張宿峰 陶潔璇 劉冬源 劉開(kāi)來(lái) 艾永明

收稿日期：2023-10-30

作者簡(jiǎn)介：張宿峰（1977—），男，山東聊城人，博士，高級(jí)工程師，研究方向：橋梁施工管理。

摘 要：參數(shù)敏感性分析是橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行事前主動(dòng)施工控制的一種有效方法。以佳木斯松花江特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)施工過(guò)程中可能對(duì)矮塔斜拉橋成橋狀態(tài)產(chǎn)生較大影響的控制因素進(jìn)行敏感性分析，從而明確施工控制重點(diǎn)，為該類橋梁的施工控制及狀態(tài)評(píng)估提供參考。

關(guān)鍵詞：矮塔斜拉橋；參數(shù)；敏感性分析

中圖分類號(hào)：U448.27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2024）03-0114-03

0引言

矮塔斜拉橋是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)，其受力特點(diǎn)介于傳統(tǒng)梁式橋與常規(guī)斜拉橋之間，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)[1]。矮塔斜拉橋的索塔高度較低、主梁剛度較大、無(wú)索區(qū)段較長(zhǎng)，具有力學(xué)性能優(yōu)越、造型美觀、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在我國(guó)得到了較快發(fā)展，在世界各國(guó)也得到了廣泛應(yīng)用。矮塔斜拉橋具有結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)下力學(xué)性能的影響參數(shù)較多。在復(fù)雜漫長(zhǎng)的橋梁施工過(guò)程中，混凝土材料的容重、收縮徐變及彈性模量，拉索的初始張拉力及彈性模量，預(yù)應(yīng)力鋼束的錨下控制應(yīng)力，索塔抗彎剛度和環(huán)境相對(duì)濕度等參數(shù)，均有可能偏離原設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致橋梁內(nèi)力和線形偏離結(jié)構(gòu)的理想成橋狀態(tài)。此外，不同參數(shù)對(duì)矮塔斜拉橋成橋狀態(tài)的影響程度也不相同 [2-5]。

為確保矮塔斜拉橋達(dá)到理想的成橋狀態(tài)，對(duì)橋梁的施工過(guò)程進(jìn)行控制是一種重要手段。通常需要在橋梁施工前及施工過(guò)程中，利用參數(shù)敏感性分析方法，了解這些影響參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的敏感程度和變化規(guī)律。通過(guò)抓住主要狀態(tài)參數(shù)，忽略次要狀態(tài)參數(shù)的影響，明確施工控制的重點(diǎn)因素，從而可以更好地保證橋梁結(jié)構(gòu)的最終成橋狀態(tài)[6]。因此，參數(shù)敏感性分析是橋梁結(jié)構(gòu)施工事前控制的一個(gè)重要方法，對(duì)于矮塔斜拉橋的主動(dòng)施工控制具有重要意義。

1參數(shù)敏感性分析方法

對(duì)矮塔斜拉橋進(jìn)行參數(shù)敏感性分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)矮塔斜拉橋的受力特點(diǎn)和實(shí)際施工方案，選取出有可能對(duì)結(jié)構(gòu)最終成橋狀態(tài)有影響的狀態(tài)參數(shù)。然后選擇結(jié)構(gòu)模型的任意一個(gè)影響參數(shù)，設(shè)為狀態(tài)參數(shù)x，并以主梁撓度、應(yīng)力或拉索索力等結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為控制目標(biāo)y。如果狀態(tài)參數(shù)x發(fā)生一個(gè)小范圍的變化（文中取狀態(tài)參數(shù)基準(zhǔn)值的5%），則對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)控制目標(biāo)，可根據(jù)公式（1）計(jì)算：

y0=f（x0）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：x0為狀態(tài)參數(shù)x的基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)控制目標(biāo)為y0。

狀態(tài)參數(shù)變化后的結(jié)構(gòu)控制目標(biāo)y1，可根據(jù)公式（2）計(jì)算：

（2）

然后，選取結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)下半橋主梁控制梁段控制目標(biāo)差值的均方差值為參數(shù)敏感性指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

