過黃喜

(長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

斜拉橋是由塔、梁、索組成的高次超靜定結(jié)構(gòu)體系，受施工過程中施工誤差和環(huán)境因素的影響，成橋后線形和內(nèi)力狀態(tài)與設(shè)計理論狀態(tài)會存在一定偏差。主梁質(zhì)量、溫度和材料參數(shù)等變化都會影響施工控制，造成成橋后結(jié)構(gòu)響應(yīng)與設(shè)計狀態(tài)有所偏差。目前對獨塔和雙塔斜拉橋的參數(shù)分析較多，如張憲堂等對雙塔雙索鋼箱梁斜拉橋的參數(shù)敏感性進行研究，確定了監(jiān)控關(guān)鍵控制量，為結(jié)構(gòu)參數(shù)識別及誤差修正提供了科學(xué)依據(jù)；鄔曉光等對雙鋼拱塔斜拉橋進行參數(shù)敏感性分析，結(jié)果顯示整體溫度作用及拉索初張力對雙鋼拱塔斜拉橋成橋狀態(tài)鋼主梁豎向位移、鋼主梁截面上下緣應(yīng)力、塔頂變形、塔底截面應(yīng)力、拉索索力影響較大,為敏感參數(shù)，結(jié)構(gòu)容重、拉索彈性模量為非敏感參數(shù)。但對三塔鋼-混凝土混合梁斜拉橋的參數(shù)分析較少。該文針對瀘州某鋼-混凝土混合梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點，通過MIDAS/Civil有限元軟件建立模型，對該橋施工過程中的設(shè)計參數(shù)進行敏感性分析，研究主梁線形、主梁應(yīng)力、斜拉索索力的變化規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)的敏感參數(shù)及其影響范圍。

1 工程背景

某三塔雙索面斜拉橋的跨徑布置為(55+60+425+425+60+55) m，其中2個主跨各有391 m鋼箱梁，其余均為混凝土箱梁(見圖1)。根據(jù)錨箱位置不同，分別采用分離式雙箱和單箱多室的截面形式，主梁中心線處主梁內(nèi)輪廓高3.97 m，主梁全寬49.0 m，斜底板寬11.892 6 m，水平底板寬分別為10.208 m(分離雙箱)、27.175 6 m(單箱)。鋼箱梁頂面設(shè)2%雙向橫坡，底面水平(見圖2)。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)布置(單位：m)

圖2 鋼箱梁主梁斷面示意圖(單位：mm)

主塔采用高低塔結(jié)構(gòu)，高低橋塔均設(shè)置于橋面中分帶，橫橋向為獨柱形式，縱橋向為分肢菱形造型。高塔斜拉索呈空間索面扇形布置，低塔斜拉索呈平行索面扇形布置。高塔斜拉索在梁上錨固于箱梁外側(cè)邊腹板與橫隔梁相交的邊緣位置，單側(cè)共21對斜拉索，索梁錨固點順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為12.0 m，從最短索開始的6對拉索的索塔錨固點豎向間距為2.0 m，上面4對拉索的索塔錨固點豎向間距為3.0 m。低塔斜拉索在梁上錨固于箱梁中部小縱梁，單側(cè)共10對斜拉索，鋼梁段索梁錨固點順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為12.0 m，混凝土梁段索梁錨固點順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為9.0 m。

2 計算模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)模型

應(yīng)用MIDAS/Civil軟件建立全橋有限元模型(見圖3)，對全橋進行施工過程模擬分析和控制計算。模型共1 066 個節(jié)點、776個單元，其中桁架單元168個。主梁和主塔均采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。斜拉索與主梁、主塔之間均采用剛性連接，輔助墩墩底和主塔塔底施以豎向、橫向、縱向約束，在中塔和邊塔位置對主梁同樣施加豎向、橫向、縱向約束。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

