劉增武， 辛景舟， 周水興， 包發(fā)文

(重慶交通大學 土木工程學院， 重慶市 400074)

1 引言

異形索塔斜拉橋是由異形索塔、主梁以及斜拉索組成的超靜定結構體系,因其造型優(yōu)美而迅速流行起來。異形索塔斜拉橋在實際施工過程中受施工方案與工藝、以及自然環(huán)境等諸多因素的影響，易造成實際結構施工參數和設計值之間產生偏差，如果不能很好地識別并消除施工中各種偏差對橋梁成橋目標的影響，可能導致成橋內力狀態(tài)和成橋線形與理論計算有較大偏離。因此有必要分析異形索塔斜拉橋施工參數對成橋狀態(tài)的影響，通過控制施工過程中的主要敏感性參數偏差有效減小對成橋狀態(tài)的不利影響。

斜拉橋施工過程的影響因素較多，許多學者、專家對影響常規(guī)斜拉橋施工過程中的設計參數進行了相關研究。王生武等分析異形獨塔斜拉橋設計參數的敏感性，提出了減少異形獨塔斜拉橋施工誤差的建議；鄔曉光等對影響雙曲拱塔斜拉橋成橋內力和線形的設計參數敏感性進行了研究，為此類異形斜拉橋的施工控制和施工誤差來源提供借鑒。然而未見主塔四肢偏移的異形塔斜拉橋施工參數敏感性研究的相關文獻，并且同類型橋梁的施工控制資料和研究資料較少。

鑒于此類型橋梁在施工過程中受力復雜且受到的影響因素較多，為確保此類型斜拉橋施工順利實施和成橋狀態(tài)滿足設計要求，該文以貴州沿河烏江三橋，一座“飛鴿”形主塔四肢偏移的異形塔斜拉橋為工程背景，通過結合實際施工方案建立空間桿系有限元模型，分別研究主梁自重、斜拉索剛度、施工荷載、斜拉索初張拉力以及混凝土收縮徐變等參數變化對成橋時主梁線形、斜拉索索力，以及索塔應力和塔頂偏位的影響規(guī)律，并結合烏江三橋實際監(jiān)控工作，對主要敏感性參數采取重點控制和修正的措施。

2 工程概況

貴州沿河烏江三橋主橋為(145+160) m的異形索塔雙索面固結體系預應力混凝土斜拉橋，主橋全長305 m，索塔采用“飛鴿”造型，索塔外形新穎，在中國國內尚屬首座，索塔高度138.5 m。該橋主梁截面采用邊主梁，主橋橋面設置雙向2%的橫坡，主梁頂面寬為24.5 m，主梁高為2.5 m，主梁頂板厚為0.32 m，主塔、主梁材料分別為C50和C55混凝土。全橋共有40對呈扇形布置的斜拉索，斜拉索材料為抗拉標準強度為1 860 MPa的鋼絞線。橋型布置圖見圖1。

3 有限元模型

利用空間有限元軟件Midas/Civil2015建立全橋空間桿系單元結構模型，全橋共劃分為478個節(jié)點，離散為389個單元，其中主梁120個單元，索塔189個單

圖1 貴州沿河烏江三橋橋型布置(單位：m)

元，斜拉索80個單元。異形索塔和預應力混凝土主梁采用梁單元模擬；斜拉索采用桁架單元模擬，斜拉索垂度效應通過Ernst公式進行修正；掛籃荷載和橋面鋪裝分別以節(jié)點荷載和均布荷載形式施加，斜拉索力采用初拉力形式施加到相應拉索中；全橋的邊界條件為：① 主梁0#和1#塊施工支架采用僅受壓節(jié)點彈性支撐，支撐剛度與實際支架等效處理；② 斜拉索與索塔、主梁之間的連接采用剛臂模擬；③ 橋塔底部采用一般支撐固結處理，主塔、主塔橫梁和主梁0#塊之間的固結通過設置剛性連接處理，主梁端部支座通過一般支撐釋放DX約束模擬。

按照施工方案將模型劃分為205個施工階段，包括索塔和主梁施工，索塔橫梁的分次澆筑與預應力筋張拉，施工掛籃安裝與前移以及斜拉索的3次張拉等。

4 結構參數敏感性分析

斜拉橋在施工過程中受到結構自重、溫度、混凝土收縮徐變、預應力損失、初拉索力等參數影響。結合貴州沿河烏江三橋現場實際施工和監(jiān)控情況，通過單一變量原則，僅控制單一參數變化，同時其他參數保持不變，對主梁自重、斜拉索剛度、施工荷載、斜拉索初張拉力和混凝土收縮徐變5個參數進行分析。以成橋索塔應力和偏位，以及主梁線形和索力為控制目標，研究參數變化對橋梁內力和變形的影響，通過模擬計算確定敏感性參數和非敏感性參數。

