刚构-连续梁桥施工期可靠性分析

王 博，朱金涌

（1.甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070；2.铁道第一设计院，甘肃 兰州 730000）

刚构-连续梁桥施工期可靠性分析

王 博1，朱金涌2

（1.甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070；2.铁道第一设计院，甘肃 兰州 730000）

依据预应力混凝土刚构-连续组合梁桥悬臂现浇施工特点，确立了悬臂施工过程中其结构抗力和荷载效应概率模型，分两种工况应用JC法对跨广珠西线特大桥进行施工期可靠性分析，并就已浇梁段恒载、混凝土强度、施工活载、风荷载和其他荷载及其偏差等因素对梁体结构施工的可靠度影响程度进行分析，可为制定合理的施工方案和采用具体的工程措施提供相应参考。

刚构-连续梁桥；施工期；可靠性分析

0　引言

据不完全统计，近年发生的桥梁坍塌事故，约一半以上发生于施工过程中。事故高发的原因是多方面的，缺乏可靠性研究是主要原因之一。故有必要对其可靠性进行分析。

1　结构抗力的不定性因素分析

结构抗力是材料的力学性能与几何关系之间的函数，而材料的学性能和几何特征具有随机性，故抗力可表示为若干随机变量的随机函数。常用因素的不确定性来描述随机变量的随机性，其不确定性反映了构件的客观情况，同时在结构的可靠性分析中，需对其不定性加以分析。

2　结构抗力效应的概率模型

规范［1］规定，钢筋混凝土构件采用短暂状况设计时，混凝土受压区边缘的正压应力不应超过。此时，结构在强度失效下的抗力可表示为：

式中：f'ck、f'k为混凝土轴心抗压强度标准值和构件材料性能的标准值，kPa；kmh、Kp1为材料性能、抗力计算模式的不定性系数。

3　桥墩荷载效应的概率模型

刚构—连续梁桥在悬臂施工期间，桥墩能够承受的载荷是有限的，合拢之前，悬臂长度最大，浇筑偏差、风荷载以及挂篮偏移等使结构产生不平衡力矩，该力矩对双悬臂结构的稳定最为不利。因此，对该状态下的结构进行可靠度分析，保证安全，并算出允许施工荷载偏差，指导施工。

4　桥梁结构可靠性分析［2-7］

桥梁的悬浇施工，是悬臂长随悬浇梁段增多而逐步变长的过程，施工恒、活载、风载也是随臂长增大而逐步增大，结构的抗力亦随之变化。调查资料表明，结构质量事故发生率比较高的时段是在最大悬臂状态和浇注最后一块梁段时。

4.1可靠性功能函数

荷载效应S和结构抗力R都是时间的函数，故施工期可靠性分析模型是一动态模型，其功能函数可表示为：

考虑墩底处施工荷载作用下的强度失效，可靠度功能函数可写为：

式中：SM、SN为墩底处所顺桥向的弯矩（kN·m）和轴力（kN）；S'M为风荷载在墩底处产生的横桥向弯矩，kN·m；x0、y0为顺、横桥向截面受压区高度，m；Ix、Iy为截面横、顺桥向的惯性矩，m4。

4.2工程背景

该桥为五跨刚构—连续梁桥，桥跨为34.95 m+ 2×66.5 m+57.5 m+40.04 m，主梁采用挂篮悬浇施工，挂篮重55 t，最大悬臂长为33.25 m。主梁采用C55混凝土，预应力钢筋采用φj15.24钢绞线，普通钢筋采用HRB335。本桥19#墩、21#墩、22#墩采用矩形实心墩桥墩。桥墩纵桥向宽2.8 m，横桥向宽7.2 m，桥墩为C30混凝土，弹性模量为3.45× 104MPa，20#墩为钢箱墩结构，该地区的基本风压为500 Pa。本文以19#墩为例，对其施工过程中在最不利状态下的可靠度进行分析。

4.3可靠性分析

根据施工特点，先算出每个梁段的悬臂自重和施工活载的作用效应，然后对整个施工分布活载作用进行组合。计算各种作用效应值和结构的抗力，分别求出不同工况下的作用组合效应，由式（3）分别算出相应的可靠度功能函数，最后算出可靠度指标。

