聞超, 田仲初, 朱清華

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

采用懸臂澆筑法施工的鋼筋砼拱橋的施工控制目標(biāo)是保證各構(gòu)件在懸臂施工中的受力安全及成橋后內(nèi)力和線形最大程度達(dá)到理想狀態(tài)。實(shí)際施工中，由于跨徑較大、節(jié)段較多，鋼筋砼拱橋要經(jīng)過長時(shí)間的懸臂施工及復(fù)雜的體系轉(zhuǎn)換。橋梁施工受周圍環(huán)境變化、材料性能差異、臨時(shí)施工荷載變化等因素影響，若這些影響未能及時(shí)有效消除，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)產(chǎn)生較大差異，從而危及施工安全。在大跨度RC拱橋懸澆中對結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，找出對各構(gòu)件產(chǎn)生顯著影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)至關(guān)重要。該文以貴州在建夾石特大橋?yàn)檠芯勘尘埃\(yùn)用有限元程序MIDAS/Civil進(jìn)行計(jì)算分析，通過改變主拱圈自重、主拱圈剛度、扣錨索索力、溫度作用、扣錨索剛度、塔架剛度、砼徐變、掛籃荷載等結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其對懸臂施工中拱圈線形、截面應(yīng)力、扣索索力及塔架偏位等結(jié)構(gòu)行為的敏感程度。

1 工程概況

夾石特大橋地處貴州省沿河縣夾石鎮(zhèn)境內(nèi)，橋梁全長390 m，總體布置為(4×30+240+30) m。主跨為橫跨烏江的上承式RC箱形拱橋(見圖1)，拱箱為單箱雙室結(jié)構(gòu)，高4.1 m，寬10 m。主拱圈采用拱軸系數(shù)為1.74的懸鏈線為拱軸線，凈跨徑225 m，凈矢高37.5 m，凈矢跨比1/6。主拱圈采用C55砼，縱橋向分43個(gè)拱段，除運(yùn)用支架現(xiàn)澆兩拱腳1#拱段、吊架現(xiàn)澆合龍口外，其余40個(gè)拱段均利用塔架斜拉扣掛進(jìn)行懸臂施工，每澆筑完一個(gè)拱段，張拉一組扣錨索。

圖1 夾石特大橋全橋立面布置(單位：cm)

主拱圈運(yùn)用臨時(shí)塔架進(jìn)行斜拉扣掛懸澆施工，為將塔架水平偏位控制在合理范圍內(nèi)，將扣索、錨索通過錨箱分離開。全橋共42組扣錨索(見圖2)，每半跨分21組扣錨索，每束扣錨索分別有10～30根鋼絞線，其中1#～3#扣索錨固于交界墩墩頂?shù)腻^箱上，4#～21#扣索錨固于塔架的各錨箱上；各錨索錨固于各橋臺(tái)上，橋臺(tái)均采用大體積砼與預(yù)應(yīng)力巖錨相結(jié)合。懸澆拱段最大長度為6.042 m，最大重量為268.66 t。扣索采用星式布置，角度為19.14°～71.15°。

圖2 夾石特大橋扣錨索布置

2 有限元仿真與結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

2.1 有限元仿真

為準(zhǔn)確了解橋梁施工過程中各構(gòu)件真實(shí)受力狀態(tài)，運(yùn)用有限元程序MIDAS/Civil對夾石特大橋施工過程進(jìn)行仿真計(jì)算，有限元模型見圖3。全橋共909個(gè)單元、913個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中扣錨索桁架單元168個(gè)。利用梁單元模擬主拱圈、交界墩、立柱、臨時(shí)塔架及錨箱，利用僅受拉的桁架單元模擬扣錨索，利用節(jié)點(diǎn)集中力模擬掛籃、橫隔板荷載。拱圈與立柱通過設(shè)置剛性連接模擬，扣點(diǎn)與塔架、錨點(diǎn)與塔架之間采用彈性連接模擬，拱腳、錨索約束條件采用固結(jié)。根據(jù)施工組織流程，分為95個(gè)施工階段，對各施工工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖3 夾石特大橋全橋有限元模型

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

根據(jù)懸臂澆筑法施工的大跨度RC拱橋受力特點(diǎn)，選取可能發(fā)生并會(huì)對結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)產(chǎn)生較大影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)施工控制經(jīng)驗(yàn)確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍。計(jì)算時(shí)僅變化單一參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，計(jì)算在各參數(shù)影響下拱圈截面應(yīng)力、拱圈線形、扣索索力、塔架偏位等結(jié)構(gòu)行為的變化情況，選出對結(jié)構(gòu)行為產(chǎn)生較大影響的參數(shù)，確定主要敏感性參數(shù)，從而在懸澆過程中對各主要敏感性參數(shù)進(jìn)行有效識別、分析、控制。

