不对称悬浇混合梁刚构桥线形控制敏感性分析

张 永，陈伟杰，程剑煌，彭自强

（1.中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000；2.泉州市交通工程规划建设技术中心，福建 泉州 362000；3.江西飞尚科技有限公司基础设施安全监测与评估国家地方联合工程研究中心，江西 南昌 330052）

钢-预应力混凝土混合梁连续刚构桥综合了预应力混凝土和大节段钢箱梁的优点，具有良好的社会经济效益[1-3]。在线形控制方面有如下难点：主跨中部采用大节段预制钢箱梁，合龙调整能力有限；边中跨结构不对称，施工过程中桥墩需要承担不平衡弯矩；桥面不设置调平层，裸梁梁顶平整度、铺装恒载控制难度大；此外各类参数的离散性也导致与成桥目标的偏离。敏感性分析为施工控制工作中的参数识别，模型修正，预测分析和误差调整等工作提供依据[4]。

1 工程背景

安海湾特大桥主桥采用钢-预应力混凝土混合梁连续刚构桥，跨径组合为（135＋300＋135）m，主墩两侧采用混凝土悬浇，主跨跨中合龙段为长度103m 的大节段钢箱梁，钢箱梁与混凝土节段间设置5m 长钢混结合段。主桥上下分幅布置，箱梁顶面横坡为2.5%，以相应设计标高为原点分别向左右倾斜，梁底横向保持水平。混凝土主梁为单箱单室，顶板宽度为16.25m，底板宽度为7.65m。根部梁高15m，跨中梁高4.5m。梁高按2 次抛物线规律变化。主桥边跨最大悬臂长度104.5m，分24个梁段，中跨最大悬臂长度82.5m，分为22 个梁段。如图1、图2 所示。

图1 钢-混凝土混合梁连续刚构桥立面布置图

图2 钢-混凝土混合梁连续刚构桥标准横断面图

2 参数敏感性分析方法

以主梁线形变化量作为控制目标，敏感性分析的主要任务是确定对施工阶段桥梁结构响应影响较大的物理参数。根据结构特点、施工方法及工程经验，调整混凝土弹性模量、主梁节段自重、预应力损失、不对称浇筑平衡配重、大节段钢箱梁重量五个参数，计算控制目标的变化，以此为据，确定主要和次要控制参数。

文中以主梁线形在设计参数下的计算值为基准值，通过计算值与基准值的偏差，分析影响程度。设计参数及调整值取值如表1。

3 关键参数敏感性分析

3.1 计算模型说明

采用桥梁博士建立主桥的整体计算模型，主梁、桥墩均采用梁单元进行模拟，横隔板及齿板重量则按照自重系数的方式计入阶段自重。参照设计图纸，将全桥离散为157 个梁单元，163 个节点，混凝土弹性模量等材料特性参照规范取值，悬臂浇筑节段的初始加载龄期取为7 天[5]，体内预应力束的张拉控制应力取为1395MPa，计算模型如图3 所示。

图3 安海湾特大桥计算模型

3.2 混凝土弹性模量的影响分析

根据大量经验，混凝土弹性模量实测值往往较设计规范中的规定值偏高，有时可高出10%左右。按照表1 中所列参数调整系数，分别对最大悬臂和成桥阶段两种工况下主梁的线形变化量进行计算，计算结果如图4、图5 所示。

图4 弹性模量对最大悬臂状态主梁位移的影响

图5 弹性模量对成桥阶段主梁位移的影响

表1 关键参数的设计值及敏感性分析修正值

分析表明，当材料弹性模量达到规范值的110%时，最大悬臂施工阶段，边、中跨悬臂端部位移变化量超过3mm；成桥状态下，混凝土主梁和大节段钢箱梁的位移变化量分别达到了11mm 和5mm。由此可见，钢-混凝土混合梁结构在混凝土弹性模量发生变化时，成桥阶段的结构挠度有一定影响。

3.3 涨模超方的影响分析

由于悬臂施工过程中涨模问题时有发生，导致结构自重普遍超过设计值，最大偏差可能会达到5%以上，随着上部梁段的不断增加，悬臂上的荷载产生弯曲作用会越来越大。通过调整主梁节段材料容重的方式，分别计算悬浇节段超方0%、1.25%、2.5%、3.75%、5%时，最大双悬臂阶段和成桥阶段主梁的累计位移，如图6、图7 所示。

