大跨度混合連續(xù)梁橋施工監(jiān)控參數(shù)分析

張猛，湯興

（中鐵二十四局集團有限公司，上海 200433）

連續(xù)梁橋施工過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在實際施工過程中，橋梁的成橋狀態(tài)容易受到橋梁自身材料性能差異、預(yù)應(yīng)力損失等原因的影響，導(dǎo)致難以與理想的設(shè)計狀態(tài)保持一致[1-4]。因此，需要了解參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系，進而對施工監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)進行敏感性分析，以便為橋梁施工誤差的修正提供科學(xué)依據(jù)[5-6]。

文獻[1]研究了拉索彈性模量、主梁重度、主梁剛度及索塔剛度等設(shè)計參數(shù)對全橋線形、內(nèi)力的影響；文獻[7]采用解析法修正空纜線形和有限元法模擬施工過程，研究分析了張拉前參數(shù)和張拉過程參數(shù)變化對成橋吊索力的影響；文獻[8]研究了多塔矮塔斜拉橋參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和自振特性的影響。

由以上分析可以看出，相關(guān)學(xué)者針對橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析研究主要集中在懸索橋及斜拉橋等，針對連續(xù)梁橋的敏感性分析較少。因此，依托實際工程，從基礎(chǔ)工作入手，開展混合連續(xù)梁橋的敏感性分析，對推進鋼砼混合連續(xù)梁橋技術(shù)發(fā)展有著積極的現(xiàn)實意義。本文以某大跨度混合連續(xù)梁橋為研究對象，對施工監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)采用有限元模型計算的方式進行敏感性分析，分析在相同的變化范圍內(nèi)，橋梁線形及應(yīng)力受到施工監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)的影響程度。

1 施工有限元仿真模型

1.1 工程概況

某大跨度混合連續(xù)梁橋主橋采用（40+80+180+80+40）m 鋼砼混合連續(xù)梁，主跨180 m，主跨跨中為88 m的鋼箱梁拼接，鋼箱梁兩側(cè)采用鋼混結(jié)合段與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連接，其主橋立面布置圖如圖1 所示。

圖1 某連續(xù)梁橋主橋1/2 橋跨立面布置圖（單位：m）

主線樁號為ZK6+445.000—ZK6+865.000 段，在此段設(shè)置1 處平曲線，圓曲線半徑為870 m。主橋最低點樁號為ZK6+865.000，標高為14.040 m，設(shè)計縱坡為1.113%，坡長為420 m。箱梁由預(yù)應(yīng)力砼箱梁和鋼箱梁組成，均采用單箱單室斷面。主跨箱梁支點處梁高為9.1 m（以梁體中心線為準），跨中為4.1 m，梁底成1.8 次拋物線變化。箱底板寬為7.5 m，雙側(cè)對稱懸臂為3 m，頂板全寬為13.5 m，橋面設(shè)3%單向坡。

1.2 有限元模型

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL 2019 建立梁單元模型，全橋共142 個單元、155 個節(jié)點。2 個0 號塊各4 個單元，1—12 號塊各1 個單元，中跨鋼箱梁離散成29 個單元，如圖2 所示。

圖2 有限元計算模型

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

在有限元模型中，影響橋梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)有很多，需要找到關(guān)鍵參數(shù)進行對應(yīng)控制，通過查閱相關(guān)文獻資料[9-10]，結(jié)合工程實際，本文選取考慮混凝土材料參數(shù)和預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)在最大懸臂階段和成橋狀態(tài)下對大跨度混合連續(xù)梁橋的影響[11-12]。在計算分析時采用控制變量法，即僅給定單一參數(shù)的變化幅度，其他參數(shù)保持不變，分別取標準狀態(tài)下設(shè)計參數(shù)減小或增大10%進行分析。各設(shè)計參數(shù)的標準取值如表1 所示。

2 混凝土材料參數(shù)分析

2.1 混凝土容重分析

本工程采用的是C55 混凝土，按照規(guī)范其容重γ應(yīng)取值為25 kN/m3，但是實際工程中混凝土容重會受到配筋的影響，因此其容重γ取值為26 kN/m3。為得到主梁線形和應(yīng)力在最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)下受到混凝土容重變化的影響，通過MIDAS/CIVIL 軟件減小或增大10%的混凝土設(shè)計容重來進行分析。

