双塔双索面PC斜拉桥结构参数敏感性分析

摘要：为研究双塔双索面PC斜拉桥施工过程中荷载参数变化对成桥状态的影响，文章以某跨径为（179+360+179）m的斜拉桥为例，利用杆系有限元软件Midas Civil对其进行参数敏感性分析，以对成桥状态目标对象5%影响量为参数敏感性界线，研究了主梁自重、主梁预应力荷载及斜拉索初张力在±5%范围内变化时对主梁竖向位移、主梁应力、斜拉索索力和主塔偏位的影响。结果表明：主梁自重对主梁线形和主塔水平位移最大影响幅度分别为20.5%和9.4%，为敏感性参数，而对主梁应力和斜拉索索力影响较小，最大变化幅度分别为3.6%和3.9%，为非敏感性参数；主梁预应力对主梁线形、斜拉索索力及主塔水平位移影响较小，最大影响幅度分别为0.9%、0.1%和2%，而对主梁应力影响稍大，幅度为4.4%，但整体而言表现为非敏感性参数；斜拉索初张力对主梁线形和主塔水平位移最大影响幅度分别为21.8%和8.8%，为敏感性参数，而对主梁应力和斜拉索索力影响较小，最大变化幅度分别为2.7%和1.8%，为非敏感性参数。

关键词：斜拉桥；双塔双索面；自重；预应力；拉索初张力

中图分类号：U448.27" " " 文献标识码：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.042

文章编号：1673-4874（2024）11-0141-03

0引言

斜拉桥以独特的斜拉索结构实现了桥梁跨度的极大化，满足了现代交通对跨河、江及峡谷地区大型桥梁的需求［1-2］。PC斜拉桥多采用悬臂浇筑法施工，工艺成熟可控且经济性好，但此类桥梁施工中凸显的问题亦不少。作为高次超静定结构，其施工过程受各种因素影响，施工状态很难与理想设计状态吻合，导致桥梁合龙精度差，成桥内力状态和线形与设计不符，最终影响大桥运营使用。为了保证大桥能达到合理成桥状态，有必要对结构进行参数敏感性分析，以获得参数变化对结构力学状态的影响程度，从而有针对性地对桥梁施工采取控制措施。鉴于此，本文以某双塔双索面PC斜拉桥为依托工程，选取主梁自重、主梁预应力荷载、斜拉索初张力三个参数对结构进行结构静力响应分析，以期为同类型桥梁的施工控制提供参考。

1工程概况

某特大桥主桥采用双塔双索面PC斜拉桥方案，整体跨径布置为179 m+360 m+179 m，索塔采用倒Y形空心薄壁墩，其中左塔墩高164.01 m，右塔墩高168.51 m。主桥桥面宽30.6 m，主梁设计为预应力混凝土分离式箱形断面，全桥共计236道斜拉索，拉索采用VSL SSI 2000体系。

2有限元模型

利用空间有限元程序Midas Civil 2019建立大桥仿真分析模型，其中承台、主塔及主梁采用空间梁单元模拟，斜拉索采用仅受拉桁架单元模拟，斜拉索与主梁、主塔之间采用弹性中的刚性连接，挂篮重量以节点荷载体现，并在施工阶段中通过激活/钝化功能模拟挂篮前移。大桥共计节点划分1 069个，梁单元710个，桁架单元236个，大桥有限元模型如图1所示。

3结构参数影响分析

结合双塔双索面漂浮体系斜拉桥的受力特性，本文选取施工过程中最可能发生且对结构实际状态有较大影响的三个荷载参数进行敏感性分析，分别为主梁自重、主梁预应力荷载和斜拉索初张力，其中各参数偏差范围结合类似工程经验及相关文献［3-5］推荐取值，如表1所示。分析过程采用单一变量法进行控制，即仅调整单一参数的变化幅值，其余参数保持设计值不变，以此获得结构的敏感性参数和非敏感性参数。

3.1主梁自重

大桥桥面采用挂篮悬臂浇筑法施工，受模板胀模及立模标高等影响，往往导致主梁自重与设计值产生偏差。以主梁容重设计值25 kN/m3为基准，在±5%偏差工况下，自重变化对主梁线形、应力、斜拉索索力及主塔偏位的影响如下页图2所示。（注：文中位移向上为“+”，向下为“-”；应力以受拉为“+”，受压为“-”；索力增大为“+”，减小为“-”；主塔偏位顺桥向“+”，逆桥向为“-”。）

由于大桥结构对称，且分析模型并未考虑非线性影响，两种荷载工况计算结果基本呈对称趋势。由图2可知，以主梁容重增大5%为例，主梁中跨跨中竖向位移增大了72.9 mm，变化幅度为20.5%；主梁上、下缘应力最大变化为0.4 MPa，位于中跨跨中位置，变化幅度为3.6%；斜拉索最大索力变化为147.4 kN，为靠近墩塔位置短斜拉索，变化幅度较小，为3.9%；主塔纵向水平位移最大变化值为21.9 mm，变化幅度为9.4%。以成桥状态目标对象5%影响量为参数敏感性界线［6］，由此可知，对于主梁线形和主塔水平位移，主梁自重差异为敏感性参数，而对于主梁应力和斜拉索索力，其为非敏感性参数。因此施工过程中，应加强混凝土浇筑质量控制，严格控制超方和欠方。

