大跨径预应力混凝土斜拉桥变形及应力敏感性分析

孙中洋，李家龙

（1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067；2.重庆高速公路集团有限公司建设管理中心，重庆　401121）

大跨径预应力混凝土斜拉桥变形及应力敏感性分析

孙中洋1，李家龙2

（1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067；2.重庆高速公路集团有限公司建设管理中心，重庆401121）

对正在施工中的武佐河特大桥进行有限元仿真计算分析，研究最大悬臂状态下预应力混凝土斜拉桥其结构变形和应力对温度、合龙配重等不确定因素的敏感性，并通过数据拟合确定两者之间函数变化关系，为武佐河特大桥后续边、中跨顺利合龙提供依据。

预应力混凝土斜拉桥；仿真计算；不确定因素；敏感因素

1　工程概况

正在施工中的武佐河特大桥为预应力混凝土斜拉桥。该桥主跨布置为178 m+380 m+178 m。主桥边跨侧分别设置了2个辅助墩，辅助墩距理论跨径线53.125 m。该桥为全漂浮体系，塔梁和辅助墩位置采用临时固结方式进行施工，塔柱为“花瓶型”空间索塔，主梁为π型梁。本文以武佐河特大桥为依托工程，对最大悬臂状态下预应力混凝土斜拉桥其结构变形及应力对温度变化、合龙段配重的敏感性进行分析。武佐河特大桥立面示意见图1。

图1　武佐河特大桥主桥立面布置示意

2　分析依据

本文主要通过有限元仿真计算分析方式来模拟武佐河特大桥实际施工过程中不确定因素的变化。武佐河特大桥主桥整体计算模型见图2。计算时，假设各个不确定因素（温度、配重）相互独立，每次只考虑一个因素变动，其他因素不变，分析该可变因素对桥梁结构变形及应力的影响程度，并采用数据拟合的方式确定对应的函数变化关系，比较结构变形和应力对温度、配重的敏感程度［1-4］。

图2　武佐河特大桥主桥整体计算模型

3　评价指标确定及敏感因素分析

分析时，以主塔偏位、边、中跨悬臂前端主梁变形、中跨侧主梁根部应力作为主要评价指标，通过有限元模型中不同的仿真计算参数来模拟实际桥梁结构作用的变化，涉及到的仿真计算参数主要有合龙段配重、结构整体升降温、斜拉索的温差效应等。分析均利用结构最大悬臂状态计算模型进行［5-8］。

3.1合龙段配重

斜拉桥合龙口施工一般需在悬臂段施加配重。合龙配重分为合龙段重量配重、偏载配重（用于修正合龙温度、微调合龙口误差等）。本节模拟计算均按照单端（边跨或中跨悬臂前端）配重考虑，以分别计算单端不同配重对塔偏、边、中跨主梁悬臂前端变形、中跨主梁根部应力的作用效应。具体计算结果见表1、表2。

为便于对表1、表2中的数据进行分析，本文将表1、表2中的数据进行绝对值化处理后进行数据拟合，数据拟合曲线见图3。图3中，塔偏-边跨指在边跨配重时主塔塔偏变化量；本端-边跨指在边跨配重时边跨悬臂前端标高变化量；远端-边跨指在边跨配重时中跨悬臂前端标高变化量；塔偏-中跨指在中跨配重时主塔塔偏变化量；远端-中跨指在中跨配重边跨的标高变化量；本端-中跨指在中跨配重时中跨标高变化量。

表1　边跨悬臂前端不同配重对桥梁变形及应力的作用效应

表2　中跨悬臂前端不同配重对桥梁变形及应力的作用效应

图3　配重-变形数据拟合曲线

从图3可以看出：1）单悬臂端配重的增加对中跨侧主梁根部应力影响很小；2）主梁悬臂前端及主塔变形相对于单悬臂端配重呈线性关系变化；3）边、中跨的配重对远端主梁变形影响量相同，符合变位互等原理；4）塔偏-中跨与塔偏-边跨相比，塔偏-中跨变形量对单悬臂端配重更为敏感，本端-中跨与本端-边跨相比，本端-中跨变形量对单悬臂端配重更为敏感。

基于上面的数据分析可以判断：边跨辅助墩的存在可显著降低边跨悬臂前端变形对单悬臂端配重的敏感性。如果边跨合龙口标高相差较大，则可调索拉索力来调整合龙口标高；中跨合龙口可采用配重来调整偏差，以利于现场控制。

3.2温度效应

为了模拟实际结构受季节温差及日照温差（因索与塔梁热膨胀系数不同，故导致实际结构中存在温差效应）的影响，针对以下3种情况，通过调整有限元模型中结构整体升降温及单元温度等来分别模拟斜拉索局部升温、结构整体升温、斜拉索与混凝土塔、梁差异性升温对桥梁关键位置变形及应力的影响。

