大跨度缆索吊装钢箱拱桥成桥状态参数敏感性分析

王 正,吴维彬,蒋凌杰,张 惠

(1.广西交通工程检测有限公司,广西 南宁 530200;2.广西交通技师学院,广西 南宁 530002)

0 引言

大跨度钢箱拱桥拱肋施工常采用缆索吊装工艺,拱脚位置常采用固结方式,由于拱肋预制节段多,且整个施工过程要求一次张拉扣索就位,因此对拱肋的施工提出了更高的要求;同时,桥面跨度较大,常采用钢格构桥面系,整个施工过程中对桥面线形的要求也较高。因此,在整个施工过程中,找出影响该类桥型成桥状态的敏感性参数显得尤为重要。

近年来,学者们就结构参数敏感性问题进行了广泛的研究。张亚海等[1]以某大跨双塔双索面斜拉桥为背景,分析了拉索弹性模量变化、主梁刚度、索塔刚度等对桥梁线形、内力的变化敏感性;李杰等[2]以某多拱肋宽幅异形钢管混凝土拱肋为背景,采用ALGOR软件建立有限元模型,研究了二期恒载、整体升降温、拱肋钢管内填混凝土、拱肋壁厚、索力等对结构变化和受力的影响;关伟[3]以运城市一座下承式钢管混凝土拱桥为背景,研究了拱肋间连接形式、拱肋钢管壁厚、拱肋单侧吊杆布置数量、拱肋管腔混凝土弹性模量、矢跨比、拱轴系数对结构稳定性的影响,得出影响结构稳定性的敏感参数。

目前,对于缆索吊装钢箱拱桥成桥状态的参数敏感性问题分析的研究资料相对较少,本文以梧州市西江四桥为例,采用有限元分析的方案,通过改变拱肋容重、吊杆容重、吊杆弹性模量、桥面系容重、结构温度等,分析拱肋应力、拱肋线形、桥面线形的变化,从而得到影响成桥状态的敏感性参数。

1 结构参数敏感性分析方法

由于实际结构与理论分析中的参数取值不可避免地会产生偏差,将会导致桥梁结构的偏差在施工过程中一直累积到成桥阶段,最终成桥阶段与目标值产生偏差。在实际结构分析过程中,通过参数敏感性分析,利用有限元分析方法,考虑结构的施工阶段,得到结构参数与结构响应之间的规律,为桥梁施工及设计过程提供参考。

对桥梁结构系统,假设系统F有n个因素,a={a1,a2,a3,…,an}所确定,则有:

F=f(a1,a2,a3,…,an)

(1)

(2)

式中:φk(ak)——系统特性F对ak的敏感性。

为了能够对多参数系统特性中不同量纲的各参数的敏感程度进行对比分析,对参数进行无量纲处理。

因此,定义了无量纲化参数敏感性函数与敏感因子,参数ak的敏感度函数Sk(ak)为:

(3)

式中:k——1,2,3,…,n;

δF——系统特性F的相对误差;

δak——参数ak的相对误差。

2 工程实例

2.1 桥梁概况

梧州市西江四桥主桥为钢箱系杆拱桥,由300 m中跨和两侧对称布置的129 m边跨组成。主跨和边跨均采用缆索吊装施工,拱肋采用钢箱拱肋,吊杆索体由1 860 MPa级φ15.24 mm环氧喷涂无粘结钢绞线组成,桥面系采用钢梁格构桥面。如图1所示。

图1 梧州市西江四桥立面实例图

2.2 结构建模

采用Midas Civil软件建立空间有限元模型,扣背索、系杆、吊杆采用桁架单元模拟,拱肋、横撑、主梁格构采用梁单元模拟,各边界条件按实际模拟。如图2所示为全桥空间结构计算模型。本文对主跨300 m钢箱拱桥的成桥状态进行参数敏感性分析。

