大跨连续刚构桥施工监控参数敏感性分析

大跨连续刚构桥施工监控参数敏感性分析

陈凡;冉志红;岳园;郑重

【摘 要】考虑受力特点和施工便捷性,预应力混凝土连续刚构桥成为高原山区跨越沟谷的首选桥型.为研究连续刚构桥施工控制过程中各类参数对其结构力学行为的影响程度,文章依托三岔沟大桥工程实践,采用桥梁结构软件MIDAS/Civil建立该桥的施工监控有限元模型,对其施工过程进行仿真分析.结果表明:混凝土容重、弹性模量、收缩徐变、温度荷载对主梁挠度敏感度高,为主梁线形的主要设计参数;混凝土容重、预应力、温度荷载对主梁应力敏感度高,为截面应力的主要设计参数.

【期刊名称】《西部交通科技》

【年(卷),期】2017(000)008

【总页数】5页(P41-45)

【关键词】连续刚构桥;施工监控;参数敏感性;MIDAS/Civil

【作 者】陈凡;冉志红;岳园;郑重

【作者单位】云南大学建筑与规划学院,云南 昆明 650091;云南大学建筑与规划学院,云南 昆明 650091;云南大学建筑与规划学院,云南 昆明 650091;云南大学建筑与规划学院,云南 昆明 650091

【正文语种】中 文

【中图分类】U448.23

随着交通运输事业的发展，国家“一带一路”战略的提出，云贵高原山区高速公路迎来新的建设热潮，预应力混凝土连续刚构桥以其施工便捷、受力合理、线形美观、造价经济等诸多优点成为云南省高速公路建设跨山越谷的首选桥型。

预应力混凝土连续刚构桥一般采用挂篮悬臂浇筑施工，按照“挂篮前移立模、混凝土浇筑、预应力张拉”的步骤由墩顶自0号块梁段开始对称循环施工至最后成桥合龙，是一个施工周期长、施工工序多、施工监控难度大、具有误差累积效应的复杂系统工程[1]。在每个施工工况下都受到了很多不确定因素影响，主要包括结构设计参数、施工工艺、材料性能、温度荷载等[2]。施工监控技术随着科学技术的发展在桥梁的建设中得到广泛应用，为保证桥梁建设的施工安全与成桥线形、合龙精度、结构内力等状态达到设计规范要求，必须开展施工监控工作[3]～[4]。笔者以云南省麻柳湾至昭通段高速公路上跨越三岔沟的一座大跨预应力混凝土连续刚构桥为工程依托，对影响三岔沟大桥施工监控的某些主要参数进行了敏感性分析，分别得到三岔沟大桥主梁挠度与应力的敏感参数，以便为三岔沟大桥的施工监控选择确定待辨识的参数提供参考依据。

三岔沟大桥是麻柳湾至昭通高速段跨越三岔沟的一座特大跨预应力混凝土连续刚构桥，上部结构桥跨布置为95 m+180 m+95 m，全长370 m，采用单箱单室变截面箱梁，箱梁顶板宽12.0 m，底板宽6.5 m，主梁与主墩采用C55混凝土，主梁采用三向预应力结构，主墩采用双肢变截面薄壁墩，3#与4#主墩墩顶0#块梁段和边墩现浇梁段采用支架现浇，每个T形刚构从1#块梁段开始采用挂篮对称悬臂浇筑至22#块合拢段结束，最后按先边跨后中跨的合龙顺序成桥，三岔沟大桥桥型布置见下图。

采用桥梁结构分析软件MIDAS/Civil对三岔沟大桥进行参数灵敏度计算分析，根据施工图设计文件将三岔沟大桥离散为相应的节点和单元，三岔沟大桥模型的结构离散图如图2所示。

单参数的敏感性分析是根据选定的基准状态，对影响桥梁结构行为的参数变量独自改变一定范围，建立影响参数与结构行为响应之间的函数关系式： F=f(x1，x2，…xn)

