張豐，顏東煌，陳常松

大跨度組合梁斜拉橋成橋狀態(tài)參數(shù)敏感性分析

張豐1, 2，顏東煌1，陳常松1

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 湖南聯(lián)智科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410219)

為保證大跨度鋼?混組合梁斜拉橋成橋后的主梁線形和結(jié)構(gòu)各部位的受力均滿足規(guī)范要求，以赤壁長(zhǎng)江公路大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，考慮幾何非線性因素建立有限元模型，對(duì)橋梁施工全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。研究了成橋狀態(tài)的主梁線形、控制截面應(yīng)力、斜拉索索力對(duì)鋼主梁的重量和彈性模量、橋面板的重量和彈性模量、拉索的彈性模量及溫度誤差的敏感程度。研究結(jié)果表明：鋼主梁重量、橋面板重量、拉索彈性模量及溫度誤差對(duì)成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為的影響顯著，而鋼主梁彈性模量和橋面板彈性模量誤差的影響較小。研究結(jié)果可為其施工控制中的誤差修正、關(guān)鍵控制量確定等提供依據(jù)，也可為類似橋梁工程施工提供參考。

斜拉橋；鋼?混組合梁；敏感性分析；施工控制

斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定復(fù)雜時(shí)變體系，一般采用懸臂澆筑法或懸臂拼裝法進(jìn)行施工，施工過(guò)程的影響因素較多，如：構(gòu)件自重和彈性模量等參數(shù)的誤差、施工臨時(shí)荷載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、環(huán)境溫度變化、施工誤差及測(cè)量誤差[1]等都會(huì)影響斜拉橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，導(dǎo)致其實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)之間產(chǎn)生偏差。施工時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取合理的糾偏措施，避免誤差進(jìn)一步積累，影響成橋結(jié)構(gòu)的線形、應(yīng)力及結(jié)構(gòu)安全[2]。

結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差是斜拉橋施工控制中誤差產(chǎn)生的重要來(lái)源之一，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)同一個(gè)結(jié)構(gòu)的影響程度也不一樣[3]。目前，已有學(xué)者對(duì)斜拉橋施工控制中參數(shù)誤差的影響進(jìn)行了研究。黃燦[4]等人基于幾何控制法原理，針對(duì)特大跨徑鋼箱梁斜拉橋施工期間的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感程度做了相關(guān)研究。李忠三[5]等人分析了混合梁斜拉橋設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性，并在施工控制中對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和修正，取得了良好控制效果。劉旭政[6]等人研究了獨(dú)塔混凝土斜拉橋施工控制中參數(shù)誤差對(duì)成橋狀態(tài)線形和內(nèi)力的影響。施文彬[7]等人研究了溫度差異對(duì)板桁斜拉橋施工過(guò)程中控制線形的影響。但這些研究主要集中在鋼箱梁和混凝土梁，對(duì)組合梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差研究較少，與傳統(tǒng)混凝土和鋼箱梁斜拉橋相比，影響大跨度鋼?混組合梁斜拉橋施工的結(jié)構(gòu)參數(shù)更多。作者以赤壁長(zhǎng)江公路大橋的施工監(jiān)控為例，擬對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，研究各參數(shù)誤差對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)的影響程度，并確定主要敏感性參數(shù)，以期為類似橋梁施工監(jiān)控提供借鑒。

1 工程概況

赤壁長(zhǎng)江公路大橋[8]是國(guó)道G351臺(tái)州至小金跨越長(zhǎng)江大橋，其主橋(90 m+240 m+720 m+240 m+ 90 m)為雙塔雙索鋼?混全組合梁斜拉橋，如圖1所示。其中，洪湖側(cè)邊跨240 m跨過(guò)北岸長(zhǎng)江大堤，赤壁側(cè)邊跨240 m作為副通航孔，主跨720 m為目前世界上跨度最大的鋼?混組合梁斜拉橋。采用縱向半漂浮體系，鋼主梁橫斷面采用箱形。全橋?qū)挒?6.5 m，橋面板為存放齡期不少于180 d的C60鋼筋混凝土橋面板，標(biāo)準(zhǔn)段板厚26 cm，邊跨壓重段板厚59 cm。主橋共116對(duì)高強(qiáng)平行鋼絲斜拉索，最大長(zhǎng)度達(dá)到387.18 m。主梁上拉索間距有12 m和8 m 2種形式，按照雙索面扇形布置。主塔采用H形塔。

