大跨度连续刚构桥参数敏感性及结构强健性分析

刘 涛

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142）

目前大部分连续梁刚构桥都采用悬臂浇筑的施工方法，要经历一个长期而又复杂的施工过程及结构体系转换过程，各施工阶段的结构受力都将伴随着结构体系、约束条件和荷载作用变化而不断变化。由于施工过程中受到许多不确定性因素影响，包括材料的性能、施工荷载、预应力损失、混凝土收缩徐变、温度等在理想状态与实际状态之间存在的差异，因此在设计时就需要对桥梁的结构进行计算，确定主要的敏感性参数，以便在施工中重点关注，对施工监控起到有效的预防和控制效果。

近年来我国越来越多的桥梁在使用过程中出现了不同程度的破坏，经过研究统计发现其主要原因为设计不合理及施工质量问题。桥梁的强健性设计就是针对这一现状提出的设计方法，其主要内容就是通过采取适当的预防性措施，使桥梁具有抵抗最不利荷载的能力，使桥梁有能力避免由于设计和施工中的偏差而导致的显著破坏。

1 参数敏感性分析方法

结构参数敏感性分析步骤为：①建立结构计算模型；②从挠度、弯矩、应力等结构响应中，选取一个或多个作为控制目标；③改变各个设计参数，进行结构计算，得出各控制目标的变化幅度，根据影响程度判定此项参数为该控制目标的敏感性参数或非敏感性参数。

1.1 工程实例

以某高速公路上跨越山谷大河的（130m＋248m＋130m）连续刚构桥为例，进行结构敏感性分析。该桥为三向预应力混凝土结构，主梁为分幅式单箱单室截面，每幅箱梁顶板宽13.85m，底板宽7.5m，两翼板悬臂长3.175m。 箱梁跨中及边跨现浇段梁高4.8m，桥墩与箱梁相接的根部断面及墩顶0号梁段高16.0m。箱梁从跨中至根部，箱高以1.8次抛物线变化。下部构造主墩采用钢筋混凝土空心墩，横桥向宽8.5m，纵桥向顶宽12.0m；交界墩采用双柱薄壁空心墩，空心墩横桥向宽5.2m，纵桥向墩顶宽3.7m。采用Midas Civil2006建立模型选取荷载短期效应组合下结构应力为控制目标。

根据《桥涵施工规范》规定，桥梁结构断面尺寸允许有±5%误差，桥面铺装厚度允许超厚L/5000（L为连续刚构主跨跨径），预应力钢绞线容许±6%误差，据此选取箱梁超重，铺装超铺，预应力张拉力等几个内容作为设计参数进行计算。鉴于设计中考虑整个桥面铺装超厚L/5000（L为连续刚构主跨跨径）偏大，设计中考虑桥面铺装超厚L/7000（L为连续刚构主跨跨径）。

下面为荷载短期效应组合下1号节段顶板部位压应力储备受考察参数变化的影响：

（1）箱梁超重5%情况：主梁比正常设计压应力减少1.03MPa，正常使用抗裂验算通过；

（2）铺装层超厚3.5cm情况：主梁比正常设计压应力减少0.8MPa，正常使用抗裂验算通过；

（3）纵向预应力张拉力减少6%情况：主梁比正常设计压应力减少1.224MPa，正常使用抗裂验算不满足。

从以上几个参数的偏差产生的影响来看，结构设计对预应力张拉力减少6%的变化最敏感，最不能接受。因此可以认为预应力损失为短期效应下结构应力的敏感性参数，应该从多方面入手确保施工达到设计的预应力度。

2 桥梁的强健性分析

高墩大跨连续刚构桥强健性分析主要内容为通过对施工中的一些偏差进行模拟，确保结构在这些偏差的作用下，桥梁不致发生破坏并影响使用功能。

仍以（130m＋248m＋130m）连续刚构为例对桥梁的强健性进行分析，主要内容包括预备钢束的启用和挂篮倾覆两个方面的内容。

2.1 预备钢束的启用

预备钢束的主要作用：①防止施工期间由于管道漏浆堵塞而备用的；②在桥梁通车使用一阶段时间后，当桥梁承载能力下降后，通过张拉预备钢束来提高桥的承载能力。

施工阶段本桥悬臂施工共33个梁段采用挂篮悬臂浇筑施工，假设22节段施工时一孔钢束没能张拉，预备索在下一节段启用，对应箱梁而言，挂篮最大荷载时顶板可能受拉。预备索张拉前梁端部比正常施工压应力储备减少1.2MPa，顶板堵管一侧接近角点应力为0.3MPa。

在预备孔穿索补充张拉相应吨位后，随后的施工过程中主梁累积的应力与正常施工差别不大，认为悬臂施工过程中顶板T组钢束个别意外的堵管可以通过补充张拉预备索的方式补救。

2.2 挂篮倾覆

挂篮是悬臂施工的主要设备，在悬浇施工过程中，有时会出现挂篮掉落的情况，需要对桥墩的稳定性情况进行分析。

假设结构在浇筑最后一个悬浇块时发生挂篮倾覆。

（1）刚构桥的主要荷载：最大悬臂阶段结构自重、最大悬臂阶段一侧挂兰倾覆、施工期间横向风荷载。

（2）主墩强度情况：主墩底部轴力最大，在偏心弯矩下截面验算较为不利。估算的主墩底部轴力为－294549kN，弯矩为146332kN·m。主墩顶部轴力较小，在不平衡弯矩的作用下，截面角点最小压应力储备不足1.0MPa。

挂篮倾覆是悬臂施工最不利工况，在发生挂篮坠落的情况下，桥墩有可能发生破坏，因此应该采取措施，如压重和后锚等多种安全措施以确保挂篮正常运转。

3 结语

高墩大跨连续梁刚构桥适用范围广、经济性好，现在已经成为几十米到200多米跨度的主力桥型，但是近年来，大跨径预应力混凝土连续刚构桥在运营期陆续出现跨中下挠、腹板斜裂缝、底板裂缝等病害，需要我们在设计理论、施工方法中不断探索完善。因此桥梁在设计时就应该对结构的参数敏感性及强健性进行分析，以保证施工过程质量控制更有针对性，同时对可能出现的施工偏差留有一定的安全储备，保证施工期间安全，并减小运营阶段桥梁病害出现的概率。

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