張豐，顏東煌，陳常松

大跨度組合梁斜拉橋成橋狀態(tài)參數(shù)敏感性分析

張豐1, 2，顏東煌1，陳常松1

(1. 長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2. 湖南聯(lián)智科技股份有限公司，湖南 長沙 410219)

為保證大跨度鋼?混組合梁斜拉橋成橋后的主梁線形和結(jié)構(gòu)各部位的受力均滿足規(guī)范要求，以赤壁長江公路大橋為研究對象，考慮幾何非線性因素建立有限元模型，對橋梁施工全過程進行仿真模擬。研究了成橋狀態(tài)的主梁線形、控制截面應(yīng)力、斜拉索索力對鋼主梁的重量和彈性模量、橋面板的重量和彈性模量、拉索的彈性模量及溫度誤差的敏感程度。研究結(jié)果表明：鋼主梁重量、橋面板重量、拉索彈性模量及溫度誤差對成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為的影響顯著，而鋼主梁彈性模量和橋面板彈性模量誤差的影響較小。研究結(jié)果可為其施工控制中的誤差修正、關(guān)鍵控制量確定等提供依據(jù)，也可為類似橋梁工程施工提供參考。

斜拉橋；鋼?混組合梁；敏感性分析；施工控制

斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定復(fù)雜時變體系，一般采用懸臂澆筑法或懸臂拼裝法進行施工，施工過程的影響因素較多，如：構(gòu)件自重和彈性模量等參數(shù)的誤差、施工臨時荷載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、環(huán)境溫度變化、施工誤差及測量誤差[1]等都會影響斜拉橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，導(dǎo)致其實際狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)之間產(chǎn)生偏差。施工時，應(yīng)及時采取合理的糾偏措施，避免誤差進一步積累，影響成橋結(jié)構(gòu)的線形、應(yīng)力及結(jié)構(gòu)安全[2]。

結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差是斜拉橋施工控制中誤差產(chǎn)生的重要來源之一，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對同一個結(jié)構(gòu)的影響程度也不一樣[3]。目前，已有學者對斜拉橋施工控制中參數(shù)誤差的影響進行了研究。黃燦[4]等人基于幾何控制法原理，針對特大跨徑鋼箱梁斜拉橋施工期間的結(jié)構(gòu)力學行為對結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感程度做了相關(guān)研究。李忠三[5]等人分析了混合梁斜拉橋設(shè)計參數(shù)的敏感性，并在施工控制中對這些參數(shù)進行識別和修正，取得了良好控制效果。劉旭政[6]等人研究了獨塔混凝土斜拉橋施工控制中參數(shù)誤差對成橋狀態(tài)線形和內(nèi)力的影響。施文彬[7]等人研究了溫度差異對板桁斜拉橋施工過程中控制線形的影響。但這些研究主要集中在鋼箱梁和混凝土梁，對組合梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差研究較少，與傳統(tǒng)混凝土和鋼箱梁斜拉橋相比，影響大跨度鋼?混組合梁斜拉橋施工的結(jié)構(gòu)參數(shù)更多。作者以赤壁長江公路大橋的施工監(jiān)控為例，擬對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行敏感性分析，研究各參數(shù)誤差對橋梁結(jié)構(gòu)力學的影響程度，并確定主要敏感性參數(shù)，以期為類似橋梁施工監(jiān)控提供借鑒。

1 工程概況

赤壁長江公路大橋[8]是國道G351臺州至小金跨越長江大橋，其主橋(90 m+240 m+720 m+240 m+ 90 m)為雙塔雙索鋼?混全組合梁斜拉橋，如圖1所示。其中，洪湖側(cè)邊跨240 m跨過北岸長江大堤，赤壁側(cè)邊跨240 m作為副通航孔，主跨720 m為目前世界上跨度最大的鋼?混組合梁斜拉橋。采用縱向半漂浮體系，鋼主梁橫斷面采用箱形。全橋?qū)挒?6.5 m，橋面板為存放齡期不少于180 d的C60鋼筋混凝土橋面板，標準段板厚26 cm，邊跨壓重段板厚59 cm。主橋共116對高強平行鋼絲斜拉索，最大長度達到387.18 m。主梁上拉索間距有12 m和8 m 2種形式，按照雙索面扇形布置。主塔采用H形塔。

圖1 主橋橋型立面布置(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)計算模型

采用平面有限元程序BDCMS(橋梁設(shè)計與施工控制分析程序)建立結(jié)構(gòu)模型，考慮材料的幾何非線性影響，全橋共劃分為843個節(jié)點，1 682個單元。其中，斜拉索單元采用兩端帶剛臂的懸鏈線索單元模擬，主塔單元和主梁單元采用梁單元模擬，所有梁段的支架單元類型為一般桁架單元。

