孫中洋，李家龍

（1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067；2.重慶高速公路集團(tuán)有限公司建設(shè)管理中心，重慶　401121）

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋變形及應(yīng)力敏感性分析

孫中洋1，李家龍2

（1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067；2.重慶高速公路集團(tuán)有限公司建設(shè)管理中心，重慶401121）

對(duì)正在施工中的武佐河特大橋進(jìn)行有限元仿真計(jì)算分析，研究最大懸臂狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋其結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力對(duì)溫度、合龍配重等不確定因素的敏感性，并通過數(shù)據(jù)擬合確定兩者之間函數(shù)變化關(guān)系，為武佐河特大橋后續(xù)邊、中跨順利合龍?zhí)峁┮罁?jù)。

預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋；仿真計(jì)算；不確定因素；敏感因素

1　工程概況

正在施工中的武佐河特大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。該橋主跨布置為178 m+380 m+178 m。主橋邊跨側(cè)分別設(shè)置了2個(gè)輔助墩，輔助墩距理論跨徑線53.125 m。該橋?yàn)槿◇w系，塔梁和輔助墩位置采用臨時(shí)固結(jié)方式進(jìn)行施工，塔柱為“花瓶型”空間索塔，主梁為π型梁。本文以武佐河特大橋?yàn)橐劳泄こ?，?duì)最大懸臂狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋其結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力對(duì)溫度變化、合龍段配重的敏感性進(jìn)行分析。武佐河特大橋立面示意見圖1。

圖1　武佐河特大橋主橋立面布置示意

2　分析依據(jù)

本文主要通過有限元仿真計(jì)算分析方式來模擬武佐河特大橋?qū)嶋H施工過程中不確定因素的變化。武佐河特大橋主橋整體計(jì)算模型見圖2。計(jì)算時(shí)，假設(shè)各個(gè)不確定因素（溫度、配重）相互獨(dú)立，每次只考慮一個(gè)因素變動(dòng)，其他因素不變，分析該可變因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力的影響程度，并采用數(shù)據(jù)擬合的方式確定對(duì)應(yīng)的函數(shù)變化關(guān)系，比較結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力對(duì)溫度、配重的敏感程度［1-4］。

圖2　武佐河特大橋主橋整體計(jì)算模型

3　評(píng)價(jià)指標(biāo)確定及敏感因素分析

分析時(shí)，以主塔偏位、邊、中跨懸臂前端主梁變形、中跨側(cè)主梁根部應(yīng)力作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過有限元模型中不同的仿真計(jì)算參數(shù)來模擬實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)作用的變化，涉及到的仿真計(jì)算參數(shù)主要有合龍段配重、結(jié)構(gòu)整體升降溫、斜拉索的溫差效應(yīng)等。分析均利用結(jié)構(gòu)最大懸臂狀態(tài)計(jì)算模型進(jìn)行［5-8］。

3.1合龍段配重

斜拉橋合龍口施工一般需在懸臂段施加配重。合龍配重分為合龍段重量配重、偏載配重（用于修正合龍溫度、微調(diào)合龍口誤差等）。本節(jié)模擬計(jì)算均按照單端（邊跨或中跨懸臂前端）配重考慮，以分別計(jì)算單端不同配重對(duì)塔偏、邊、中跨主梁懸臂前端變形、中跨主梁根部應(yīng)力的作用效應(yīng)。具體計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

為便于對(duì)表1、表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本文將表1、表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)值化處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，數(shù)據(jù)擬合曲線見圖3。圖3中，塔偏-邊跨指在邊跨配重時(shí)主塔塔偏變化量；本端-邊跨指在邊跨配重時(shí)邊跨懸臂前端標(biāo)高變化量；遠(yuǎn)端-邊跨指在邊跨配重時(shí)中跨懸臂前端標(biāo)高變化量；塔偏-中跨指在中跨配重時(shí)主塔塔偏變化量；遠(yuǎn)端-中跨指在中跨配重邊跨的標(biāo)高變化量；本端-中跨指在中跨配重時(shí)中跨標(biāo)高變化量。

