劉登源

長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南 長沙 410114

近年來大跨徑鋼管混凝土拱橋在國內(nèi)發(fā)展十分迅速[1]，上承式鋼管混凝土拱橋應(yīng)用愈發(fā)廣泛。在我國山區(qū)、峽谷等地具備很好的競爭力。在我國，已建成的上承式鋼管混凝土拱橋有很多，如貴州香火巖特大橋、云南涼水溝大橋，它們在施工過程中都要進行控制，尤其是主拱圈的施工，為了確保施工過程的安全，研究主要設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)施工過程中主要構(gòu)件變形和應(yīng)力的影響，并采取有針對性的控制措施。如李杰等[2]對異形鋼拱橋進行了敏感性分析，譚亞杰[3]對混凝土拱橋做了敏感性分析，但如今研究上承式鋼管混凝土拱橋施工期參數(shù)敏感性的文章還鮮有報道，本文以涂乍特大橋為背景，采用 Midas civil構(gòu)建有限元模型，并進行參數(shù)敏感性分析。

1 工程概況

涂乍特大橋位于湖南湘西自治州保靖縣，橋梁主跨為252m，橋?qū)?2m，橋梁上部采用先簡支后連續(xù)預(yù)制T梁。主拱圈共兩個拱肋，每個拱肋由截面相同的四根鋼管組成，兩個拱肋之間橫撐除拱腳部分采用“X形”外，其它位置為雙“K形”焊接連接。主拱圈鋼管內(nèi)為C55混凝土。大橋立面圖如圖1所示，橫斷面見圖2。

圖1 大橋立面圖

圖2 大橋橫斷面圖

2 有限元模型的建立

采用大型通用有限元軟件Midas civil創(chuàng)建涂乍特大橋模型。全橋共分為12個拱段，依次選取各拱段右端截面，拱段截面從左側(cè)拱腳往右側(cè)依次編號為1-13號，分別分析對應(yīng)截面的變形和應(yīng)力。有限元模型如圖3所示，施工階段的劃分見表1。

表1 施工階段的劃分

圖3 涂乍特大橋的有限元模型

3 主要設(shè)計參數(shù)及敏感性系數(shù)

3.1 參數(shù)的選取

在施工過程中，影響結(jié)構(gòu)自身安全的因素有很多，如鋼管管壁厚度在制造中出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致鋼管的自重和剛度受到影響；鋼管內(nèi)泵送的混凝土容重可能與實際有偏差；扣錨索索力也可能存在張拉偏差的原因[4]；由于材料的影響，二期荷載集度與設(shè)計的偏差等，這些都可能給施工帶來安全隱患。

為此，研究施工期各主要設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的敏感程度就顯得尤為重要，本文主要使主拱圈在施工過程中變形和應(yīng)力符合要求，選取主拱肋鋼管的壁厚、管內(nèi)混凝土容重、扣錨索索力、二期荷載集度四個主要設(shè)計參數(shù)，以原設(shè)計值為基準(zhǔn)，取參數(shù)變化幅度為+10%，同時保持其他參數(shù)不變，進行單因素參數(shù)敏感性分析計算[5]。相關(guān)參數(shù)及變化如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)及其變化范圍

3.2 敏感性系數(shù)

敏感性分析常用敏感性系數(shù)[6]來反應(yīng)，敏感度系數(shù)是評估指標(biāo)對不確定性因素的敏感程度，計算的公式為：

4 設(shè)計參數(shù)敏感性分析

4.1 主拱肋變形分析

按照上文表2的主要設(shè)計參數(shù)及變化范圍依次改變有限元模型中主拱肋鋼管壁厚、管內(nèi)混凝土容重、扣錨索索力、二期荷載集度，對施工期的主拱圈進行參數(shù)敏感性分析，考慮自重和二期恒載，計算到成橋狀態(tài)下對應(yīng)控制截面的變形與原有限元模型的差值，分析并對比對主拱肋的影響程度大小。分析結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 參數(shù)變化時各拱段截面累計豎向變形

由圖4可知，施工期各截面累計豎向變形從左側(cè)拱腳到右側(cè)拱腳基本上是先增大后減小，拱頂處達到最大，而且基本都大于原設(shè)計值。除了扣錨索索力增大的情況外，變形在11號截面達到最大值，且基本小于原設(shè)計值。根據(jù)圖5可知，豎向變形差基本呈對稱分布，當(dāng)拱肋鋼管壁厚增加10%時，主拱圈向下?lián)隙仍黾?，變形差最大值?號截面的62.2mm，由上文的式(1)知，此時敏感性系數(shù)計算最大值為9.54，所以主拱肋鋼管壁厚變化對結(jié)構(gòu)影響較大，為豎向變形敏感性因素。同樣，當(dāng)扣錨索索力增加10%時，敏感性系數(shù)最大值為9.76，為敏感性因素。反而，對于管內(nèi)混凝土容重增加和二期荷載集度增加10%，敏感性系數(shù)最大值分別為0.13和0，為不敏感因素。

圖5 參數(shù)變化時各拱段截面累計豎向變形差

4.2 主拱肋應(yīng)力分析

在施工過程中，主拱肋應(yīng)力控制很有必要，主拱肋拉、壓應(yīng)力不能超過規(guī)范值，因為這關(guān)乎著施工階段的安全。應(yīng)力分析結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 參數(shù)變化時各拱段截面應(yīng)力

由圖6可知，拱腳截面應(yīng)力遠大于其他截面，達到289.8Mpa。除了扣錨索索力變化的情況外，其他總體變化趨勢為從拱腳到拱頂鋼管的壓應(yīng)力先減小后增大。再由圖7可知，在拱肋鋼管壁厚變化10%和扣錨索索力增大10%的情況下，主拱肋各截面累計應(yīng)力差在各截面的變化較大，截面應(yīng)力敏感性系數(shù)分別為1.11和1.95，為敏感性因素。當(dāng)管內(nèi)混凝土容重增加10%時，應(yīng)力敏感性系數(shù)最大為0.35，而當(dāng)二期荷載集度增加10%，敏感性系數(shù)幾乎為0，這兩者都屬于不敏感因素。

圖7 參數(shù)變化時各拱段截面應(yīng)力差

對主拱肋的影響上述4個主要設(shè)計參數(shù)分析下表3所示。

表3 主拱肋位移和應(yīng)力變化量及敏感性系數(shù)

5 結(jié)語

通過Midas civil 對某特大橋的施工期的靜力參數(shù)敏感性分析，得到的主要設(shè)計參數(shù)對主拱肋變形和應(yīng)力的影響程度的變化規(guī)律：

(1)通過引入敏感性參數(shù)，改變主要設(shè)計參數(shù)，對主拱肋變形和應(yīng)力影響最大的是主拱肋鋼管壁厚和扣錨索索力，為敏感性因素。因此，在橋梁施工和監(jiān)控過程中，要注意加工的鋼管壁厚是否符合設(shè)計值，加強對扣錨索索力的監(jiān)測。而管內(nèi)混凝土容重和二期荷載集度為不敏感因素，基本上可以忽略這兩種參數(shù)影響。

(2)扣錨索索力變化對主拱肋的豎向變形和應(yīng)力影響較大，吊裝主拱圈時要及時監(jiān)測扣錨索索力，特別注意半幅第3段到第6段拱肋的豎向變形和應(yīng)力監(jiān)測，及時調(diào)整索力。

(3)為確保上承式鋼管混凝土拱橋施工過程的安全，應(yīng)該加強對主拱肋變形和應(yīng)力監(jiān)測，及時調(diào)整線形，也要對施工原材料進行檢驗。