钢箱梁斜拉桥结构参数敏感性分析

2020-09-24张宪堂秦文彬申彦兵孙国富聂瑞锋

山东科技大学学报(自然科学版) 2020年5期

张宪堂，余辉，秦文彬，申彦兵，孙国富，聂瑞锋

（1.山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛266590；2.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛266590；3.山东交通学院交通土建工程学院，山东济南250357）

斜拉桥是由塔、梁、索三种结构元件组成的高次超静定结构体系，以其自重小、柔度大、跨越能力大和造型美观等优点，成为现代桥梁工程中发展最快的桥型之一［1-3］。但是，斜拉桥施工过程是一个复杂的系统工程，地基环境复杂、结构转换体系复杂、施工周期较长、施工工艺多等因素对桥梁结构产生严重影响，使实际桥梁结构参数与设计值存在一定的误差［1，4］。

斜拉桥施工控制的最终目标是使结构处于安全范围内，成桥状态最大程度上与理想设计状态一致［5-7］。在实际工程中，桥梁施工误差受到桥梁材料性能差异、施工荷载变化、周围大气温度等因素影响［8-9］，造成实际状态与理想状态出现差异。因此需要对结构进行参数敏感性分析，确定对结构产生影响的参数以及其可能的偏差范围，研究其对结构响应的影响程度，为桥梁施工误差修正提供科学依据［10］。本研究以某跨海斜拉桥为研究对象，通过有限元模型计算分析，对该桥施工过程关键结构参数进行敏感性分析，得到结构参数变化对成桥状态结构行为的影响，主要包括主梁线形、主梁应力以及斜拉索索力的变化。

1 工程背景

图1 结构桥型布置图Fig.1 Bridge type layout of main bridge structure

某跨海斜拉桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，跨径布置为（70+105+400+105+70）m。结构体系采用半漂浮体系，如图1所示。

主梁采用流线型扁平钢箱梁，采用悬臂拼装施工；梁全宽34 m（含风嘴），梁高3.5 m，标准节段为16 m，钢箱梁横隔板采用实腹式，检修道、风嘴与主梁同时加工、架设，但不参与主梁受力，仅承受其自身重量及行人荷载。主塔为钻石型混凝土塔，索塔高度为160.0 m，采用C50混凝土。斜拉索全桥共88根斜拉索，每个索塔分别布置22对斜拉索，呈扇形对称布置。索塔向边跨侧斜拉索分别为B1～B11，索塔向跨中侧斜拉索分别为Z1～Z11。斜拉索在主塔上采用钢锚梁锚固，主梁上采用锚拉板锚固。

2 计算模型及计算方法

2.1 有限元模型

采用桥梁有限元软件Midas Civil，建立桥梁结构空间杆系分析模型（如图2）。钢主梁均采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，钢主梁自重通过施加梁单元均布荷载方式进行修正，永久压重采用均布荷载形式加重。全桥共计1 302个单元，其中桁架单元88个。

图2 结构有限元模型图Fig.2 Structural finite element model

2.2 结构参数选取

在斜拉桥的施工过程和成桥状态下，有许多影响结构行为的参数。结合工程实际情况以及相关文献资料［11-13］，选取主梁自重、施工临时荷载、主梁刚度、斜拉索弹性模量以及斜拉索索力变化等5个参数作为结构敏感性分析参数，计算时仅给定单一参数的变化幅度，其他参数均保持不变［14-15］，分别计算得到结构成桥状态下主梁线形、主梁应力、斜拉索索力的变化情况，从而辨别确定敏感性参数和非敏感性参数。

3 计算结果分析

3.1 主梁自重

考虑钢箱梁厂家的制造和拼装误差，难以避免出现梁段重量超重或者超轻的情况。选取钢箱梁自重参数，按设计值基础上变化±2%、±5%，其他参数不变，计算得到成桥状态下主梁线形、主梁应力以及斜拉索索力的变化。