圖1 主橋橋型立面布置(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

采用平面有限元程序BDCMS(橋梁設(shè)計(jì)與施工控制分析程序)建立結(jié)構(gòu)模型，考慮材料的幾何非線性影響，全橋共劃分為843個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 682個(gè)單元。其中，斜拉索單元采用兩端帶剛臂的懸鏈線索單元模擬，主塔單元和主梁?jiǎn)卧捎昧簡(jiǎn)卧M，所有梁段的支架單元類型為一般桁架單元。

斜拉索分別選用PESC7系列的139、151、187、211、223、241、253、283、301，共9種規(guī)格。為方便讀取斜拉索索力，建模時(shí)，將相同梁段上的一對(duì)斜拉索作為一個(gè)拉索單元，彈性模量為1.95×105MPa，線膨脹系數(shù)為1.20×10?5，其他材料的參數(shù)見(jiàn)表1。

3 敏感性分析

結(jié)合工程實(shí)際情況，本研究主要分析鋼主梁自重和彈性模量、橋面板自重和彈性模量、斜拉索彈性模量及構(gòu)件溫度誤差對(duì)成橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響，確定本橋的主要敏感性參數(shù)，具體表現(xiàn)：某一結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生一定幅值變化，由此引起成橋狀態(tài)時(shí)主梁線形、控制截面應(yīng)力以及斜拉索索力的變化情況。本研究?jī)H以鋼主梁重量、橋面板重量及構(gòu)件溫度誤差為例進(jìn)行分析。

表1 材料參數(shù)

3.1 鋼主梁重量

對(duì)大跨度組合梁斜拉橋而言，鋼主梁重量是施工控制的重要參數(shù)，因?yàn)殇撝髁褐亓孔兓苯痈淖兞酥髁汉爿d，從而導(dǎo)致主梁撓度和應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)變化。另外，主梁恒載變化也將導(dǎo)致索力變化，索力變化會(huì)影響索長(zhǎng)和主梁線形[9]，如圖2所示?？紤]到鋼箱梁工廠制造誤差和以往橋梁施工控制的經(jīng)驗(yàn)，本研究將鋼主梁重量在設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上變化±5%，其他參數(shù)保持不變，見(jiàn)表2。

表2 鋼主梁重量變化下的主梁應(yīng)力變化值

由表2和圖2可知，鋼主梁重量變化±5%時(shí)，主梁線形變化在?71～70 mm之間(絕對(duì)差值=參數(shù)變化后終值?基準(zhǔn)狀態(tài)初值，相對(duì)差值=絕對(duì)差值/基準(zhǔn)狀態(tài)初值×100%)，合龍段附近影響最明顯。鋼主梁下緣應(yīng)力差值在?5.1～5.0 MPa，塔區(qū)梁段影響最明顯，變化幅度為4.6%。斜拉索索力差值變化在?96.1～96.1 kN之間，尾索索力變化較大且跨中合龍段附近的變化最明顯，變化幅度為1.6%。

