钢管混凝土拱桥静力参数敏感性分析

2024-03-15刘登源

城市建设理论研究（电子版） 2024年7期

刘登源

长沙理工大学土木工程学院湖南长沙 410114

近年来大跨径钢管混凝土拱桥在国内发展十分迅速[1]，上承式钢管混凝土拱桥应用愈发广泛。在我国山区、峡谷等地具备很好的竞争力。在我国，已建成的上承式钢管混凝土拱桥有很多，如贵州香火岩特大桥、云南凉水沟大桥，它们在施工过程中都要进行控制，尤其是主拱圈的施工，为了确保施工过程的安全，研究主要设计参数对结构施工过程中主要构件变形和应力的影响，并采取有针对性的控制措施。如李杰等[2]对异形钢拱桥进行了敏感性分析，谭亚杰[3]对混凝土拱桥做了敏感性分析，但如今研究上承式钢管混凝土拱桥施工期参数敏感性的文章还鲜有报道，本文以涂乍特大桥为背景，采用 Midas civil构建有限元模型，并进行参数敏感性分析。

1 工程概况

涂乍特大桥位于湖南湘西自治州保靖县，桥梁主跨为252m，桥宽12m，桥梁上部采用先简支后连续预制T梁。主拱圈共两个拱肋，每个拱肋由截面相同的四根钢管组成，两个拱肋之间横撑除拱脚部分采用“X形”外，其它位置为双“K形”焊接连接。主拱圈钢管内为C55混凝土。大桥立面图如图1所示，横断面见图2。

图1 大桥立面图

图2 大桥横断面图

2 有限元模型的建立

采用大型通用有限元软件Midas civil创建涂乍特大桥模型。全桥共分为12个拱段，依次选取各拱段右端截面，拱段截面从左侧拱脚往右侧依次编号为1-13号，分别分析对应截面的变形和应力。有限元模型如图3所示，施工阶段的划分见表1。

表1 施工阶段的划分

图3 涂乍特大桥的有限元模型

3 主要设计参数及敏感性系数

3.1 参数的选取

在施工过程中，影响结构自身安全的因素有很多，如钢管管壁厚度在制造中出现误差，导致钢管的自重和刚度受到影响；钢管内泵送的混凝土容重可能与实际有偏差；扣锚索索力也可能存在张拉偏差的原因[4]；由于材料的影响，二期荷载集度与设计的偏差等，这些都可能给施工带来安全隐患。

为此，研究施工期各主要设计参数对结构响应的敏感程度就显得尤为重要，本文主要使主拱圈在施工过程中变形和应力符合要求，选取主拱肋钢管的壁厚、管内混凝土容重、扣锚索索力、二期荷载集度四个主要设计参数，以原设计值为基准，取参数变化幅度为+10%，同时保持其他参数不变，进行单因素参数敏感性分析计算[5]。相关参数及变化如表2所示。

表2 结构主要设计参数及其变化范围

3.2 敏感性系数

敏感性分析常用敏感性系数[6]来反应，敏感度系数是评估指标对不确定性因素的敏感程度，计算的公式为：

4 设计参数敏感性分析

4.1 主拱肋变形分析

按照上文表2的主要设计参数及变化范围依次改变有限元模型中主拱肋钢管壁厚、管内混凝土容重、扣锚索索力、二期荷载集度，对施工期的主拱圈进行参数敏感性分析，考虑自重和二期恒载，计算到成桥状态下对应控制截面的变形与原有限元模型的差值，分析并对比对主拱肋的影响程度大小。分析结果如图4、5所示。

图4 参数变化时各拱段截面累计竖向变形

由图4可知，施工期各截面累计竖向变形从左侧拱脚到右侧拱脚基本上是先增大后减小，拱顶处达到最大，而且基本都大于原设计值。除了扣锚索索力增大的情况外，变形在11号截面达到最大值，且基本小于原设计值。根据图5可知，竖向变形差基本呈对称分布，当拱肋钢管壁厚增加10%时，主拱圈向下挠度增加，变形差最大值在9号截面的62.2mm，由上文的式(1)知，此时敏感性系数计算最大值为9.54，所以主拱肋钢管壁厚变化对结构影响较大，为竖向变形敏感性因素。同样，当扣锚索索力增加10%时，敏感性系数最大值为9.76，为敏感性因素。反而，对于管内混凝土容重增加和二期荷载集度增加10%，敏感性系数最大值分别为0.13和0，为不敏感因素。

图5 参数变化时各拱段截面累计竖向变形差

4.2 主拱肋应力分析

在施工过程中，主拱肋应力控制很有必要，主拱肋拉、压应力不能超过规范值，因为这关乎着施工阶段的安全。应力分析结果如图6、7所示。

图6 参数变化时各拱段截面应力

由图6可知，拱脚截面应力远大于其他截面，达到289.8Mpa。除了扣锚索索力变化的情况外，其他总体变化趋势为从拱脚到拱顶钢管的压应力先减小后增大。再由图7可知，在拱肋钢管壁厚变化10%和扣锚索索力增大10%的情况下，主拱肋各截面累计应力差在各截面的变化较大，截面应力敏感性系数分别为1.11和1.95，为敏感性因素。当管内混凝土容重增加10%时，应力敏感性系数最大为0.35，而当二期荷载集度增加10%，敏感性系数几乎为0，这两者都属于不敏感因素。