劉松鑫, 徐海賓, 李 磊

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院 河南 焦作 454000;2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 河南 鄭州 450000)

0 引言

矮塔斜拉橋是由索塔、主梁以及斜拉索組成的超靜定結(jié)構(gòu)體系,受力性能介于梁式橋和傳統(tǒng)斜拉橋之間,具有造型美觀、結(jié)構(gòu)剛度大、造價(jià)低、施工方便等特點(diǎn),近幾年在城市道路、景觀橋梁、高速鐵路中得到廣泛應(yīng)用[1]。矮塔斜拉橋在實(shí)際施工過程中會受到很多因素的影響,導(dǎo)致實(shí)際成橋狀態(tài)和設(shè)計(jì)目標(biāo)存在誤差,我們把這個(gè)些影響因素稱之為參數(shù),主要包括兩個(gè)方面:結(jié)構(gòu)布置參數(shù)和構(gòu)件狀態(tài)參數(shù)[2],因此需要對矮塔斜拉橋的這些參數(shù)進(jìn)行分析,通過識別出敏感性參數(shù),在施工過程中加以控制,以減小對成橋狀態(tài)的不利影響。

劉昊蘇等[3]對矮塔斜拉橋索塔剛度、主梁剛度及斜拉索剛度進(jìn)行了敏感性分析,并對三者的敏感性進(jìn)行排序。徐佰順等[4]分析了主梁自重、主梁彈性模量、斜拉索索力、預(yù)應(yīng)力張拉力、混凝土收縮徐變和體系溫度參數(shù)變化下主梁的應(yīng)力和撓度的變化規(guī)律,判別出對應(yīng)力和撓度的敏感性參數(shù)和非敏感性參數(shù)。王燦等[5]分析了溫度變化、結(jié)構(gòu)自重、施工索力、主梁剛度等參數(shù)在成橋階段對橋梁內(nèi)力、線形及索力的影響規(guī)律。鄔曉光等[6]分析了結(jié)構(gòu)重度、拉索彈性模量、拉索初張力、整體溫度等參數(shù)變化的影響規(guī)律。馮仲仁等[7]研究了主梁自重、斜拉索彈性模量、施工荷載、初張拉力、溫度的變化對主梁線形、應(yīng)力和索力的影響。張亞海等[8]研究了拉索彈性模量、主梁重度、主梁剛度及索塔剛度等設(shè)計(jì)參數(shù)對全橋線形、內(nèi)力的影響。劉增武等[9]研究了主梁自重、斜拉索剛度、施工荷載、斜拉索初張拉力、混凝土收縮徐變等參數(shù)變化對索塔應(yīng)力和偏位,以及主梁線形和索力的影響規(guī)律。鮑英基等[10]分析了拉索索力、預(yù)應(yīng)力、橋面鋪裝層厚度和混凝土徐變系數(shù)參數(shù)的敏感性,對矮塔斜拉橋主梁的應(yīng)力和位移的影響。

本文通過控制變量法,研究了主梁自重、主梁混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力張拉力3個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)對矮塔斜拉橋成橋狀態(tài)的敏感性,分析出在施工過程中對成橋狀態(tài)影響最大的參數(shù)。

1 計(jì)算模型

1.1 工程概況

柬埔寨Norea大橋?yàn)殡p塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋,結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié),墩梁分離的支座體系。跨徑布置為(108 m+180 m+108 m),邊中跨比為0.6。橋面以上索塔總高為60 m,其中裝飾性索塔塔冠高11 m,高跨比為1/3。斜拉索為單索面(水平雙排索,間距1.2 m)、扇形布置,每個(gè)塔上設(shè)有32根斜拉索,全橋共64根。斜拉索在主梁上縱向間距為4.2 m,塔上豎向間距為1.5 m。斜拉索在塔上連續(xù)通過鞍座兩側(cè)對稱錨于主梁兩道中腹板頂部。箱梁采用單箱三室斷面,跨中梁高3.2 m,支點(diǎn)梁高6.0 m。跨中52.4 m采用3.2 m等高梁,以便于施工。中墩支點(diǎn)左右各3 m(共計(jì)6 m)長度范圍采用6.0 m梁高,支點(diǎn)梁高采用二次拋物線漸變至3.2 m等高段,漸變段長度為60.8 m。中腹板采用直腹板,邊腹板采用斜腹板,以滿足受力和景觀要求。主橋布置如圖1所示。

圖1 矮塔斜拉橋總體布置圖 (單位:cm)

1.2 有限元模型

采用有限元軟件Midas Civil 2021建立全橋的空間有限元計(jì)算模型,全橋共劃分560個(gè)節(jié)點(diǎn),467個(gè)單元,其中梁單元339個(gè),桁架單元128個(gè)。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 矮塔斜拉橋有限元模型

