預應力混凝土矮塔斜拉橋敏感性參數分析

劉松鑫, 徐海賓, 李 磊

(1.河南理工大學土木工程學院 河南 焦作 454000;2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司 河南 鄭州 450000)

0 引言

矮塔斜拉橋是由索塔、主梁以及斜拉索組成的超靜定結構體系,受力性能介于梁式橋和傳統斜拉橋之間,具有造型美觀、結構剛度大、造價低、施工方便等特點,近幾年在城市道路、景觀橋梁、高速鐵路中得到廣泛應用[1]。矮塔斜拉橋在實際施工過程中會受到很多因素的影響,導致實際成橋狀態和設計目標存在誤差,我們把這個些影響因素稱之為參數,主要包括兩個方面:結構布置參數和構件狀態參數[2],因此需要對矮塔斜拉橋的這些參數進行分析,通過識別出敏感性參數,在施工過程中加以控制,以減小對成橋狀態的不利影響。

劉昊蘇等[3]對矮塔斜拉橋索塔剛度、主梁剛度及斜拉索剛度進行了敏感性分析,并對三者的敏感性進行排序。徐佰順等[4]分析了主梁自重、主梁彈性模量、斜拉索索力、預應力張拉力、混凝土收縮徐變和體系溫度參數變化下主梁的應力和撓度的變化規律,判別出對應力和撓度的敏感性參數和非敏感性參數。王燦等[5]分析了溫度變化、結構自重、施工索力、主梁剛度等參數在成橋階段對橋梁內力、線形及索力的影響規律。鄔曉光等[6]分析了結構重度、拉索彈性模量、拉索初張力、整體溫度等參數變化的影響規律。馮仲仁等[7]研究了主梁自重、斜拉索彈性模量、施工荷載、初張拉力、溫度的變化對主梁線形、應力和索力的影響。張亞海等[8]研究了拉索彈性模量、主梁重度、主梁剛度及索塔剛度等設計參數對全橋線形、內力的影響。劉增武等[9]研究了主梁自重、斜拉索剛度、施工荷載、斜拉索初張拉力、混凝土收縮徐變等參數變化對索塔應力和偏位,以及主梁線形和索力的影響規律。鮑英基等[10]分析了拉索索力、預應力、橋面鋪裝層厚度和混凝土徐變系數參數的敏感性,對矮塔斜拉橋主梁的應力和位移的影響。

本文通過控制變量法,研究了主梁自重、主梁混凝土彈性模量、預應力張拉力3個結構狀態參數對矮塔斜拉橋成橋狀態的敏感性,分析出在施工過程中對成橋狀態影響最大的參數。

1 計算模型

1.1 工程概況

柬埔寨Norea大橋為雙塔單索面預應力混凝土矮塔斜拉橋,結構體系為塔梁固結,墩梁分離的支座體系?？鐝讲贾脼?108 m+180 m+108 m),邊中跨比為0.6。橋面以上索塔總高為60 m,其中裝飾性索塔塔冠高11 m,高跨比為1/3。斜拉索為單索面(水平雙排索,間距1.2 m)、扇形布置,每個塔上設有32根斜拉索,全橋共64根。斜拉索在主梁上縱向間距為4.2 m,塔上豎向間距為1.5 m。斜拉索在塔上連續通過鞍座兩側對稱錨于主梁兩道中腹板頂部。箱梁采用單箱三室斷面,跨中梁高3.2 m,支點梁高6.0 m?？缰?2.4 m采用3.2 m等高梁,以便于施工。中墩支點左右各3 m(共計6 m)長度范圍采用6.0 m梁高,支點梁高采用二次拋物線漸變至3.2 m等高段,漸變段長度為60.8 m。中腹板采用直腹板,邊腹板采用斜腹板,以滿足受力和景觀要求。主橋布置如圖1所示。

圖1 矮塔斜拉橋總體布置圖 (單位:cm)

1.2 有限元模型

采用有限元軟件Midas Civil 2021建立全橋的空間有限元計算模型,全橋共劃分560個節點,467個單元,其中梁單元339個,桁架單元128個。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 矮塔斜拉橋有限元模型

