王 強 陸小雨

(1.皖贛鐵路安徽有限責(zé)任公司 安徽合肥 230000；2.中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司 上海 200070)

1 引言

矮塔斜拉橋以其橋塔高度低、主梁高度高的特點與常規(guī)斜拉橋區(qū)別開來，主梁為主要受力構(gòu)件，拉索可視為體外預(yù)應(yīng)力束對主梁進(jìn)行加勁，因此學(xué)界又稱其為部分斜拉橋[1]。隨著中國鐵路網(wǎng)的快速建設(shè)，這一橋型在主跨150～300 m的橋式方案中具有較大的競爭力，受到了橋梁設(shè)計師的普遍青睞[2]。

由于實際施工過程與設(shè)計假定的施工步驟和荷載會有所差別，這就需要在施工過程中，通過施工控制對結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差進(jìn)行修正，讓橋梁盡量能達(dá)到設(shè)計的合理成橋狀態(tài)[3]。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要對可能導(dǎo)致橋梁偏離設(shè)計理想狀態(tài)的各類因素進(jìn)行研究，分析成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形對各類參數(shù)的敏感性[4]。

隨著矮塔斜拉橋在近年來的推廣應(yīng)用，雙塔矮塔斜拉橋的施工控制已有較多的研究成果，而針對多塔矮塔斜拉橋的研究還不夠充分[5]。因此，有必要針對多塔矮塔斜拉橋的施工控制進(jìn)行研究。

本文以新建池黃高鐵三塔六跨矮塔斜拉橋為工程背景，選取主梁自重、主梁剛度、拉索初張拉力、拉索二次張拉次序、合龍溫度等參數(shù)，計算分析以上參數(shù)對橋梁力學(xué)性能的影響，為施工控制提供可靠的技術(shù)依據(jù)，為保證最終能達(dá)到合理成橋狀態(tài)提供有效的支撐[6]。

2 工程背景

池黃高鐵太平湖特大橋主橋為三塔六跨矮塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)體系為邊塔梁固結(jié)—中塔剛構(gòu)的組合體系[7]，主橋長度為789.7 m(含支座中心線到梁端0.85 m)，橋跨布置為(48＋118＋2×228＋118＋48)m。主梁采用單箱雙室直腹板截面，梁高為6.0～12.0 m。橋塔采用雙柱式矩形截面，有效塔高均為35 m，單個橋塔設(shè)9對斜拉索。

主橋橋型布置如圖1所示，橋跨編號從小里程到大里程依次為A跨～F跨，橋墩位置分別為③號墩～⑨號墩，拉索編號分別為 A9→A1、B1→B9、C9→C1、C1→C9、B9→B1、A1→A9。

圖1 橋型布置(單位:m)

3 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件Midas Civil 2021建立斜拉橋的計算模型，全橋共劃分為937個節(jié)點，889個單元。其中，塔、梁、墩臺和樁基均采用梁單元模擬，拉索采用桁架單元模擬，樁基底部采用固結(jié)約束，其他橋墩采用節(jié)點支承進(jìn)行模擬。

0號塊和邊跨現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆法施工，其余梁段采用掛籃懸臂澆筑，施工過程共劃分為57個施工階段，其中懸臂梁段的施工內(nèi)容主要包括掛籃移動、梁段澆筑、預(yù)應(yīng)力筋的安裝與張拉、斜拉索的安裝與張拉。橋梁有限元模型如圖2所示。

圖2 橋梁空間有限元模型

4 施工控制參數(shù)研究

4.1 研究方法

根據(jù)施工經(jīng)驗，選取主梁自重、主梁剛度、拉索初張拉力、拉索二次張拉次序和合龍溫度五個參數(shù)進(jìn)行研究，以設(shè)計參數(shù)作為基準(zhǔn)狀態(tài)，通過改變某個參數(shù)的取值，同時保持其余參數(shù)不變，對橋梁的力學(xué)性能進(jìn)行分析。由于矮塔斜拉橋的豎向剛度主要由主梁和拉索提供，橋塔的作用僅為提供斜拉索的轉(zhuǎn)向[8]，因此選取成橋狀態(tài)下主梁線形、主梁應(yīng)力、拉索內(nèi)力為施工控制的重要目標(biāo)，最后對各參數(shù)對控制目標(biāo)的影響程度進(jìn)行排序[9]，見表1。