2.1.1 對線形的影響

混凝土容重減小或增大10%時主梁撓度差如圖3所示。由圖可知，當(dāng)混凝土容重減小或增大10%時，主梁撓度差分布大致對稱，且具有類似的變化趨勢?；炷寥葜販p小會導(dǎo)致主梁上拱，混凝土容重增大會導(dǎo)致主梁下?lián)?，在懸臂梁端部附近撓度差最大，越靠近墩頂位置其?shù)值越小。在最大懸臂階段下，混凝土容重減?。ㄔ龃螅?0%會導(dǎo)致主梁上拱（下?lián)希瑩隙炔畹淖畲笾禐?.417 mm，其變化幅度為19.61%；在成橋狀態(tài)下，混凝土容重減?。ㄔ龃螅?0%會導(dǎo)致主梁上拱（下?lián)希?，撓度差的最大值?.403 mm，其變化幅度為15.1%。

圖3 混凝土容重減小或增大10%時主梁撓度差

2.1.2 對應(yīng)力的影響

混凝土容重減小或增大10%時主梁應(yīng)力差如圖4所示。由圖可知，當(dāng)混凝土容重減小或增大10%時，主梁應(yīng)力差分布大致對稱，且具有類似的變化趨勢。在懸臂梁端部附近應(yīng)力差最大，靠近跨中位置其數(shù)值逐漸減小。在最大懸臂階段下，混凝土容重減?。ㄔ龃螅?0%會導(dǎo)致主梁頂板產(chǎn)生壓（拉）應(yīng)力，應(yīng)力差的最大值為0.6 MPa，其變化幅度為4.62%；混凝土容重減小（增大）10%會導(dǎo)致主梁底板產(chǎn)生拉（壓）應(yīng)力，應(yīng)力差最大值為0.69 MPa，其變化幅度為33.5%。在成橋狀態(tài)下，混凝土容重減?。ㄔ龃螅?0%會導(dǎo)致主梁頂板產(chǎn)生壓（拉）應(yīng)力，應(yīng)力差的最大值為0.6 MPa，其變化幅度為4.62%；混凝土容重減?。ㄔ龃螅?0%會導(dǎo)致主梁底板產(chǎn)生拉（壓）應(yīng)力，應(yīng)力差的最大值為0.67 MPa，其變化幅度為9.48%。

圖4 混凝土容重減小或增大10%時主梁應(yīng)力差

由以上分析可知，混凝土的容重變化對主梁的線形和應(yīng)力影響都比較大。

抽取我校2012級護理專業(yè)一班和二班作為實驗對象，均為女生，一班52人，二班53人，兩班學(xué)生的年齡和基礎(chǔ)學(xué)科成績經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析無顯著性差異。設(shè)一班為對照組，二班為實驗組。

2.2 混凝土彈性模量分析

本工程采用的是C55 混凝土，按照規(guī)范其設(shè)計彈性模量E應(yīng)取值為3.55×104MPa。為得到最大懸臂階段和成橋狀態(tài)下彈性模量的變化對主梁線形和應(yīng)力的影響，通過MIDAS/CIVIL 軟件減小或增大10%的混凝土設(shè)計彈性模量來進行分析。

2.2.1 對線形的影響

混凝土彈性模量減小或增大10%時主梁撓度差如圖5 所示。

圖5 混凝土彈性模量減小或增大10%時主梁撓度差

由圖5 可知，當(dāng)混凝土彈性模量減小或增大10%時，對主梁撓度差分布大致對稱，且具有類似的變化趨勢。隨著混凝土彈性模量的減小主梁會出現(xiàn)一定的上拱現(xiàn)象，反之則會下?lián)?，從墩頂位置到跨中其撓度差在逐漸增大。在最大懸臂階段，彈性模量E增大10%，主梁撓度下?lián)献兓淖畲笾禐?.81 mm，其變化幅度為5.29%；彈性模量E減小10%，主梁撓度上拱變化的最大值為4.58 mm，其變化幅度為6.36%。在成橋狀態(tài)下，彈性模量E增大10%，主梁撓度下?lián)献兓淖畲笾禐?.74 mm，其變化幅度為6.46%；彈性模量E減小10%，主梁撓度上拱變化的最大值為3.11 mm，其變化幅度為7.34%。

