铁路和公路斜拉桥施工阶段参数敏感性对比分析

张运波

(中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁院, 湖北武汉 430063)

现有公路斜拉桥的设计和施工相对铁路斜拉桥来说已经比较成熟和完善，铁路斜拉桥的设计和施工方法大多借鉴公路斜拉桥，由于铁路斜拉桥和公路斜拉桥在结构和功能需求等方面不同，必然带来一些不同的问题，所以通过分析各种影响参数在铁路斜拉桥和公路斜拉桥施工过程中对结构行为的不同影响，可以更好地了解铁路斜拉桥在施工过程中的力学行为特点，为以后铁路斜拉桥设计和施工提供一定的参考借鉴[1]。

1　工程背景

为了更加明确地研究铁路斜拉桥和公路斜拉桥在施工阶段中结构行为上的特点及区别，选取某长江铁路大桥(以下简称“铁路桥”)和某长江公路大桥(以下简称“公路桥”)进行对比分析，采用桥梁结构分析软件NLABS对公路桥和铁路桥进行有限元施工阶段模拟(考虑几何非线性效应)[2、3]，以下通过选取斜拉桥施工过程中一些控制工况分别对铁路桥和公路桥进行比较分析，具体桥梁参数见表1，有限元成桥模型见图1。

首先对两座斜拉桥按照其施工方案和实际施工状态进行全程模拟，并且以该状态下斜拉桥的各个施工阶段作为基准状态，通过改变结构主要影响参数对两座斜拉桥施工阶段进行比较分析，主要对比分析不同结构参数在两座斜拉桥在施工过程中对桥梁变形的影响。主要结构参数[2-4]变化内容见表2，其中斜拉索初张力的变化是指在斜拉桥施工过程中对涉及到斜拉索张拉工况的阶段对该阶段斜拉索索力在设计值的基础上进行一定的变化。

表1　铁路桥和公路桥结构参数对比

图1　铁路桥和公路桥有限元模型对比

2　参数敏感性计算结果对比分析

通过仿真模拟公路桥和铁路桥整个施工过程，分析整个施工过程参数变化对桥梁结构的影响，根据斜拉桥特点，本次研究主要选择最大对称悬臂及最大单悬臂两个典型施工阶段进行对比分析。

表2　主要结构参数

2.1　最大对称悬臂施工阶段

最大对称悬臂阶段，即随着梁段对称架设的进行，悬臂长度逐渐增大，岸侧悬臂端即将达到辅助墩墩顶，主梁正好处于一个最大对称悬臂施工状态，两座斜拉桥该阶段有限元模型对比如图2。

图2　最大对称悬臂阶段有限元模型对比

从表3和表4可以看到，在最大对称悬臂阶段，参数变化对两座斜拉桥的影响量随着参数变化量的增大而增大。从相对影响量大小可以看到，各种参数对主梁位移的影响明显要比塔偏和斜拉索索力大很多。各种参数对两座桥梁的影响也不太一致，其中斜拉索索力对公路桥的影响最大，其次为吊机荷载和主梁升温，而主梁弹模的变化对桥梁整个状态基本上没有影响；铁路桥则是除了主梁弹模对其影响较小外，其它三个结构参数的变化对其影响都较大。

综上，在对称悬臂施工阶段，两座斜拉桥主梁位移对斜拉索索力、吊机荷载及主梁升温的变化都比较敏感；参数变化对铁路桥主塔塔偏几乎没有影响，而对于公路桥影响则较大；各种参数变化对两座斜拉桥斜拉索索力影响都很小。

表3　最大对称悬臂阶段结构参数变化对桥梁变形影响

注：括号里面数值为对应数值变化最大相对百分数

表4　最大对称悬臂阶段结构参数变化对斜拉索索力影响

注：括号里面数值为对应数值变化最大相对百分数

2.2　最大单悬臂施工阶段：

最大单悬臂阶段，即中跨合龙之前，辅助墩支座在先前阶段已经加入，岸侧梁段到达边墩顶部且边墩支座也已经安装，江侧梁段处于最大悬臂状态，此施工阶段是合龙前最不利的一个控制性施工阶段。两座斜拉桥该阶段有限元模型对比如图3。

