異形索塔斜拉橋主梁線形和索力敏感性分析

異形索塔斜拉橋主梁線形和索力敏感性分析

1異形索塔斜拉橋施工參數(shù)敏感性研究由蜿蜒的索塔、主梁和斜索組成的不規(guī)則結(jié)構(gòu)體系，由于其美麗的形狀，很快就會(huì)形成。異形索塔斜拉橋在實(shí)際施工過程中受施工方案與工藝、以及自然環(huán)境等諸多因素的影響,易造成實(shí)際結(jié)構(gòu)施工參數(shù)和設(shè)計(jì)值之間產(chǎn)生偏差,如果不能很好地識(shí)別并消除施工中各種偏差對橋梁成橋目標(biāo)的影響,可能導(dǎo)致成橋內(nèi)力狀態(tài)和成橋線形與理論計(jì)算有較大偏離。因此有必要分析異形索塔斜拉橋施工參數(shù)對成橋狀態(tài)的影響,通過控制施工過程中的主要敏感性參數(shù)偏差有效減小對成橋狀態(tài)的不利影響。斜拉橋施工過程的影響因素較多,許多學(xué)者、專家對影響常規(guī)斜拉橋施工過程中的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。王生武等分析異形獨(dú)塔斜拉橋設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性,提出了減少異形獨(dú)塔斜拉橋施工誤差的建議;鄔曉光等對影響雙曲拱塔斜拉橋成橋內(nèi)力和線形的設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性進(jìn)行了研究,為此類異形斜拉橋的施工控制和施工誤差來源提供借鑒。然而未見主塔四肢偏移的異形塔斜拉橋施工參數(shù)敏感性研究的相關(guān)文獻(xiàn),并且同類型橋梁的施工控制資料和研究資料較少。鑒于此類型橋梁在施工過程中受力復(fù)雜且受到的影響因素較多,為確保此類型斜拉橋施工順利實(shí)施和成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求,該文以貴州沿河烏江三橋,一座“飛鴿”形主塔四肢偏移的異形塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?通過結(jié)合實(shí)際施工方案建立空間桿系有限元模型,分別研究主梁自重、斜拉索剛度、施工荷載、斜拉索初張拉力以及混凝土收縮徐變等參數(shù)變化對成橋時(shí)主梁線形、斜拉索索力,以及索塔應(yīng)力和塔頂偏位的影響規(guī)律,并結(jié)合烏江三橋?qū)嶋H監(jiān)控工作,對主要敏感性參數(shù)采取重點(diǎn)控制和修正的措施。2主梁結(jié)構(gòu)及材料貴州沿河烏江三橋主橋?yàn)?145+160)m的異形索塔雙索面固結(jié)體系預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,主橋全長305m,索塔采用“飛鴿”造型,索塔外形新穎,在中國國內(nèi)尚屬首座,索塔高度138.5m。該橋主梁截面采用邊主梁,主橋橋面設(shè)置雙向2%的橫坡,主梁頂面寬為24.5m,主梁高為2.5m,主梁頂板厚為0.32m,主塔、主梁材料分別為C50和C55混凝土。全橋共有40對呈扇形布置的斜拉索,斜拉索材料為抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa的鋼絞線。橋型布置圖見圖1。3梁單元模擬,斜拉索垂度效應(yīng)利用空間有限元軟件Midas/Civil2015建立全橋空間桿系單元結(jié)構(gòu)模型,全橋共劃分為478個(gè)節(jié)點(diǎn),離散為389個(gè)單元,其中主梁120個(gè)單元,索塔189個(gè)單元,斜拉索80個(gè)單元。異形索塔和預(yù)應(yīng)力混凝土主梁采用梁單元模擬;斜拉索采用桁架單元模擬,斜拉索垂度效應(yīng)通過Ernst公式進(jìn)行修正;掛籃荷載和橋面鋪裝分別以節(jié)點(diǎn)荷載和均布荷載形式施加,斜拉索力采用初拉力形式施加到相應(yīng)拉索中;全橋的邊界條件為:①主梁0按照施工方案將模型劃分為205個(gè)施工階段,包括索塔和主梁施工,索塔橫梁的分次澆筑與預(yù)應(yīng)力筋張拉,施工掛籃安裝與前移以及斜拉索的3次張拉等。4結(jié)構(gòu)參數(shù)分析斜拉橋在施工過程中受到結(jié)構(gòu)自重、溫度、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失、初拉索力等參數(shù)影響。