斜拉桥施工参数敏感性分析

2016-06-05李夫凯

工程与建设 2016年5期

关键词：成桥索力斜拉桥

李夫凯, 张力

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

斜拉桥施工参数敏感性分析

李夫凯1, 张力2

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

在斜拉桥的施工过程中，存在很多不确定因素和不可避免的误差，这些因素会影响桥梁施工控制精度，导致桥梁结构的成桥状态与设计状态不完全一致。在施工控制过程中，必须识别这些参数，分析这些参数可能引起的误差，并进行调整和修正。通过某斜拉桥成桥状态和设计状态偏差的主要因素及其影响大小分析，望能对以后同类桥梁施工及施工管理提供微薄的参考价值。

斜拉桥；施工控制精度；成桥状态；设计状态

1 概述

在斜拉桥的施工过程中，存在很多不确定因素和不可避免的误差，这些因素会影响桥梁施工控制的精度，导致桥梁结构的实际状态与设计状态不完全一致[1-2]。造成桥梁结构实际状态和设计状态偏差的主要原因是实际施工过程中各项结构参数的变化，与设计状态有一定偏差，另外施工误差、测量误差等也是重要的影响因素。设计参数包括自重、混凝土弹性模量、斜拉索弹性模量、斜拉索索力、温度等[3-5]。在这些参数中，有些参数的改变会对桥梁结构产生较大的影响，称之为敏感参数。有些参数的改变对桥梁结构的影响较小，称之为非敏感参数[6-7]。参数敏感性分析的目的就是通过识别确认其中对桥梁结构影响较大的参数。根据设计参数的影响程度，一方面保证了施工的精确性，另一方面可以适当放宽对某些非敏感性参数的控制要求，减少人力物力[8]。

本文以某120 m+160 m独塔双索面斜拉桥为例进行分析，涉及敏感性分析的设计参数主要有：主梁自重变化、温度变化、主梁混凝土弹性模量变化、索力偏差、预应力参数变化等。以成桥阶段主梁变形与拉索内力作为控制目标。在进行参数敏感性分析时，一般只要使需要考察的参数变化一定幅度，其他参数采用设计时的基准值，在这个条件下考察控制目标的变化程度来判断结构设计参数的敏感性，得到结果可以指导施工控制工作[8-9]。

2 主梁自重敏感性分析

模板变形、截面尺寸误差、混凝土超方等都会引起结构自重的变化，因此在实际施工过程中主梁自重很容易产生偏差[7]。在保持模型其他参数不变的前提下，将主梁自重分别增加5%、10%，计算目标工况下主梁线形和内力变化，结果如图1、图2所示。

图中数据均为目标值与基准取值的计算差值。

图1 成桥阶段主梁累计挠度变化值

图2 成桥阶段拉索索力变化值

从图1、图2中可以看出成桥阶段当主梁自重增加5%时最大挠度变化值最大达120 mm，自重增加10%时此处挠度变化值最大达238 mm；当自重增加5%时索力最大变化了227 kN(4.4%)，当自重增加10%时索力最大变化了455 kN(8.7%)。由此可见，主梁自重的变化对桥梁结构线形和内力的影响均十分显著。

3 温度敏感性分析

温差可以分昼夜温差和季节温差两种，昼夜温差是结构局部温差，季节温差则是结构均匀性整体升温或整体降温[1,10]，下面分别对两种温差进行研究分析。

(1) 昼夜温差敏感性分析。昼夜温差的模拟可以通过软件中的温度梯度功能实现，在其他条件不变的前提下，设定主梁顶板温度和底板温度差分别为10 ℃，-10 ℃时，通过计算成桥状态下主梁内力和线形的变化来判断昼夜温差的敏感性[4-6]。其结果如图3、图4所示。

图3 成桥阶段主梁累计挠度变化值

图4 成桥阶段拉索索力变化值

从图3、图4中可以看出，成桥阶段昼夜温差使得桥梁结构线形发生变化，其中变化最大为主跨跨中位置，差值为16 mm；昼夜温差也使全桥索力发生一定变化，根部及两端的拉索索力变化大于跨中位置，其中索力变化最大差值为88 kN(2.3%)，出现在主梁根部拉索区。由此可得，昼夜温差对桥梁结构线形和内力有一定影响。

(2) 季节温差敏感性分析。季节性温差的模拟可以通过在模型中添加温度荷载来实现。系统整体升温按25 ℃考虑，系统整体降温也按25 ℃考虑。通过计算模型成桥状态下主梁内力和线形的变化来判断季节性温差的敏感性。其结果如图5、图6所示。