从表5和表6可以看到，在最大单悬臂阶段，由于悬臂长度的增加，使得江侧主梁整体刚度有所减小。铁路桥由于其悬臂端侧斜拉索并未张拉，对其主梁刚度的影响较大；而公路桥此时斜拉索基本张拉完毕，斜拉索的弹性支承对其主梁刚度贡献已经接近最大值。

图3　最大单悬臂阶段有限元模型对比

结构参数参数变化最大单悬臂施工阶段桥梁变形变化/cm主梁位移主塔塔偏公路桥铁路桥公路桥铁路桥主梁弹模+2%-0.17^0.8(-0.71%)-0.12^0.35(0.84%)-0.0027(-0.25%)-0.0009(0.03%)+5%-0.41^1.99(-1.77%)-0.31^0.85(1.95%)-0.0073(-0.64%)-0.0023(0.08%)斜拉索索力+2%-0.10^60.08(-53.3%)-0.09^5.95(28.54%)-3.0321(199.86%)-0.0081(0.29%)-2%-60.26^0.10(53.46%)-5.96^0.09(-28.56%)-3.1905(-200.52%)0.0081(-0.29%)吊机荷载+100kN-14.08^0.12(12.49%)-0.98^0(-4.64%)-0.7226(-48.24%)0.0007(-0.02%)+200kN-28.19^0.24(25.01%)-1.96^0.01(-9.29%)-1.4453(-96.5%)0.0014(-0.05%)主梁升温+10℃-0.38^8.79(-7.79%)-0.25^3.37(16.16%)-1.8567(122.38%)-0.0075(0.27%)-10℃-9.26^0.40(8.22%)-3.47^0.25(-16.64%)1.8941(-124.85%)0.0074(-0.26%)

注：括号里面数值为对应数值变化最大相对百分数

综上，在最大单悬臂施工阶段，斜拉索索力的变化仍然是影响桥梁行为的主要因素，吊机荷载和主梁温度的变化对主梁主梁位移的影响较大；各种参数变化对铁路桥主塔塔偏几乎没有影响，而公路桥塔偏受参数变化影响较大；同时各种参数变化对两座斜拉桥斜拉索索力影响很小。

3　结论

通过对公路桥和铁路桥最大对称悬臂施工阶段和最大单悬臂施工阶段中各种参数变化对比分析，可以得到以下结论：

表6　最大单悬臂阶段结构参数变化对斜拉索索力影响

注：括号里面数值为对应数值变化最大相对百分数

(1)在施工阶段中，结构参数变化对主梁位移影响最大，其中斜拉索索力和温度变化对主梁位移影响相对其它因素要敏感得多，其它因素对主梁位移的影响都相对较小，并且参数变化对桥梁行为的影响都随着悬臂长度的增大而减小。从对代表施工阶段分析后可知，斜拉索索力和吊机荷载的影响对公路桥比其它因素大，而铁路桥则是对主梁温度和斜拉索索力变化比较敏感。

(2)由于铁路桥桥塔刚度比公路桥主塔刚度大很多，在施工阶段中，参数变化对铁路桥主塔塔偏几乎没有影响，而对公路桥塔偏影响很大，当斜拉索索力变化2 %时，公路桥主塔塔偏相对变化达到了199.86 %(绝对值3 cm)。

(3)在施工阶段中，参数变化对铁路桥和公路桥斜拉索索力的影响都很小。

综上：结构参数变化对主梁位移影响最大，对斜拉索索力的影响很小；各种参数变化对两座斜拉桥主梁位移的影响大小排序基本一致，其中斜拉索索力对主梁位移影响最大，其次为吊机荷载和主梁温度变化，主梁刚度变化对结构行为影响很小；铁路斜拉桥主塔塔偏基本不受外界影响，公路斜拉桥主塔塔偏则受外界影响影响相对较大；斜拉索索力对铁路钢桁斜拉桥的影响比公路斜拉桥小，而温度荷载的变化对铁路钢桁斜拉桥的影响相对于公路斜拉桥来说要大很多。