图6 主梁节段超方对最大悬臂阶段主梁位移的影响

图7 主梁节段超方对成桥阶段主梁位移的影响

在悬浇节段重量超出设计值时，混凝土主梁的位移变化明显，但钢主梁位移受影响较小。在超方5%时，最大悬臂状态下，混凝土主梁位移变化量为-1.1cm；成桥阶段，混凝土主梁位移变化量为-1.3cm，而钢箱梁的位移变化量始终保持在1mm 内。

3.4 预应力钢束应力损失的影响分析

实际施工环境中，预应力损失很难精确估计，导致主梁的理论位移不能与实际很好地符合。为了解主梁线形随预应力损失变化的规律，通过计算张拉控制应力为设计值的100%、95%、90%、85%、80%时主梁最大悬臂与施工阶段的位移变化情况，对其影响量进行讨论。计算结果如图8、图9 所示。

图8 预应力损失对最大悬臂状态主梁挠度的影响

图9 预应力损失对成桥阶段主梁挠度的影响

分析表明，与主梁节段重量参数类似，预应力损失对混凝土主梁位移影响较大，对钢主梁位移影响较小。张拉控制应力按照80%设计值考虑时，最大悬臂状态下，混凝土主梁位移变化量较设计值偏低2.7cm；成桥阶段，混凝土主梁位移变化量较设计值偏低3.4cm。此时，钢箱梁跨中的位移变化量仅为2mm。

3.5 不对称悬臂浇筑平衡配重的影响分析

本桥采用挂篮对称悬臂浇筑前22 个梁段，然后不对称悬臂浇筑边跨23、24#梁段（合计重量为328.6t）。为平衡边跨梁段不对称荷载在主墩墩底引起的弯矩效应，降低结构安全隐患，需要在中跨侧设置相应的配重，并在边跨合龙后卸载。但受作业面及工序时间限制，既定施工方案中，中跨22#节段悬臂端最大能够配载的重量仅为150t。考虑到受工期等因素影响，施工临时荷载的配置具有不确定性，计算平衡配重为0t、50t、100t、150t 四种情况下，主梁最大悬臂与施工阶段的位移变化情况，讨论平衡配重变化对主梁挠度的影响量。计算结果如图10、图11 所示。

图10 平衡配重对最大悬臂状态主梁挠度的影响

图11 平衡配重对成桥阶段主梁挠度的影响

分析表明，边、中跨侧混凝土主梁悬臂端挠度在平衡配重的改变下呈现出相反的变化规律。不施加平衡配重与施加150t 配重相比，最大悬臂状态下，边跨悬臂端下挠1.7cm，中跨悬臂端位移上挠3.3cm；成桥状态下主梁的位移变化与最大悬臂状态下基本一致。

3.6 大节段钢箱梁重量制造偏差的影响分析

大节段钢箱梁的预制过程，要经历多个步骤，实际重量与设计重量偏差，导致安装后钢箱梁恒载挠度偏离理论值[6]。本处讨论其重量偏差对成桥线形的影响，通过调整钢箱梁材料容重为设计值95%、97.5%、102.5%、105%的方式实现。计算结果如图12 所示。

图12 大节段钢箱梁重量制造偏差对成桥阶段主梁挠度的影响

当大节段重量增大时，桥面系施工完成阶段主跨挠度增加而边跨挠度减小，增重5%时，大节段钢箱梁跨中最大下挠量为3.3cm，对混凝土悬臂端的影响量1.2cm；当钢箱梁节段重量减小时，主跨挠度减小而边跨挠度增大，减重5%时，大节段钢箱梁跨中最大上挠量为1.7cm。由此可见，大节段钢箱梁重量的制造偏差对其成桥累计位移影响较为显著。

4 结论

本文以安海湾特大桥主桥工程为代表，对钢-混疑土混合梁连续刚构桥不对称悬浇施工过程及成桥状态下，混凝土弹模、主梁节段超方、预应力损失、平衡配重、大节段钢梁重量等因素下主梁线形的影响进行了分析，得出以下结论：

（1）混凝土弹模、主梁节段超方、预应力损失对主梁线形影响较明显。应根据实测的结构响应，对以上参数进行识别与修正，使计算模型匹配现场实际，以指导主梁的线形控制。

（2）平衡配重在变化幅度较大时对主梁线形有较大影响，施工进行至大悬臂前，应明确不平衡悬臂施工作业面允许的最大配重重量，并对计算模型进行调整，在保证线形目标的同时，尽可能改善桥梁内力状态。

（3）大节段钢箱梁对自身和悬浇主梁线形均有明显影响。由于调整手段有限，应从钢箱梁制造实际进行控制，严格控制重量误差不超过设计要求。