高墩大跨PC连续刚构桥施工监控参数敏感性分析

朱俊宇 古 松 鄢爱新

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010；2.南昌铁路局 江西南昌 330002)

近年来，随着中国交通建设的发展，尤其是中国西南、西北地区高等级公路的兴建，由于地形复杂、山高陡峭，采用了许多非规则桥梁以跨越沟谷和深沟。预应力混凝土连续刚构桥由于受力合理和施工便捷，已成为目前新修建桥梁的首选桥型。

预应力混凝土连续刚构桥主桥上部结构采用挂篮悬臂浇筑法进行施工，施工过程按照“挂篮前移，确定立模标高，浇筑混凝土，张拉预应力钢筋”的步骤，循环施工每一工况直至中跨合龙，此类桥型在施工过程中由于工序复杂，将会长期性的对主梁内力及变形产生无规律影响，这对于主梁挠度、内力的监控提出了更高的要求[1]。由于预应力混凝土连续刚构桥是一个复杂的结构，每一施工工况中线性及内力的变化都将受到不确定因素带来的一定影响，包括混凝土容重、弹性模量、混凝土收缩徐变、温度变化、预应力损失等，这些因素的影响作为物理参数对施工监控中立模标高和结构内力的计算不可忽略，并且具有误差累积效应，影响最终成桥后线性、结构内力、合龙精度。本文以位于巴中市南江县的石桥河特大桥为工程背景，通过软件模型计算分析得到各类监控参数对于桥梁上部结构响应的敏感性，进而为每一工况精确的立模标高提供保障。

1 工程概况

石桥河特大桥是巴陕高速段跨越南江县关坝乡的一座高墩特大跨预应力混凝土连续刚构桥，上部结构连续刚构部分桥跨布置为72 m+130 m+130 m+72 m，全长404 m。采用单箱单室变截面箱梁，箱顶板宽11.75 m，底板宽6.75 m，为三向预应力结构，主梁采用C55混凝土，墩身采用C40混凝土。主墩采用双肢变截面薄壁墩，“T”构纵桥向中跨划分为15个梁段，向边跨划分为16个梁段，1号-16号梁段采用挂篮悬臂浇筑施工。石桥河特大桥桥型布置如图1所示。

2 有限元模型

采用MIDAS/Civil建立石桥河特大桥有限元模型。桥墩主梁均采用梁单元模拟，模型共划分成183个单元，其中上部结构划分成121个单元，节点编号由0,1,2…120,121从左至右排序，下部结构划分成62个单元。1期恒载为结构自重；2期恒载取58.0 kN/m,汽车荷载采用公路-I级,温度作用考虑整体升温15 ℃，整体降温-15 ℃,计算结构5年的收缩徐变量。石桥河特大桥MIDAS/Civi三维空间模型如图2所示。

图2 石桥河特大桥三维空间模型图Fig.2 Three-dimensional space model diagram of Shiqiao River grand bridge

3 单控制参数敏感性分析

3.1 混凝土容重

对于采用悬臂法分阶段施工的连续刚构桥，每一阶段浇筑混凝土产生的自重误差由少方、超方或者胀模的因素引起，此类误差对结构的线性及内力变化影响较大，导致桥面相邻阶段处不平整，影响监控标高测量数据质量，为下一阶段提供立模标高增加难度。施工现场少方情况导致桥面不平整如图3所示。

图3 施工现场桥面不平整Fig.3 Bridge deck irregularities at construction site

对于高强度等级的混凝土，由于混凝土密实性高，一般实测容重比规范值要高于理论值5%左右[2]。石桥河特大桥主梁混凝土基准容重γ=26 kN/m3，在其他参数保持不变的情况下，将主梁容重分别增大与减小5%，即0.95γ=24.7 kN/m3,1.05γ=27.3 kN/m3，取1/2桥跨，分别通过模型计算得到主梁挠度和截面内力，由结果分析此参数对于结构响应的敏感性。主梁在最大悬臂状态时的应力及挠度见表1和图4。

由表1数据分析得知，混凝土容重每增加0.05γ，上缘压应力变化最大值为0.42 MPa,下缘压应力变化最大值为0.75 MPa。由图4看出，主梁挠度变化差值在节点编号37至46区域内，即中跨跨中部位处变化较大，最大差值达到28 mm，其余节点区域内挠度变化较小或并未改变。可知容重的偏差对主梁的内力及挠度有显著影响，应将容重偏差考虑在内。

表1 容重不同取值时的关键截面应力表Table 1 Key section stress table of different weight values

3.2 混凝土弹性模量

对于悬臂梁桥这种受弯构件来说，在假设其钢筋弹性模量、纵筋配筋率、混凝土与钢筋弹性模量比等因素对刚度无影响的情况下，混凝土的弹性模量越大，构件所产生的挠度则会越小。

图4 容重不同取值时主梁挠度Fig.4 Deflection of main beam with different weight values

因此，弹性模量E是施工监控中重点考虑的控制参数,施工过程中为提高监控精度应及时检测混凝土弹性模量。在许多已建桥梁中实测的混凝土弹性模量一般高于规范值10%左右[3]。将石桥河特大桥主梁混凝土弹性模量设计值分别增加10%、减少10%，即为0.9E，1.0E，1.1E，取1/3桥跨进行分析，通过模型计算得到主梁挠度和截面内力如图5和表2所示。