斜拉索分別選用PESC7系列的139、151、187、211、223、241、253、283、301，共9種規(guī)格。為方便讀取斜拉索索力，建模時，將相同梁段上的一對斜拉索作為一個拉索單元，彈性模量為1.95×105MPa，線膨脹系數(shù)為1.20×10?5，其他材料的參數(shù)見表1。

3 敏感性分析

結(jié)合工程實際情況，本研究主要分析鋼主梁自重和彈性模量、橋面板自重和彈性模量、斜拉索彈性模量及構(gòu)件溫度誤差對成橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響，確定本橋的主要敏感性參數(shù)，具體表現(xiàn)：某一結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生一定幅值變化，由此引起成橋狀態(tài)時主梁線形、控制截面應(yīng)力以及斜拉索索力的變化情況。本研究僅以鋼主梁重量、橋面板重量及構(gòu)件溫度誤差為例進行分析。

表1 材料參數(shù)

3.1 鋼主梁重量

對大跨度組合梁斜拉橋而言，鋼主梁重量是施工控制的重要參數(shù)，因為鋼主梁重量變化直接改變了主梁恒載，從而導(dǎo)致主梁撓度和應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)變化。另外，主梁恒載變化也將導(dǎo)致索力變化，索力變化會影響索長和主梁線形[9]，如圖2所示?？紤]到鋼箱梁工廠制造誤差和以往橋梁施工控制的經(jīng)驗，本研究將鋼主梁重量在設(shè)計值基礎(chǔ)上變化±5%，其他參數(shù)保持不變，見表2。

表2 鋼主梁重量變化下的主梁應(yīng)力變化值

由表2和圖2可知，鋼主梁重量變化±5%時，主梁線形變化在?71～70 mm之間(絕對差值=參數(shù)變化后終值?基準狀態(tài)初值，相對差值=絕對差值/基準狀態(tài)初值×100%)，合龍段附近影響最明顯。鋼主梁下緣應(yīng)力差值在?5.1～5.0 MPa，塔區(qū)梁段影響最明顯，變化幅度為4.6%。斜拉索索力差值變化在?96.1～96.1 kN之間，尾索索力變化較大且跨中合龍段附近的變化最明顯，變化幅度為1.6%。

3.2 橋面板重量

主梁是由鋼主梁和混凝土板之間通過剪力釘連接形成的組合結(jié)構(gòu)，是鋼?混組合梁斜拉橋最特殊之處。橋面板重量對主梁結(jié)構(gòu)行為的影響主要出現(xiàn)在濕接縫澆筑完且強度未達到設(shè)計強度之前[10]。此時，橋面板沒有參與結(jié)構(gòu)受力，僅作為外荷載施加在鋼主梁上，其對結(jié)構(gòu)行為影響機理與鋼主梁重量變化的影響相同?；诒緲蛄夯炷翗蛎姘瀣F(xiàn)場實際稱重結(jié)果可知，橋面板超重最大可達到7%，超輕最大可達到4%，普遍重量誤差在±3%～4%，所以本研究在設(shè)計值的基礎(chǔ)上取±5%作為分析橋面板重量誤差對橋梁結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響。

圖2 鋼主梁重量誤差的影響

steel main beam

表3 橋面板重量變化下的主梁應(yīng)力變化值

由表3和圖3可知，橋面板重量變化為±5%時，對主梁線形影響顯著。主梁線形變化在?121～121 mm之間，對跨中合龍段附近梁段線形影響較大。隨著懸臂施工越長，主梁剛度逐漸減小。距離塔區(qū)越遠，對線形的影響越大。但由于邊跨梁段安裝有59 cm厚的壓重橋面板、壓重箱及輔助墩支撐，在這三者共同作用下，邊跨主梁位置不會發(fā)生很大變化；鋼主梁下緣應(yīng)力差值為?8.5～8.5 MPa，塔區(qū)梁段影響最明顯，變化幅度為7.6%；成橋拉索索力差值為?168.1～168.3 kN，合龍段附近拉索索力變化最明顯，變化幅度為2.7%。

3.3 結(jié)構(gòu)溫度

溫度變化對大跨度斜拉橋受力與變形影響是復(fù)雜的，特別是日照溫差。對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行量測時，野外環(huán)境溫度往往達不到設(shè)計要求，一定程度上影響結(jié)構(gòu)實測數(shù)據(jù)的真實性，必然也不能保證施工控制的有效性[11]。施工過程中，結(jié)構(gòu)溫度場的變化對橋梁狀態(tài)變量產(chǎn)生的影響比結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的大[12]。為了后續(xù)參數(shù)識別和預(yù)測工作的準確性，有必要對其進行參數(shù)敏感性分析，如圖4所示。本橋所在位置屬于華中地區(qū)亞熱帶氣候區(qū)，經(jīng)洪湖、赤壁氣象站資料分析，項目區(qū)年平均氣溫12～17 ℃，極端最低氣溫?14.6 ℃，極端最高氣溫40.7 ℃，月平均最低氣溫2 ℃左右，月平均最高氣溫33.3 ℃。本研究在設(shè)計值15 ℃的基礎(chǔ)上，分別選取結(jié)構(gòu)整體升溫10 ℃、斜拉索升溫10 ℃以及主梁升溫10 ℃進行研究，見表4。