有限元模型中材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

2 參數(shù)敏感性分析

本文主要對主梁自重、主梁混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力張拉力3個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。通過選取控制參數(shù)在設(shè)計(jì)值上的4種變化情況,分析對斜拉索索力、主梁彎矩、主梁豎向位移的影響,當(dāng)一個(gè)參數(shù)變化時(shí),其他參數(shù)保持設(shè)計(jì)值不變,研究參數(shù)及控制變化范圍(如表2所示)。(圖中數(shù)據(jù)增量以負(fù)彎矩為正,以位移向下為正)。

表2 參數(shù)狀態(tài)表

2.1 主梁自重影響分析

在施工過程中,主梁混凝土的容重誤差會導(dǎo)致主梁自重產(chǎn)生一定的誤差。因此在有限元軟件建模分析的過程中,通常改變主梁容重,來進(jìn)行參數(shù)敏感性的分析。Norea矮塔斜拉橋混凝土設(shè)計(jì)容重為26 kN/m3。分別分析在這4種工況下混凝土自重對全橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響

2.1.1 主梁自重對成橋索力的影響

通過改變主梁自重分析對成橋索力的影響,計(jì)算結(jié)果見圖3所示 。

圖3 主梁自重改變±3%和±5%索力增量

由圖3可以看出來,成橋索力隨著主梁自重的變化而變化,增減的幅度和自重的變化成正相關(guān),成橋索力變化幅度最大的是中部斜拉索,自重增減5%時(shí),斜拉索索力分別增減3.21%和2.72%,因此由分析可知主梁自重改變會對成橋索力產(chǎn)生影響。

2.1.2 主梁自重對主梁彎矩的影響

通過改變主梁自重分析對主梁彎矩的影響,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 主梁自重改變±3%和±5%彎矩增量

由圖4可以看出來,當(dāng)主梁自重發(fā)生改變時(shí),索塔處彎矩變化最大,當(dāng)主梁自重增加3%和5%時(shí),主塔處負(fù)彎矩分別增加12.17%和18.76%,當(dāng)主梁自重減少3%和5%時(shí),主塔處負(fù)彎矩分別減少11.23%和22.89%。由此分析可知,主梁自重改變會對主梁彎矩產(chǎn)生較大的影響,主要原因是主梁自重改變影響了橋梁恒荷載及斜拉索索力的變化,從而導(dǎo)致主梁彎矩變化明顯,因此在施工過程中要嚴(yán)格控制混凝土配合比和模板的精度,減小由于主梁自重改變對結(jié)構(gòu)受力的影響。

2.1.3 主梁自重對主梁豎向位移的影響

通過改變主梁自重分析對主梁豎向位移的影響,計(jì)算結(jié)果見圖5所示。

圖5 主梁自重改變±3%和±5%位移增量

由圖5可以看出來,當(dāng)主梁自重發(fā)生改變時(shí),主梁最大位移變化量出現(xiàn)在跨中位置及邊跨合攏段,當(dāng)主梁自重增加5%時(shí),主梁位移變化量最大,最大值為22.55 mm,增幅為18.79%。由此分析可知,主梁自重改變也會對位移產(chǎn)生較大的影響,主要原因還是主梁自重改變導(dǎo)致恒荷載變化,從而影響主梁線性。

綜上所述,當(dāng)主梁自重變化時(shí),對斜拉索索力、主梁彎矩和豎向位移影響較大,因此主梁自重屬于敏感性參數(shù)。

2.2 主梁彈性模量影響分析

Norea矮塔斜拉橋主梁彈性模量為3.6×104MPa。分析分別在這4種工況下主梁彈性模量對全橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響。

2.2.1 主梁彈性模量對成橋索力的影響

通過改變主梁彈性模量分析對成橋索力的影響,計(jì)算結(jié)果見圖6所示。

圖6 主梁彈性模量改變±3%和±5%索力增量

由圖6可以看出來,在4種工況下下,主梁彈性模量變化時(shí),斜拉索索力變化并不明顯,變化值最大不超過1 kN,可以忽略不計(jì),因此主梁彈性模量為非敏感性參數(shù)。

2.2.2 主梁彈性模量對主梁彎矩的影響

通過改變主梁彈性模量分析對主梁彎矩的影響,計(jì)算結(jié)果見圖7所示。

圖7 主梁彈性模量改變±3%和±5%彎矩增量

由圖7可以看出來,當(dāng)主梁彈性模量改變時(shí),主要影響橋塔周圍彎矩,變化最大的工況是當(dāng)主梁混凝土彈性模量減少5%時(shí),橋塔位置處負(fù)彎矩增加515.21 kN·m,但增加幅度僅為0.22%。因此主梁彎矩對主梁彈性模量的變化不敏感。