（3）

式中：N為半橋主梁的控制梁段數(shù)，di為第i控制梁段的控制目標(biāo)差值： 取值為? ? ? ? ? ? ? 。? ? ?為對(duì)半橋主梁控制梁段的控制目標(biāo)差值取平均值，其計(jì)算公式如式（4）所示：

（4）

對(duì)結(jié)構(gòu)各控制目標(biāo)下的影響參數(shù)進(jìn)行敏感性分析時(shí)，因橋梁結(jié)構(gòu)的各狀態(tài)參數(shù)在性質(zhì)、大小和單位方面存在顯著差異，因而需要對(duì)參數(shù)敏感性指標(biāo)做歸一化處理，公式如式（5）所示：

（5）

本文定義歸一化指標(biāo)在0.3以上的影響參數(shù)為主要狀態(tài)參數(shù)[7]。

2工程概況

鶴大高速佳木斯松花江特大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土箱梁矮塔斜拉橋，為塔梁固結(jié)、墩梁分離的六跨連續(xù)體系。主橋跨徑布置為（110+4×200+110）m，五塔單索面，橋長(zhǎng)1 020 m。

主橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，采用整幅式斜腹板單箱三室截面。箱梁頂板寬28 m，設(shè)置2%雙向橫坡，頂板中間2.5 m寬度為斜拉索區(qū)，單側(cè)懸臂長(zhǎng)4 m。箱梁中跨跨中42 m范圍梁段及邊跨梁段28.2 m范圍梁段采用等截面，梁高4.0 m，其他梁段梁高由4.0 m按1.8次拋物線變至0號(hào)塊梁段7 m高。

橋面按雙向四車道布置，索塔主體高度26.5 m，為單柱式橋塔，布置在中央分隔帶上，并與主梁固結(jié)。全橋共設(shè)置5×14對(duì)斜拉索，采用單索面、雙排、半扇形布置，并以中央分隔帶作為斜拉索的主梁端錨固區(qū)。全橋有限元模型見(jiàn)圖1。

松花江特大橋有限元模型中采用的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

3松花江特大橋敏感性分析

本文根據(jù)規(guī)范、設(shè)計(jì)圖紙及施工記錄等資料，確定出各種影響參數(shù)的基準(zhǔn)值，并完整、準(zhǔn)確地模擬分析橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工過(guò)程。然后選定控制目標(biāo)，基于各影響參數(shù)發(fā)生較小幅度的變化（參數(shù)基準(zhǔn)值的5%）得到各影響參數(shù)的靈敏度方程。依據(jù)參數(shù)靈敏度，確定結(jié)構(gòu)的主要和次要狀態(tài)參數(shù)。

3.1 以主梁撓度為控制目標(biāo)

控制目標(biāo)為主梁撓度時(shí)的參數(shù)靈敏度如表2所示。從表2中可以看出，當(dāng)控制目標(biāo)為主梁撓度時(shí)，成橋狀態(tài)下的橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，按敏感度強(qiáng)弱排序?yàn)橹髁夯炷寥葜?、拉索初拉力、鋼束錨下控制應(yīng)力、主梁彈性模量、環(huán)境相對(duì)濕度、拉索彈性模量和橋塔剛度。運(yùn)營(yíng)10年后，環(huán)境相對(duì)濕度的影響明顯變大，其敏感度由第5位增大至第3位。分析認(rèn)為，這是由于混凝土徐變受環(huán)境相對(duì)濕度的影響較大，而除主梁混凝土容重外的其他因素的影響略有降低。

歸一化處理后，成橋狀態(tài)下主梁混凝土容重、拉索初拉力的靈敏度大于0.3，敏感性較強(qiáng)，為主要狀態(tài)參數(shù)。其余各參數(shù)的敏感性較弱，為次要狀態(tài)參數(shù)。另外，運(yùn)營(yíng)10年后環(huán)境相對(duì)濕度的靈敏度也大于0.3，表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性。

3.2 以主梁截面上緣應(yīng)力為控制目標(biāo)