式中：kp1为抗力计算模式不定性系数；kG、kw为恒载、风载统计参数；kQ为施工荷载与理论计算荷载之比；vQ为施工分布活载偏差系数；vp为悬臂两侧因施工误差引起的梁体自重相对偏差系数；v'p为两端浇筑速度不平衡系数。

由统计参数算出对应于各作用效应组合的结构的强度可靠性指标和稳定可靠性指标。由JC法计算得出可靠度指标：β=5.43、β2=5.61。悬臂现浇施工中，不是最大悬臂的时候，浇筑最后一块梁段的时候。也说明在施工荷载偏差对结构安全与否非常关键。

4.4可靠性参数影响分析

本文分不考虑风荷载作用和考虑风荷载两种工况研究各设计变量对可靠度的影响。

经统计分析，分别算出各变量在不同均值条件下的可靠度指标，再取不同变异系数，进而分析各变量对可靠指标的影响，对强度可靠度进行参数影响分析。

（1）工况1下强度可靠度参数影响分析

各参数的变异系数对强度可靠指标的影响见图1，强度可靠度随着设计变量变异系数增大而降低。故尽量减小荷载、材料、荷载偏差的变异性来提高结构的可靠度。此外，施工活载的统计参数和偏差系数几乎不影响，而抗力计算模式的不定性系数、自重统计参数、最后块件的浇筑不平衡系数和已浇块件偏差系数对可靠度指标的影响较大，混凝土强度统计参数的变异系数变化的影响最大。

通过计算，混凝土强度性能统计参数每提高5%，可靠指标平均提高0.18；抗力每提高5%，强度可靠指标平均增大0.1；当浇筑速度偏差小于40%时可靠指标满足规范要求（大于4.7）；不考虑已浇梁段偏差时可靠度指标为5.259，当浇筑速度偏差小于2%时，本桥的可靠指标大于4.7，且浇筑速度偏差每增大1%，可靠指标就减小0.08；不考虑施工活载时的可靠指标为5.668，按本文布载考虑时为5.64。

图1　工况1下各参数的变异系数对强度可靠指标的影响

从图1可看出，对可靠指标的影响很大的是已浇段自重偏差的均值及浇筑速度偏差。故在浇筑最后一段梁段时强度引起可靠指标偏小的重要原因就是存在已浇筑梁段的自重和两端浇筑速度的偏差，使得施工荷载偏差最大，此时不平衡力矩最大，结构处于最危险状态。另外，施工分布活载偏差对结构可靠指标会一定产生影响，但影响比较小。

（2）工况2下强度可靠度参数影响分析

各参数的变异系数对强度可靠指标的影响见图2，混凝土强度统计参数对强度可靠指标影响最大，抗力计算模式不定性次之，KG的影响也不可忽略，而Vp和Kw的影响不是很大。

图2　工况2下各参数的变异系数对强度可靠指标的影响

通过计算，抗力每提高5%，强度可靠指标会平均提高0.107；混凝土强度性能统计参数每提高10%，可靠指标平均提高0.237，当Kmh＞1.1时可靠指标就能满足大于4.7的规范要求；不考虑风载时可靠指标为5.47，和按规范考虑风载时的5.43相差6%左右。

从图2可看出，已浇梁段的自重偏差对可靠度影响最大，其次是风载影响。故施工中严格控制两端自重误差，尽量避免在大风天气施工。混凝土材料性能统计参数和抗力计算模式的不定性系数对可靠指标的影响很大，设计时应通过提高混凝土标号等措施来提高结构的抗力。

5　结论

本文结合实桥建立了可靠度功能函数，通过计算，表明该大桥悬臂施工是安全的，并得出结论，施工最危险的时候是浇筑最后一块块件的时候。

（1）设计时除考虑通过提高结构抗力的方法提高结构的可靠度外，施工时应两端尽量同时浇筑，严格控制施工自重误差是提高该桥可靠指标，保证安全的最有利措施。

（2）风荷载对最大悬臂阶段可靠度影响较大，施工应避开大风天气。

（3）施工分布活载对该桥墩的强度失效的可靠度影响不大，可忽略。

［1］TB10002.3-2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.

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1009-7716（2016）01-0112-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.032

2015-09-09

王博（1981-），男，甘肃通渭人，讲师，从事桥梁工程教学、科研工作。