2.2.3 主梁彈性模量對主梁豎向位移的影響

通過改變主梁彈性模量分析對主梁豎向位移的影響,計(jì)算結(jié)果見圖8所示。

圖8 主梁彈性模量改變±3%和±5%位移增量

由圖8可以看出來,當(dāng)主梁彈性模量在設(shè)計(jì)值上變化+5%和-5%時(shí),主梁位移變化量在-0.25～0.23 mm之間,變化幅度最大為0.21%,主梁豎向位移變化幅度不超1 mm。由此分析可知,主梁混凝土彈性模量改變對于主梁位移的影響基本可以忽略,主梁位移對主梁混凝土彈性模量的變化不敏感。

綜上分析可知,主梁彈性模量的變化對主梁的內(nèi)力和線性的影響并不顯著,屬于非敏感性參數(shù)。

2.3 預(yù)應(yīng)力張拉力影響分析

在施工過程中,各種因素會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失,因此通過改變預(yù)應(yīng)力張拉力來研究對矮塔斜拉橋的內(nèi)力和位移產(chǎn)生的影響。Norea矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力張拉力為1395 MPa。分析分別在這4種工況下預(yù)應(yīng)力張拉力對全橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響。

2.3.1 預(yù)應(yīng)力張拉力對成橋索力的影響

通過改變預(yù)應(yīng)力張拉力分析對成橋索力的影響,計(jì)算結(jié)果見圖9所示。

圖9 預(yù)應(yīng)力張拉力改變±3%和±5%索力增量

由圖9可以看出來,預(yù)應(yīng)力張拉力發(fā)生改變時(shí),斜拉索索力值都均勻發(fā)生變化,最大增量為當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉值減少5%時(shí),成橋索力值增加了28.76 kN,增幅為1.09%。由此分析可知,斜拉索作為體外預(yù)應(yīng)力筋和主梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋相互配合,共同作用來分擔(dān)主梁的各種荷載,當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉力增大時(shí),相應(yīng)的斜拉索的索力值會減小。因此斜拉索索力對預(yù)應(yīng)力張拉值的改變非常敏感。

2.3.2 預(yù)應(yīng)力張拉力對主梁彎矩的影響

通過改變預(yù)應(yīng)力張拉力分析其對主梁彎矩的影響,計(jì)算結(jié)果見圖10所示。

圖10 預(yù)應(yīng)力張拉力改變±3%和±5%彎矩增量

由圖10可以看出來,預(yù)應(yīng)力張拉力發(fā)生改變時(shí),主梁彎矩相對變化較大,尤其在橋塔位置出負(fù)彎矩變化最大,且當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉力減少5%時(shí),主梁負(fù)彎矩最大增量為1.84×104kN·m,增幅為88.01%。由此分析可知,預(yù)應(yīng)力張拉力變化時(shí)對主梁彎矩值影響較大,屬于敏感性參數(shù)。

2.3.3 預(yù)應(yīng)力張拉力對主梁豎向位移的影響

通過改變預(yù)應(yīng)力張拉力分析其對主梁豎向位移的影響,計(jì)算結(jié)果見圖11所示。

圖11 預(yù)應(yīng)力張拉力改變±3%和±5%位移增量

由圖11可以看出來,預(yù)應(yīng)力張拉力發(fā)生改變對主梁豎向位移影響顯著,主梁豎向位移發(fā)生改變主要在跨中位置和邊跨和龍段處,當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉力減少5%時(shí),主梁豎向位移最大增加量為7.39 mm,增幅為29.30%。由此分析可知,預(yù)應(yīng)力張拉力的改變影響結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),從而導(dǎo)致主梁豎向位移增大,因此預(yù)應(yīng)力張拉力屬于敏感性參數(shù)。

綜上分析可知,橋梁結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力鋼筋作為主要的受力構(gòu)件,預(yù)應(yīng)力張拉力的變化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線性出現(xiàn)較大的改變,且對斜拉索的索力影響較為顯著,因此預(yù)應(yīng)力張拉力屬于敏感性參數(shù)。

3 結(jié)論

本文以柬埔寨 Norea 三跨(108 m+180 m+108 m)雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋?yàn)檠芯繉ο?建立了空間桿系有限元模型,分析了主梁自重、主梁彈性模量、預(yù)應(yīng)力張拉力3個(gè)參數(shù)變化對成橋狀態(tài)斜拉索索力、主梁彎矩和豎向位移的影響,得出結(jié)論如下:

(1)主梁自重和預(yù)應(yīng)力張拉力對成橋狀態(tài)影響大,屬于敏感性參數(shù)。主梁彈性模量對成橋狀態(tài)影響小,屬于非敏感性參數(shù)。

(2)通過對3個(gè)參數(shù)的斜拉索索力、主梁彎矩和豎向位移在4種工況下的分析,3個(gè)參數(shù)的改變量對斜拉索索力、主梁彎矩和豎向位移的影響成正相關(guān)。