曲线刚构桥参数敏感性分析

熊志红

(武汉理工大学，湖北武汉 430070)

Xiong Zhihong(Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

曲线刚构桥参数敏感性分析

熊志红

(武汉理工大学，湖北武汉 430070)

通过建立曲线刚构桥的Midas有限元模型，分析了有关计算参数对桥梁结构受力响应的敏感性，指出对曲线刚构桥而言，混凝土容重、弹性模量以及曲率半径的敏感性较强，采用轻质高强材料以及尽可能大的曲率半径对有效提高曲线连续刚构桥的安全性是有益的。

曲线刚构桥，Midas，敏感性，曲率半径，弹性模量

0 引言

1998年，挪威建成的森德大桥的主跨达到298 m，这座桥梁也成为曲线刚构桥的里程碑，该桥的设计方式、结构优化以及施工技术的创新成为以后曲线刚构桥发展的标杆。我国第一座曲线刚构桥是建造于20世纪90年代专门为铁路服务的板其二号大桥［1］，它的主跨径为72 m，曲率半径采用的是450 m，桥墩高为53 m。随着材料性能的逐渐增强，施工技术的不断改进，曲线刚构桥修建跨度也越来越大、桥墩也越来越高、曲率半径不断减小，不仅在山区运用地越来越多，而且跨江跨海的桥梁也多了一种选择，所以说它的应用范围和发展前景是非常可观的。

然而曲线刚构桥也容易出现梁体开裂、墩身开裂和跨中下挠较大等问题。以下运用有限元软件Midas建立了曲线刚构桥的有限元模型，分析有关计算参数对桥梁结构受力响应的敏感性，分别计算了混凝土容重、弹性模量、预应力张拉力、混凝土相对湿度和曲率半径的变化对本桥受力的影响。

1 参数分析方法

以下采用单因素参数进行敏感性分析，本方法最主要的就是选择控制目标，一般通过设计或者施工图来确定。接下来选取特征参数及其变化范围，最后根据选择的控制目标和影响参数因素，建立两者之间的函数关系，如式(1)所示，式(1)中xn为特征参数:

F=f(x1，x2，…，xn) (1)

下文参数分析选择如下特征参数［2-4］:混凝土的容重、混凝土弹性模量、预应力初张力、相对湿度和曲率半径。它的步骤包括:确定参数的上下波动变化范围，下文采用的是上下波动10%;选择控制目标，下文通过参数的控制分析主梁的最大挠度和最大应力，前提是必须在同一荷载组合下;接下来就是分析各个参数对挠度和应力的影响程度大小，以百分比来衡量，通过比较其影响程度百分比，可以确定其是主要的影响参数还是次要的影响参数。以下对曲线刚构桥几个重要设计参数进行敏感性分析。

2 工程实例

2.1 工程概况

以某预应力混凝土曲线连续刚构桥为工程背景。由于受到路线及地质条件限制，该桥最终桥跨布置为(15+55.5+145+ 55.5+15)m，桥梁全长为293 m，桥梁中心线曲线半径为600 m。该桥位于城市次干道上，设计结构安全等级取为二级，人群荷载: 2.5 kN/m2。

主梁采用预应力混凝土箱梁，单箱双室截面，桥面设1.5%的双向坡。主梁两侧人行道均宽3.8 m，设置2%的斜坡。桥面铺装采用8 cm厚钢筋混凝土+10 cm沥青混凝土铺装。桩基、承台采用C30混凝土;辅助墩墩身采用C40混凝土;箱梁、主墩采用C50混凝土。预应力钢绞线采用270级公称直径15.2低松弛预应力钢绞线。

2.2 计算模型

本大跨度曲线连续刚构桥结构计算分析运用有限元程序Midas进行建模。全桥三维有限元杆系模型如图1所示，全桥共建立518个节点，459个单元。一期恒载:梁体混凝土容重按26 kN/m3计;二期恒载:具体包括桥面铺装以及人行道铺装、人行道栏杆及防撞墩，总计96 kN/m。收缩徐变:混凝土收缩徐变算法采用JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［5］算法，混凝土加载龄期按5 d计算，构件的理论厚度算法按公路桥梁规范执行。汽车荷载:城—A级;人群荷载:2.5 kN/m2;温度荷载:整体升温20℃，整体降温20℃;温度梯度荷载:竖向日照正温差计算温度基数的选取采用JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范［6］中表4.3.10-3中的数值。分别取T1为14℃，T2为5.5℃，反温差基数数值为正温差乘以－0.5;施工荷载:施工挂篮重按1 100 kN计。