1）斜拉索局部升温对桥梁关键位置变形及应力的影响。

斜拉索局部升温对主塔塔偏、边跨、中跨悬臂前端变形及中跨侧主梁根部应力影响的主要计算结果见表3。

2）结构整理升温对桥梁关键位置变形及应力的影响。

结构整体升温对主塔塔偏、边跨、中跨悬臂前端变形及中跨侧主梁根部应力影响的主要计算结果见表4。

3）斜拉索与混凝土塔、梁差异性升温对桥梁关键位置变形及应力的影响。

斜拉索的温度变化较混凝土塔、梁剧烈得多，因此，为了分析斜拉索与混凝土塔、梁差异性升温，本文假设斜拉索的升温效果是混凝土塔、梁升温效果的2倍，即斜拉索升温10℃时，混凝土的塔和梁升温5℃。

斜拉索与混凝土塔、梁差异性升温对主塔塔偏、边跨、中跨悬臂前端变形及中跨侧主梁根部应力影响的主要计算结果见表5。

表3　斜拉索局部升温对桥梁变形及应力的作用效应

表4　　结构整体升温对桥梁变形及应力的作用效应

表5　塔梁与斜拉索的差异性升温对桥梁变形及应力的作用效应

将上述斜拉索局部升温、结构整体升温、塔梁与斜拉索差异性升温3种情况下主塔偏位、边跨悬臂前端变形、中跨悬臂前端变形的计算结果分别进行数据拟合，数据拟合曲线见图4。

图4　不同工况作用下主塔塔偏、边跨和中跨悬臂前端变形数据拟合曲线

从表3～5和图4可以看出：

1）主梁边跨、中跨悬臂前端变形、主塔变形分别与斜拉索局部升温、结构整体升温、塔梁与斜拉索差异性升温呈线形关系变化。

2）与结构整体升温相比较，拉索局部升温对主桥悬臂前端变形、应力的影响要大得多，特别是对中跨悬臂前端变形的影响更大。

3）主桥悬臂前端变形和应力对塔梁与斜拉索差异性升温的敏感性介于拉索局部升温及整体升温之间，与实际桥梁的温度敏感性接近。

4）中跨相比边跨其对温度效应更敏感，从而增加了施工控制的难度。

5）边跨辅助墩可降低结构对温度效应的敏感性。

基于上述分析，可以得出如下判断：1）相比于整体温度效应来说，武佐河特大桥主桥变形及应力对拉索局部温差效应更为敏感；2）边跨辅助墩有效降低了结构对温度效应的敏感性；3）施工过程中应注意拉索的温差效应对长悬臂段标高的影响，特别是合龙口两侧标高对温度效应的敏感性有明显差异且拉索又未按设计温度张拉时；4）实际施工中要准确分析桥梁温度敏感性，应对混凝土塔、梁与斜拉索之间的升温差异性进行监测分析。

4　结论

本文以正在施工中的武佐河特大桥为依托工程，对最大悬臂状态下预应力混凝土斜拉桥其结构变形和应力对温度、合龙配重等不确定因素的敏感性进行了计算分析，并得出如下结论：

1）合龙段配重、温度效应对桥梁结构的变形及应力呈线形关系变化。

2）边跨辅助墩的存在可有效降低边跨侧结构对外界作用的敏感性。

3）结构对于斜拉索局部温差效应较整体温差效应更为敏感，即结构对于日照温差效应要敏感。

4）斜拉索的温度变化较混凝土塔、梁更为剧烈，其差异导致桥梁的实际温度敏感性应介于本文讨论的整体升温、拉索局部升温情况之间。因此，实际施工中要准确分析桥梁温度敏感性，应对混凝土塔、梁与斜拉索之间的升温差异性进行监测分析。

［1］重庆交通科研设计院.JTG/T D65-1—2007公路斜拉桥设计细则［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］中交公路规划设计院.JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］中交公路规划设计院.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］路桥集团第一公路工程局.JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］ 林元培.斜拉桥［M］.北京：人民交通出版社，1994.

［6］谭勇.混凝土斜拉桥中跨合龙技术分析［J］.城市建设理论研究，2013（12）：30-35.

［7］ 向中富.桥梁施工监控技术［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［8］交通部公路科学研究所.JTG F80/1—2004公路工程质量检验评定标准［S］.北京：人民交通出版社，2004.

Analysis to Large Span Prestressed Concrete Cable Stayed Bridge Deformation and Stress Sensitivity

SUN Zhongyang1，LI Jialong2

This paper performs finite element calculation and analysis on Wuzuo River Bridge，which is under construction，to study the sensitivity of structural deformation and stress of prestressed concrete cable stayed bridge under maximum cantilever status against uncertain factors such as temperature，closure counterweight，etc.This paper also uses data fitting to determine function change relation between these two parts，in order to provide basis for subsequent side and middle span closure of Wuzuo River Bridge.

prestressed concrete cable stayed bridge；Simulation calculation；uncertain factor；sensitive factor

1009-6477（2016）04-0076-04

U448.27

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.017

2016-02-25

孙中洋（1986-），男，山东省济宁市人，硕士，工程师。