表1　邊跨懸臂前端不同配重對(duì)橋梁變形及應(yīng)力的作用效應(yīng)

表2　中跨懸臂前端不同配重對(duì)橋梁變形及應(yīng)力的作用效應(yīng)

圖3　配重-變形數(shù)據(jù)擬合曲線

從圖3可以看出：1）單懸臂端配重的增加對(duì)中跨側(cè)主梁根部應(yīng)力影響很小；2）主梁懸臂前端及主塔變形相對(duì)于單懸臂端配重呈線性關(guān)系變化；3）邊、中跨的配重對(duì)遠(yuǎn)端主梁變形影響量相同，符合變位互等原理；4）塔偏-中跨與塔偏-邊跨相比，塔偏-中跨變形量對(duì)單懸臂端配重更為敏感，本端-中跨與本端-邊跨相比，本端-中跨變形量對(duì)單懸臂端配重更為敏感。

基于上面的數(shù)據(jù)分析可以判斷：邊跨輔助墩的存在可顯著降低邊跨懸臂前端變形對(duì)單懸臂端配重的敏感性。如果邊跨合龍口標(biāo)高相差較大，則可調(diào)索拉索力來調(diào)整合龍口標(biāo)高；中跨合龍口可采用配重來調(diào)整偏差，以利于現(xiàn)場(chǎng)控制。

3.2溫度效應(yīng)

為了模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)受季節(jié)溫差及日照溫差（因索與塔梁熱膨脹系數(shù)不同，故導(dǎo)致實(shí)際結(jié)構(gòu)中存在溫差效應(yīng)）的影響，針對(duì)以下3種情況，通過調(diào)整有限元模型中結(jié)構(gòu)整體升降溫及單元溫度等來分別模擬斜拉索局部升溫、結(jié)構(gòu)整體升溫、斜拉索與混凝土塔、梁差異性升溫對(duì)橋梁關(guān)鍵位置變形及應(yīng)力的影響。

1）斜拉索局部升溫對(duì)橋梁關(guān)鍵位置變形及應(yīng)力的影響。

斜拉索局部升溫對(duì)主塔塔偏、邊跨、中跨懸臂前端變形及中跨側(cè)主梁根部應(yīng)力影響的主要計(jì)算結(jié)果見表3。

2）結(jié)構(gòu)整理升溫對(duì)橋梁關(guān)鍵位置變形及應(yīng)力的影響。

結(jié)構(gòu)整體升溫對(duì)主塔塔偏、邊跨、中跨懸臂前端變形及中跨側(cè)主梁根部應(yīng)力影響的主要計(jì)算結(jié)果見表4。

3）斜拉索與混凝土塔、梁差異性升溫對(duì)橋梁關(guān)鍵位置變形及應(yīng)力的影響。

斜拉索的溫度變化較混凝土塔、梁劇烈得多，因此，為了分析斜拉索與混凝土塔、梁差異性升溫，本文假設(shè)斜拉索的升溫效果是混凝土塔、梁升溫效果的2倍，即斜拉索升溫10℃時(shí)，混凝土的塔和梁升溫5℃。

斜拉索與混凝土塔、梁差異性升溫對(duì)主塔塔偏、邊跨、中跨懸臂前端變形及中跨側(cè)主梁根部應(yīng)力影響的主要計(jì)算結(jié)果見表5。

表3　斜拉索局部升溫對(duì)橋梁變形及應(yīng)力的作用效應(yīng)

表4　　結(jié)構(gòu)整體升溫對(duì)橋梁變形及應(yīng)力的作用效應(yīng)

表5　塔梁與斜拉索的差異性升溫對(duì)橋梁變形及應(yīng)力的作用效應(yīng)

將上述斜拉索局部升溫、結(jié)構(gòu)整體升溫、塔梁與斜拉索差異性升溫3種情況下主塔偏位、邊跨懸臂前端變形、中跨懸臂前端變形的計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，數(shù)據(jù)擬合曲線見圖4。