橋梁主跨采取懸臂拼裝法施工，在主梁合龍前主梁處于懸臂狀態(tài)，隨著懸臂施工長度的增加，主梁柔度增加，合龍后結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)變，主梁合龍前后的結(jié)構(gòu)剛度相差懸殊，較小的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差都將引起較大的梁段標(biāo)高、主梁應(yīng)力誤差。結(jié)合工程實際情況及相關(guān)文獻資料，選取主梁自重、斜拉索索力及彈性模量等作為結(jié)構(gòu)分析參數(shù)，分析時僅改變單一參數(shù)，分別計算橋梁成橋狀態(tài)下主梁線形、主梁應(yīng)力、斜拉索索力，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

3 計算結(jié)果分析

3.1 主梁自重影響分析

鑒于鋼箱梁廠家制造和現(xiàn)場施工、拼裝誤差，難以避免出現(xiàn)梁段重量超重或超輕的情況。在鋼箱梁和混凝土梁自重參數(shù)設(shè)計值的基礎(chǔ)上同時變化±2%、±5%，其他參數(shù)不變，計算成橋后主梁線形、主梁應(yīng)力及斜拉索索力，結(jié)果見表1、圖4。

由圖4、表1可知：主梁自重變化對結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響較大，自重變化±2%、±5%，主線線形的整體波動趨勢基本一致，最大變化幅度隨自重變化的增大而增大，主要變化集中在主跨，邊跨混凝土梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化比主跨鋼箱梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化小。主梁自重變化±2%時，主跨線形最大變化值為22.1 mm、變化幅度為1.3%，主梁應(yīng)力最大變化值為4.0 MPa、變化幅度為9.0%，索力最大變化值為70.7 kN、變化幅度為0.8%；邊跨線形最大變化值為1.1 mm、變化幅度為4.4%，最大應(yīng)力變化值為0.1 MPa、變化幅度為2.2%，最大索力變化值為43.8 kN、變化幅度為0.1%。主梁自重變化±5%時，主跨線形最大變化值為54.9 mm、變化幅度為3.2%，應(yīng)力最大變化值為10.0 MPa、變化幅度為3.6%，索力最大變化值為176.6 kN、變化幅度為2.0%；邊跨線形最大變化值為2.8 mm、變化幅度為11.7%，最大應(yīng)力變化值為0.5 MPa、變化幅度為3.6%，最大索力變化值為120.4 kN、變化幅度為2.0%。

表1 自重變化時主梁應(yīng)力和斜拉索索力的變化

圖4 自重變化對主梁線形的影響

3.2 斜拉索張拉索力影響分析

該橋采用懸臂拼裝法施工，考慮溫度作用、風(fēng)荷載及施工誤差的影響，懸臂拼裝過程中MP4中塔兩側(cè)的斜拉索順橋向和橫橋向都會出現(xiàn)索力偏差。在中塔斜拉索順橋向和橫橋向張拉索力設(shè)計值的基礎(chǔ)上變化±3%、±5%、±10%，其他參數(shù)不變，計算成橋狀態(tài)下主梁線形、主梁應(yīng)力及斜拉索索力。

中塔順橋向龍馬潭側(cè)斜拉索索力變化時主梁線形、主梁應(yīng)力及斜拉索索力的變化見圖5和表2。由圖5、表2可知：斜拉索索力變化對主梁線形的影響很大，影響主要集中在張拉索力改變的龍馬潭側(cè)主跨，張拉索力改變越大，變化幅度越大；對納溪側(cè)主跨及邊跨的影響極小。張拉索力變化±3%時，主梁線形最大變化值為48.1 mm、變化幅度為2.8%，主梁應(yīng)力最大變化值為8.0 MPa、變化幅度為3.1%，成橋索力最大變化值為128.2 kN、變化幅度為2.5%；張拉索力變化±5%時，主梁線形最大變化值為80.3 mm、變化幅度為4.6%，主梁應(yīng)力最大變化值為13.0 MPa、變化幅度為4.7%，成橋索力最大變化值為213.9 kN、變化幅度為4.2%；張拉索力變化±10%時，主梁線形最大變化值為161.7 mm、變化幅度為9.3%，主梁應(yīng)力最大變化值為25.0 MPa、變化幅度為9.8%，成橋索力最大變化值為428.7 kN、變化幅度為8.5%。

