异形索塔斜拉桥参数敏感性分析

刘增武， 辛景舟， 周水兴， 包发文

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆市 400074)

1 引言

异形索塔斜拉桥是由异形索塔、主梁以及斜拉索组成的超静定结构体系,因其造型优美而迅速流行起来。异形索塔斜拉桥在实际施工过程中受施工方案与工艺、以及自然环境等诸多因素的影响，易造成实际结构施工参数和设计值之间产生偏差，如果不能很好地识别并消除施工中各种偏差对桥梁成桥目标的影响，可能导致成桥内力状态和成桥线形与理论计算有较大偏离。因此有必要分析异形索塔斜拉桥施工参数对成桥状态的影响，通过控制施工过程中的主要敏感性参数偏差有效减小对成桥状态的不利影响。

斜拉桥施工过程的影响因素较多，许多学者、专家对影响常规斜拉桥施工过程中的设计参数进行了相关研究。王生武等分析异形独塔斜拉桥设计参数的敏感性，提出了减少异形独塔斜拉桥施工误差的建议；邬晓光等对影响双曲拱塔斜拉桥成桥内力和线形的设计参数敏感性进行了研究，为此类异形斜拉桥的施工控制和施工误差来源提供借鉴。然而未见主塔四肢偏移的异形塔斜拉桥施工参数敏感性研究的相关文献，并且同类型桥梁的施工控制资料和研究资料较少。

鉴于此类型桥梁在施工过程中受力复杂且受到的影响因素较多，为确保此类型斜拉桥施工顺利实施和成桥状态满足设计要求，该文以贵州沿河乌江三桥，一座“飞鸽”形主塔四肢偏移的异形塔斜拉桥为工程背景，通过结合实际施工方案建立空间杆系有限元模型，分别研究主梁自重、斜拉索刚度、施工荷载、斜拉索初张拉力以及混凝土收缩徐变等参数变化对成桥时主梁线形、斜拉索索力，以及索塔应力和塔顶偏位的影响规律，并结合乌江三桥实际监控工作，对主要敏感性参数采取重点控制和修正的措施。

2 工程概况

贵州沿河乌江三桥主桥为(145+160) m的异形索塔双索面固结体系预应力混凝土斜拉桥，主桥全长305 m，索塔采用“飞鸽”造型，索塔外形新颖，在中国国内尚属首座，索塔高度138.5 m。该桥主梁截面采用边主梁，主桥桥面设置双向2%的横坡，主梁顶面宽为24.5 m，主梁高为2.5 m，主梁顶板厚为0.32 m，主塔、主梁材料分别为C50和C55混凝土。全桥共有40对呈扇形布置的斜拉索，斜拉索材料为抗拉标准强度为1 860 MPa的钢绞线。桥型布置图见图1。

3 有限元模型

利用空间有限元软件Midas/Civil2015建立全桥空间杆系单元结构模型，全桥共划分为478个节点，离散为389个单元，其中主梁120个单元，索塔189个单

图1 贵州沿河乌江三桥桥型布置(单位：m)

元，斜拉索80个单元。异形索塔和预应力混凝土主梁采用梁单元模拟；斜拉索采用桁架单元模拟，斜拉索垂度效应通过Ernst公式进行修正；挂篮荷载和桥面铺装分别以节点荷载和均布荷载形式施加，斜拉索力采用初拉力形式施加到相应拉索中；全桥的边界条件为：① 主梁0#和1#块施工支架采用仅受压节点弹性支撑，支撑刚度与实际支架等效处理；② 斜拉索与索塔、主梁之间的连接采用刚臂模拟；③ 桥塔底部采用一般支撑固结处理，主塔、主塔横梁和主梁0#块之间的固结通过设置刚性连接处理，主梁端部支座通过一般支撑释放DX约束模拟。

按照施工方案将模型划分为205个施工阶段，包括索塔和主梁施工，索塔横梁的分次浇筑与预应力筋张拉，施工挂篮安装与前移以及斜拉索的3次张拉等。

4 结构参数敏感性分析

斜拉桥在施工过程中受到结构自重、温度、混凝土收缩徐变、预应力损失、初拉索力等参数影响。结合贵州沿河乌江三桥现场实际施工和监控情况，通过单一变量原则，仅控制单一参数变化，同时其他参数保持不变，对主梁自重、斜拉索刚度、施工荷载、斜拉索初张拉力和混凝土收缩徐变5个参数进行分析。以成桥索塔应力和偏位，以及主梁线形和索力为控制目标，研究参数变化对桥梁内力和变形的影响，通过模拟计算确定敏感性参数和非敏感性参数。