結(jié)合工程實(shí)際情況，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，在最大懸臂狀態(tài)下，選取主拱圈自重、主拱圈彈性模量、扣錨索初張索力、整體升溫、掛籃荷載、扣錨索彈性模量、塔架彈性模量、環(huán)境相對濕度8個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，參數(shù)取值見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性計(jì)算與分析

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對主拱圈線形的影響

對于懸臂現(xiàn)澆施工的砼橋梁，節(jié)段無應(yīng)力狀態(tài)在現(xiàn)場形成，且施工后橋梁線形很難進(jìn)行較大規(guī)模調(diào)整。因此，懸臂澆筑前有必要對影響主拱圈線形的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，使拱圈線形達(dá)到理想狀態(tài)。以半幅主拱圈為研究對象，分析最大懸臂狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生單一變化時(shí)主拱圈各拱段的豎向位移，結(jié)果見圖4，以上拱為“+”、下?lián)蠟椤?”。

圖4 主拱圈豎向位移變化

由圖4可知：扣錨索初張索力、主拱圈自重增加5%時(shí)，主拱圈豎向位移變化顯著，影響程度從拱腳到3/8拱圈位置達(dá)到最大，從3/8拱圈位置到拱頂逐漸減小，變化最大值分別為37.97和-37.8 mm；溫度變化對主拱圈豎向位移的影響次之，影響程度從拱腳到拱頂豎向位移不斷增大，其變化值最大為-20.56 mm；主拱圈彈性模量、扣錨索彈性模量、掛籃重量、環(huán)境相對濕度、塔架彈性模量變化對主拱圈豎向位移的影響微小，最大變化在5 mm以內(nèi)。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對主拱圈截面應(yīng)力的影響

運(yùn)用塔架斜拉扣掛法施工的大跨度RC拱橋，主拱圈懸澆過程中拱圈截面上下緣拉、壓應(yīng)力相互交替。由于砼材料的抗拉能力較差，結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差較大時(shí)，可能會(huì)使主拱圈截面的拉應(yīng)力過大，過大的拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致主拱圈出現(xiàn)裂縫，危及橋梁結(jié)構(gòu)的安全和使用耐久性。以半幅拱圈為研究對象，分析在最大懸臂狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生單一變化時(shí)主拱圈各控制截面頂、底板的應(yīng)力變化，結(jié)果見圖5，以拉應(yīng)力為“+”、壓應(yīng)力為“-”。

圖5 主拱圈關(guān)鍵截面頂、底板應(yīng)力變化

由圖5可知：主拱圈自重和扣錨索初張索力增加5%時(shí)，主拱圈關(guān)鍵截面頂、底板應(yīng)力變化顯著，扣錨索初張索力增加對拱圈截面頂板產(chǎn)生壓應(yīng)力、對底板產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大變化分別為-1.63和1.47 MPa；主拱圈自重增加對拱圈截面頂板產(chǎn)生拉應(yīng)力、對底板產(chǎn)生壓應(yīng)力，最大變化分別為1.34和-1.48 MPa；溫度變化的影響次之，最大變化為對頂板增加0.48 MPa的拉應(yīng)力、對底板增加-0.43 MPa的壓應(yīng)力；拱圈彈性模量、拉索彈性模量、塔架彈性模量、掛籃自重、環(huán)境相對濕度變化對拱圈截面應(yīng)力有微小影響。

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對扣索索力的影響

扣索作為大跨度RC拱橋懸澆施工中的臨時(shí)承重結(jié)構(gòu)，將主拱圈節(jié)段自重傳遞給塔架，索力過大或過小都會(huì)對拱圈線形和截面應(yīng)力產(chǎn)生偏差。為避免多次張拉對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，施工中扣錨索均按“一次張拉到位”進(jìn)行張拉。以半幅主拱圈為研究對象，分析最大懸臂狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生單一變化時(shí)各扣索索力的變化，結(jié)果見圖6，以索力增大為“+”、索力減小為“-”。

由圖6可知：拱圈自重增加5%對各組扣索索力影響較大，影響最大的為12#扣索，索力最大增加115 kN。扣索初張索力增加5%對各組扣索的影響有較大差別，6#～15#扣索索力有所減小，最多減小40 kN，對應(yīng)于6#扣索；16#～21#扣索索力有所增大，最多增大82 kN，對應(yīng)于19#扣索。整體升溫對索力的影響次之，最大影響值為13 kN，為12#扣索。其余各結(jié)構(gòu)參數(shù)對最大懸臂狀態(tài)下扣索索力有較小影響，最大索力變化在5 kN以內(nèi)。