3.2 橋面板重量

主梁是由鋼主梁和混凝土板之間通過(guò)剪力釘連接形成的組合結(jié)構(gòu)，是鋼?混組合梁斜拉橋最特殊之處。橋面板重量對(duì)主梁結(jié)構(gòu)行為的影響主要出現(xiàn)在濕接縫澆筑完且強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前[10]。此時(shí)，橋面板沒(méi)有參與結(jié)構(gòu)受力，僅作為外荷載施加在鋼主梁上，其對(duì)結(jié)構(gòu)行為影響機(jī)理與鋼主梁重量變化的影響相同。基于本橋梁混凝土橋面板現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際稱重結(jié)果可知，橋面板超重最大可達(dá)到7%，超輕最大可達(dá)到4%，普遍重量誤差在±3%～4%，所以本研究在設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上取±5%作為分析橋面板重量誤差對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的影響。

圖2 鋼主梁重量誤差的影響

steel main beam

表3 橋面板重量變化下的主梁應(yīng)力變化值

由表3和圖3可知，橋面板重量變化為±5%時(shí)，對(duì)主梁線形影響顯著。主梁線形變化在?121～121 mm之間，對(duì)跨中合龍段附近梁段線形影響較大。隨著懸臂施工越長(zhǎng)，主梁剛度逐漸減小。距離塔區(qū)越遠(yuǎn)，對(duì)線形的影響越大。但由于邊跨梁段安裝有59 cm厚的壓重橋面板、壓重箱及輔助墩支撐，在這三者共同作用下，邊跨主梁位置不會(huì)發(fā)生很大變化；鋼主梁下緣應(yīng)力差值為?8.5～8.5 MPa，塔區(qū)梁段影響最明顯，變化幅度為7.6%；成橋拉索索力差值為?168.1～168.3 kN，合龍段附近拉索索力變化最明顯，變化幅度為2.7%。

3.3 結(jié)構(gòu)溫度

溫度變化對(duì)大跨度斜拉橋受力與變形影響是復(fù)雜的，特別是日照溫差。對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行量測(cè)時(shí)，野外環(huán)境溫度往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，一定程度上影響結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，必然也不能保證施工控制的有效性[11]。施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的變化對(duì)橋梁狀態(tài)變量產(chǎn)生的影響比結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的大[12]。為了后續(xù)參數(shù)識(shí)別和預(yù)測(cè)工作的準(zhǔn)確性，有必要對(duì)其進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，如圖4所示。本橋所在位置屬于華中地區(qū)亞熱帶氣候區(qū)，經(jīng)洪湖、赤壁氣象站資料分析，項(xiàng)目區(qū)年平均氣溫12～17 ℃，極端最低氣溫?14.6 ℃，極端最高氣溫40.7 ℃，月平均最低氣溫2 ℃左右，月平均最高氣溫33.3 ℃。本研究在設(shè)計(jì)值15 ℃的基礎(chǔ)上，分別選取結(jié)構(gòu)整體升溫10 ℃、斜拉索升溫10 ℃以及主梁升溫10 ℃進(jìn)行研究，見(jiàn)表4。

由表4和圖4可知，結(jié)構(gòu)各部位對(duì)溫度變化的敏感程度存在較大差異，斜拉索升溫10 ℃對(duì)主梁線形影響最明顯，最大值達(dá)到158 mm。成橋索力也對(duì)拉索升溫最敏感，索力差值最大為136 kN，變化幅度為3.6%。主梁和斜拉索溫度變化對(duì)鋼主梁下緣應(yīng)力都有較大的影響，應(yīng)力差值最大為10.5 MPa，變化幅度為12.3%。

表4 溫度變化下主梁應(yīng)力變化值

3.4 敏感性分析結(jié)果

考慮施工全過(guò)程，針對(duì)構(gòu)件重量、彈性模量及溫度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)敏感性分析，并對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響程度進(jìn)行排序，具體結(jié)果見(jiàn)表5～7。由表5～7可知，鋼主梁和橋面板自重、拉索彈性模量以及溫度誤差對(duì)成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為影響顯著。