由表4和圖4可知，結(jié)構(gòu)各部位對溫度變化的敏感程度存在較大差異，斜拉索升溫10 ℃對主梁線形影響最明顯，最大值達到158 mm。成橋索力也對拉索升溫最敏感，索力差值最大為136 kN，變化幅度為3.6%。主梁和斜拉索溫度變化對鋼主梁下緣應(yīng)力都有較大的影響，應(yīng)力差值最大為10.5 MPa，變化幅度為12.3%。

表4 溫度變化下主梁應(yīng)力變化值

3.4 敏感性分析結(jié)果

考慮施工全過程，針對構(gòu)件重量、彈性模量及溫度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進行系統(tǒng)敏感性分析，并對各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響程度進行排序，具體結(jié)果見表5～7。由表5～7可知，鋼主梁和橋面板自重、拉索彈性模量以及溫度誤差對成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為影響顯著。

表5 成橋狀態(tài)線形敏感性分析

表6 成橋狀態(tài)鋼梁下緣應(yīng)力敏感性分析

表7 成橋狀態(tài)索力敏感性分析

3.5 施工過程中實測值與理論值的對比分析

通過參數(shù)敏感性分析，找出本橋的主要敏感性參數(shù)，將混凝土橋面板實際重量、施工臨時荷載(安全施工平臺、現(xiàn)澆帶模板支架等)等代入有限元模型進行優(yōu)化，控制了結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)與理論計算狀態(tài)之間的偏差。考慮本橋為南北對稱結(jié)構(gòu)，本研究僅選取洪湖側(cè)主梁施工到6#梁段時控制點高程及對應(yīng)拉索索力進行對比分析，結(jié)果見表8、9。

由表8、9可知，赤壁長江公路大橋懸臂施工階段的主梁線形平順，上、下游高程控制點實測數(shù)據(jù)的平均值與理論值的誤差符合設(shè)計要求，斜拉索索力狀態(tài)良好，滿足《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范 (JTC3365?01?2020)》允許索力施工誤差±5%要求。

表8 施工過程主梁控制點高程

注：“—”表示此標高控制點被破壞

表9 施工過程斜拉索索力

4 結(jié)論

通過研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為影響及主要敏感性參數(shù)確定，得到結(jié)論：

1) 斜拉橋施工過程中，溫度場變化非常復(fù)雜，而溫度變化對成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為影響顯著。因此，施工中，應(yīng)該將重要控制工序安排在一天中溫度較穩(wěn)定的時間段進行，同時也應(yīng)該在溫度變化較小的時間段進行實測數(shù)據(jù)采集，最大程度保證實測數(shù)據(jù)的真實性。

2) 鋼主梁重量、橋面板重量及拉索彈模誤差對本橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為的影響較大，屬于敏感性參數(shù)。施工中，應(yīng)該重點關(guān)注各參數(shù)變化的影響，并且在橋梁模型優(yōu)化時對其進行修正；鋼主梁彈性模量和橋面板彈性模量誤差對成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為影響較小。施工控制中，進行模型修正時，可以忽略。

3) 該方法運用到赤壁長江公路大橋的施工控制中取得了良好效果，也為同類型斜拉橋施工提供了借鑒和參考。

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Parameter sensitivity analysis of the long-span composite girder cable-stayed bridge in the finished bridge state

ZHANG Feng1, 2, YAN Dong-huang1, CHEN Chang-song1

(1. School of Civil Engineering , Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. Hunan Lianzhi Technology Co., Ltd., Changsha 410219, China)

In order to ensure the stress of the main girder and structure of long-span steel-concrete composite girder cable-stayed bridge meet the specification requirement, the finite element model was established considering geometric nonlinear factors. The bridge construction process of the Chibi Yangtze River Highway Bridge was simulated. The sensitivity of the weight and elastic modulus of the main beam and bridge deck, elastic modulus of cable and temperature error to the main beam alignment, control section stress and cable force in finished bridge state was investigated. The results show that, the errors of steel main girder weight, bridge deck weight, cable elastic modulus, and temperature have significant effects on the structural behavior of the completed bridge. However, the steel main girder elastic modulus and bridge deck elastic modulus errors have little influence. The research results can provide scientific basis for error correction in construction control, calculating the key control variables, and also provide reference for the construction of the similar types of bridge projects.

cable-stayed bridge; steel-concrete composite girder; sensitivity analysis; construction control

U448.27

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0091 ? 07

2020?09?20

張豐(1995?)，男，長沙理工大學碩士生。