姜洪偉，云利華

（1.山東省公路設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250102；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測鑒定站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋憑借其優(yōu)越的跨越能力、良好的經(jīng)濟(jì)性、便捷的施工方式以及美觀的造型等優(yōu)勢成為跨越山區(qū)的首選橋型[1]。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋作為一類超靜定結(jié)構(gòu)，施工過程中會發(fā)生多次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，且橋梁某一物理參數(shù)的變化均能使整個(gè)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生影響。對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，旨在探究施工過程中，橋梁結(jié)構(gòu)受影響較大的參數(shù)，通過反饋調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行調(diào)整，從而確保橋梁結(jié)構(gòu)的受力合理和安全，保證結(jié)構(gòu)的線形平順和美觀。

本文針對某大跨徑雙薄壁墩曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，針對各參數(shù)分別進(jìn)行一定幅度的調(diào)整，分析各參數(shù)調(diào)整對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形和應(yīng)力的影響，從而區(qū)分主要影響因素和次要影響因素，可為同類橋梁施工控制提供參考[2-4]。

2 工程概況

某橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為（61+104+61）m，位于R=348m 圓曲線上，為雙幅橋，如圖1、圖2 所示。箱梁采用單箱單室截面，頂板寬11m，底板寬6m，翼緣懸臂長2.5m，墩頂梁高6.0m，中跨跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高2.3m，按二次拋物線變化，如圖3 所示。主梁采用C50 混凝土，為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用先邊跨合攏后中跨合攏的懸臂法施工。

圖1 總體立面示意圖（cm）

圖2 總體平面示意圖（cm）

圖3 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖（cm）

主墩采用C50 混凝土，為雙柱式矩形薄壁墩結(jié)構(gòu)，順橋向沿道路設(shè)計(jì)線墩寬2.0m，橫橋向墩寬6.0m，雙薄壁截面的中心距為5.0m，1#、2#墩墩高分別為62m 和53m，橋墩基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。

3 結(jié)構(gòu)有限元分析模型

采用Midas Civil 2019 建立有限元模型，依據(jù)施工節(jié)段進(jìn)行單元劃分，主梁、橋墩均采用梁單元模擬，對該橋進(jìn)行靜力分析。該橋模型共有主梁單元68 個(gè)，橋墩單元122個(gè)，有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

4 參數(shù)敏感性分析

對該橋進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，選定主梁自重、彈性模量、預(yù)應(yīng)力損失和收縮徐變作為控制參數(shù)進(jìn)行敏感性分析[5]，針對這些參數(shù)分別進(jìn)行一定程度的改變，探究主梁線形、內(nèi)力及應(yīng)力的變化情況，進(jìn)一步得到不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響程度。

4.1 主梁自重

主梁自重直接體現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，會受到多種因素的影響，比如施工過程中混凝土超方、混凝土容重變化、模板變形、尺寸偏差等因素均可能引起主梁自重變化[6]。根據(jù)施工現(xiàn)場的混凝土容重實(shí)測值出現(xiàn)的普遍現(xiàn)象可知，實(shí)測值普遍高于理論設(shè)計(jì)值[7]，故分別按容重+5%和+10%考慮容重變化給結(jié)構(gòu)帶來的影響，得到主梁內(nèi)力、線形和應(yīng)力的變化情況，見表1、圖5～圖7。

圖7 主梁應(yīng)力受主梁自重變化的影響

從表1 和圖5 可以看出，主梁自重增加5%時(shí)，主梁彎矩最大變化量為13037.31kN·m；主梁自重增加10%時(shí)，主梁彎矩最大變化量為26074.56kN·m?？梢?，主梁自重的增加對主梁彎矩有顯著影響，特別是在墩梁結(jié)合處，主梁彎矩變化最大，應(yīng)在施工過程中作為主要監(jiān)測部位，而中跨跨中位置及梁端位置受影響程度較小。

表1 主梁自重對結(jié)構(gòu)的影響程度表

圖5 主梁彎矩受主梁自重變化的影響

從表1 和圖6 可以看出，主梁自重增加5%時(shí)，主梁撓度最大變化量為2.40mm；主梁自重增加10%時(shí)，主梁撓度最大變化量為4.90mm?？梢姡髁鹤灾氐脑黾訉χ髁簱隙扔绊戄^大。以橋墩為軸，撓度變化量呈對稱分布，表明隨著主梁懸臂長度的增加，撓度變化量隨之增加，應(yīng)在施工過程中加強(qiáng)線形監(jiān)測，尤其是最大懸臂狀態(tài)下，采取合理有效措施調(diào)整和控制合攏線形。