控制目標(biāo)為主梁截面上緣應(yīng)力時(shí)的參數(shù)靈敏度如表3所示。從表3中可以看出，當(dāng)控制目標(biāo)為主梁截面上緣應(yīng)力時(shí)，成橋狀態(tài)下的橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，按敏感度強(qiáng)弱排序?yàn)槔鞒趵?、主梁混凝土容重、鋼束錨下控制應(yīng)力、環(huán)境相對(duì)濕度、主梁彈性模量、拉索彈性模量和橋塔剛度。運(yùn)營(yíng)10年后，拉索初拉力、環(huán)境相對(duì)濕度的影響程度進(jìn)一步增大，且拉索初拉力的貢獻(xiàn)占據(jù)主導(dǎo)地位。

歸一化處理后，成橋和運(yùn)營(yíng)10年?duì)顟B(tài)下拉索初拉力、主梁混凝土容重的靈敏度均大于0.3，表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性，為主要狀態(tài)參數(shù)。其余各參數(shù)的敏感性較弱，為次要狀態(tài)參數(shù)。

3.3 以主梁截面下緣應(yīng)力為控制目標(biāo)

控制目標(biāo)為主梁截面下緣應(yīng)力時(shí)的參數(shù)靈敏度如表4所示。從表4中可以看出，當(dāng)控制目標(biāo)為主梁截面下緣應(yīng)力時(shí)，成橋狀態(tài)下的橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)按敏感度強(qiáng)弱排序?yàn)椋褐髁夯炷寥葜?、拉索初拉力、鋼束錨下控制應(yīng)力、環(huán)境相對(duì)濕度、主梁彈性模量、拉索彈性模量和橋塔剛度。運(yùn)營(yíng)10年后，拉索初拉力的影響程度進(jìn)一步增大，且占據(jù)主導(dǎo)地位。

歸一化處理后，成橋狀態(tài)下主梁混凝土容重、拉索初拉力、錨下控制應(yīng)力的靈敏度大于0.3，敏感性較強(qiáng)，為主要狀態(tài)參數(shù)。而運(yùn)營(yíng)10年后，受混凝土徐變的影響，其主要狀態(tài)參數(shù)則變化為拉索初拉力和主梁混凝土容重。

3.4 以拉索索力為控制目標(biāo)

控制目標(biāo)為拉索索力時(shí)的參數(shù)靈敏度如表5所示。從表5中可以看出，當(dāng)控制目標(biāo)為拉索索力時(shí)，成橋狀態(tài)下的橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)按敏感度強(qiáng)弱排序?yàn)槔鞒趵?、主梁混凝土容重、拉索彈性模量、主梁彈性模量、環(huán)境相對(duì)濕度、鋼束錨下控制應(yīng)力和橋塔剛度。運(yùn)營(yíng)10年后，受混凝土徐變的影響，主梁混凝土容重的影響有一定程度增強(qiáng)。

歸一化處理后，成橋和運(yùn)營(yíng)10年?duì)顟B(tài)下拉索初拉力、主梁混凝土容重、拉索彈模的靈敏度均大于0.3，表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性，為主要狀態(tài)參數(shù)。其余各參數(shù)的敏感性較弱，為次要狀態(tài)參數(shù)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文以松花江特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，以成橋及運(yùn)營(yíng)10年?duì)顟B(tài)下的主梁撓度、應(yīng)力和斜拉索索力等結(jié)構(gòu)響應(yīng)為控制目標(biāo)，對(duì)主梁混凝土容重、拉索初拉力和鋼束錨下控制應(yīng)力等7個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，研究了各參數(shù)對(duì)矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響，得出以下結(jié)論：①影響矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的關(guān)鍵因素主要是拉索初拉力、主梁混凝土容重及鋼束錨下控制應(yīng)力。②在橋梁運(yùn)營(yíng)階段，受混凝土徐變作用，結(jié)構(gòu)永存預(yù)應(yīng)力降低，拉索索力對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響明顯增強(qiáng)。③橋梁施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制主梁混凝土的施工工藝，防止超方增加主梁自重，應(yīng)嚴(yán)格控制斜拉索及預(yù)應(yīng)力束的制作及施工質(zhì)量，防止拉索索力和鋼束錨下控制應(yīng)力發(fā)生較大偏差。④橋梁運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件的截面應(yīng)力及拉索索力。

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