图5 成桥阶段主梁累计挠度变化值

图6 成桥阶段拉索索力变化值

从图5、图6中可以看出，成桥阶段季节性温差使得桥梁结构线形发生变化最大为主梁根部位置，差值为7 mm；全桥索力变化最大为边跨及主跨跨中位置，其中索力变化最大差值为17 kN(0.3%)。经过比较可知，季节性温差对桥梁结构的影响明显小于昼夜温差产生的影响。季节性温差对桥梁构的线形和内力影响比较小。

4 主梁弹性模量敏感性分析

桥梁在实际施工过程中由于各方面因素影响混凝土的弹性模量往往与设计值不相符[7，11]，为了研究其对桥梁结构的影响程度，下面主要列出主梁混凝土弹性模量增加5%和10%后目标工况下桥梁线形及受力性能的变化情况。如图7、图8所示。

图7 成桥阶段主梁累计挠度变化值

图8 成桥阶段拉索索力变化值

从图7、图8可以看出，主梁混凝土弹性模量增大10%时成桥阶段挠度最大变化量只有4 mm，拉索索力最大变化量为12 kN(0.2%)。而主梁混凝土弹性模量增大5%时，其挠度、索力的变化量均为上述数值的一半。由此可得，主梁弹性模量的变化对全桥线形和受力性能的影响较小。

5 拉索索力敏感性分析

相比于其他类型桥梁，斜拉索在斜拉桥中承担了相当大的荷载作用。而在施工中由于各种原因造型索力不同于计算索力几乎每个桥都是，只是根据施工单位的责任态度不同，差别大小不同而已[2，7]。本文通过对模型中成桥索力值增大5%、10%的方式来分析索力对成桥状态下线形的影响，其结果如图9所示。

图9 成桥阶段主梁累计挠度变化值

从图9中可以看出，成桥索力增大5%时，主梁挠度最大变化量达61 mm，成桥索力增大10%时，主梁挠度最大变化量达128 mm，由此可得，斜拉索索力对桥梁结构的线形影响显著。

因此，在每个施工阶段，都要加大对索力的实时监控工作，根据设计要求严格控制二次调索过程中的索力大小，减小索力误差给桥梁结构带来的不利影响，以保证桥梁结构最终线形和内力合理。

6 预应力敏感性分析

预应力参数主要包括预应力与管道壁的摩擦系数，管道每米局部偏差影响系数，锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值等[4-5]，这些参数的设计基准值分别为0.17、0.001 5 m-1、0.006 m。实际施工中这些参数很难与理论值保持完全一致，特别在管道弯曲半径上，施工单位往往不按照设计半径设置，而是根据方便随意弯折了事，对预应力损失影响较大。因此本文通过对这三个参数分别增大5%、10%后成桥阶段主梁挠度、索力的变化情况来判断其敏感性，结果如图10、图11所示。

图10 成桥阶段主梁累计挠度变化值

图11 成桥阶段拉索索力变化值

从图10、图11中可以看出，将预应力三个参数增大10%时，主梁挠度最大变化量只有0.5 mm，拉索索力最大变化量只有1.2 kN。由此可得，主梁预应力参数的变化对桥梁成桥状态时的线形和内力并无明显影响。

7 参数敏感性结果分析

前面已分析了主梁自重、昼夜温差、季节性温差、混凝土弹性模量、索力、预应力参数对主梁成桥阶段的线形和索力的影响。现将各参数影响程度进行排序。表1、表2文中分析了参数变化5%和10%后的情况，为便于比较，均选取参数变化10%后对成桥阶段的影响。并且基于该变量绝对值的大小对参数敏感性进行排序[12]。

表1 主梁线形各影响因素敏感程度排序

表2 拉素索力各影响因素敏感程度排序

8 结束语

本文以成桥阶段主梁变形、拉索索力作为控制目标。对主梁自重、温度、主梁弹性模量、索力、预应力参数5个参数的敏感性进行了分析。并根据分析结果将各参数对主梁线形、索力的影响程度进行排序。经过分析可知，对斜拉桥成桥安全度敏感性程度较大的参数是主梁自重、拉索索力[12]、昼夜温差等。因此、施工单位在施工中应严格对这些因素进行控制，管理单位可根据敏感因素的敏感程度采取针对性管理策略，以求达到更好的成桥状态。

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