式中，xi为影响参数。

式(1)的函数关系表明对n个参数变量的独立分析，得到由此对应变化引起的结构响应行为，由于桥梁施工过程的参数化因素众多，采用此法可直观便捷的得到影响桥梁结构变形和应力的主要参数，固单参数敏感性分析在桥梁的施工监控中得到了广泛应用。

单参数敏感性分析步骤如下：

(1)将参数变量变化5%～10%的幅度；

(2)选定控制变量，对改变参数后的结构响应与基准状态响应做差，得到结构的响应增量，建立各参数的敏感度方程δ=|F-F′|；

(3)根据影响程度判定主要设计参数与次要设计参数。

2.1 混凝土容重分析

混凝土容重离散性较大，呈随机偏态分布[5]，由于高标号的混凝土空隙率小，密实度高，施工现场的容重实测值一般高于理论值5%左右[6]，三岔沟大桥选用C55混凝土，基准容重γ=26 kN/m3，本文将主梁容重增大5%，即1.05γ=27.3

N/m3，分析由此引起的桥梁主梁挠度与截面应力变化，结果如图3与表1所示。

由图3与表1可知，在容重增加5%的幅度下，主梁挠度变化最大值为7 mm，达到该处挠度的20%，上缘应力变化最大值为0.7 MPa，达到该处应力储备的8%，下缘应力变化最大值为0.7 MPa，达到该处应力储备的9%，可知容重对主梁的挠度与应力均有很大影响，且随着主梁悬臂长度的增长，挠度与应力的差值呈增长趋势。

2.2 混凝土弹性模量分析

混凝土弹性模量是决定桥梁结构刚度的重要参数，其实测值一般高于规范值10%左右[7]。C55混凝土弹性模量E=3.55×104 MPa，分析1.1倍弹性模量引起的主梁挠度与截面应力变化，结果如图4与表2所示。

由图4与表2可知，在弹性模量增加10%的幅度下，主梁挠度变化最大值为14

mm，达到该处挠度的8%，上缘应力变化最大值为0.4 MPa，达到该处应力储备的2%，下缘应力变化最大值为0.08 MPa，达到该处应力储备的3%，可知弹性模量对主梁的挠度有很大影响，且与挠度呈逆增长关系，即弹模增大，挠度减小，弹性模量变化对截面上下缘的应力影响较小。

2.3 预应力参数分析

预应力损失影响主梁的线形与应力状态，主要包括管道摩阻系数μ、偏差系数k及锚固端预应力钢筋的张拉控制应力f等三部分损失。三岔沟大桥的预应力参数设计值取μ=0.2，k=0.001 5，f=1 395 MPa，本文以此设计参数为基准，分别取μ=0.2、0.25、0.30；k=0.001 5、0.002 0、0.002 5；f=1 265 MPa、1 395

MPa、1 535 MPa，计算μ、k、f对主梁挠度与应力的敏感度，结果如表3～8所示。

(1)摩阻系数μ敏感性分析

由表3～4可知，当μ值分别增大25%、50%的情况下，最大悬臂施工状态下主梁挠度变化绝对最大值分别1.9 mm和3.8 mm，只占到该处挠度的5%和10%，成桥状态下无影响；最大悬臂施工状态下主梁上缘应力变化绝对最大值分别为0.3

MPa和0.7 MPa，只占到该处应力的2.8%和5.6%，下缘应力变化绝对最大值分0.1 MPa和0.2 MPa，只占到该处应力的1%和2%，成桥状态影响更小，由此可知，摩阻系数μ对桥梁的线形和应力状态敏感度低。