圖4　不同工況作用下主塔塔偏、邊跨和中跨懸臂前端變形數(shù)據(jù)擬合曲線

從表3～5和圖4可以看出：

1）主梁邊跨、中跨懸臂前端變形、主塔變形分別與斜拉索局部升溫、結(jié)構(gòu)整體升溫、塔梁與斜拉索差異性升溫呈線形關(guān)系變化。

2）與結(jié)構(gòu)整體升溫相比較，拉索局部升溫對(duì)主橋懸臂前端變形、應(yīng)力的影響要大得多，特別是對(duì)中跨懸臂前端變形的影響更大。

3）主橋懸臂前端變形和應(yīng)力對(duì)塔梁與斜拉索差異性升溫的敏感性介于拉索局部升溫及整體升溫之間，與實(shí)際橋梁的溫度敏感性接近。

4）中跨相比邊跨其對(duì)溫度效應(yīng)更敏感，從而增加了施工控制的難度。

5）邊跨輔助墩可降低結(jié)構(gòu)對(duì)溫度效應(yīng)的敏感性。

基于上述分析，可以得出如下判斷：1）相比于整體溫度效應(yīng)來說，武佐河特大橋主橋變形及應(yīng)力對(duì)拉索局部溫差效應(yīng)更為敏感；2）邊跨輔助墩有效降低了結(jié)構(gòu)對(duì)溫度效應(yīng)的敏感性；3）施工過程中應(yīng)注意拉索的溫差效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)懸臂段標(biāo)高的影響，特別是合龍口兩側(cè)標(biāo)高對(duì)溫度效應(yīng)的敏感性有明顯差異且拉索又未按設(shè)計(jì)溫度張拉時(shí)；4）實(shí)際施工中要準(zhǔn)確分析橋梁溫度敏感性，應(yīng)對(duì)混凝土塔、梁與斜拉索之間的升溫差異性進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

4　結(jié)論

本文以正在施工中的武佐河特大橋?yàn)橐劳泄こ?，?duì)最大懸臂狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋其結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力對(duì)溫度、合龍配重等不確定因素的敏感性進(jìn)行了計(jì)算分析，并得出如下結(jié)論：

1）合龍段配重、溫度效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力呈線形關(guān)系變化。

2）邊跨輔助墩的存在可有效降低邊跨側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)外界作用的敏感性。

3）結(jié)構(gòu)對(duì)于斜拉索局部溫差效應(yīng)較整體溫差效應(yīng)更為敏感，即結(jié)構(gòu)對(duì)于日照溫差效應(yīng)要敏感。

4）斜拉索的溫度變化較混凝土塔、梁更為劇烈，其差異導(dǎo)致橋梁的實(shí)際溫度敏感性應(yīng)介于本文討論的整體升溫、拉索局部升溫情況之間。因此，實(shí)際施工中要準(zhǔn)確分析橋梁溫度敏感性，應(yīng)對(duì)混凝土塔、梁與斜拉索之間的升溫差異性進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

［1］重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTG/T D65-1—2007公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］路橋集團(tuán)第一公路工程局.JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］ 林元培.斜拉橋［M］.北京：人民交通出版社，1994.

［6］譚勇.混凝土斜拉橋中跨合龍技術(shù)分析［J］.城市建設(shè)理論研究，2013（12）：30-35.

［7］ 向中富.橋梁施工監(jiān)控技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［8］交通部公路科學(xué)研究所.JTG F80/1—2004公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：人民交通出版社，2004.

Analysis to Large Span Prestressed Concrete Cable Stayed Bridge Deformation and Stress Sensitivity

SUN Zhongyang1，LI Jialong2

This paper performs finite element calculation and analysis on Wuzuo River Bridge，which is under construction，to study the sensitivity of structural deformation and stress of prestressed concrete cable stayed bridge under maximum cantilever status against uncertain factors such as temperature，closure counterweight，etc.This paper also uses data fitting to determine function change relation between these two parts，in order to provide basis for subsequent side and middle span closure of Wuzuo River Bridge.

prestressed concrete cable stayed bridge；Simulation calculation；uncertain factor；sensitive factor

1009-6477（2016）04-0076-04

U448.27

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.017

2016-02-25

孫中洋（1986-），男，山東省濟(jì)寧市人，碩士，工程師。