2.2.2 對應(yīng)力的影響

混凝土彈性模量減小或增大10%時主梁應(yīng)力差如圖6 所示。由圖可知，在最大懸臂階段和成橋階段，混凝土彈性模量增大或減小10%時，主梁的頂板和底板的應(yīng)力變化最大值都小于或等于0.2 MPa，可以得出其變化幅度都小于2%。同時可以看出，頂板和底板的應(yīng)力差的變化趨勢是類似的，表明可以忽略它對主梁的應(yīng)力影響。

圖6 混凝土彈性模量減小或增大10%時主梁應(yīng)力差

由以上分析可知，主梁的線形不易受到應(yīng)力的影響，更易受到混凝土彈性模量的影響。

2.3 混凝土材料參數(shù)敏感性識別

為了得到橋梁受到不同參數(shù)影響程度的情況，采用參數(shù)敏感性分析的方法，對混凝土的材料參數(shù)進行敏感性分析。通過表格進行統(tǒng)計有限元模型在參數(shù)不用變化情況下的變化情況，統(tǒng)計結(jié)果如表2 和表3所示。

表2 最大懸臂階段混凝土材料敏感性統(tǒng)計

表3 成橋狀態(tài)混凝土材料敏感性統(tǒng)計

由表2 和表3 的分析結(jié)果可知，主梁線形比主梁應(yīng)力更容易受到混凝土彈性模量E的影響；但相較于受到彈性模量E的影響，主梁的線形和應(yīng)力都更容易受到混凝土容重γ的影響。因此主梁線形的主要控制參數(shù)可以設(shè)定為混凝土彈性模量E和混凝土容重γ，主梁應(yīng)力的主要控制參數(shù)可以設(shè)定為混凝土容重γ。為了減少施工帶來的誤差，在實際施工中需要對參數(shù)設(shè)計值進行及時修正，同時有限元模型也需要根據(jù)修正數(shù)值來進一步調(diào)整計算，因此需要對現(xiàn)場的混凝土試塊進行取樣實驗。

3 預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)分析

大跨度混凝土橋梁在后期運營階段，受到如車輛等移動荷載的作用以及混凝土自身收縮徐變的影響是造成跨中下?lián)锨闆r出現(xiàn)的主要原因，同時預(yù)應(yīng)力隨時間變化的損失也是這種情況出現(xiàn)的重要原因[15-16]。在實際運營過程中，預(yù)應(yīng)力損失包括預(yù)應(yīng)力鋼束與管道內(nèi)壁的摩擦、管道局部偏差、鋼筋回縮等情況，所以無法對預(yù)應(yīng)力損失進行精確計算。

綜合考慮，為了分析主梁線形和應(yīng)力在最大懸臂階段和成橋狀態(tài)下的影響情況，選取并調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋與管道內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)μ和管道局部偏差摩擦影響系數(shù)k這2 個系數(shù)大小的±10%。預(yù)應(yīng)力筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)和管道局部偏差摩擦影響系數(shù)的標準取值為μ=0.17，k=0.001 5 m-1。

3.1 對線形的影響

預(yù)應(yīng)力參數(shù)減小或增大10%對主梁線形的影響如圖7 所示。由圖可以知道，μ和k這2 個參數(shù)減小或增大10%時，主梁撓度的上拱和下?lián)锨闆r與參數(shù)μ和k的增大或減小成反比，并且具有類似的變化趨勢，其撓度的變化值整體呈現(xiàn)對稱分布。在最大懸臂階段，主梁撓度差的最大值受到參數(shù)μ的影響的變化幅度小于1%，參數(shù)μ增大（減?。?0%，主梁下?lián)希ㄉ瞎埃┑膿隙炔钭畲笾禐?.47 mm；主梁撓度差的最大值受到參數(shù)k的影響的變化幅度小于1%，參數(shù)k增大（減?。?0%，主梁下?lián)希ㄉ瞎埃┑膿隙炔钭畲笾禐?.299 mm。