表1 主要研究參數(shù)及變化方式

4.2 主梁自重

由于施工現(xiàn)場的混凝土容重與設(shè)計采用值不可能完全一致，故通過改變主梁混凝土容重實現(xiàn)主梁自重的變化。以主梁混凝土容重設(shè)計值為基準(zhǔn)狀態(tài)，按幅度為±5%對混凝土容重進(jìn)行變化，計算分析成橋狀態(tài)下主梁線形、主梁上下緣應(yīng)力和拉索內(nèi)力的變化值，計算結(jié)果如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)表示主梁順橋向的位置，起點為邊支點，由于本橋為對稱結(jié)構(gòu)，故圖中僅示半橋的結(jié)果，下同。

由圖3可知，當(dāng)主梁自重變化5%時，主梁豎向下?lián)现底畲笤黾?5.4 mm；主梁上、下緣壓應(yīng)力最大增加值分別為1.1 MPa和1.07 MPa，對應(yīng)增幅分別為8.9%和14.7%；拉索內(nèi)力最大增加26.5 kN，增幅為0.3%。主梁自重變化對3/8跨處豎向撓度和中支點主梁上、下緣應(yīng)力影響最大；長索受到主梁自重變化的影響相比短索要大。

綜上所述，主梁自重變化對橋梁的力學(xué)性能影響不可忽略，由于高鐵行車對主梁線形較為敏感[10]，因此在施工過程中，需根據(jù)現(xiàn)場混凝土的實際容重對計算模型進(jìn)行修改，對主梁預(yù)拱度值進(jìn)行修正，保證橋梁能達(dá)到設(shè)計成橋線形。

4.3 主梁剛度

由于現(xiàn)場的混凝土彈性模量與設(shè)計值不可能完全一致，故主梁剛度的變化通過改變混凝土彈性模量來實現(xiàn)[11]。以主梁C55混凝土彈模設(shè)計值為基準(zhǔn)，按幅度為±10%對混凝土彈模進(jìn)行變化，保持其他參數(shù)不變，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 主梁剛度誤差對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的影響規(guī)律

由圖4可知，主梁彈性模量變化10%，主梁豎向撓度最大增加7.8 mm；主梁上、下緣壓應(yīng)力最大增加值均為0.1 MPa，增幅分別為0.9%和1.0%；成橋拉索內(nèi)力最大增加21.7 kN，增幅為0.4%。

因此，主梁剛度變化對成橋狀態(tài)的線形影響較大，而對主梁應(yīng)力和拉索內(nèi)力的影響可忽略不計。由于高速鐵路對橋梁線形要求高，因此在施工過程中仍需保證混凝土彈性模量與設(shè)計值盡量一致，若有差別時，應(yīng)及時調(diào)整計算模型，對預(yù)拱度進(jìn)行修正。

4.4 拉索初張拉力

根據(jù)施工經(jīng)驗，斜拉索在張拉后，其內(nèi)力很難與設(shè)計值完全一致[12]，以拉索初張拉力的設(shè)計值為基準(zhǔn)，按幅度為±5%對其進(jìn)行變化，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 拉索初張拉力誤差對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的影響規(guī)律

由圖5可知，拉索初張拉力變化5%，主梁豎向撓度最大增加10.12 mm；主梁上、下緣壓應(yīng)力最大增加值分別為0.23 MPa和0.24 MPa，增幅分別為2.8%和3.1%；成橋拉索內(nèi)力最大增加70.9 kN，增幅為1.0%。

因此，拉索初張拉力變化對成橋狀態(tài)的線形影響較大，對主梁應(yīng)力和拉索內(nèi)力的影響較小。由于斜拉索在鋪軌前會進(jìn)行拉索的二次張拉，因此初張拉力變化時，成橋階段的拉索內(nèi)力變化很小。

4.5 拉索二次張拉次序

設(shè)計指定的施工次序為:停梁60 d→斜拉索二次張拉→鋪設(shè)軌道。以此為基準(zhǔn)狀態(tài)，考慮以下2種張拉次序:(1)次序A，拉索二次張拉→停梁60 d→鋪設(shè)軌道；(2)次序B，停梁60 d→鋪設(shè)軌道→拉索二次張拉。計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 張拉次序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的影響規(guī)律