图2 全桥有限元离散模型图

2.3 拱肋容重变化对结构成桥状态的影响分析

分别考查拱肋容重变化±2%、±5%对拱肋线形、桥面线形及拱肋应力的影响,研究结果见图3～5。

图3 拱肋线形随拱肋容重变化曲线图

图5 拱肋应力随拱肋容重变化曲线图

2.4 吊杆容重变化对结构成桥状态的影响分析

分别考查吊杆容重变化±2%、±5%对拱肋线形、桥面线形及拱肋应力的影响,研究结果见图6～8。

图6 拱肋线形随吊杆容重变化曲线图

图7 桥面线形随吊杆容重变化曲线图

图8 拱肋应力随吊杆容重变化曲线图

2.5 吊杆弹性模量变化对结构成桥状态的影响分析

分别考查吊杆弹性模量变化±2%、±5%对拱肋线形、桥面线形及拱肋应力的影响,研究结果见图9～11。

图9 拱肋线形随吊杆弹性模量变化曲线图

图10 桥面线形随吊杆弹性模量变化曲线图

图11 拱肋应力随吊杆弹性模量变化曲线图

2.6 桥面系容重变化对结构成桥状态的影响分析

分别考查桥面系容重变化±2%、±5%对拱肋线形、桥面线形及拱肋应力的影响,研究结果见图12～14。

图12 拱肋线形随桥面系容重变化曲线图

图13 桥面线形随桥面系容重变化曲线图

图14 拱肋应力随桥面系容重变化曲线图

2.7 温度变化对结构成桥状态的影响分析

分别考查温度变化±10 ℃、±20 ℃对拱肋线形、桥面线形及拱肋应力的影响,研究结果见图15～17。

图15 拱肋线形随温度变化曲线图

图16 桥面线形随环境温度变化曲线图

图17 拱肋应力随温度变化曲线图

2.8 拱肋线形影响因素分析

将前文中参数变化的极大值作用下对拱肋线形的影响最大值取绝对值,然后求出各影响量所占百分比,并按影响量从大到小进行排序,结果见表1。

表1 拱肋线形参数敏感性排序表

表1中就拱肋线形最大变化量比较了各参数的敏感程度。由表1分析可知,环境温度对拱肋线形产生绝对重要影响,在施工中一定要注意各个吊装阶段的温度线形修正问题,否则将会使拱肋线形严重偏离设计预期。除去环境温度的绝对影响,重新计算各影响量所占百分比,结果见表2。

表2 拱肋线形不含温度参数敏感性排序表

由表2中数据可见,除去环境温度的影响,相比拱肋容重对拱肋线形的影响,桥面系容重、吊杆弹性模量、吊杆容重等参数的影响可以忽略。因此,对于拱肋线形的影响,环境温度和拱肋容重的影响占主导地位。

2.9 拱肋应力影响因素分析

将前文中参数变化的极大值作用下对拱肋应力的影响最大值取绝对值,然后求出各影响量所占百分比,并按影响量从大到小进行排序,结果见表3。

表3 拱肋应力参数敏感性排序表

由表3分析可知,导致拱肋应力变化的最主要因素是环境温度、拱肋容重,而桥面系容重、吊杆弹性模量、吊杆容重等参数则对拱肋应力影响较小。

2.10 桥面线形影响因素分析

将前文中参数变化的极大值作用下对桥面线形的影响最大值取绝对值,然后求出各影响量所占百分比,并按影响量从大到小进行排序,结果见表4。

表4 桥面线形参数敏感性排序表

由表4分析可知,导致桥面线形变化的最主要因素是环境温度,而吊杆弹性模量、桥面系容重、拱肋容重、吊杆容重等参数则对桥面线形影响较小。该桥桥面格构采用钢结构,桥面系容重变化未引起桥面线形显著的变化。

3 结语

本文分析了缆索吊装施工钢箱拱桥过程中各影响因素对成桥拱肋线形、桥面线形、拱肋应力等的影响,采用有限元分析的方法对梧州市西江四桥进行了参数敏感性分析,得出主要结论如下:

(1)影响拱肋线形的主要因素为温度、拱肋容重。环境温度的改变对拱肋线形的影响最明显,为最敏感的参数,因此,应特别注意在建造过程中尽可能详细考虑温度对结构变形的影响;拱肋容重对拱肋线形具有较大影响,为了尽可能对拱肋线形进行更好的控制,需要在吊装前称重每个节段的重量,并与设计图纸对比,保证拱肋节段重量的准确性。拱肋容重、吊杆容重、桥面系容重对拱肋线形的影响较小,为非敏感因素。

(2)影响桥面线形的主要因素为环境温度,吊杆弹性模量、桥面系容重、拱肋容重、吊杆容重等参数则对桥面线形影响较小,为非敏感因素。在桥面系施工过程中,要严格进行温度的监控,考虑温度对于桥面线形的影响。

(3)影响拱肋应力的主要因素为环境温度、拱肋容重,桥面系容重、吊杆弹性模量、吊杆容重对拱肋应力影响较小,为非敏感因素。