譚亞杰

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410114）

某特大橋是一座采用扣錨索懸臂扣掛法施工的鋼筋混凝土拱橋，是一種由塔、索、拱肋3 種基本結(jié)構(gòu)組成的組合結(jié)構(gòu)。本文依托某特大橋?yàn)楸尘?，運(yùn)用有限元軟件Midas∕Civil對(duì)施工過(guò)程中涉及的各參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，確定懸臂扣掛施工過(guò)程中的敏感性參數(shù)，為類似橋梁施工誤差提供參考。

1 工程概況

某特大橋位于湖南省湘西自治州永順縣，主孔為凈跨徑195 m 的RC無(wú)鉸箱型拱，矢跨比1∕5，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.543，主拱圈尺寸為360 cm（高）×780 cm（寬）?？坼^索均采用φ15.2 mm 的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，共42 對(duì)扣錨索，該特大橋施工布置如圖1所示。

圖1 某特大橋施工布置Fig.1 Construction Layout of a Super Major Bridge（mm）

2 建立有限元模型

采用有限元軟件MIDAS∕Civil 建立某特大橋模型，使用桁架單元模擬扣錨索，其余構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M。地錨索錨固處和交界墩與基礎(chǔ)采用完全固結(jié)、主拱圈和拱上立柱、臨時(shí)扣塔和交界墩的連接采用剛性連接，拱上立柱和主梁的連接采用彈性連接里的剛性連接。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，共劃分為74 個(gè)施工階段，如表1所示，有限元模型如圖2所示。

表1 施工階段的劃分Tab.1 Division of Construction Phase

圖2 某特大橋有限元模型Fig.2 Finite Element Model of a Super Major Bridge

3 參數(shù)的選取

在施工過(guò)程中由于影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的因素眾多，如混凝土的欠、超澆注和模板變形等［1］，導(dǎo)致主拱圈自重產(chǎn)生偏差；在實(shí)際拱段澆注中，混凝土的彈性模量與設(shè)計(jì)值有些偏差［2］，以及模板誤差，直接導(dǎo)致主拱圈剛度的誤差，本文僅考慮主拱圈彈性模量引起的偏差；由于測(cè)量、溫度變化、張拉技術(shù)的限制以及應(yīng)力松弛等原因［3］。使扣錨索張拉時(shí)索力不能準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)定值，引起扣錨索索力偏差；由于扣錨索的制作誤差［4］。引起扣錨索剛度偏差，這里僅考慮扣錨索彈性模量的偏差。

為了保證主拱圈在施工過(guò)程中滿足變形和應(yīng)力的要求，本文選取主拱圈自重、主拱圈剛度、扣錨索索力、扣錨索剛度等參數(shù)進(jìn)行分析。在模型分析時(shí)，以基準(zhǔn)狀態(tài)為設(shè)計(jì)狀態(tài)，分別改變某一參數(shù)，同時(shí)保持其他參數(shù)不變，進(jìn)行有限元分析計(jì)算［5］。計(jì)算到成橋狀態(tài)下主拱圈的累計(jì)位移以及累計(jì)應(yīng)力的變化量，根據(jù)各設(shè)計(jì)參數(shù)影響程度確定敏感性參數(shù)和不敏感性參數(shù)［6］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況和相關(guān)文獻(xiàn)［7-9］，確定各參數(shù)變化程度如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)主要參數(shù)及其變化Tab.2 Main Structural Parameters and Their Changes

4 參數(shù)敏感性分析

4.1 主拱圈變形分析

按表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，逐一改變模型中主拱圈自重、主拱圈剛度、扣錨索索力、扣錨索剛度等參數(shù)值，對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，計(jì)算到成橋狀態(tài)下主拱圈累計(jì)豎向位移差，結(jié)果如圖3所示。

圖3 參數(shù)變化時(shí)主拱圈累計(jì)豎向位移差Fig.3 Cumulative Vertical Displacement Difference of Main Arch Ring when Parameters Change