由表1、图3可知，主梁自重变化对结构成桥状态的影响程度较大。主梁自重变化±2%时，主梁上下缘应力变化值在-4.31～4.29 MPa，最大变化幅度为15.89%；主梁自重变化±5%时，主梁上下缘应力变化值在-10.76～10.74 MPa，最大变化幅度为39.8%。主梁自重变化±2%和±5%时，主梁线形的变化波动趋势基本一致，且中跨的位移变化值明显大于边跨。当主梁自重变化±2%时，主梁线形的累计位移最大变化值为31.2 mm，变化幅度为80.0%；当主梁自重变化±5%时，主梁线形的累计位移的最大变化值为78.2 mm，变化幅度为200.5%。位置均出现在靠近中跨1/4跨、3/4跨处。主梁自重变化±2%时，拉索索力最大差值为55.7 kN，变化幅度为1.9%；当主梁自重变化±5%时，拉索索力最大差值为139.2 kN，变化幅度为4.7%。

表1 主梁自重变化下的主梁应力变化值Tab.1 Stress change value of main girder under variation of main girder's self-weight

图3 主梁自重变化对成桥线形和索力的影响Fig.3 Effect of main girder self-weight change on alignment and cable force of completed bridge

3.2 斜拉索弹性模量

本工程桥梁跨径比较大，考虑斜拉索的垂度效应以及制造误差因素，造成其轴向刚度出现差异，可利用弹性模量进行换算修正［16］。取斜拉索弹性模量设计值E=1.95×105MPa，在其设计值基础上变化±2%、±5%，其他参数不变，计算得到成桥状态下主梁线形、主梁应力以及斜拉索索力的变化。

由表2、图4可知，斜拉索弹性模量变化对主梁应力影响不大。当弹性模量变化±2%时，主梁应力的变化值在-1.82～1.79 MPa，最大变化幅度为2.8%；当弹性模量变化±5%时，主梁应力的变化值在-4.63～4.41 MPa，最大变化幅度为5.7%。斜拉索弹性模量变化对成桥主梁线形影响较大，当弹性模量变化±2%和±5%时，主梁线形的累计位移最大变化值分别为15.9和40.8 mm，其最大变化幅度分别是40.8%和125.1%。斜拉索弹性模量变化对于索力比较大的长索影响稍大，但相对于成桥索力值而言，弹性模量变化所引起的索力变化量仍然十分小。当弹性模量变化±2%，索力最大差值30.5 k N；当弹性模量变化±5%，索力最大差值76.3 k N，最大变化幅度1.9%。

表2 斜拉索弹性模量变化下的主梁应力变化值Tab.2 Stress change value of main girder under variation of elastic modulus of cable

图4 斜拉索弹性模量变化对成桥线形和索力的影响Fig.4 Effect of elastic modulus of cable change on alignment and cable force of completed bridge

3.3 主梁刚度

钢箱梁钢材材质均匀，弹性模量稳定，但是由于梁段中加劲肋横隔板等板件较多，造成刚度误差。取主梁刚度为2.1×105MPa，在设计值基础上变化±2%、±5%，其他参数不变，计算得到成桥状态下主梁线形、主梁应力以及斜拉索索力的变化。

由表3、图5可知，主梁刚度变化对主梁应力的影响很小。当主梁刚度变化±2%时，主梁应力的最大变化值为0.46 MPa，最大变化幅度为1.6%；当主梁刚度变化±5%时，主梁应力的最大变化值为1.17 MPa，最大变化幅度为4.8%；主梁上下缘应力的绝对变化量近似且符号相反。主梁刚度变化时，成桥主梁线形出现位移偏差，但是差值很小。当主梁刚度变化±2%时，主梁线形的位移最大变化值为3.1 mm，最大变化幅度为7.9%；当主梁刚度变化±5%时，主梁线形的位移最大变化值为8.2 mm，最大变化幅度为21.0%。主梁刚度的变化对斜拉索索力的影响也很小，当主梁刚度变化±2%时，索力最大差值为8.4 k N，当主梁刚度变化±5%时，索力最大差值为21.4 k N，最大变化幅度仅为0.99%。

