独塔斜拉桥施工控制中的参数敏感性分析

吴凤民

(湖南省怀化市农村公路建设办公室， 湖南 怀化 418000)

大跨径混凝土独塔斜拉桥施工周期长，施工工序复杂，常有混凝土搅拌不充分、振捣不均匀以及模板涨模、松模导致混凝土结构重度与理论计算值差异较大的现象发生；结构弹性模量在施工过程中受混凝土配合比和养护条件等多种因素影响，致使其与设计值总会存在偏差；扣索的几何非线性近似求解常导致索力计算结果的误差；施工过程中温度的整体升降变化也会影响到最终结构的成桥内力，以上几种参数的误差都会对桥梁施工控制产生一定影响，从而导致最终的实际成桥状态与理论成桥状态有所偏差[1]。因此在桥梁施工过程中需要对以上参数进行识别，并计算对结构内力影响大的参数，在施工过程中着重进行控制，尽量减小这些参数误差所产生的影响；而对结构内力影响较小的参数可适当降低要求，简化施工过程[2]。

1 工程背景

保靖县酉水三桥位于保靖路，其主桥为跨越酉水河的大跨径独塔斜拉桥，全长359 m，主跨196 m，次边跨62 m，边跨101 m。其中主桥为独塔双索面不对称斜拉桥，结构体系采用三跨连续固结体系，扣索呈空间密索型布置，边跨处设置1处辅助墩。桥梁立面布置如图1所示。

图1 桥型布置图(单位： cm)

主梁为预应力砼箱型梁，截面形式为单箱三室。桥面全宽30.5m，底板宽12.5m，梁高3.2m，顶板设双向2%横坡。梁上标准索距为7.2m，边跨现浇段索距为4.8m，混凝土标号为C55，主梁横断面如图2所示。

图2 主梁横断面图(单位： cm)

主塔形式为钻石形，材料采用钢筋混凝土，其中混凝土标号为C50。主塔高128 m，由上、中、下塔柱以及下横梁4个部分组成，其中塔柱为钢筋混凝土结构，下横梁为预应力钢筋混凝土结构。

2 有限元模型建立与参数选取

采用Midas/Civil建立酉水三桥空间有限元模型，采用空间梁单元模拟主梁与主塔，采用只受拉桁架单元模拟扣索，采用Enrst公式修正扣索的弹性模量以考虑垂度效应[3]。该桥有限元模型共660个节点、750个单元。主梁与主塔连接处的边界条件采用弹性连接中的刚性连接。索塔底部边界条件为固结。主梁边支座与辅助墩边界条件采用一般支承约束Dy、Dz。该桥有限元模型见图3。

图3 有限元模型图

依据对酉水三桥施工过程的误差因素分析，本文选取自重、混凝土弹性模量、扣索索力以及结构整体温度变化4个参数进行敏感性研究。以理想成桥状态下各个构件的无应力状态量为基准，对上述参数逐一进行改变，在保证其余参数不变的情况下，分别进行主梁线形与应力、塔顶位移以及塔根应力分析。根据计算结果分析影响该独塔斜拉桥施工过程的各参数敏感性。

酉水三桥有限元模型混凝土容重均值取25 kN/m3，参考文献[4]，其变异系数取值为0.05，因此取自重变化5%进行分析；该桥主梁与主塔结构均采用C50混凝土，根据文献[5-6]，其均值为3.45×107kN/m2，变异系数取值为0.05，因此取弹性模量变化5%进行分析；扣索索力参考文献[4],取变化5%进行分析；结构整体温度考虑该桥整个施工阶段桥址处的温度变化，取结构整体温度变化10 ℃进行分析，为便于各参数计算结果的对比，主梁位移与应力分析仅取各参数单向变化结果，参数变化范围如表1所示。

表1 各参数变化范围表参数自重/%弹性模量/%索力值/%结构整体温度/℃变化范围±5±5±5±10

3 主梁计算结果

3.1 主梁位移分析

对该桥主梁位移进行计算分析，将该桥主梁等分为37段，共38个节点，主梁各节点在参数变化后的竖向位移相对于初始竖向位移的变化值如图4所示。

图4 主梁竖向位移变化图

由图4可知，结构自重增加5%后，主梁位移变化的总体趋势为主跨产生明显下挠，且在主跨跨中附近达到最大，最大值为-60 mm，其余截面几乎未发生变化。扣索索力减少5%与结构自重增加5%对于主梁竖向位移的影响基本一致，且主跨跨中下挠更大，最大挠度达到了79 mm；考虑该桥结构不对称，主跨跨径远大于边跨，因此在结构自重与扣索索力变化后边跨挠度变化值较小。整体升温10 ℃后，主梁的主跨跨中附近与塔梁固结处的竖向位移产生了一定位移，但远小于结构自重与扣索索力引起的主梁竖向位移，最大位移值均为9 mm；经分析，由于塔梁固结处约束较强，温度作用下产生的次内力使主塔产生了竖向位移；主跨跨中附近产生位移，为温度作用下扣索的伸长量发生变化所致。结构混凝土弹性模量减少10%对于主梁竖向位移影响最小，最大位移值仅4 mm。