由圖3 可知，各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)主拱線性的影響呈對(duì)稱分布。從拱腳至拱頂處位移差先增大后減小。當(dāng)主拱圈自重增大5%時(shí)，主拱圈向下?lián)隙仍龃螅⑶以?1#拱段處達(dá)到最大值，豎向位移最大差值為31.69 mm，位移變化幅度高達(dá)264%，屬于位移敏感性參數(shù)。當(dāng)主拱圈剛度增大5%時(shí)，主拱圈位移受主拱圈剛度的影響很小，最大變化量?jī)H有2.18 mm，屬于位移不敏感性參數(shù)。當(dāng)扣錨索索力增大5%時(shí)，由于索力的增大，主拱圈從豎直向下位移變?yōu)樨Q直向上位移，在11#拱段達(dá)到最大值，豎向位移最大差值為34.34 mm，變化幅度最大，為286%，為位移敏感性參數(shù)。當(dāng)扣錨索剛度增大5%時(shí)，對(duì)主拱圈線性的影響較小，僅有1.63 mm。屬于位移不敏感參數(shù)。

4.2 主拱圈應(yīng)力分析

在施工全過(guò)程中，主拱圈的應(yīng)力控制十分重要，各參數(shù)引起的拱圈上下緣累計(jì)應(yīng)力變化值如圖4所示。

由圖4 可知，主拱圈自重、扣錨索索力增大時(shí)，對(duì)上下緣應(yīng)力的影響有著相同的規(guī)律，在3#拱段處上下緣累計(jì)應(yīng)力變化差值最大，拱頂處變化差值最小，主拱圈自重增大5%時(shí)，3#拱段處最大累計(jì)應(yīng)力差值是1.74 MPa，扣錨索索力增大5%時(shí)，3#拱段處最大累計(jì)應(yīng)力差值是1.53 MPa。而對(duì)于主拱圈剛度和扣錨索剛度對(duì)主拱圈應(yīng)力幾乎無(wú)影響，最大差值僅為0.021 MPa、0.019 MPa。主拱圈自重和扣錨索索力為應(yīng)力敏感性參數(shù)，主拱圈剛度扣錨索剛度為應(yīng)力不敏感性參數(shù)。

圖4 參數(shù)變化時(shí)主拱圈上下緣應(yīng)力累計(jì)應(yīng)力差Fig.4 Cumulative Stress Difference of Upper Edge Stress of Main Arch Ring when Parameters Change

對(duì)上述4個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)主拱圈結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況進(jìn)行匯總，如表3所示。

表3 影響參數(shù)變化下主拱圈位移和應(yīng)力變化最大值Tab.3 Maximum Value of Displacement and Stress Change of Main Arch Ring under Change of Influencing Parameters

5 結(jié)論

通過(guò)MIDAS∕Civil 軟件對(duì)某特大橋進(jìn)行施工階段的參數(shù)敏感性分析，得到各參數(shù)對(duì)主拱圈線性和應(yīng)力的影響程度以及施工過(guò)程中的變化規(guī)律：

⑴從各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)主拱圈位移和應(yīng)力的響應(yīng)來(lái)看，主拱圈自重和扣錨索索力為敏感性參數(shù)，在橋梁施工監(jiān)控過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)主拱圈自重和扣錨索索力監(jiān)測(cè)。主拱圈剛度和扣錨索剛度為不敏感參數(shù)，基本可以忽略這兩種參數(shù)的影響。

⑵主拱圈自重和扣錨索索力變化時(shí)，對(duì)主拱圈1∕4L處的位移響應(yīng)影響最大，對(duì)3#拱段處應(yīng)力響應(yīng)影響最大，應(yīng)在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制主拱圈1∕4L處位移和3#拱段的應(yīng)力要求。

⑶在施工過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力影響較大的參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制和監(jiān)測(cè)，比如在主拱圈拱段制作過(guò)程中嚴(yán)格控制混凝土的用量、模板尺寸誤差、索力測(cè)量誤差、張拉誤差等［10］，以及根據(jù)具體情況對(duì)主拱圈自重和扣錨索索力進(jìn)行及時(shí)的修正，以保證主拱圈截面在施工過(guò)程中滿足變形和應(yīng)力的要求。