由圖6可知，張拉次序A相比于張拉次序B對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形影響較小。當(dāng)采用張拉次序B時，主梁豎向撓度最大下?lián)?9.0 mm；主梁上、下緣壓應(yīng)力最大增加0.6 MPa和0.47 MPa，增幅分別為9.5%和8.2%；成橋拉索內(nèi)力最大增加432.0 kN，增幅為5.8%。

因此，采用張拉次序B對施工控制重要目標(biāo)的影響均較大，因此實際施工時，二次張拉應(yīng)按設(shè)計指定次序進(jìn)行，以確保橋梁達(dá)到理想成橋狀態(tài)。

4.6 合龍溫度

設(shè)計時假定合龍溫度為20℃，由于實際工期未必能滿足設(shè)計要求，本文按幅度為±5℃對合龍溫度進(jìn)行變化，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 合龍溫度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的影響規(guī)律

由圖7可知，合龍溫度變化5℃時，主梁豎向撓度最大增加1.6 mm，主梁上緣壓應(yīng)力最大增加0.04 MPa，增幅為0.6%；主梁下緣壓應(yīng)力最大增加0.05 MPa，增幅為0.5%；成橋索力最大增加21.0 kN，增幅為0.3%。

綜上可知，合龍溫度變化對施工控制的重要目標(biāo)結(jié)果影響均較小。由于結(jié)構(gòu)采用了邊塔梁固結(jié)—中塔剛構(gòu)的組合體系，使得結(jié)構(gòu)對溫度的敏感性相比于全剛構(gòu)體系大大降低[13]。

4.7 小結(jié)

(1)主梁線形敏感性參數(shù)研究

對影響主梁線形的各個參數(shù)的敏感性進(jìn)行排序，如表2所示。表中參數(shù)對施工控制重要指標(biāo)的影響越大，其編號越小，下同。

表2 主梁線形敏感性參數(shù)研究結(jié)果匯總

由表2可知，拉索二次張拉次序、主梁自重、拉索初張拉力和主梁剛度是主梁線形的主要敏感性參數(shù)，合龍溫度為次要敏感性參數(shù)。

(2)主梁應(yīng)力敏感性參數(shù)研究

對影響主梁應(yīng)力的各個參數(shù)的敏感性進(jìn)行排序，如表3所示。

表3 主梁應(yīng)力敏感性參數(shù)研究結(jié)果匯總

由表3可知，主梁自重、拉索二次張拉次序是主梁應(yīng)力的主要敏感性參數(shù)，其余均為次要敏感性參數(shù)。

(3)拉索內(nèi)力敏感性參數(shù)研究

對影響拉索內(nèi)力的各個參數(shù)的敏感性進(jìn)行排序，如表4所示。

表4 拉索內(nèi)力參數(shù)敏感性參數(shù)研究結(jié)果匯總

由表4可知，拉索二次張拉次序和拉索初張拉力是拉索內(nèi)力的主要敏感性因素，其他因素的變化對主梁線形影響很小。

5 結(jié)語

本文對池黃高鐵(48＋118＋2×228＋118＋48)m多塔矮塔斜拉橋的施工控制參數(shù)進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下:

(1)由于高速鐵路行車對主梁線形較為敏感，主梁自重和剛度、拉索初張拉力和二次張拉次序?qū)χ髁壕€形影響均較大，施工過程中應(yīng)對以上參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，以保證橋梁能達(dá)到設(shè)計線形。

(2)主梁應(yīng)力受主梁自重的變化影響較大，由于矮塔斜拉橋以主梁受力為主，主梁內(nèi)力較大，因此需嚴(yán)格控制主梁自重這一參數(shù)以保證主梁內(nèi)力能達(dá)到設(shè)計指定狀態(tài)。

(3)拉索二次張拉次序和拉索初張拉力是拉索內(nèi)力的主要敏感性參數(shù)，施工過程中應(yīng)對張拉后的拉索索力進(jìn)行復(fù)測，對索力偏差較大的拉索應(yīng)及時調(diào)整，確保索力與設(shè)計值一致。

(4)本橋采用邊塔梁固結(jié)—中塔剛構(gòu)的組合體系，該體系對溫度的敏感性較低，在季節(jié)溫度變化結(jié)構(gòu)的受力性能變化較小。