由上述分析可得：相比于整体温度与混凝土弹性模量，结构自重与扣索索力的改变对于主梁位移的影响较大，为影响主梁位移的敏感参数。

3.2 主梁应力分析

主梁应力控制作为施工控制的重点，往往决定了该桥能否达到理想的成桥状态，改变结构自重、扣索索力、混凝土弹性模量以及整体温度后，分别对该桥主梁截面上下缘应力进行计算，计算结果如图5、图6所示。

对比主梁上下缘应力可得，上下缘应力的变化趋势大体相反，数值也基本接近，主梁应力均因整体升温、结构自重与扣索索力3个参数的变化而产生较大变化，其中又以整体升温的影响最为明显。整体升温10 ℃后，主梁的3跨跨中位置均产生较大应力，但次边跨与其余2跨的跨中应力值反号，应力峰值位于主跨跨中附近，为4.05 MPa，该参数为影响主梁应力的最敏感参数。结构自重减少5%与索力减少5%时，主梁应力变化规律一致，主梁应力均在3跨跨中位置产生较大变化且3跨应力均同号，但索力变化同时还导致墩梁固结处与辅助墩处产生反号应力。弹性模量对于主梁应力的改变基本上没有影响。

因此，整体温度为主梁应力的最敏感参数，结构自重与扣索索力次之，而混凝土弹性模量非敏感参数。

图5 主梁上缘应力对比图

图6 主梁下缘应力对比图

4 主塔计算结果

4.1 塔顶位移分析

各参数变化后，对主塔塔顶的纵向与竖向位移的变化量进行计算，得出塔顶位移变化量如表3所示(横向位移变化量均较小，故未示出)。

结构自重与扣索索力对塔顶纵向位移的影响较大。自重增加5%，使塔顶向主跨方向位移偏移了15 mm；索力减少5%，塔顶向主跨方向位移偏移了14 mm，考虑主跨跨度远大于边跨，自重增加或索力减少导致的主跨主梁下挠也大于边跨主梁下挠，因此塔顶向主跨纵向偏移。结构整体温度的升降对塔顶纵向位移几乎无影响，但是对竖向位移影响较大，主塔竖向位移最大值达到了12.54 mm，而弹性模量对于主塔纵向与竖向位移均较小。由此可判断，结构自重、扣索索力以及整体温度均为塔顶位移的敏感参数。

表3 塔顶位移变化量参数变化幅度ΔX/mmΔZ/mm结构自重增加5%15.31 0.82减小5%-15.31 -0.82 混凝土弹性模量增加5%0.54 0.04 减小5%-0.46 -0.06 整体温度升高10℃0.40 12.54 降低10℃-0.38 -12.50 扣索索力增加5%14.42 -0.31 减小5%-14.42 0.31

4.2 塔根应力分析

参数变化后，塔根相应的应力变化量如表4所示。由表可知，扣索索力的变化引起塔根应力变化较明显，尤其对于上缘应力，最大值达到了3.28MPa。结构自重与整体温度的变化对于塔根应力的影响较小，最大值均不大于0.4 MPa，混凝土弹性模量对于塔根应力的影响基本可忽略。因此，扣索索力为塔根应力的唯一敏感参数。

表4 塔根应力变化量参数变化幅度右上缘应力/MPa左上缘应力/MPa右下缘应力/MPa左下缘应力/MPa结构自重增加5%-0.39 -0.32 0.08 0.01 减小5%0.40 0.33 -0.07 0.00 混凝土弹性模量增加5%0.01 0.01 -0.01 -0.01减小5%-0.01 -0.01 0.02 0.02 整体温度升高10 ℃0.17 0.18 -0.23 -0.24降低10 ℃-0.17 -0.18 0.23 0.24 扣索索力增加5%3.28 -3.30 -1.29 1.30减小5%-328 3.31 1.30 -1.29

5 结论

以保靖县酉水三桥为工程背景，采用Midas/Civil建立该桥有限元模型，对该大跨径独塔斜拉桥施工过程中的几个重要参数(结构自重、扣索索力、混凝土弹性模量以及整体温度)进行敏感性分析，得到以下结论：

1) 总体来看，扣索索力为酉水三桥施工过程中的最敏感参数，其对主梁位移、主梁应力、主塔塔顶位移以及塔根应力的影响均较大，其次为结构自重与整体温度，混凝土弹性模量的影响基本忽略不计。

2) 由于酉水三桥结构布置形式、约束强弱的差异，主梁跨中附近、墩梁固结处以及塔顶对于参数的改变最为敏感，而桥端以及塔根位移敏感性较低，受到的影响较小。

综上所述，在酉水三桥施工过程中应加强对结构自重、扣索索力以及整体温度3个参数的控制，并注重对敏感性较高部位的位移与应力监控，以保证该桥达到合理成桥状态。