4.1 主梁自重

貴州沿河烏江三橋的主梁為預應力混凝土主梁，主梁重度修正后取25.79 kN/m3。主梁在澆筑過程中因立模偏差、掛籃變形以及混凝土澆筑方量偏差等都會引起主梁重量的變化。結合多座橋梁的施工經驗和參考有關文獻，考慮主梁自重增大5%對成橋狀態(tài)的影響，主梁自重參數變化對成橋索塔應力和塔頂偏位影響如表1所示，主梁自重參數變化對主梁線形和索力的影響如圖2所示。

表1 主梁自重參數變化對成橋索塔應力和塔頂偏位的影響

圖2 主梁自重參數變化(增加5%主梁自重) 對主梁線形和索力的影響

由表1和圖2可知：主梁超重5%時，對主梁撓度、成橋索力、索塔應力以及索塔頂部水平偏位影響較大，邊跨跨中最大下撓累積位移差為61.06 mm，索力最大差值為255 kN，增加5.8%。索塔頂部水平偏位為2.82 mm，增大10%，索塔應力最大差值為0.13 MPa。上述結果表明：主梁自重對成橋狀態(tài)的影響較大，是主梁撓度、成橋索力、索塔內力以及索塔偏位的敏感性參數。因此主梁自重參數不能忽視，施工過程中應嚴格監(jiān)控影響主梁自重的因素，在主梁節(jié)段施工過程中嚴格控制定位鋼筋和模板位置，對模板固定鋼筋仔細排查，確保模板精度符合規(guī)范要求，并根據實測混凝土重度及時修正有限元模型。

4.2 斜拉索剛度

貴州沿河烏江三橋斜拉索采用PE防護單絲涂覆環(huán)氧涂層預應力鋼絞線，斜拉索彈性模量E=1.95×108MPa。斜拉索垂度效應隨其長度增加而變得明顯，可以通過Ernst來修正。斜拉索的軸向剛度由彈性模量和面積決定，由于斜拉索制造偏差小，拉索面積變化不大。通過改變斜拉索的彈性模量來模擬拉索剛度的變化，研究斜拉索彈性模量(E)減小10%對成橋內力和變形的影響，斜拉索彈性模量參數變化對成橋索塔應力和塔頂偏位影響如表2所示，斜拉索彈性模量參數變化對主梁線形和索力的影響如圖3所示。

表2 拉索彈性模量參數變化對成橋索塔應力和塔頂偏位的影響

圖3 斜拉索彈性模量變化(減小10%彈性模量) 對主梁線形和索力的影響

由表2和圖3可知：彈性模量減小10%時，索塔應力最大差值為0.02 MPa，索塔塔頂水平偏位差值為0.29 mm，變化幅度為1%。主梁最大下撓累計位移為10.48 mm，最大上撓累計位移為13.37，變化幅度為8%，索力差值最大為20 kN，減小0.6%。上述結果表明：斜拉索剛度變化10%對成橋狀態(tài)影響較小，為非敏感性參數，再加上斜拉索實際加工制造偏差在10%以內，因此采用有限元模擬計算時忽略斜拉索剛度(彈性模量)參數對成橋內力和變形的影響。

4.3 施工荷載

貴州沿河烏江三橋施工荷載包括前支點掛籃、施工人員和機具、混凝土傾倒(振搗)荷載、以及提前堆放的施工材料和拉索等，在橋梁施工過程中施工荷載的變化可能影響橋梁成橋狀態(tài)，通過對主梁掛籃重量增加10%模擬施工荷載的變化，施工荷載參數變化對成橋索塔應力和塔頂偏位的影響如表3所示，施工荷載參數變化對主梁線形和索力的影響如圖4所示。

表3 施工荷載參數變化對成橋索塔應力和塔頂偏位的影響

圖4 施工荷載變化(主梁掛籃重量增加10%) 對主梁線形和索力的影響

由表3和圖4可知：當施工荷載增加10%時，索塔應力差值最大為0.01 MPa，索塔塔頂水平偏位差值為0.05 mm，主梁累計位移差值最大為-12.78 mm，位于中跨端部懸臂施工最大懸臂端部位置，索力差值最大為-38 kN，索力增加0.9%。以上結果表明：施工荷載對成橋索塔應力和索塔偏位以及成橋索力影響很小，這與施工荷載在橋梁建成后撤除有關。但在橋梁施工中仍要加強施工荷載的監(jiān)控，使有限元模擬計算和現場實際施工荷載保持一致。

4.4 斜拉索初張拉力

貴州沿河烏江三橋采用前支點掛籃對主梁進行施工，在主梁施工過程中斜拉索分3次張拉，即：安裝掛籃進行第1次張拉，澆筑一半混凝土進行第2次張拉，混凝土澆筑完畢強度達90%進行第3次張拉。斜拉索在實際張拉過程中由于自身應力松弛特性、施工張拉技術、環(huán)境溫度以及索力測量偏差等因素的影響，造成實際拉索索力和設計索力之間產生偏差，索力偏差通常小于5%。基于斜拉索初張拉力減小5%對成橋內力、線形和索力的影響，確定其敏感性。初張拉力減小5%對成橋索塔應力和偏位的影響如表4所示，初張拉力參數變化對主梁線形和索力的影響如圖5所示。