圖6 主梁撓度受主梁自重變化的影響

從表1 和圖7 可以看出，主梁自重增加5%時(shí)，主梁應(yīng)力最大變化量為0.51MPa；主梁自重增加10%時(shí)，主梁應(yīng)力最大變化量為1.01MPa。主梁自重增加會引起主梁應(yīng)力重新分布，引起上、下緣應(yīng)力的變化量基本一致；可見，主梁自重的增加對主梁應(yīng)力影響顯著。特別是在墩梁結(jié)合處，主梁應(yīng)力變化最大，主梁自重增加的同時(shí)，懸臂長度增加，該處應(yīng)力將持續(xù)增加，故對該處加強(qiáng)施工監(jiān)測，而中跨跨中位置及梁端位置受影響程度較小。

根據(jù)上述分析可知，主梁自重對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、線形和應(yīng)力均影響顯著，應(yīng)作為施工控制中的主要影響因素進(jìn)行監(jiān)控。

4.2 主梁混凝土彈性模量

主梁混凝土彈性模量的變化將直接影響結(jié)構(gòu)剛度，實(shí)際工程中，混凝土彈性模量一般高于設(shè)計(jì)值[7，8]。因此，分別按主梁彈性模量+5%和+10%考慮彈性模量變化給結(jié)構(gòu)帶來的影響，得到主梁內(nèi)力、線形和應(yīng)力的變化情況，見表2、圖8～圖10。

表2 主梁彈性模量對結(jié)構(gòu)的影響程度表

圖8 主梁彎矩受主梁彈性模量變化的影響

圖9 主梁撓度受主梁彈性模量變化的影響

圖10 主梁應(yīng)力受主梁彈性模量變化的影響

從表2 和圖8～圖10 可以看出，主梁彈性模量增加5%時(shí)，主梁彎矩最大變化量為870.14kN·m，撓度最大變化量為1.00mm，應(yīng)力最大變化量為0.10MPa；主梁彈性模量增加10% 時(shí)，主梁彎矩最大變化量為1724.03kN·m，撓度最大變化量為1.93mm，應(yīng)力最大變化量為0.20MPa?？梢姡髁簭椥阅Ａ康脑黾訉χ髁簝?nèi)力、線形和應(yīng)力均有一定影響，但并不顯著。

根據(jù)上述分析可知，主梁彈性模量對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、線形和應(yīng)力均影響較小，可忽略，應(yīng)作為施工控制中的次要影響因素。

4.3 主梁預(yù)應(yīng)力損失

主梁預(yù)應(yīng)力能夠使結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài)，充分發(fā)揮材料性能，改善結(jié)構(gòu)受力，因此，施工過程中對預(yù)應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)格控制能夠確保結(jié)構(gòu)的耐久性和受力合理。本橋預(yù)應(yīng)力以1395MPa 為控制值，為探究預(yù)應(yīng)力損失給結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，分別對預(yù)應(yīng)力損失為5%和10%兩種情況進(jìn)行分析，得到主梁內(nèi)力、線形和應(yīng)力的變化情況，見表3、圖11～圖13。

圖11 主梁彎矩受主梁預(yù)應(yīng)力損失的影響

圖12 主梁撓度受主梁預(yù)應(yīng)力損失的影響

圖13 主梁應(yīng)力受主梁預(yù)應(yīng)力損失的影響

表3 主梁預(yù)應(yīng)力損失對結(jié)構(gòu)的影響程度表

從表3 和圖11 可以看出，主梁預(yù)應(yīng)力損失5%時(shí)，主梁彎矩最大變化量為20014.71kN·m；主梁預(yù)應(yīng)力損失10%時(shí)，主梁彎矩最大變化量為40290.34kN·m?？梢?，主梁預(yù)應(yīng)力損失對主梁彎矩有顯著影響，尤其是墩梁結(jié)合處的主梁彎矩變化最大，應(yīng)在施工過程中作為主要監(jiān)測部位，相反，中跨跨中位置及梁端位置受預(yù)應(yīng)力損失影響較小。

從表3 和圖12 可以看出，主梁預(yù)應(yīng)力損失5%時(shí)，主梁撓度最大變化量為2.60mm；主梁預(yù)應(yīng)力損失10%時(shí)，主梁撓度最大變化量為5.20mm?？梢?，主梁預(yù)應(yīng)力損失對主梁撓度影響顯著。以橋墩為軸，撓度變化量呈對稱分布，表明隨著主梁懸臂長度的增加，預(yù)應(yīng)力損失會加劇撓度變化量的增加，對主梁線形產(chǎn)生更加不利的影響，因此應(yīng)在施工過程中加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力施工的監(jiān)控工作。