圖5 順橋向索力變化對主梁線形的影響

表2 順橋向索力變化時主梁應(yīng)力和斜拉索索力的變化

中塔橫橋向上游側(cè)斜拉索索力變化時主梁線形、主梁應(yīng)力及斜拉索索力的變化見圖6和表3。由圖6、表3可知：張拉索力變化對主梁線形、主梁應(yīng)力和成橋索力的影響很大，主要變化集中在中塔兩側(cè)主跨，張拉索力變化越大，變化幅度越大。張拉索力變化±3%時，主梁線形最大變化值為23.9 mm、變化幅度為1.4%，主梁應(yīng)力最大變化值為4.0 MPa、變化幅度為2.0%，成橋索力最大變化值為127.1 kN、變化幅度為2.5%；張拉索力變化±5%時，主梁線形最大變化值為39.9 mm、變化幅度為2.3%，主梁應(yīng)力最大變化值為7.0 MPa、變化幅度為2.8%，成橋索力最大變化值為212.0 kN、變化幅度為4.2%；張拉索力變化±10%時，主梁線形最大變化值為80.2 mm、變化幅度為4.6%，主梁應(yīng)力最大變化值為14.0 MPa、變化幅度為5.1%，成橋索力最大變化值為425.1 kN、變化幅度為8.4%。

表3 橫橋向索力變化時主梁應(yīng)力和斜拉索索力的變化

圖6 橫橋向索力變化對主梁線形的影響

3.3 斜拉索彈性模量影響分析

鋼絲的彈性模量和面積是斜拉索主要剛度誤差來源，一般情況下，鋼絲制作精度高，高強鋼絲的彈性模量較穩(wěn)定，則面積和彈性模量的誤差較小。由于斜拉橋跨徑較大，索的垂度效應(yīng)會引起索的軸向剛度下降，通常通過換算彈性模量來修正。在斜拉索彈性模量設(shè)計值1.95 MPa的基礎(chǔ)上變化±2%、±5%，其他參數(shù)不變，計算成橋狀態(tài)下主梁線形、主梁應(yīng)力及斜拉索索力，結(jié)果見圖7和表4。

圖7 斜拉索彈性模量變化對主梁線形的影響

表4 斜拉索彈性模量變化時主梁應(yīng)力和斜拉索索力的變化

由圖7、表4可知：斜拉索彈性模量對主梁線形、主梁應(yīng)力、斜拉索索力有一定影響，主要變化集中在中塔兩側(cè)主跨，變化幅度隨著斜拉索彈性模量的增大而增大。彈性模量變化±2%時，主梁線形最大變化值為27.8 mm、變化幅度為1.6%，主梁應(yīng)力最大變化值為2.0 MPa、變化幅度為1.2%，成橋索力最大變化值為14.9 kN、變化幅度為0.2%；彈性模量變化±5%時，主梁線形最大變化值為71.5 mm、變化幅度為4.2%，主梁應(yīng)力最大變化值為6.0 MPa、變化幅度為2.1%，成橋索力最大變化值為37.9 kN、變化幅度為0.5%。

4 結(jié)論

(1) 橋梁整體主梁自重對結(jié)構(gòu)影響顯著，屬于敏感參數(shù)。主梁自重變化引起的邊跨混凝土梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)遠(yuǎn)小于主跨鋼箱梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，斜拉橋施工過程中需嚴(yán)格把控主跨鋼箱梁節(jié)段重量。

(2) 斜拉索張拉索力對橋梁結(jié)構(gòu)的影響很大，中塔空間索橫向、縱向索力的改變對成橋響應(yīng)都有重要影響，縱橋向索力改變造成的結(jié)構(gòu)響應(yīng)大于橫橋向索力改變造成的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。為保證結(jié)構(gòu)安全，斜拉橋施工過程中需控制斜拉索張拉力，確保索力精準(zhǔn)。

(3) 對于主梁成橋線形，敏感因素影響程度排序依次為斜拉索張拉索力、主梁自量、拉索彈性模量；對于成橋主梁應(yīng)力，敏感因素影響程度排序依次為斜拉索張拉索力、斜拉索彈性模量、主梁梁段重量；對于成橋索力，敏感因素影響程度排序依次為斜拉索張拉索力、鋼箱梁梁段重量、斜拉索彈性模量。