表3 主梁刚度变化下的主梁应力变化值Tab.3 Stress change value of main girder under variation of stiffness of main girder

图5 主梁刚度变化对成桥线形和索力的影响Fig.5 Effect of main girder stiffness change on alignment and cable force of completed bridge

3.4 施工临时荷载

本工程施工临时荷载主要包括桥面吊机、检修车、临时施工材料及设备等。考虑在桥梁施工过程中临时荷载变化比较大，特别是钢箱梁悬臂端部位置处。选取施工临时荷载参数，在桥面吊机设计值基础上增减20和30 t来模拟吊机重量以及临时荷载偏差，其他参数不变，计算得到成桥状态下主梁线形、主梁应力以及斜拉索索力的变化。

由表4、图6可知，施工临时荷载变化对主梁应力的影响较大，当施工临时荷载增减20 t时，主梁应力的最大变化值为4.94 MPa，变化幅度为7.9%；当施工荷载增减30 t时，主梁应力的最大变化值为7.41 MPa，变化幅度为12.7%。施工临时荷载变化对成桥主梁线形的影响较大，当施工临时荷载增减20和30 t时，主梁线形的位移最大差值分别为16.5和24.8 mm，最大变化幅度分别为42.3%和63.6%。位置变化均发生在中跨合龙处。施工临时荷载变化对成桥索力的影响很小，当施工荷载增减20 t时，索力最大差值为27.7 k N；施工荷载增减30 t，索力最大差值为41.5 k N，最大变化幅度仅为1.2%。

表4 施工临时荷载变化下的主梁应力变化值Tab.4 Stress change value of main girder under construction temporary load change

图6 主梁刚度变化对成桥线形和索力的影响Fig.6 Effect ofmain girder stiffness change on alignment and cable force of completed bridge

3.5 斜拉索索力

本工程斜拉索索力张拉共分两次，采用的张拉索力控制方法为频率法与千斤顶油压法配合，但是考虑海上风力、温度［17］以及施工误差等因素，容易造成张拉索力有一定的误差。选取斜拉索二次张拉力参数，在设计张拉力基础上变化±2%、±5%，其他参数不变，计算得到成桥状态下主梁线形、主梁应力以及斜拉索索力的变化。

由表5、图7可知，斜拉索二次张拉力变化对主梁应力影响很大，且变化越大，主梁应力变化范围越大。当二张索力变化±2%，主梁应力的最大变化值为9.66 MPa，变化幅度为24.7%；当二张索力变化±5%，主梁应力的最大变化值为24.82 MPa，变化幅度为54.1%。二张索力的变化对成桥主梁线形影响非常大，且中跨影响远大于边跨。二张索力变化±2%时，主梁线形的位移最大差值为34.8 mm，变化幅度为89.2%；二张索力变化±5%时，主梁线形的位移最大差值为87.3 mm，变化幅度为223.8%。成桥索力是由斜拉索张拉索力随着施工阶段一步一步变化而来，所以二张索力的变化对成桥索力影响较大。二张索力变化±2%时，索力最大差值86.3 k N，变化幅度2.1%；二张索力变化±5%时，索力最大差值为209.2 k N，变化幅度为5.2%。

表5 斜拉索索力变化下的主梁应力变化值Tab.5 Stress change value of main girder under change of cable force

图7 斜拉索索力变化对成桥线形和索力的影响Fig.7 Effect of cable force change on alignment and cable force of completed bridge

4 敏感性分析结果

考虑桥梁施工阶段，对上述5种结构参数进行敏感性研究，整合对比研究结果，得到成桥阶段的主梁线形、主梁应力以及斜拉索索力对各结构参数变化的影响程度，同时对影响成桥结构行为的各参数按影响程度大小进行排序［18］，从而确定影响结构行为的主要敏感参数，具体分析结果见表6～8。可见，斜拉索二次张拉索力和主梁自重对成桥结构行为的影响程度最大，属于主要敏感参数；拉索弹性模量和施工荷载次之，属于较敏感参数；而主梁刚度对成桥结构行为的影响最小，属于不敏感参数。