(2)偏差系数k敏感性分析

由表5～6可知，当k值分别增大33%、66%的情况下，最大悬臂施工状态下主梁挠度变化绝对最大值分别1.78 mm和3.56 mm，只占到该处挠度的4.8%和9.6%，成桥状态下无影响；最大悬臂施工状态下主梁上缘应力变化绝对最大值分别为0.3 MPa和0.7 MPa，只占到该处应力的2.8%和5.6%，下缘应力变化绝对最大值分0.1 MPa和0.2 MPa，只占到该处应力的1%和2%，成桥状态影响更小，由此可知，偏差系数k对桥梁的线形和应力状态敏感度低。

(3)张拉控制应力f敏感性分析

由表7～8可知，当张拉控制应力f值分别增减10%，即f=1 535 MPa及f=1

265 MPa的情况下，最大悬臂施工状态下主梁挠度变化绝对最大值分别8.0 mm和7.8 mm，占到该处挠度的25%和24%，成桥状态下无影响；最大悬臂施工状态下主梁上缘应力变化绝对最大值分别为2.3 MPa和2.1 MPa，占到该处应力的21%和19%，下缘应力变化绝对最大值分0.6 MPa和0.5 MPa，占到该处应力的6.3%和6.1%，成桥状态影响较小，由此可知，张拉控制应力f对桥梁的线形和应力状态影响较大，敏感度高。

2.4 收缩徐变分析

收缩徐变是混凝土在应力保持不变的情况下应变随时间增长的一种时变特性[8]，PC刚构连续桥收缩徐变在成桥后5年间内对主梁内力和挠度影响较为显著。选取成桥空工况、成桥3年、成桥5年、成桥10年4个工况对收缩徐变分析，研究是否考虑收缩徐变对主梁挠度与截面应力的影响程度，结果如图5与表9所示。

由图5与表9可知，收缩徐变对主梁挠度有很大影响，在运营期5年内下挠增长速度很快，影响程度持续加大，5年后增长速度放慢，影响程度降低，在运营10年作用基本接近下挠终值，是连续刚构桥在运营期内出现跨中下挠病害的主要原因，相对于桥梁的变形，收缩徐变对主梁的应力影响程度较小，但也呈现增长趋势。

2.5 温度荷载分析

温度荷载对桥梁的作用主要体现在年温差和局部日照温差两方面，三岔沟大桥温度荷载设计值为年温差：整体升温14 ℃，降温23 ℃；日照温差：顶板升温14 ℃，降温7 ℃；笔者以此两方面进行温度荷载敏感性分析，结果如图6和表10所示。 由图6与表10可知，温度上升，主梁整体上拱；温度下降，主梁整体下挠，对主梁挠度影响显著，年温差作用对主梁应力影响较小，局部日照温差作用对主梁应力影响明显，这是由于局部日照温差对成桥后处于超静定体系的连续刚构桥产生了温度次内力。

(1)主梁挠度敏感性参数：容重γ、弹性模量E、张拉控制应力f、收缩徐变、年温差及局部日照温差；主梁应力敏感性参数：容重γ、张拉控制应力f、日照温差。

(2)施工监控过程中，应对施工现场进行严格的混凝土容重测试与弹性模量实验，避免出现混凝土超方与欠方、不平衡荷载与超重堆载的现象。

(3)收缩徐变模式应充分考虑工程实际情况，选取正确的收缩徐变相关参数，进而选择正确的收缩徐变模型。

(4)温度荷载具有时间性、空间性和结构性，对桥梁的施工状态与成桥状态均有显著影响，在监测桥梁的线形与应力数据时，应选择温度变化小的时段采集，尤其是合龙阶段存在静定变为超静定的体系转换，建议选择在温度变化很小的凌晨进行，避免产生温差变形与温差应力。

【相关文献】

[1]王学伟，卜一之，祝 兵，等.六塔斜拉桥主梁制造阶段参数敏感性研究[J].公路交通科技，2015，32(1)：76-82.

[2]顾安邦，张永水.桥梁施工监控与控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]楼庄鸿.超大跨径桥梁的建设与发展[J].桥梁，2009(1)：24-29.

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