結(jié)合貴州沿河烏江三橋現(xiàn)場實(shí)際施工和監(jiān)控情況,通過單一變量原則,僅控制單一參數(shù)變化,同時(shí)其他參數(shù)保持不變,對主梁自重、斜拉索剛度、施工荷載、斜拉索初張拉力和混凝土收縮徐變5個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。以成橋索塔應(yīng)力和偏位,以及主梁線形和索力為控制目標(biāo),研究參數(shù)變化對橋梁內(nèi)力和變形的影響,通過模擬計(jì)算確定敏感性參數(shù)和非敏感性參數(shù)。4.1索塔頂部水平偏位,根據(jù)初貴州沿河烏江三橋的主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土主梁,主梁重度修正后取25.79kN/m由表1和圖2可知:主梁超重5%時(shí),對主梁撓度、成橋索力、索塔應(yīng)力以及索塔頂部水平偏位影響較大,邊跨跨中最大下?lián)侠鄯e位移差為61.06mm,索力最大差值為255kN,增加5.8%。索塔頂部水平偏位為2.82mm,增大10%,索塔應(yīng)力最大差值為0.13MPa。上述結(jié)果表明:主梁自重對成橋狀態(tài)的影響較大,是主梁撓度、成橋索力、索塔內(nèi)力以及索塔偏位的敏感性參數(shù)。因此主梁自重參數(shù)不能忽視,施工過程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控影響主梁自重的因素,在主梁節(jié)段施工過程中嚴(yán)格控制定位鋼筋和模板位置,對模板固定鋼筋仔細(xì)排查,確保模板精度符合規(guī)范要求,并根據(jù)實(shí)測混凝土重度及時(shí)修正有限元模型。4.2索塔塔水平偏位差值貴州沿河烏江三橋斜拉索采用PE防護(hù)單絲涂覆環(huán)氧涂層預(yù)應(yīng)力鋼絞線,斜拉索彈性模量由表2和圖3可知:彈性模量減小10%時(shí),索塔應(yīng)力最大差值為0.02MPa,索塔塔頂水平偏位差值為0.29mm,變化幅度為1%。主梁最大下?lián)侠塾?jì)位移為10.48mm,最大上撓累計(jì)位移為13.37,變化幅度為8%,索力差值最大為20kN,減小0.6%。上述結(jié)果表明:斜拉索剛度變化10%對成橋狀態(tài)影響較小,為非敏感性參數(shù),再加上斜拉索實(shí)際加工制造偏差在10%以內(nèi),因此采用有限元模擬計(jì)算時(shí)忽略斜拉索剛度(彈性模量)參數(shù)對成橋內(nèi)力和變形的影響。4.3施工荷載影響貴州沿河烏江三橋施工荷載包括前支點(diǎn)掛籃、施工人員和機(jī)具、混凝土傾倒(振搗)荷載、以及提前堆放的施工材料和拉索等,在橋梁施工過程中施工荷載的變化可能影響橋梁成橋狀態(tài),通過對主梁掛籃重量增加10%模擬施工荷載的變化,施工荷載參數(shù)變化對成橋索塔應(yīng)力和塔頂偏位的影響如表3所示,施工荷載參數(shù)變化對主梁線形和索力的影響如圖4所示。由表3和圖4可知:當(dāng)施工荷載增加10%時(shí),索塔應(yīng)力差值最大為0.01MPa,索塔塔頂水平偏位差值為0.05mm,主梁累計(jì)位移差值最大為-12.78mm,位于中跨端部懸臂施工最大懸臂端部位置,索力差值最大為-38kN,索力增加0.9%。以上結(jié)果表明:施工荷載對成橋索塔應(yīng)力和索塔偏位以及成橋索力影響很小,這與施工荷載在橋梁建成后撤除有關(guān)。但在橋梁施工中仍要加強(qiáng)施工荷載的監(jiān)控,使有限元模擬計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)際施工荷載保持一致。4.4斜拉索初張拉力貴州沿河烏江三橋采用前支點(diǎn)掛籃對主梁進(jìn)行施工,在主梁施工過程中斜拉索分3次張拉,即:安裝掛籃進(jìn)行第1次張拉,澆筑一半混凝土進(jìn)行第2次張拉,混凝土澆筑完畢強(qiáng)度達(dá)90%進(jìn)行第3次張拉。斜拉索在實(shí)際張拉過程中由于自身應(yīng)力松弛特性、施工張拉技術(shù)、環(huán)境溫度以及索力測量偏差等因素的影響,造成實(shí)際拉索索力和設(shè)計(jì)索力之間產(chǎn)生偏差,索力偏差通常小于5%。