由表2数据分析得知，弹性模量增加10%，上缘压应力变化最大值为0.11 MPa，下缘压应力变化最大值为0.02 MPa。由图5看出，在边跨与中跨部位主梁挠度变化趋势基本一致，且主梁挠度最大变化值分别在节点编号5至12与28至35区域内均达到10 mm。

表2 弹性模量不同取值时的关键截面应力表Table 2 Key section stress table of different elastic modulus

图5 弹性模量不同取值时主梁挠度Fig. 5 Deflection of main beam with different elastic modulus

由此可得到弹性模量的变化对主梁挠度会产生较大的影响。

3.3 混凝土收缩徐变

施工过程中以及成桥后一段时间混凝土收缩徐变都将对桥梁内力及挠度产生影响[4]。为研究混凝土收缩徐变对石桥河特大桥主梁挠度及内力的影响，分以下情况进行分析：(1)不考虑混凝土收缩徐变效应；(2)考虑成桥阶段混凝土收缩徐变效应；(3)考虑成桥5年后混凝土收缩徐变效应。取1/2桥跨进行分析，上述3种情况下收缩徐变对主梁挠度和内力的影响分别见图6与表3。

由图6对比3种情况分析得到，主梁挠度最大变化值达到44 mm。由表3可以看出主梁上缘压应力最大变化值达到1.22 MPa,下缘压应力最大变化值为1.45 MPa。由此看出，在悬臂法施工过程中应考虑收缩徐变对桥梁线性和内力变化的影响，更精确地给出每一工况的预拱度值。

表3 收缩徐变不同时间的关键截面应力表Table 3 Key section stress table of different elastic modulus

图6 收缩徐变对主梁挠度的影响Fig. 6 Influence of shrinkage and creep on deflection of main girder

3.4 温度荷载

近年来国内外学者经过对部分有损伤的桥梁进行研究发现，日辐射和温差效应等外界因素是使桥梁上部结构受损的主要原因[5]。成桥状态下的年温差和局部日照温差均会引起结构的挠度和内力的变化，因此，在施工监控过程中，温度的变化是不可忽略的控制参数。取1/2桥跨，分别对石桥河特大桥整体升温15 ℃与整体降温15 ℃、顶板升温15 ℃与顶板降温15 ℃进行模型计算分析。年温差荷载和局部日照温差荷载对桥梁线性变化的影响如图7所示。

由图7分析得到，整体升温情况下桥梁呈现上拱的趋势，整体降温情况下桥梁呈现下挠的趋势。年温差荷载和局部温差荷载引起的挠度最大变化差值分别达到57 mm和18 mm。由此可见，温度荷载对主梁的挠度影响显著，对于施工监控在现场采集数据应尽量避开温度变化大的环境，使所测数据更加精确。

图7 成桥阶段温度荷载对主梁挠度的影响Fig.7 The Influence of temperature load on bridge main girder deflection

3.5 预应力参数

后张法预应力混凝土结构中，预应力张拉时的摩擦损失包括两项：一项是预应力筋局部偏差引起的沿长度上的预应力摩擦损失值；另一项是由于预应力筋曲线布置引起的对孔道壁侧向压力产生的摩擦损失值。孔道材料和成型不同，预应力与孔道壁的摩擦系数μ、局部偏差系数κ均不同。石桥河特大桥的预应力参数设计值取μ=0.17，κ=0.001 5，为分析其敏感性，分别取μ为0.12,0.22，κ为0.001 0,0.002 0，通过模型分析计算预应力参数对主梁挠度和应力的敏感度，计算结果见表4和表5。

表4 摩擦系数μ对主梁挠度的影响Table 4 The effect of friction coefficient on beam deflection

表5 偏差数κ对主梁挠度的影响Table 5 The effect of deviation coefficient on beam deflection

由表4可以看出，当管道摩擦系数μ增加或降低0.05时，最大悬臂施工状态下主梁挠度最大差值为4.24 mm。由表5分析得到，当管道偏差系数κ增加或降低0.005时，最大挠度差值为4.04 mm。经施工现场测量表明，每一施工阶段预应力筋张拉前后所测标高数据最大差值为4 mm,与模型计算数值接近，应力最大变化差值不超过0.2 MPa。由此看出，当μ,κ取值不同时，桥面线性基本保持一致，对主梁挠度及内力影响小。

4 结论

本文通过调整模型中施工监控参数取值，计算得到施工监控过程中所对应的桥梁上部结构内力及挠度的变化，得到以下结论：(1)混凝土容重、弹性模量、收缩徐变和温度荷载对石桥河特大桥挠度影响显著，混凝土容重、收缩徐变对石桥河特大桥内力影响显著；(2)施工监控过程中应及时采集每一阶段混凝土应变、弹性模量等参数，分析参数变化原因，并调整模型中参数以得到更精确的预拱度值；(3)温度荷载作为施工监控参数控制中的重点和难点，应充分考虑温度对桥梁的线性及内力的影响，监测数据的测量环境应尽量选择在温度变化小的早晚进行，避免产生温差应力。