表4 初張拉力參數變化對成橋索塔應力和塔頂偏位的影響

圖5 初張拉力參數變化(減小5%初張拉力) 對主梁線形和索力的影響

由表4和圖5可知：斜拉索初張拉力變化對主梁的撓度和斜拉索成橋索力有很大影響。當初張拉力降低5%時，邊跨主梁下撓最大累計位移差為67.09 mm，主跨下撓最大累計位移差為63.90 mm。成橋索力差值最大為232 kN,減小5.1%，位于邊跨側端錨索(S20處)，主跨側成橋索力最大差值為219 kN,減小5.6%，位于主跨側端錨索(M20)。初拉索力降低5%時，索塔應力差值變化較小為0.08 MPa，索塔塔頂水平位移差值為0.52 mm，有一定的影響。上述結果表明：斜拉索索力變化對成橋索塔應力影響較小，但對成橋索力和主梁的位移有很大的影響，對索塔的水平偏位影響也不能忽視，因此，斜拉索初張拉力為敏感性參數。斜拉索張拉時要嚴格分級張拉并考慮溫度對索力的影響，嚴格控制張拉力和設計索力偏差在合理范圍內，斜拉索測量時應避免風荷載、溫度及施工機具振動等對索力的影響，確保成橋主梁撓度和成橋索力，以及索塔應力和塔頂偏位滿足設計要求。

4.5 混凝土收縮徐變

混凝土收縮徐變影響混凝土斜拉橋的施工和成橋運營，混凝土收縮徐變特性影響因素多、離散性強。由于現在常用的混凝土收縮徐變參數是通過對大量試驗數據進行擬合得到的，再加上橋梁施工時環(huán)境的差異，所以混凝土收縮徐變在有限元模擬時很難準確把握。采用CEB-FIP(1990)建議的混凝土收縮徐變模型，通過考慮10年收縮徐變對成橋內力和變形的影響，分析收縮徐變的敏感性，10年收縮徐變影響下成橋索塔應力和偏位的變化值如表5所示，收縮徐變對主梁線形和索力的影響如圖6所示。

表5 收縮徐變對成橋索塔應力和塔頂偏位的影響

由表5和圖6可知：混凝土收縮徐變對成橋狀態(tài)主梁的撓度、斜拉索成橋索力和索塔偏位影響很大，對成橋索塔應力影響不大。邊跨主梁下撓最大累計位移差為47.63 mm，主跨下撓最大累計位移差為47.42 mm。邊跨錨索(S20)成橋索力差值最大為-245 kN，減小5.4%，主跨錨索(M20)成橋索力差值為188 kN，減小4.6%。索塔應力最大差值為0.12 MPa，索塔塔頂水平位移差值為-6.32 mm。上述結果表明：混凝土收縮徐變對主梁撓度、斜拉索成橋索力和索塔偏位影響顯著，屬于敏感參數。為減小混凝土收縮徐變對橋梁內力和變形產生的影響，建議結合橋梁施工環(huán)境選取合理的收縮徐變計算模型，并在混凝土澆筑時添加恰當的外加劑，對已澆筑混凝土進行充分合理的養(yǎng)護。

圖6 收縮徐變(10年收縮徐變) 對主梁線形和索力的影響

將上述5種參數對成橋索塔應力、塔頂偏位，以及主梁線形和斜拉索力的影響進行匯總，結果見表6。

表6 影響參數變化引起的成橋狀態(tài)下相關指標增量最大值

5 結論

利用有限元軟件結合實際現場施工方案對全橋進行模擬計算，分別考慮不同參數的影響，對參數變化進行全面的分析，得出以下結論：

(1) 主梁自重、斜拉索初張拉力、混凝土收縮徐變對成橋狀態(tài)影響較大，為敏感性參數。斜拉索彈性模量、施工荷載對成橋狀態(tài)影響很小，為非敏感性參數。

(2) 索塔應力、索塔水平偏位的敏感參數為主梁自重和收縮徐變，其中收縮徐變會減小主塔在運營期的拉應力，對主塔有利。主梁變形和成橋索力的敏感參數為主梁自重、斜拉索初張拉力和收縮徐變。當初張拉力降低5%時，主梁下撓累計位移差為-67 mm，邊跨端錨索索力差為232 kN,對成橋狀態(tài)影響很大，建議斜拉索在安裝和施工張拉時要嚴格控制。

(3) 在實際施工過程中應嚴格監(jiān)控對橋梁結構變形和內力產生較大影響的敏感參數，并結合現場具體施工情況及時修正混凝土重度以及斜拉索初拉力的理論參數值，確保橋梁成橋后的索塔應力、索塔變形、主梁線形以及斜拉索索力等符合設計要求。

在橋梁施工過程中，修正主要敏感參數，舍棄不敏感參數，將這種方法應用于貴州沿河烏江三橋的施工監(jiān)控過程中，取得了良好的效果。