基于斜拉索初張拉力減小5%對成橋內(nèi)力、線形和索力的影響,確定其敏感性。初張拉力減小5%對成橋索塔應(yīng)力和偏位的影響如表4所示,初張拉力參數(shù)變化對主梁線形和索力的影響如圖5所示。由表4和圖5可知:斜拉索初張拉力變化對主梁的撓度和斜拉索成橋索力有很大影響。當(dāng)初張拉力降低5%時(shí),邊跨主梁下?lián)献畲罄塾?jì)位移差為67.09mm,主跨下?lián)献畲罄塾?jì)位移差為63.90mm。成橋索力差值最大為232kN,減小5.1%,位于邊跨側(cè)端錨索(S20處),主跨側(cè)成橋索力最大差值為219kN,減小5.6%,位于主跨側(cè)端錨索(M20)。初拉索力降低5%時(shí),索塔應(yīng)力差值變化較小為0.08MPa,索塔塔頂水平位移差值為0.52mm,有一定的影響。上述結(jié)果表明:斜拉索索力變化對成橋索塔應(yīng)力影響較小,但對成橋索力和主梁的位移有很大的影響,對索塔的水平偏位影響也不能忽視,因此,斜拉索初張拉力為敏感性參數(shù)。斜拉索張拉時(shí)要嚴(yán)格分級張拉并考慮溫度對索力的影響,嚴(yán)格控制張拉力和設(shè)計(jì)索力偏差在合理范圍內(nèi),斜拉索測量時(shí)應(yīng)避免風(fēng)荷載、溫度及施工機(jī)具振動(dòng)等對索力的影響,確保成橋主梁撓度和成橋索力,以及索塔應(yīng)力和塔頂偏位滿足設(shè)計(jì)要求。4.5收縮徐變的敏感性分析混凝土收縮徐變影響混凝土斜拉橋的施工和成橋運(yùn)營,混凝土收縮徐變特性影響因素多、離散性強(qiáng)。由于現(xiàn)在常用的混凝土收縮徐變參數(shù)是通過對大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的,再加上橋梁施工時(shí)環(huán)境的差異,所以混凝土收縮徐變在有限元模擬時(shí)很難準(zhǔn)確把握。采用CEB-FIP(1990)建議的混凝土收縮徐變模型,通過考慮10年收縮徐變對成橋內(nèi)力和變形的影響,分析收縮徐變的敏感性,10年收縮徐變影響下成橋索塔應(yīng)力和偏位的變化值如表5所示,收縮徐變對主梁線形和索力的影響如圖6所示。由表5和圖6可知:混凝土收縮徐變對成橋狀態(tài)主梁的撓度、斜拉索成橋索力和索塔偏位影響很大,對成橋索塔應(yīng)力影響不大。邊跨主梁下?lián)献畲罄塾?jì)位移差為47.63mm,主跨下?lián)献畲罄塾?jì)位移差為47.42mm。邊跨錨索(S20)成橋索力差值最大為-245kN,減小5.4%,主跨錨索(M20)成橋索力差值為188kN,減小4.6%。索塔應(yīng)力最大差值為0.12MPa,索塔塔頂水平位移差值為-6.32mm。上述結(jié)果表明:混凝土收縮徐變對主梁撓度、斜拉索成橋索力和索塔偏位影響顯著,屬于敏感參數(shù)。為減小混凝土收縮徐變對橋梁內(nèi)力和變形產(chǎn)生的影響,建議結(jié)合橋梁施工環(huán)境選取合理的收縮徐變計(jì)算模型,并在混凝土澆筑時(shí)添加恰當(dāng)?shù)耐饧觿?對已澆筑混凝土進(jìn)行充分合理的養(yǎng)護(hù)。將上述5種參數(shù)對成橋索塔應(yīng)力、塔頂偏位,以及主梁線形和斜拉索力的影響進(jìn)行匯總,結(jié)果見表6。5梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響主要是通過兩種方式分利用有限元軟件結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場施工方案對全橋進(jìn)行模擬計(jì)算,分別考慮不同參數(shù)的影響,對參數(shù)變化進(jìn)行全面的分析,得出以下結(jié)論:(1)主梁自重、斜拉索初張拉力、混凝土收縮徐變對成橋狀態(tài)影響較大,為敏感性參數(shù)。斜拉索彈性模量、施工荷載對成橋狀態(tài)影響很小,為非敏感性參數(shù)。(2)索塔應(yīng)力、索塔水平偏位的敏感參數(shù)為主梁自重和收縮徐變,其中收縮徐變會(huì)減小主塔在運(yùn)營期的拉應(yīng)力,對主塔有利。主梁變形和成橋索力的敏感參數(shù)為主梁自重、斜拉索初張拉力和收縮徐變。當(dāng)初張拉力降低5%時(shí),主梁下?lián)侠塾?jì)位移差為-67mm,邊跨端錨索索力差