本桥共设置24处一般支撑，8处刚性连接以及8处弹性连接，桩基采用节点线性弹性支撑，墩底约束全部自由度，墩梁刚接。边墩以一般支撑模拟，约束全部自由度，采用刚性连接。边墩与主梁之间相接采用弹性连接，主墩与主梁以及承台的连接采用刚性连接。

全桥有限元模型如图1所示。

图1 全桥有限元模型

2.3 参数分析

参数分析选择如下特征参数:

1)混凝土容重:混凝土容重的变化也就是桥梁结构自重的变化。本大跨径曲线连续刚构桥主梁运用的是C50混凝土，它的容重设计值是按照25 kN/m3取值，将容重值分别增大10%或者减小10%代入模型。

2)主梁混凝土弹性模量:本曲线刚构桥主梁采用C50混凝土，它的弹性模量设计值按照34 500 MPa取值，将弹性模量值分别增大10%或者减小10%代入模型。

3)预应力初张力:本曲线刚构桥主梁采用1860钢绞线，预应力初张力设计值按照1 395 MPa取值，将预应力初张力值分别增大10%或者减小10%代入模型。

4)相对湿度:本曲线刚构桥主梁采用C50混凝土，设计时相对湿度值按照70%取值，将相对湿度值分别增大10%或者减小10%代入模型，即将相对湿度63%时和77%时代入模型。

5)曲率半径:本桥中心线曲率半径有两个，250.5 m和600 m。本桥桥跨结构全长286 m，其中近90%的桥跨结构位于曲率半径为600 m的曲线上，因此，本小节计算分析中将针对600 m曲率半径进行，增加或者减少10%代入模型，即以540 m和660 m建立模型。计算桥梁的挠度和应力值。并且分析比较两个值与原设计的设计值，并分析比较这两个参数引起的变化有多大。

通过对本曲线刚构桥实例模型的分析，分析了几个影响主梁线性状态的参数的敏感性，分析的结构汇总如表1和表2所示。

从表1，表2可以得出:曲线刚构桥主梁混凝土弹性模量对主梁挠度的影响最大，混凝土的容重、曲率半径和预应力初张力的变化对本曲线刚构桥的挠度变化也有比较大的影响，而混凝土的相对湿度则对挠度的影响很小。曲线刚构桥混凝土的容重对主梁应力的影响最大，混凝土的弹性模量、曲率半径和容重对主梁应力的影响也差不多，预应力初张力则相对小一些，而混凝土相对湿度对主梁应力的影响来说是可以忽略的。

表1 参数敏感性分析挠度结果

表2 参数敏感性分析应力结果

3 结语

通过分别计算混凝土容重、弹性模量、预应力张拉力、混凝土相对湿度和曲率半径的变化对曲线刚构桥受力的影响，得出曲线刚构桥对混凝土容重、弹性模量以及曲率半径的敏感性较强。混凝土容重越小，则挠度和应力越小，混凝土容重越大，则挠度与应力就越大。曲率半径越大，则挠度和应力越小，曲率半径越小，则挠度与应力就越大。据此研究结果可以看出，采用轻质高强材料以及尽可能大的曲率半径对有效提高曲线刚构桥的安全性是有益的。

［1］ 陈俊真，曾昭强，许智焰.一座铁路预应力混凝土平弯桥——南昆铁路板其二号大桥［J］.桥梁建设，1997(18): 125-126.

［2］ 李小柱.大跨连续刚构桥施工控制中的参数敏感性分析［D］.西安:长安大学，2008.

［3］ 雷忠伟.矮塔斜拉桥结构参数敏感性分析［D］.哈尔滨:东北林业大学，2015.

［4］ 王 英，孙利民.大跨连续刚构桥材料参数模态敏感性分析［J］.广西大学学报(自然科学版)，2015(1):142-148.

［5］ JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［6］ JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

Analysis on parameter sensibility of curved rigid-frame bridge

Through establishing Midas finite element model of curved rigid-frame bridge，the paper analyzes sensibility of relevant calculation parameters upon bridge structure stress response.As far as curved rigid-frame bridge being concerned，the sensibility of concrete volume，elastic modulus and curvature radius are rather stronger，applying light-weight and high-strength material and rather big curvature radius are beneficial for improving curved continuous rigid-frame bridge safety.

curved rigid-frame bridge，Midas，sensibility，curvature radius，elastic modulus

Xiong Zhihong
(Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

U448.23

A

1009-6825(2016)35-0177-02

2016-10-09

熊志红(1990-)，男，在读硕士