雙塔雙索面PC斜拉橋結構參數敏感性分析

摘要：為研究雙塔雙索面PC斜拉橋施工過程中荷載參數變化對成橋狀態的影響，文章以某跨徑為（179+360+179）m的斜拉橋為例，利用桿系有限元軟件Midas Civil對其進行參數敏感性分析，以對成橋狀態目標對象5%影響量為參數敏感性界線，研究了主梁自重、主梁預應力荷載及斜拉索初張力在±5%范圍內變化時對主梁豎向位移、主梁應力、斜拉索索力和主塔偏位的影響。結果表明：主梁自重對主梁線形和主塔水平位移最大影響幅度分別為20.5%和9.4%，為敏感性參數，而對主梁應力和斜拉索索力影響較小，最大變化幅度分別為3.6%和3.9%，為非敏感性參數；主梁預應力對主梁線形、斜拉索索力及主塔水平位移影響較小，最大影響幅度分別為0.9%、0.1%和2%，而對主梁應力影響稍大，幅度為4.4%，但整體而言表現為非敏感性參數；斜拉索初張力對主梁線形和主塔水平位移最大影響幅度分別為21.8%和8.8%，為敏感性參數，而對主梁應力和斜拉索索力影響較小，最大變化幅度分別為2.7%和1.8%，為非敏感性參數。

關鍵詞：斜拉橋；雙塔雙索面；自重；預應力；拉索初張力

中圖分類號：U448.27" " " 文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.042

文章編號：1673-4874（2024）11-0141-03

0引言

斜拉橋以獨特的斜拉索結構實現了橋梁跨度的極大化，滿足了現代交通對跨河、江及峽谷地區大型橋梁的需求［1-2］。PC斜拉橋多采用懸臂澆筑法施工，工藝成熟可控且經濟性好，但此類橋梁施工中凸顯的問題亦不少。作為高次超靜定結構，其施工過程受各種因素影響，施工狀態很難與理想設計狀態吻合，導致橋梁合龍精度差，成橋內力狀態和線形與設計不符，最終影響大橋運營使用。為了保證大橋能達到合理成橋狀態，有必要對結構進行參數敏感性分析，以獲得參數變化對結構力學狀態的影響程度，從而有針對性地對橋梁施工采取控制措施。鑒于此，本文以某雙塔雙索面PC斜拉橋為依托工程，選取主梁自重、主梁預應力荷載、斜拉索初張力三個參數對結構進行結構靜力響應分析，以期為同類型橋梁的施工控制提供參考。

1工程概況

某特大橋主橋采用雙塔雙索面PC斜拉橋方案，整體跨徑布置為179 m+360 m+179 m，索塔采用倒Y形空心薄壁墩，其中左塔墩高164.01 m，右塔墩高168.51 m。主橋橋面寬30.6 m，主梁設計為預應力混凝土分離式箱形斷面，全橋共計236道斜拉索，拉索采用VSL SSI 2000體系。

2有限元模型

利用空間有限元程序Midas Civil 2019建立大橋仿真分析模型，其中承臺、主塔及主梁采用空間梁單元模擬，斜拉索采用僅受拉桁架單元模擬，斜拉索與主梁、主塔之間采用彈性中的剛性連接，掛籃重量以節點荷載體現，并在施工階段中通過激活/鈍化功能模擬掛籃前移。大橋共計節點劃分1 069個，梁單元710個，桁架單元236個，大橋有限元模型如圖1所示。

3結構參數影響分析

結合雙塔雙索面漂浮體系斜拉橋的受力特性，本文選取施工過程中最可能發生且對結構實際狀態有較大影響的三個荷載參數進行敏感性分析，分別為主梁自重、主梁預應力荷載和斜拉索初張力，其中各參數偏差范圍結合類似工程經驗及相關文獻［3-5］推薦取值，如表1所示。分析過程采用單一變量法進行控制，即僅調整單一參數的變化幅值，其余參數保持設計值不變，以此獲得結構的敏感性參數和非敏感性參數。

3.1主梁自重

大橋橋面采用掛籃懸臂澆筑法施工，受模板脹模及立模標高等影響，往往導致主梁自重與設計值產生偏差。以主梁容重設計值25 kN/m3為基準，在±5%偏差工況下，自重變化對主梁線形、應力、斜拉索索力及主塔偏位的影響如下頁圖2所示。（注：文中位移向上為“+”，向下為“-”；應力以受拉為“+”，受壓為“-”；索力增大為“+”，減小為“-”；主塔偏位順橋向“+”，逆橋向為“-”。）

由于大橋結構對稱，且分析模型并未考慮非線性影響，兩種荷載工況計算結果基本呈對稱趨勢。由圖2可知，以主梁容重增大5%為例，主梁中跨跨中豎向位移增大了72.9 mm，變化幅度為20.5%；主梁上、下緣應力最大變化為0.4 MPa，位于中跨跨中位置，變化幅度為3.6%；斜拉索最大索力變化為147.4 kN，為靠近墩塔位置短斜拉索，變化幅度較小，為3.9%；主塔縱向水平位移最大變化值為21.9 mm，變化幅度為9.4%。以成橋狀態目標對象5%影響量為參數敏感性界線［6］，由此可知，對于主梁線形和主塔水平位移，主梁自重差異為敏感性參數，而對于主梁應力和斜拉索索力，其為非敏感性參數。因此施工過程中，應加強混凝土澆筑質量控制，嚴格控制超方和欠方。