表5 成橋狀態(tài)線形敏感性分析

表6 成橋狀態(tài)鋼梁下緣應(yīng)力敏感性分析

表7 成橋狀態(tài)索力敏感性分析

3.5 施工過(guò)程中實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比分析

通過(guò)參數(shù)敏感性分析，找出本橋的主要敏感性參數(shù)，將混凝土橋面板實(shí)際重量、施工臨時(shí)荷載(安全施工平臺(tái)、現(xiàn)澆帶模板支架等)等代入有限元模型進(jìn)行優(yōu)化，控制了結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與理論計(jì)算狀態(tài)之間的偏差?？紤]本橋?yàn)槟媳睂?duì)稱結(jié)構(gòu)，本研究?jī)H選取洪湖側(cè)主梁施工到6#梁段時(shí)控制點(diǎn)高程及對(duì)應(yīng)拉索索力進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表8、9。

由表8、9可知，赤壁長(zhǎng)江公路大橋懸臂施工階段的主梁線形平順，上、下游高程控制點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值與理論值的誤差符合設(shè)計(jì)要求，斜拉索索力狀態(tài)良好，滿足《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范 (JTC3365?01?2020)》允許索力施工誤差±5%要求。

表8 施工過(guò)程主梁控制點(diǎn)高程

注：“—”表示此標(biāo)高控制點(diǎn)被破壞

表9 施工過(guò)程斜拉索索力

4 結(jié)論

通過(guò)研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為影響及主要敏感性參數(shù)確定，得到結(jié)論：

1) 斜拉橋施工過(guò)程中，溫度場(chǎng)變化非常復(fù)雜，而溫度變化對(duì)成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為影響顯著。因此，施工中，應(yīng)該將重要控制工序安排在一天中溫度較穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行，同時(shí)也應(yīng)該在溫度變化較小的時(shí)間段進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集，最大程度保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2) 鋼主梁重量、橋面板重量及拉索彈模誤差對(duì)本橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為的影響較大，屬于敏感性參數(shù)。施工中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注各參數(shù)變化的影響，并且在橋梁模型優(yōu)化時(shí)對(duì)其進(jìn)行修正；鋼主梁彈性模量和橋面板彈性模量誤差對(duì)成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)行為影響較小。施工控制中，進(jìn)行模型修正時(shí)，可以忽略。

3) 該方法運(yùn)用到赤壁長(zhǎng)江公路大橋的施工控制中取得了良好效果，也為同類型斜拉橋施工提供了借鑒和參考。

[1] 顏東煌,文鈺,劉光棟,等.斜拉橋的施工最優(yōu)控制[J].國(guó)外公路,1999,19(3):53?58.(YAN Dong-huang,WEN Yu, LIU Guang-dong,et al. Optimal constriction control of cable-stayed bridge[J].Journal of Foreign Highway, 1999,19(3):53?58.(in Chinese))

[2] 向中富.橋梁工程控制[M].北京:人民交通出版社, 2011.(XIANG Zhong-fu.Bridge engineering control[M]. Beijing:China Communications Press,2011.(in Chinese))

[3] 秦順全.橋梁施工控制?無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法理論與實(shí)踐[M]. 北京:人民交通出版社,2007.(QIN Shun-quan.The theory and practice of the unstressed state method of bridge construction control[M].Beijing:China Communications Press,2007,(in Chinese))

[4] 黃燦,趙雷,卜一之.特大跨度斜拉橋幾何控制法單參數(shù)敏感性分析[J].公路交通科技,2012,29(5): 70?75. (HUANG Can, ZHAO Lei, BU Yi-zhi. Sensitivity analysis of single-parameters for super-span cable-stayed bridge based on geometry control method[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2012,29(5):70?75.(in Chinese))

[5] 李忠三,雷俊卿,顏東煌.大跨度混合梁斜拉橋參數(shù)敏感性分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,36(1):6?11.(LI Zhong-san, LEI Jun-qing, YAN Dong-huang. Analysis of parameters’ sensitiveness of long-span hybrid girder cable-stayed bridge[J]. Journal of Beijing Jiaotong University,2012,36(1):6?11.(in Chinese))

