特大预应力混凝土连续梁弯桥预拱度多因素敏感性分析

李华东 （中铁建城市建设投资有限公司，江苏 南京 230000）

0 引言

随着我国大基建的规模和速度不断发展，大量公路正在建设。桥梁作为公路建设的关键工程，其建设任务更加艰巨。在各种桥型中，预应力连续梁桥特点明显。它具有变形小、刚度大、施工技术成熟的优点，但因其施工过程中采用挂篮悬臂施工，结构体系为T构形式，而T型结构在施工过程中因为立模标高的给定不同导致成桥线形的不确定，以及因为T构根部弯矩过大等原因给施工带来很大的难度和挑战。因此，预应力连续梁桥的施工监控就显得必不可少，而且愈发重要。施工过程中立模标高的给定主要根据已有线形监控结果和施工预拱度及时调整结构体系因数。因数有哪些、因数如何调整、因数调整多少是施工监控组的重点工作。有关连续梁桥预拱度因素的研究常见报道。研究表明影响桥梁预拱度的主要有材料的容重，钢束预应力、弹性模量、支座沉降、混凝土收缩及合拢顺序等。已有文献少有有关弯桥影响因素敏感性报道，因此本文采用正交分析法，选取若干因素进行连续梁弯桥预拱度多因素敏感性分析，以期为同类连续梁弯桥的施工监控提供参考依据。

1 正交分析方法

对于连续梁桥预拱度的因素敏感性分析，当只强调一个因素的影响而忽略其他因素作用时，显然是与实际情况不符的。只有全面考虑各个因素的作用并区分主次顺序才是最符合实际情况的。传统的多因素分析的全面试验法存在试验方案多，工作量大的特点。如3因素4水平的全面试验次数≥4=64次。而正交实验法就是利用正交表来完成试验的设计和数据分析，以期达到最好目标。如3因素4水平的正交试验次数为16次。能挑选出最具代表性的试验方案，由少数试验方案推出合理的较优方案。

正交分析结果常采用方差分析或极差分析。其中极差分析具有直观、简单特点，且能分析出各因素多指标影响的主次顺序的优点。因此，本文采用极差方法分析连续梁弯桥的预拱度敏感性。极差分析中有K、R两个计算参数，其中K为第i水平下第j列因素的统计参数；R为第j列因素在各水平下分析指标统计值的最大值与最小值之差，表达式如下：

R表示分析指标受第j列因素影响引起的变化幅度。R越大表明分析指标受第j列因素影响的变化幅度越大，因此第j列因素也越重要。

2 预应力连续梁弯桥多因素敏感性分析

2.1 工程背景与有限元模型

本文以安徽省宿州站涉铁市政道路改造工程（银河一路上跨京沪铁路立交）第四联连续梁弯桥为工程背景，主桥上部为预应力混凝土现浇连续梁弯桥。主桥跨径组合为75.5+95+130+2×92+65，桥梁立面图如图1所示。箱梁采用单箱三室，主梁宽度为21.49m，75.5边跨边墩梁端梁高3.6m，渐变至跨中3.8m；其余联跨中梁高均为3.8m，桥墩根部梁高6.0m或7.5m，按1.8次抛物线变化。底板采用变厚度布置，根部底板厚为1.5m，跨中厚为0.3m，底板上缘按1.8次抛物线变化。主梁采用挂篮悬臂施工。为保障箱梁在T型结构体系下的施工安全，将箱梁与墩柱临时固结，增加墩柱节点刚度。

图1 桥梁立面图

图2 桥梁有限元模型

弯桥各因素水平取值 表1

弯梁正交分析计算结果 表2

各因素极差分析结果 表3

采用Midas Civil软件建立分析模型，全桥共建立397个节点，336个单元，模型如图2所示。

3 多因素正交分析

在桥梁施工过程中，由于混凝土容重的离散性及梁段浇筑尺寸与设计尺寸不符等原因；导致梁段自重与设计自重存在误差。由于桥梁结构刚度受混凝土弹性模量影响，进而混凝土弹性模量影响桥梁结构变形与内力。但是实际的混凝土弹性模量具有离散性且受龄期影响，导致材料弹性模量实际值与设计值不相符。桥梁预应力损失是不可避免的，损失的多少会直接影响桥梁结构内力与施工变形。环境相对湿度的改变会影响到混凝土的收缩量。支座沉降会直接影响结构体系的内力和变形。因此，本文选取混凝土容重、钢束预应力、弹性模量、支座沉降和环境相对湿度5个因素，采用正交分析法对该桥预拱度敏感性进行多因素分析。该桥的5个因素基准值如下：混凝土容重为26kN/m³，预应力荷载为1395MPa，混凝土弹性模量为3.55×10MPa，支座沉降为20mm，环境相对湿度为70%。以此为基准值进行多因素正交分析，每个因素4个水平，为了使各参数变化幅度保持一致，4个水平分别按0.9、0.95、1.05、1.1倍基准值取值，各因素水平值如表1所示。

选用L(4)正交表（表格为16行5列，每列4中数字）安排计算分析，共进行16次正交分析，正交分析结果如表2所示。对正交分析结果进行极差分析，极差分析结果如表3。分析结果表明，5个考察因素对桥梁各孔预拱度的影响程度有所不同。对于第3、5孔跨中预拱度各因素的影响程度的大小关系为：钢束预应力>混凝土容重>弹性模量>支座沉降>相对湿度。对于第2孔跨中预拱度各因素影响程度的大小关系为：钢束预应力>弹性模量>混凝土容重>支座沉降>相对湿度。对于第4孔跨中预拱度各因素影响程度的大小关系为：混凝土容重>弹性模量>支座沉降>钢束预应力>相对湿度。由此可见，混凝土容重、钢束预应力、弹性模量、支座沉降是主要因素，而且会随着考察指标的不同呈现出差异重要性，环境湿度是影响预拱度的次要因素，影响程度较小。

4 结论

本文采用正交分析法对预应力连续梁弯桥预拱度敏感性进行多因素分析，克服了单因素敏感性分析不全面的局限性。研究结果表明混凝土容重、预应力荷载、弹性模量、支座沉降是影响桥梁各跨预拱度的主要因素，环境湿度是次要因素；而且，影响各跨预拱度的主要因素敏感性也存在差异。所以，施工监控过程中，立模标高调整也会因为各跨位置的不同而侧重点有所不同。限于篇幅，本文只选择了5中影响因素对弯桥预拱度进行分析，温度变化及混凝土收缩徐变、合拢段顺序等因素的敏感性分析，有待进一步研究。