大跨度雙薄壁墩曲線連續(xù)剛構橋參數敏感性分析

姜洪偉，云利華

（1.山東省公路設計咨詢有限公司，山東 濟南 250102；2.內蒙古自治區(qū)交通建設工程質量監(jiān)測鑒定站，內蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

預應力混凝土連續(xù)剛構橋憑借其優(yōu)越的跨越能力、良好的經濟性、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]。預應力混凝土連續(xù)剛構橋作為一類超靜定結構，施工過程中會發(fā)生多次結構體系轉換，且橋梁某一物理參數的變化均能使整個結構受力產生影響。對橋梁結構進行參數敏感性分析，旨在探究施工過程中，橋梁結構受影響較大的參數，通過反饋調節(jié)的方式進行調整，從而確保橋梁結構的受力合理和安全，保證結構的線形平順和美觀。

本文針對某大跨徑雙薄壁墩曲線連續(xù)剛構橋的結構參數進行參數敏感性分析，針對各參數分別進行一定幅度的調整，分析各參數調整對結構內力、線形和應力的影響，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

某橋為預應力混凝土連續(xù)剛構橋，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，為三向預應力結構，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 主梁標準橫斷面示意圖（cm）

主墩采用C50 混凝土，為雙柱式矩形薄壁墩結構，順橋向沿道路設計線墩寬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，橋墩基礎為鉆孔灌注樁。

3 結構有限元分析模型

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

圖4 有限元模型

4 參數敏感性分析

對該橋進行參數敏感性分析，選定主梁自重、彈性模量、預應力損失和收縮徐變作為控制參數進行敏感性分析[5]，針對這些參數分別進行一定程度的改變，探究主梁線形、內力及應力的變化情況，進一步得到不同參數對結構的影響程度。

4.1 主梁自重

主梁自重直接體現主體結構發(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]。根據施工現場的混凝土容重實測值出現的普遍現象可知，實測值普遍高于理論設計值[7]，故分別按容重+5%和+10%考慮容重變化給結構帶來的影響，得到主梁內力、線形和應力的變化情況，見表1、圖5～圖7。

圖7 主梁應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，主梁彎矩最大變化量為13037.31kN·m；主梁自重增加10%時，主梁彎矩最大變化量為26074.56kN·m。可見，主梁自重的增加對主梁彎矩有顯著影響，特別是在墩梁結合處，主梁彎矩變化最大，應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 主梁自重對結構的影響程度表

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，主梁撓度最大變化量為2.40mm；主梁自重增加10%時，主梁撓度最大變化量為4.90mm?？梢?，主梁自重的增加對主梁撓度影響較大。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，應在施工過程中加強線形監(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，主梁應力最大變化量為0.51MPa；主梁自重增加10%時，主梁應力最大變化量為1.01MPa。主梁自重增加會引起主梁應力重新分布，引起上、下緣應力的變化量基本一致；可見，主梁自重的增加對主梁應力影響顯著。特別是在墩梁結合處，主梁應力變化最大，主梁自重增加的同時，懸臂長度增加，該處應力將持續(xù)增加，故對該處加強施工監(jiān)測，而中跨跨中位置及梁端位置受影響程度較小。

根據上述分析可知，主梁自重對結構的內力、線形和應力均影響顯著，應作為施工控制中的主要影響因素進行監(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構剛度，實際工程中，混凝土彈性模量一般高于設計值[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構帶來的影響，得到主梁內力、線形和應力的變化情況，見表2、圖8～圖10。

表2 主梁彈性模量對結構的影響程度表

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，主梁彎矩最大變化量為870.14kN·m，撓度最大變化量為1.00mm，應力最大變化量為0.10MPa；主梁彈性模量增加10% 時，主梁彎矩最大變化量為1724.03kN·m，撓度最大變化量為1.93mm，應力最大變化量為0.20MPa?？梢姡髁簭椥阅Ａ康脑黾訉χ髁簝攘?、線形和應力均有一定影響，但并不顯著。

根據上述分析可知，主梁彈性模量對結構的內力、線形和應力均影響較小，可忽略，應作為施工控制中的次要影響因素。

4.3 主梁預應力損失

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

圖11 主梁彎矩受主梁預應力損失的影響

圖12 主梁撓度受主梁預應力損失的影響

圖13 主梁應力受主梁預應力損失的影響

表3 主梁預應力損失對結構的影響程度表

從表3 和圖11 可以看出，主梁預應力損失5%時，主梁彎矩最大變化量為20014.71kN·m；主梁預應力損失10%時，主梁彎矩最大變化量為40290.34kN·m。可見，主梁預應力損失對主梁彎矩有顯著影響，尤其是墩梁結合處的主梁彎矩變化最大，應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應力損失影響較小。

從表3 和圖12 可以看出，主梁預應力損失5%時，主梁撓度最大變化量為2.60mm；主梁預應力損失10%時，主梁撓度最大變化量為5.20mm。可見，主梁預應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，預應力損失會加劇撓度變化量的增加，對主梁線形產生更加不利的影響，因此應在施工過程中加強預應力施工的監(jiān)控工作。

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

根據上述分析可知，主梁預應力損失對結構的內力、線形和應力均影響顯著，應作為施工控制中的主要影響因素進行監(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，將在結構的施工期和運營期的整個生命周期內發(fā)生，因此，這一影響不能忽略[9，10]。通過分析橋梁結構在成橋1 年、3 年、5年、7 年和10 年的線形和應力情況，探究收縮徐變對結構產生的影響，得到主梁線形和應力的變化情況，見表4、圖14～圖16。

表4 收縮徐變對結構的影響程度表

圖14 主梁撓度受收縮徐變的影響

圖15 主梁上緣應力受收縮徐變的影響

圖16 主梁下緣應力受收縮徐變的影響

從表4 和圖14 可以看出，隨著成橋時間的增加，撓度變化量逐漸增加，且最大撓度變化量出現在中跨跨中位置，均呈現跨中位置下撓的趨勢。與成橋時相比，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，隨著成橋時間的增加，主梁上、下緣應力變化量逐漸增加，均呈現應力增加的趨勢。其中，對于主梁上緣應力變化量，主梁中跨位置大于邊跨位置，與成橋時相比，成橋10年后的主梁上緣應力最大變化量為0.60MPa；對于主梁下緣應力變化量，中跨跨中位置和邊跨跨中位置均較大，與成橋時相比，成橋10 年后的主梁下緣應力最大變化量為1.12MPa。

根據上述分析可知，收縮徐變對橋梁線形和應力均影響顯著，屬于主要影響因素，應在設計階段充分考慮收縮徐變對橋梁結構的長期影響。

5 結語

通過對該橋進行參數敏感性分析，得到主梁自重、主梁混凝土彈性模量、預應力損失、收縮徐變等參數對橋梁結構的影響程度，明確了大跨徑連續(xù)剛構橋施工過程中結構內力、線形和應力的變化規(guī)律，得到如下結論：

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

②橋梁施工時，對主梁自重進行監(jiān)控，可通過監(jiān)控混凝土容重值和澆筑量、模板變形值、振搗的密實度等相關因素實現；嚴格控制預應力施工質量，適度超張拉以抵抗少量的預應力損失，避免實際預應力值與設計值偏離過大，確保橋梁狀態(tài)與設計狀態(tài)相符合；設計階段應充分考慮收縮徐變因素對橋梁結構帶來的長期影響，對橋梁的長期運營和養(yǎng)護均有利。

③參數敏感性分析有助于優(yōu)化橋梁設計，為施工現場的誤差調整提供依據，也為同類橋型的施工監(jiān)控工作提供參考。