似變化趨勢，混凝土容重減小10%時主梁撓度下撓變化的最大值減小了61.79mm，混凝土容重增大10%時主梁撓度上撓變化的最大值增加了61.42mm。

3.2 混凝土彈性模量對主梁線形控制的影響

材料彈性模量是影響橋梁結構強度最重要因素，并隨時間的推移而變化，與結構變形有著直接關系。以規范值為基準，分別取彈性模量標準值按照偏差-10%，-5%，0%，5%，10%進行分析，得出主梁成橋十年階段累計位移數據。主梁彈性模量的變化對主梁累計位移的影響見圖5。該階段不同混凝土彈性模量偏差與規范值的位移差值見圖6所示。

圖5 混凝土彈性模量對主梁累計位移的影響曲線圖

圖6 混凝土彈性模量的主梁位移差值曲線圖

由圖5可以看出，當混凝土的彈性模量降低時，主梁撓度隨之增加。但混凝土彈性模量的變化對斜拉橋的影響效果并不顯著。

由圖6可以看出，混凝土彈性模量偏差與規范值的位移差值變化隨混凝土彈性模量的增大而減 小，混凝土容重增大或減小5%和10%時，主梁撓度差分布基本對稱，且具有類似的變化趨勢，混凝土彈性模量減小10%時主梁撓度下撓變化的最大值減小了3.66mm，主梁撓度上撓變化的最大值增加了4.02mm。

3.3 摩阻系數與孔道偏差系數對主梁線形控制的影響

該橋的孔道摩阻系數μ=0.23，孔道偏差系數k=0.0025，為計算分析孔道摩阻系數和孔道偏差系數的改變對主梁線形控制的影響，分別取μ=0.20、k=0.0020；μ=0.23、k=0.0025；μ=0.26、k=0.0030；μ=0.29、k=0.0035四種工況進行分析，得出主梁成橋十年階段累計位移數據。主梁孔道摩阻系數和孔道偏差系數的改變對主梁累計位移的影響見圖7所示。

圖7 混凝土摩阻系數與孔道偏差系數對主梁累計位移的影響曲線圖

由圖7可以看出，混凝土摩阻系數與孔道偏差系數取值不同時，主梁的累計位移變化很小，混凝土摩阻系數與孔道偏差系數的變化對斜拉橋主梁線形的影響幾乎可以忽略，可以不做考慮。

3.4 張拉控制應力對主梁線形控制的影響

斜拉橋預應力鋼束采用公稱直徑為15.20mm的高強度鋼絞線，該斜拉橋主梁鋼絞線有17-Φs15.2 和22-Φs15.2兩種類型，縱向預應力體系的錨下張拉控制應力為1302MPa，張拉方式采用兩端張拉。

為分析張拉控制應力對主梁線形控制的影響，以預應力設計值為基準，分別計算超張拉5%、10%以及欠張拉5%、10%時，主梁成橋十年階段預應力對主梁累計位移的影響。其張拉控制應力變化對主梁累計位移的影響見圖8所示。

圖8 混凝土張拉控制應力對主梁累計位移的影響曲線圖

由圖8可以看出，混凝土張拉控制應力取值不同時，主梁的累計位移變化很小，張拉控制應力的變化對斜拉橋主梁線形的影響幾乎可以忽略，可以不做考慮。

4 結束語

通過對該斜拉橋的主梁施工線形控制影響因素分析，經分析四種參數變化的情況可發現，混凝土容重對主梁線形影響顯著，其余參數相對影響較小。

采用懸臂施工的非對稱部分斜拉橋，容重對結構變形影響較大，需要考慮梁內普通鋼筋對結構容重的影響。在容重偏差約5%的情況下（體積配筋率大約為 0.29%），影響已達到129.5mm，已超出規范限值，所以需要重點分析，在施工中需要重點控制。因此，在橋梁的澆筑施工過程中必須嚴格按照規定控制混凝土的容重，以確保橋梁的設計撓度。