3.2主梁預應力荷載

斜拉橋作為一種大型橋梁結構，其橋面承受著巨大的荷載和復雜的應力狀態。而預應力可有效地提高橋面混凝土結構的抗壓強度和抗裂性能，確保橋面的穩定性和安全性。受張拉工藝、設備及預應力管道摩擦阻力等因素影響，預應力必然會產生不同的損失。以主梁錨下預應力控制力1 395 MPa為基準，在±5%偏差工況下，成橋狀態下對各控制指標的影響結果如圖3所示。

由圖3可知，在主梁預應力增加5%的情況下，主梁線形、斜拉索索力及主塔水平位移變化幅度均較小，其中主梁豎向變形控制在3.2 mm以內，斜拉索索力變化值控制在1.9 kN以內，主塔水平位移控制在4.7 mm以內，最大變化幅度分別為0.9%、0.1%、2.0%；而較于前者，主梁應力變化幅度稍大，上、下緣應力最大變化值為0.5 MPa，變化幅度4.4%。但整體而言，在上述預應力取值范圍內，預應力荷載對四者表現為非敏感性參數。

3.3斜拉索初張力

大橋斜拉索分2次施工，第1次為橋面梁施工階段，第2次為橋面合龍后對斜拉索索力進行精調。對長大橋梁而言，斜拉索通常較長，受溫度、風致振動以及作業隊伍安裝水平等因素影響，往往導致斜拉索索力偏離設計值。本文假定斜拉索索力偏離設計值±5%，探究其對結構成橋狀態的影響，分析結果如圖4所示。

由圖4可知，斜拉索初張力變化對主梁線形和主塔水平位移影響較大，表現為敏感性參數；對主梁應力和斜拉索索力影響較小，表現為非敏感性參數。具體為斜拉索索力減小5%，主梁豎向位移最大變化值為77.7 mm，變化幅度21.8%；主塔水平位移最大變化值為20.5 mm，變化幅度8.8%；主梁應力最大變化值為0.3 MPa，變化幅度2.7%；斜拉索索力最大變化54.9 kN，變化幅度1.8%。因此在進行斜拉索張拉施工時，務必精確遵循理論上的張拉力標準，同時結合壓力環、頻譜法、油壓表等多種監測技術相互校驗，以確保對斜拉索張拉力的控制達到極高的精確度和可靠性。

4結語

本文依托某雙塔雙索面PC斜拉橋為研究對象，利用有限元程序Midas Civil建立大橋空間桿系仿真模型，分析了主梁自重、主梁應力荷載、斜拉索初張力三個參數變化對結構成橋狀態主梁豎向位移、主梁應力、斜拉索索力和塔頂偏位的影響，主要結論如下：

（1）以對成橋狀態目標對象5%影響量為參數敏感性界線，主梁自重對于主梁線形和主塔水平位移為敏感性參數，而對于主梁應力和斜拉索索力為非敏感性參數。

（2）主梁預應力在±5%范圍內變化，其對主梁線形、斜拉索索力及塔頂偏位影響較小，對主梁應力影響稍大，但對四個影響量整體表現為非敏感性參數。

（3）斜拉索初張力變化對主梁位移和塔偏影響較大，表現為敏感性參數；對主梁應力和斜拉索索力影響較小，表現為非敏感性參數。

（4）在PC斜拉橋施工過程中，需嚴格控制混凝土澆筑方量，避免超方，同時注意預應力及斜拉索索力的張拉精度。

參考文獻：

［1］高策，劉永鋒，時代，等.大跨度鐵路單索面預應力混凝土斜拉橋設計關鍵技術及創新［J］.鐵道標準設計，2023，67（12）：97-102，120.

［2］金立新，郭慧乾.多塔斜拉橋發展綜述［J］.公路，2010（7）：24-29.

［3］李文濤，劉耀東，曹明明.基于均勻設計的組合梁斜拉橋施工控制多參數敏感性分析［J］.科學技術與工程，2024，24（3）：1 234-1 241.

［4］桂水榮，雷鳴宇，陳水生，等.矮塔斜拉橋動靜力特性對結構參數敏感性影響分析［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2023，39（1）：79-87.

［5］馮仲仁，施孝基，陳百奔.獨塔混合梁斜拉橋施工控制中的參數敏感性分析［J］.世界橋梁，2017，45（6）：18-23.

［6］李文濤，劉耀東，曹明明.基于均勻設計的組合梁斜拉橋施工控制多參數敏感性分析［J］.科學技術與工程，2024，24（3）：1 234-1 241.

作者簡介：劉巍（1991—），碩士，工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18