钢筋混凝土拱桥参数敏感性分析

2022-03-11谭亚杰

广东土木与建筑 2022年2期

谭亚杰

（长沙理工大学土木工程学院长沙 410114）

某特大桥是一座采用扣锚索悬臂扣挂法施工的钢筋混凝土拱桥，是一种由塔、索、拱肋3 种基本结构组成的组合结构。本文依托某特大桥为背景，运用有限元软件Midas∕Civil对施工过程中涉及的各参数进行敏感性分析，确定悬臂扣挂施工过程中的敏感性参数，为类似桥梁施工误差提供参考。

1 工程概况

某特大桥位于湖南省湘西自治州永顺县，主孔为净跨径195 m 的RC无铰箱型拱，矢跨比1∕5，拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.543，主拱圈尺寸为360 cm（高）×780 cm（宽）。扣锚索均采用φ15.2 mm 的低松弛预应力钢绞线，共42 对扣锚索，该特大桥施工布置如图1所示。

图1 某特大桥施工布置Fig.1 Construction Layout of a Super Major Bridge（mm）

2 建立有限元模型

采用有限元软件MIDAS∕Civil 建立某特大桥模型，使用桁架单元模拟扣锚索，其余构件采用梁单元模拟。地锚索锚固处和交界墩与基础采用完全固结、主拱圈和拱上立柱、临时扣塔和交界墩的连接采用刚性连接，拱上立柱和主梁的连接采用弹性连接里的刚性连接。根据设计图纸，共划分为74 个施工阶段，如表1所示，有限元模型如图2所示。

表1 施工阶段的划分Tab.1 Division of Construction Phase

图2 某特大桥有限元模型Fig.2 Finite Element Model of a Super Major Bridge

3 参数的选取

在施工过程中由于影响结构力学性能的因素众多，如混凝土的欠、超浇注和模板变形等［1］，导致主拱圈自重产生偏差；在实际拱段浇注中，混凝土的弹性模量与设计值有些偏差［2］，以及模板误差，直接导致主拱圈刚度的误差，本文仅考虑主拱圈弹性模量引起的偏差；由于测量、温度变化、张拉技术的限制以及应力松弛等原因［3］。使扣锚索张拉时索力不能准确达到预定值，引起扣锚索索力偏差；由于扣锚索的制作误差［4］。引起扣锚索刚度偏差，这里仅考虑扣锚索弹性模量的偏差。

为了保证主拱圈在施工过程中满足变形和应力的要求，本文选取主拱圈自重、主拱圈刚度、扣锚索索力、扣锚索刚度等参数进行分析。在模型分析时，以基准状态为设计状态，分别改变某一参数，同时保持其他参数不变，进行有限元分析计算［5］。计算到成桥状态下主拱圈的累计位移以及累计应力的变化量，根据各设计参数影响程度确定敏感性参数和不敏感性参数［6］。根据现场施工实际情况和相关文献［7-9］，确定各参数变化程度如表2所示。

表2 结构主要参数及其变化Tab.2 Main Structural Parameters and Their Changes

4 参数敏感性分析

4.1 主拱圈变形分析

按表2 结构参数的变化，逐一改变模型中主拱圈自重、主拱圈刚度、扣锚索索力、扣锚索刚度等参数值，对施工全过程进行参数敏感性分析，计算到成桥状态下主拱圈累计竖向位移差，结果如图3所示。

图3 参数变化时主拱圈累计竖向位移差Fig.3 Cumulative Vertical Displacement Difference of Main Arch Ring when Parameters Change

由图3 可知，各设计参数对主拱线性的影响呈对称分布。从拱脚至拱顶处位移差先增大后减小。当主拱圈自重增大5%时，主拱圈向下挠度增大，并且在11#拱段处达到最大值，竖向位移最大差值为31.69 mm，位移变化幅度高达264%，属于位移敏感性参数。当主拱圈刚度增大5%时，主拱圈位移受主拱圈刚度的影响很小，最大变化量仅有2.18 mm，属于位移不敏感性参数。当扣锚索索力增大5%时，由于索力的增大，主拱圈从竖直向下位移变为竖直向上位移，在11#拱段达到最大值，竖向位移最大差值为34.34 mm，变化幅度最大，为286%，为位移敏感性参数。当扣锚索刚度增大5%时，对主拱圈线性的影响较小，仅有1.63 mm。属于位移不敏感参数。

4.2 主拱圈应力分析

在施工全过程中，主拱圈的应力控制十分重要，各参数引起的拱圈上下缘累计应力变化值如图4所示。

由图4 可知，主拱圈自重、扣锚索索力增大时，对上下缘应力的影响有着相同的规律，在3#拱段处上下缘累计应力变化差值最大，拱顶处变化差值最小，主拱圈自重增大5%时，3#拱段处最大累计应力差值是1.74 MPa，扣锚索索力增大5%时，3#拱段处最大累计应力差值是1.53 MPa。而对于主拱圈刚度和扣锚索刚度对主拱圈应力几乎无影响，最大差值仅为0.021 MPa、0.019 MPa。主拱圈自重和扣锚索索力为应力敏感性参数，主拱圈刚度扣锚索刚度为应力不敏感性参数。