圖7 預(yù)應(yīng)力參數(shù)μ、k 減小或增大10%對主梁線形的影響

在成橋狀態(tài)下，主梁撓度差的最大值受到參數(shù)μ的影響的變化幅度為3.55%，參數(shù)μ增大（減?。?0%，主梁下?lián)希ㄉ瞎埃┑膿隙炔钭畲笾禐?.42 mm；主梁撓度差的最大值受到參數(shù)k的影響的變化幅度為3.14%，參數(shù)k增大（減?。?0%，主梁下?lián)希ㄉ瞎埃┑膿隙炔钭畲笾禐?.27 mm。

由以上分析可知，預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)的變化對主梁線形的影響在成橋狀態(tài)下比在最大懸臂階段更大。

3.2 對應(yīng)力的影響

在最大懸臂階段和成橋狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力損失增大會導(dǎo)致主梁頂板和底板受拉，減小則會導(dǎo)致頂板和底板受壓，應(yīng)力變化值具有相同的變化趨勢且呈對稱分布，如表4 和表5 所示。

表4 最大懸臂階段預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)變化敏感性統(tǒng)計

表5 成橋狀態(tài)預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)變化敏感性統(tǒng)計

在最大懸臂階段，主梁頂板應(yīng)力受到參數(shù)μ和k的影響的變化幅度接近，為0.7%左右，其變化最大值為0.1 MPa；主梁底板應(yīng)力受到參數(shù)μ和k的影響的變化幅度為0.59%和0.44%，其變化最大值為0.03 MPa。在成橋狀態(tài)下，主梁頂板和底板應(yīng)力受到參數(shù)μ和k的影響的變化幅度在0.75%～0.96%之間，其變化最大值為0.1 MPa。

由以上分析可知，在最大懸臂階段頂板應(yīng)力受到的影響大于底板應(yīng)力，究其原因為預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉在懸臂施工階段的主要部位為箱梁的頂板和腹板，因此頂板更容易受到應(yīng)力的影響。綜合以上可以看出，預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)μ和k的變化對應(yīng)力的影響程度均較小，在成橋狀態(tài)略大于最大懸臂階段。

綜上所述，在橋梁施工階段，主梁線形和應(yīng)力受到預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)μ和k的影響要遠小于混凝土材料參數(shù)的影響；但是在實際使用階段，預(yù)應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)線形和應(yīng)力的影響會隨著橋梁結(jié)構(gòu)使用年限的增長而增大。因此，在實際工程施工控制的過程中，也需要對該參數(shù)進行現(xiàn)場測定，采用摩阻實驗獲得參數(shù)實際，代入有限元模型中進行及時修正，以確定最佳的理論值便于指導(dǎo)施工。

4 結(jié)論

以某大跨度混合連續(xù)梁橋為例， 建立MIDAS/CIVIL 有限元模型對橋梁施工過程中的最大懸臂階段和成橋階段進行敏感性分析，分析研究混凝土材料參數(shù)容重、彈性模量及預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)μ、k在減小或增大10%的情況下對主梁線形和主梁應(yīng)力的影響程度，得出以下結(jié)論。

在混凝土材料參數(shù)中，橋梁的線形和應(yīng)力都容易受到容重γ的影響，而橋梁的線形更容易受到彈性模量E的影響。故可以設(shè)定彈性模量E為線形控制的主要參數(shù)，混凝土容重γ為線形控制和應(yīng)力控制的主要參數(shù)。

通過分析混凝土材料參數(shù)和預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)線形和應(yīng)力的影響可知，在施工階段，預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)的變化產(chǎn)生的影響程度較??；但在實際使用階段，預(yù)應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)線形和應(yīng)力的影響隨著橋梁結(jié)構(gòu)使用年限的增長而增大。因此，在實際的施工控制中應(yīng)當(dāng)通過摩阻實驗結(jié)合有限元仿真模擬確定具體理論取值。

在實際施工監(jiān)控過程中，影響橋梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)有很多，需要通過參數(shù)準確識別并選取出影響橋梁結(jié)構(gòu)線形和應(yīng)力主要設(shè)計參數(shù)，同時在現(xiàn)場進行模擬實驗獲得相關(guān)參數(shù)的實際值，通過有限元模型進行及時修正，以達到對橋梁施工過程的線形、應(yīng)力等的實時監(jiān)控，保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與施工安全。