4.1 主梁自重

贵州沿河乌江三桥的主梁为预应力混凝土主梁，主梁重度修正后取25.79 kN/m3。主梁在浇筑过程中因立模偏差、挂篮变形以及混凝土浇筑方量偏差等都会引起主梁重量的变化。结合多座桥梁的施工经验和参考有关文献，考虑主梁自重增大5%对成桥状态的影响，主梁自重参数变化对成桥索塔应力和塔顶偏位影响如表1所示，主梁自重参数变化对主梁线形和索力的影响如图2所示。

表1 主梁自重参数变化对成桥索塔应力和塔顶偏位的影响

图2 主梁自重参数变化(增加5%主梁自重) 对主梁线形和索力的影响

由表1和图2可知：主梁超重5%时，对主梁挠度、成桥索力、索塔应力以及索塔顶部水平偏位影响较大，边跨跨中最大下挠累积位移差为61.06 mm，索力最大差值为255 kN，增加5.8%。索塔顶部水平偏位为2.82 mm，增大10%，索塔应力最大差值为0.13 MPa。上述结果表明：主梁自重对成桥状态的影响较大，是主梁挠度、成桥索力、索塔内力以及索塔偏位的敏感性参数。因此主梁自重参数不能忽视，施工过程中应严格监控影响主梁自重的因素，在主梁节段施工过程中严格控制定位钢筋和模板位置，对模板固定钢筋仔细排查，确保模板精度符合规范要求，并根据实测混凝土重度及时修正有限元模型。

4.2 斜拉索刚度

贵州沿河乌江三桥斜拉索采用PE防护单丝涂覆环氧涂层预应力钢绞线，斜拉索弹性模量E=1.95×108MPa。斜拉索垂度效应随其长度增加而变得明显，可以通过Ernst来修正。斜拉索的轴向刚度由弹性模量和面积决定，由于斜拉索制造偏差小，拉索面积变化不大。通过改变斜拉索的弹性模量来模拟拉索刚度的变化，研究斜拉索弹性模量(E)减小10%对成桥内力和变形的影响，斜拉索弹性模量参数变化对成桥索塔应力和塔顶偏位影响如表2所示，斜拉索弹性模量参数变化对主梁线形和索力的影响如图3所示。

表2 拉索弹性模量参数变化对成桥索塔应力和塔顶偏位的影响

图3 斜拉索弹性模量变化(减小10%弹性模量) 对主梁线形和索力的影响

由表2和图3可知：弹性模量减小10%时，索塔应力最大差值为0.02 MPa，索塔塔顶水平偏位差值为0.29 mm，变化幅度为1%。主梁最大下挠累计位移为10.48 mm，最大上挠累计位移为13.37，变化幅度为8%，索力差值最大为20 kN，减小0.6%。上述结果表明：斜拉索刚度变化10%对成桥状态影响较小，为非敏感性参数，再加上斜拉索实际加工制造偏差在10%以内，因此采用有限元模拟计算时忽略斜拉索刚度(弹性模量)参数对成桥内力和变形的影响。

4.3 施工荷载

贵州沿河乌江三桥施工荷载包括前支点挂篮、施工人员和机具、混凝土倾倒(振捣)荷载、以及提前堆放的施工材料和拉索等，在桥梁施工过程中施工荷载的变化可能影响桥梁成桥状态，通过对主梁挂篮重量增加10%模拟施工荷载的变化，施工荷载参数变化对成桥索塔应力和塔顶偏位的影响如表3所示，施工荷载参数变化对主梁线形和索力的影响如图4所示。

表3 施工荷载参数变化对成桥索塔应力和塔顶偏位的影响

图4 施工荷载变化(主梁挂篮重量增加10%) 对主梁线形和索力的影响

由表3和图4可知：当施工荷载增加10%时，索塔应力差值最大为0.01 MPa，索塔塔顶水平偏位差值为0.05 mm，主梁累计位移差值最大为-12.78 mm，位于中跨端部悬臂施工最大悬臂端部位置，索力差值最大为-38 kN，索力增加0.9%。以上结果表明：施工荷载对成桥索塔应力和索塔偏位以及成桥索力影响很小，这与施工荷载在桥梁建成后撤除有关。但在桥梁施工中仍要加强施工荷载的监控，使有限元模拟计算和现场实际施工荷载保持一致。

4.4 斜拉索初张拉力

贵州沿河乌江三桥采用前支点挂篮对主梁进行施工，在主梁施工过程中斜拉索分3次张拉，即：安装挂篮进行第1次张拉，浇筑一半混凝土进行第2次张拉，混凝土浇筑完毕强度达90%进行第3次张拉。斜拉索在实际张拉过程中由于自身应力松弛特性、施工张拉技术、环境温度以及索力测量偏差等因素的影响，造成实际拉索索力和设计索力之间产生偏差，索力偏差通常小于5%。基于斜拉索初张拉力减小5%对成桥内力、线形和索力的影响，确定其敏感性。初张拉力减小5%对成桥索塔应力和偏位的影响如表4所示，初张拉力参数变化对主梁线形和索力的影响如图5所示。