[6] 劉旭政,黃平明,許漢錚.獨(dú)塔斜拉橋參數(shù)敏感性分析[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,27(6):63?66.(LIU Xu-zheng, HUANG Ping-ming, XU Han-zheng. Analysis of parameters’ sensitiveness of cable-stayed bridges with single tower[J]. Journal of Chang’an University (Natural Science Edition), 2007,27(6):63?66.(in Chinese))

[7] 施文彬,顏東煌,許紅勝,等.大跨度板桁結(jié)合斜拉橋施工階段溫差效應(yīng)研究[J].交通科學(xué)與工程,2017,33(2): 37?42.(SHI Wen-bin, YAN Dong-huang, XU Hong-sheng, et al. Study on temperature difference effect of long-span plate-truss combined cable-stayed bridge during construction[J].Journal of Transport Science and Engineering,2017,33(2):37?42.(in Chinese))

[8] 張德平,周健鴻,王東暉.赤壁長(zhǎng)江公路大橋主橋主梁設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2019,49(4):81?85.(ZHANG De-ping, ZHOU Jian-hong,WANG Dong-hui.Design of main girder of Chibi Changjiang river highway bridge[J]. Bridge Construction,2019,49(4):81?85.(in Chinese))

[9] 趙雷,孫才志,陳文元.大跨度結(jié)合梁斜拉橋的參數(shù)敏感性分析[J].世界橋梁,2011,39(6):38?41.(ZHAO Lei,SUN Cai-zhi,CHEN Wen-yuan.Analysis of parameter sensitivity of long span composite girder cable-stayed bridge[J].World Bridges,2011,39(6):38?41.(in Chinese))

[10] 黃僑.橋梁鋼:混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:人民交通出版社, 2004. (HUANG Qiao. Design principle of bridge steel-concrete composite structure[M]. Beijing: China Communications Press, 2004.(in Chinese))

[11] 顏東煌. 斜拉橋合理設(shè)計(jì)狀態(tài)確定與施工控制[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2001.(YAN Dong-huang. Determining of reasonable design states and construction controlling of cable-stayed bridges[D]. Changsha: Hunan University, 2001. (in Chinese))

[12] 顏東煌,陳常松,涂光亞.混凝土斜拉橋施工控制溫度影響及其現(xiàn)場(chǎng)修正[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2006,19(4):71? 76.(YAN Dong-huang, CHEN Chang-song, TU Guang-ya. Temperature influence and its field correction during construction control of concrete cable-stayed bridge[J]. China Journal of Highway and Transport, 2006, 19(4): 71?76.(in Chinese))

Parameter sensitivity analysis of the long-span composite girder cable-stayed bridge in the finished bridge state

ZHANG Feng1, 2, YAN Dong-huang1, CHEN Chang-song1

(1. School of Civil Engineering , Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. Hunan Lianzhi Technology Co., Ltd., Changsha 410219, China)

In order to ensure the stress of the main girder and structure of long-span steel-concrete composite girder cable-stayed bridge meet the specification requirement, the finite element model was established considering geometric nonlinear factors. The bridge construction process of the Chibi Yangtze River Highway Bridge was simulated. The sensitivity of the weight and elastic modulus of the main beam and bridge deck, elastic modulus of cable and temperature error to the main beam alignment, control section stress and cable force in finished bridge state was investigated. The results show that, the errors of steel main girder weight, bridge deck weight, cable elastic modulus, and temperature have significant effects on the structural behavior of the completed bridge. However, the steel main girder elastic modulus and bridge deck elastic modulus errors have little influence. The research results can provide scientific basis for error correction in construction control, calculating the key control variables, and also provide reference for the construction of the similar types of bridge projects.

cable-stayed bridge; steel-concrete composite girder; sensitivity analysis; construction control

U448.27

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0091 ? 07

2020?09?20

張豐(1995?)，男，長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士生。