3.2主梁预应力荷载

斜拉桥作为一种大型桥梁结构，其桥面承受着巨大的荷载和复杂的应力状态。而预应力可有效地提高桥面混凝土结构的抗压强度和抗裂性能，确保桥面的稳定性和安全性。受张拉工艺、设备及预应力管道摩擦阻力等因素影响，预应力必然会产生不同的损失。以主梁锚下预应力控制力1 395 MPa为基准，在±5%偏差工况下，成桥状态下对各控制指标的影响结果如图3所示。

由图3可知，在主梁预应力增加5%的情况下，主梁线形、斜拉索索力及主塔水平位移变化幅度均较小，其中主梁竖向变形控制在3.2 mm以内，斜拉索索力变化值控制在1.9 kN以内，主塔水平位移控制在4.7 mm以内，最大变化幅度分别为0.9%、0.1%、2.0%；而较于前者，主梁应力变化幅度稍大，上、下缘应力最大变化值为0.5 MPa，变化幅度4.4%。但整体而言，在上述预应力取值范围内，预应力荷载对四者表现为非敏感性参数。

3.3斜拉索初张力

大桥斜拉索分2次施工，第1次为桥面梁施工阶段，第2次为桥面合龙后对斜拉索索力进行精调。对长大桥梁而言，斜拉索通常较长，受温度、风致振动以及作业队伍安装水平等因素影响，往往导致斜拉索索力偏离设计值。本文假定斜拉索索力偏离设计值±5%，探究其对结构成桥状态的影响，分析结果如图4所示。

由图4可知，斜拉索初张力变化对主梁线形和主塔水平位移影响较大，表现为敏感性参数；对主梁应力和斜拉索索力影响较小，表现为非敏感性参数。具体为斜拉索索力减小5%，主梁竖向位移最大变化值为77.7 mm，变化幅度21.8%；主塔水平位移最大变化值为20.5 mm，变化幅度8.8%；主梁应力最大变化值为0.3 MPa，变化幅度2.7%；斜拉索索力最大变化54.9 kN，变化幅度1.8%。因此在进行斜拉索张拉施工时，务必精确遵循理论上的张拉力标准，同时结合压力环、频谱法、油压表等多种监测技术相互校验，以确保对斜拉索张拉力的控制达到极高的精确度和可靠性。

4结语

本文依托某双塔双索面PC斜拉桥为研究对象，利用有限元程序Midas Civil建立大桥空间杆系仿真模型，分析了主梁自重、主梁应力荷载、斜拉索初张力三个参数变化对结构成桥状态主梁竖向位移、主梁应力、斜拉索索力和塔顶偏位的影响，主要结论如下：

（1）以对成桥状态目标对象5%影响量为参数敏感性界线，主梁自重对于主梁线形和主塔水平位移为敏感性参数，而对于主梁应力和斜拉索索力为非敏感性参数。

（2）主梁预应力在±5%范围内变化，其对主梁线形、斜拉索索力及塔顶偏位影响较小，对主梁应力影响稍大，但对四个影响量整体表现为非敏感性参数。

（3）斜拉索初张力变化对主梁位移和塔偏影响较大，表现为敏感性参数；对主梁应力和斜拉索索力影响较小，表现为非敏感性参数。

（4）在PC斜拉桥施工过程中，需严格控制混凝土浇筑方量，避免超方，同时注意预应力及斜拉索索力的张拉精度。

参考文献：

［1］高策，刘永锋，时代，等.大跨度铁路单索面预应力混凝土斜拉桥设计关键技术及创新［J］.铁道标准设计，2023，67（12）：97-102，120.

［2］金立新，郭慧乾.多塔斜拉桥发展综述［J］.公路，2010（7）：24-29.

［3］李文涛，刘耀东，曹明明.基于均匀设计的组合梁斜拉桥施工控制多参数敏感性分析［J］.科学技术与工程，2024，24（3）：1 234-1 241.

［4］桂水荣，雷鸣宇，陈水生，等.矮塔斜拉桥动静力特性对结构参数敏感性影响分析［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2023，39（1）：79-87.

［5］冯仲仁，施孝基，陈百奔.独塔混合梁斜拉桥施工控制中的参数敏感性分析［J］.世界桥梁，2017，45（6）：18-23.

［6］李文涛，刘耀东，曹明明.基于均匀设计的组合梁斜拉桥施工控制多参数敏感性分析［J］.科学技术与工程，2024，24（3）：1 234-1 241.

作者简介：刘巍（1991—），硕士，工程师，主要从事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18