從表3 和圖13 可以看出，主梁預(yù)應(yīng)力損失5%時(shí)，主梁上緣應(yīng)力最大變化量為1.20MPa，下緣應(yīng)力最大變化量為0.62MPa；主梁預(yù)應(yīng)力損失10%時(shí)，主梁上緣應(yīng)力最大變化量為2.40MPa，下緣應(yīng)力最大變化量為1.22MPa；主梁預(yù)應(yīng)力損失會引起主梁應(yīng)力重新分布，使上緣應(yīng)力變化比下緣應(yīng)力變化更加顯著，這與主梁預(yù)應(yīng)力筋主要分布在頂板和腹板上部有關(guān)。可見，主梁預(yù)應(yīng)力損失對主梁應(yīng)力影響尤為顯著，特別是在墩梁結(jié)合處，主梁應(yīng)力變化最大，主梁預(yù)應(yīng)力損失程度最大，隨著懸臂長度的增加，該處應(yīng)力變化量越大。

根據(jù)上述分析可知，主梁預(yù)應(yīng)力損失對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、線形和應(yīng)力均影響顯著，應(yīng)作為施工控制中的主要影響因素進(jìn)行監(jiān)控。

4.4 混凝土收縮徐變

收縮徐變作為混凝土材料特性之一，將在結(jié)構(gòu)的施工期和運(yùn)營期的整個(gè)生命周期內(nèi)發(fā)生，因此，這一影響不能忽略[9，10]。通過分析橋梁結(jié)構(gòu)在成橋1 年、3 年、5年、7 年和10 年的線形和應(yīng)力情況，探究收縮徐變對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，得到主梁線形和應(yīng)力的變化情況，見表4、圖14～圖16。

表4 收縮徐變對結(jié)構(gòu)的影響程度表

圖14 主梁撓度受收縮徐變的影響

圖15 主梁上緣應(yīng)力受收縮徐變的影響

圖16 主梁下緣應(yīng)力受收縮徐變的影響

從表4 和圖14 可以看出，隨著成橋時(shí)間的增加，撓度變化量逐漸增加，且最大撓度變化量出現(xiàn)在中跨跨中位置，均呈現(xiàn)跨中位置下?lián)系内厔?。與成橋時(shí)相比，成橋10 年后的主梁撓度最大變化量為-12.8mm，可見，收縮徐變對主梁撓度影響顯著。

從表4 和圖15、圖16 可以看出，隨著成橋時(shí)間的增加，主梁上、下緣應(yīng)力變化量逐漸增加，均呈現(xiàn)應(yīng)力增加的趨勢。其中，對于主梁上緣應(yīng)力變化量，主梁中跨位置大于邊跨位置，與成橋時(shí)相比，成橋10年后的主梁上緣應(yīng)力最大變化量為0.60MPa；對于主梁下緣應(yīng)力變化量，中跨跨中位置和邊跨跨中位置均較大，與成橋時(shí)相比，成橋10 年后的主梁下緣應(yīng)力最大變化量為1.12MPa。

根據(jù)上述分析可知，收縮徐變對橋梁線形和應(yīng)力均影響顯著，屬于主要影響因素，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段充分考慮收縮徐變對橋梁結(jié)構(gòu)的長期影響。

5 結(jié)語

通過對該橋進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，得到主梁自重、主梁混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力損失、收縮徐變等參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響程度，明確了大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形和應(yīng)力的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

①主梁自重、預(yù)應(yīng)力損失和收縮徐變對橋梁結(jié)構(gòu)的影響程度大，屬于主要敏感性參數(shù)，施工過程中應(yīng)作為監(jiān)控的重點(diǎn)；主梁混凝土彈性模量對橋梁結(jié)構(gòu)的影響程度小，屬于次要敏感性參數(shù)。

②橋梁施工時(shí)，對主梁自重進(jìn)行監(jiān)控，可通過監(jiān)控混凝土容重值和澆筑量、模板變形值、振搗的密實(shí)度等相關(guān)因素實(shí)現(xiàn)；嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量，適度超張拉以抵抗少量的預(yù)應(yīng)力損失，避免實(shí)際預(yù)應(yīng)力值與設(shè)計(jì)值偏離過大，確保橋梁狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)相符合；設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮收縮徐變因素對橋梁結(jié)構(gòu)帶來的長期影響，對橋梁的長期運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)均有利。

③參數(shù)敏感性分析有助于優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)，為施工現(xiàn)場的誤差調(diào)整提供依據(jù)，也為同類橋型的施工監(jiān)控工作提供參考。