有限元模型中材料參數如表1所示。

表1 材料參數表

2 參數敏感性分析

本文主要對主梁自重、主梁混凝土彈性模量、預應力張拉力3個結構狀態參數進行敏感性分析。通過選取控制參數在設計值上的4種變化情況,分析對斜拉索索力、主梁彎矩、主梁豎向位移的影響,當一個參數變化時,其他參數保持設計值不變,研究參數及控制變化范圍(如表2所示)。(圖中數據增量以負彎矩為正,以位移向下為正)。

表2 參數狀態表

2.1 主梁自重影響分析

在施工過程中,主梁混凝土的容重誤差會導致主梁自重產生一定的誤差。因此在有限元軟件建模分析的過程中,通常改變主梁容重,來進行參數敏感性的分析。Norea矮塔斜拉橋混凝土設計容重為26 kN/m3。分別分析在這4種工況下混凝土自重對全橋結構受力狀態的影響

2.1.1 主梁自重對成橋索力的影響

通過改變主梁自重分析對成橋索力的影響,計算結果見圖3所示 。

圖3 主梁自重改變±3%和±5%索力增量

由圖3可以看出來,成橋索力隨著主梁自重的變化而變化,增減的幅度和自重的變化成正相關,成橋索力變化幅度最大的是中部斜拉索,自重增減5%時,斜拉索索力分別增減3.21%和2.72%,因此由分析可知主梁自重改變會對成橋索力產生影響。

2.1.2 主梁自重對主梁彎矩的影響

通過改變主梁自重分析對主梁彎矩的影響,計算結果如圖4所示。

圖4 主梁自重改變±3%和±5%彎矩增量

由圖4可以看出來,當主梁自重發生改變時,索塔處彎矩變化最大,當主梁自重增加3%和5%時,主塔處負彎矩分別增加12.17%和18.76%,當主梁自重減少3%和5%時,主塔處負彎矩分別減少11.23%和22.89%。由此分析可知,主梁自重改變會對主梁彎矩產生較大的影響,主要原因是主梁自重改變影響了橋梁恒荷載及斜拉索索力的變化,從而導致主梁彎矩變化明顯,因此在施工過程中要嚴格控制混凝土配合比和模板的精度,減小由于主梁自重改變對結構受力的影響。

2.1.3 主梁自重對主梁豎向位移的影響

通過改變主梁自重分析對主梁豎向位移的影響,計算結果見圖5所示。

圖5 主梁自重改變±3%和±5%位移增量

由圖5可以看出來,當主梁自重發生改變時,主梁最大位移變化量出現在跨中位置及邊跨合攏段,當主梁自重增加5%時,主梁位移變化量最大,最大值為22.55 mm,增幅為18.79%。由此分析可知,主梁自重改變也會對位移產生較大的影響,主要原因還是主梁自重改變導致恒荷載變化,從而影響主梁線性。

綜上所述,當主梁自重變化時,對斜拉索索力、主梁彎矩和豎向位移影響較大,因此主梁自重屬于敏感性參數。

2.2 主梁彈性模量影響分析

Norea矮塔斜拉橋主梁彈性模量為3.6×104MPa。分析分別在這4種工況下主梁彈性模量對全橋結構受力狀態的影響。

2.2.1 主梁彈性模量對成橋索力的影響

通過改變主梁彈性模量分析對成橋索力的影響,計算結果見圖6所示。

圖6 主梁彈性模量改變±3%和±5%索力增量

由圖6可以看出來,在4種工況下下,主梁彈性模量變化時,斜拉索索力變化并不明顯,變化值最大不超過1 kN,可以忽略不計,因此主梁彈性模量為非敏感性參數。

2.2.2 主梁彈性模量對主梁彎矩的影響

通過改變主梁彈性模量分析對主梁彎矩的影響,計算結果見圖7所示。

圖7 主梁彈性模量改變±3%和±5%彎矩增量

由圖7可以看出來,當主梁彈性模量改變時,主要影響橋塔周圍彎矩,變化最大的工況是當主梁混凝土彈性模量減少5%時,橋塔位置處負彎矩增加515.21 kN·m,但增加幅度僅為0.22%。因此主梁彎矩對主梁彈性模量的變化不敏感。