表4 初张拉力参数变化对成桥索塔应力和塔顶偏位的影响

图5 初张拉力参数变化(减小5%初张拉力) 对主梁线形和索力的影响

由表4和图5可知：斜拉索初张拉力变化对主梁的挠度和斜拉索成桥索力有很大影响。当初张拉力降低5%时，边跨主梁下挠最大累计位移差为67.09 mm，主跨下挠最大累计位移差为63.90 mm。成桥索力差值最大为232 kN,减小5.1%，位于边跨侧端锚索(S20处)，主跨侧成桥索力最大差值为219 kN,减小5.6%，位于主跨侧端锚索(M20)。初拉索力降低5%时，索塔应力差值变化较小为0.08 MPa，索塔塔顶水平位移差值为0.52 mm，有一定的影响。上述结果表明：斜拉索索力变化对成桥索塔应力影响较小，但对成桥索力和主梁的位移有很大的影响，对索塔的水平偏位影响也不能忽视，因此，斜拉索初张拉力为敏感性参数。斜拉索张拉时要严格分级张拉并考虑温度对索力的影响，严格控制张拉力和设计索力偏差在合理范围内，斜拉索测量时应避免风荷载、温度及施工机具振动等对索力的影响，确保成桥主梁挠度和成桥索力，以及索塔应力和塔顶偏位满足设计要求。

4.5 混凝土收缩徐变

混凝土收缩徐变影响混凝土斜拉桥的施工和成桥运营，混凝土收缩徐变特性影响因素多、离散性强。由于现在常用的混凝土收缩徐变参数是通过对大量试验数据进行拟合得到的，再加上桥梁施工时环境的差异，所以混凝土收缩徐变在有限元模拟时很难准确把握。采用CEB-FIP(1990)建议的混凝土收缩徐变模型，通过考虑10年收缩徐变对成桥内力和变形的影响，分析收缩徐变的敏感性，10年收缩徐变影响下成桥索塔应力和偏位的变化值如表5所示，收缩徐变对主梁线形和索力的影响如图6所示。

表5 收缩徐变对成桥索塔应力和塔顶偏位的影响

由表5和图6可知：混凝土收缩徐变对成桥状态主梁的挠度、斜拉索成桥索力和索塔偏位影响很大，对成桥索塔应力影响不大。边跨主梁下挠最大累计位移差为47.63 mm，主跨下挠最大累计位移差为47.42 mm。边跨锚索(S20)成桥索力差值最大为-245 kN，减小5.4%，主跨锚索(M20)成桥索力差值为188 kN，减小4.6%。索塔应力最大差值为0.12 MPa，索塔塔顶水平位移差值为-6.32 mm。上述结果表明：混凝土收缩徐变对主梁挠度、斜拉索成桥索力和索塔偏位影响显著，属于敏感参数。为减小混凝土收缩徐变对桥梁内力和变形产生的影响，建议结合桥梁施工环境选取合理的收缩徐变计算模型，并在混凝土浇筑时添加恰当的外加剂，对已浇筑混凝土进行充分合理的养护。

图6 收缩徐变(10年收缩徐变) 对主梁线形和索力的影响

将上述5种参数对成桥索塔应力、塔顶偏位，以及主梁线形和斜拉索力的影响进行汇总，结果见表6。

表6 影响参数变化引起的成桥状态下相关指标增量最大值

5 结论

利用有限元软件结合实际现场施工方案对全桥进行模拟计算，分别考虑不同参数的影响，对参数变化进行全面的分析，得出以下结论：

(1) 主梁自重、斜拉索初张拉力、混凝土收缩徐变对成桥状态影响较大，为敏感性参数。斜拉索弹性模量、施工荷载对成桥状态影响很小，为非敏感性参数。

(2) 索塔应力、索塔水平偏位的敏感参数为主梁自重和收缩徐变，其中收缩徐变会减小主塔在运营期的拉应力，对主塔有利。主梁变形和成桥索力的敏感参数为主梁自重、斜拉索初张拉力和收缩徐变。当初张拉力降低5%时，主梁下挠累计位移差为-67 mm，边跨端锚索索力差为232 kN,对成桥状态影响很大，建议斜拉索在安装和施工张拉时要严格控制。

(3) 在实际施工过程中应严格监控对桥梁结构变形和内力产生较大影响的敏感参数，并结合现场具体施工情况及时修正混凝土重度以及斜拉索初拉力的理论参数值，确保桥梁成桥后的索塔应力、索塔变形、主梁线形以及斜拉索索力等符合设计要求。

在桥梁施工过程中，修正主要敏感参数，舍弃不敏感参数，将这种方法应用于贵州沿河乌江三桥的施工监控过程中，取得了良好的效果。