圖6 最大懸臂狀態(tài)下扣索索力變化

3.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對塔架偏位的影響

塔架作為斜拉扣掛懸臂澆筑施工中的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，其偏位可在一定程度上反映塔架和交界墩的實(shí)際受力狀態(tài)，也將直接影響拱圈線形和截面應(yīng)力。如果塔架水平偏位過大，不僅影響塔架的整體穩(wěn)定性和交界墩底受力情況，更危及施工安全。以半幅主拱圈為研究對象，分析最大懸臂狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生單一變化對塔架偏位的影響，結(jié)果見圖7，以靠河側(cè)偏位為“+”、靠岸側(cè)偏位為“-”。

圖7 最大懸臂狀態(tài)下塔架偏位變化

由圖7可知：交界墩受各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響較小，最大變化為交界墩頂?shù)?0 mm。拱圈自重增加5%，塔架向靠江一側(cè)發(fā)生最大水平位移32.59 mm；扣索初張索力增加5%時(shí)，塔架向靠岸一側(cè)發(fā)生最大水平位移36.31 mm。上述2個(gè)參數(shù)增加5%對最大懸臂狀態(tài)下塔架偏位的影響較大。整體升溫對塔架偏位的影響次之，最大影響為靠江側(cè)發(fā)生位移12.81 mm。其余各結(jié)構(gòu)參數(shù)對最大懸臂狀態(tài)下塔架偏位的影響較小，最大變化在3 mm以內(nèi)。

3.5 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析結(jié)果

對上述8個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，得到最大懸臂狀態(tài)下拱圈線形、拱圈應(yīng)力、扣索索力、塔架偏位對各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的敏感程度，確定主要敏感性參數(shù)及次要敏感性參數(shù)(見表2)。

表2 最大懸臂狀態(tài)下結(jié)構(gòu)行為的參數(shù)敏感性分析

由表2可知：主拱圈自重、扣錨索初張索力、溫度作用對懸臂施工中結(jié)構(gòu)行為有較大影響，為主要敏感性參數(shù)；塔架剛度、扣錨索剛度、拱圈剛度、掛籃荷載對懸臂施工中結(jié)構(gòu)行為影響較小，為次要敏感性參數(shù)。塔架偏位受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響最大，最大影響幅度達(dá)193.99%；拱圈線形、拱圈應(yīng)力受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響次之，最大影響幅度分別為54.67%和54.15%；施工過程中扣索索力受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響最小，最大影響幅度僅5.93%，施工中扣錨索索力可不作為控制性指標(biāo)，保證扣錨索初張索力的張拉精度即可；各參數(shù)變化對主拱圈控制截面頂、底板應(yīng)力的影響程度剛好相反，且影響量接近，表明在施工控制時(shí)需同時(shí)關(guān)注頂、底板應(yīng)力變化，使其均在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

以貴州夾石特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃糜邢拊绦騇IDAS/Civil對全橋進(jìn)行仿真計(jì)算，采用單一變量法對最大懸臂狀態(tài)下結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，得出以下結(jié)論：

(1) 主拱圈自重對拱圈線形、截面應(yīng)力、塔架偏位有顯著影響，屬于敏感性參數(shù)。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格測試砼容重，控制模板變形、砼澆筑數(shù)量，保證拱段澆筑砼不超方、不欠方。

(2) 扣錨索初張索力對拱圈線形、截面應(yīng)力、塔架偏位有顯著影響，屬于主要敏感性參數(shù)。張拉扣錨索時(shí)應(yīng)采用頻率法和拉索延伸量法相結(jié)合精準(zhǔn)測量初張索力，并與油壓表張拉值進(jìn)行比對，將扣錨索初張索力誤差控制在合理范圍內(nèi)。

(3) 溫度作用對拱圈線形、截面應(yīng)力、塔架偏位有顯著影響，屬于主要敏感性因素。懸澆過程中應(yīng)盡量規(guī)避在劇烈溫度變化條件下進(jìn)行施工和測量，減小溫度變化對結(jié)構(gòu)行為的不利影響。

(4) 拱圈剛度、拉索剛度、塔架剛度、掛籃荷載對最大懸臂狀態(tài)下結(jié)構(gòu)行為的影響較小，屬于次要敏感性參數(shù)。

(5) 應(yīng)力作為懸臂澆筑法施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，各參數(shù)對頂、底板應(yīng)力的影響大致相反。施工過程中為保證結(jié)構(gòu)受力安全，在重點(diǎn)關(guān)注頂板應(yīng)力的同時(shí)，也應(yīng)關(guān)注底板受力。

(6) 按“一次張拉到位”的思想張拉扣錨索，索力受各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響較小，可不作重點(diǎn)關(guān)注。