2.2.3 主梁彈性模量對主梁豎向位移的影響

通過改變主梁彈性模量分析對主梁豎向位移的影響,計算結果見圖8所示。

圖8 主梁彈性模量改變±3%和±5%位移增量

由圖8可以看出來,當主梁彈性模量在設計值上變化+5%和-5%時,主梁位移變化量在-0.25～0.23 mm之間,變化幅度最大為0.21%,主梁豎向位移變化幅度不超1 mm。由此分析可知,主梁混凝土彈性模量改變對于主梁位移的影響基本可以忽略,主梁位移對主梁混凝土彈性模量的變化不敏感。

綜上分析可知,主梁彈性模量的變化對主梁的內力和線性的影響并不顯著,屬于非敏感性參數。

2.3 預應力張拉力影響分析

在施工過程中,各種因素會導致預應力損失,因此通過改變預應力張拉力來研究對矮塔斜拉橋的內力和位移產生的影響。Norea矮塔斜拉橋設計預應力張拉力為1395 MPa。分析分別在這4種工況下預應力張拉力對全橋結構受力狀態的影響。

2.3.1 預應力張拉力對成橋索力的影響

通過改變預應力張拉力分析對成橋索力的影響,計算結果見圖9所示。

圖9 預應力張拉力改變±3%和±5%索力增量

由圖9可以看出來,預應力張拉力發生改變時,斜拉索索力值都均勻發生變化,最大增量為當預應力張拉值減少5%時,成橋索力值增加了28.76 kN,增幅為1.09%。由此分析可知,斜拉索作為體外預應力筋和主梁內預應力鋼筋相互配合,共同作用來分擔主梁的各種荷載,當預應力張拉力增大時,相應的斜拉索的索力值會減小。因此斜拉索索力對預應力張拉值的改變非常敏感。

2.3.2 預應力張拉力對主梁彎矩的影響

通過改變預應力張拉力分析其對主梁彎矩的影響,計算結果見圖10所示。

圖10 預應力張拉力改變±3%和±5%彎矩增量

由圖10可以看出來,預應力張拉力發生改變時,主梁彎矩相對變化較大,尤其在橋塔位置出負彎矩變化最大,且當預應力張拉力減少5%時,主梁負彎矩最大增量為1.84×104kN·m,增幅為88.01%。由此分析可知,預應力張拉力變化時對主梁彎矩值影響較大,屬于敏感性參數。

2.3.3 預應力張拉力對主梁豎向位移的影響

通過改變預應力張拉力分析其對主梁豎向位移的影響,計算結果見圖11所示。

圖11 預應力張拉力改變±3%和±5%位移增量

由圖11可以看出來,預應力張拉力發生改變對主梁豎向位移影響顯著,主梁豎向位移發生改變主要在跨中位置和邊跨和龍段處,當預應力張拉力減少5%時,主梁豎向位移最大增加量為7.39 mm,增幅為29.30%。由此分析可知,預應力張拉力的改變影響結構受力狀態,從而導致主梁豎向位移增大,因此預應力張拉力屬于敏感性參數。

綜上分析可知,橋梁結構中的預應力鋼筋作為主要的受力構件,預應力張拉力的變化會導致結構的內力和線性出現較大的改變,且對斜拉索的索力影響較為顯著,因此預應力張拉力屬于敏感性參數。

3 結論

本文以柬埔寨 Norea 三跨(108 m+180 m+108 m)雙塔單索面預應力混凝土矮塔斜拉橋為研究對象,建立了空間桿系有限元模型,分析了主梁自重、主梁彈性模量、預應力張拉力3個參數變化對成橋狀態斜拉索索力、主梁彎矩和豎向位移的影響,得出結論如下:

(1)主梁自重和預應力張拉力對成橋狀態影響大,屬于敏感性參數。主梁彈性模量對成橋狀態影響小,屬于非敏感性參數。

(2)通過對3個參數的斜拉索索力、主梁彎矩和豎向位移在4種工況下的分析,3個參數的改變量對斜拉索索力、主梁彎矩和豎向位移的影響成正相關。