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大跨长联连续梁桥施工控制参数敏感性分析

2019-07-26 20:02:23 来源:安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司

本文以茨维新河特大桥为工程背景,研究了大跨长联连续梁桥施工过程中影响桥梁施工的各影响因素,并进行参数分析得出结论,为以后的类似工程实例提供参考。

大跨长联连续梁桥以结构变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观等特点,这几年在国内逐渐得到广泛应用。但同时这种结构也存在施工工序复杂,施工控制难度大等问题。因此很有必要针对这种大跨长联连续梁桥施工过程中的参数敏感性分析,以期找出施工过程中对结构状态影响较大的设计参数,以便我们更好的完善设计和施工工作。

桥梁施工控制的主要目的是使施工实际状态最大限度地与理论设计状态相吻合。要实现这个目标,就必须全面了解可能使施工状态偏离理论设计的所有因素,以便对施工过程实施有效的控制。施工控制受到诸多因素的影响,主要有:结构参数、施工方法、温度变化、混凝土收缩徐变等。本章主要讨论结构参数对成桥状态下主梁挠度和应力的敏感性。结构参数主要包括:结构构件的尺寸、材料容重、材料弹性模量、预应力参数。

1 工程背景

本文以安徽省济南至祁门高速公路利辛至淮南段工程中茨维新河特大桥为工程背景,主桥上部采用大跨长联的变截面连续刚构和连续梁组合体系现浇箱梁,主桥跨径组合为45m+80m+4×85m+80m+45m,如图1所示。主桥下部连续主墩采用圆端型实体墩、承台接群桩基础,刚构主墩采用双肢薄壁墩、承台接群桩基础,过渡墩采用盖梁接双柱式墩、系梁接桩基础;引桥上部采用装配式组合箱梁,先简支后连续,下部构造桥墩采用柱式墩,桥台采用肋式台,基础均采用桩基础。

2 各主要参数计算和分析

选取混凝土容重、弹性模量和预应力误差参数,将成桥状态下主梁挠度和应力作为控制目标,分析各参数对结构的影响。由于该桥共计8跨,为对称结构,以16#墩为中心为对称轴选取1/2桥跨进行分析。本节约定挠度向上为正,向下为负;应力以压为正,以拉为负。

2.1混凝土容重敏感性分析

桥梁本身的自重对结构施工的线形和应力有着不容忽视的影响。悬臂箱梁在施工过程中,由于箱梁下部没有竖向支撑,箱梁本身的自重以及其上的施工荷载将对悬臂结构产生很大的弯曲变形和弯曲应力。

由于施工中挂篮模板发生胀模现象以及顶板厚度控制不准等问题,易使主梁存在尺寸误差。另外,混凝土容重也有一定的离散性,这些因素都会造成主梁自重的误差。施工过程中对主梁自重的误差主要有:主梁成型后尺寸与设计的尺寸之间的误差、施工过程中混凝土实际容重与理论值之间的误差、考虑普通钢筋后的自重和设计理论值之间的误差。

本桥设计中混凝土容重γ取值为26kN/m3,现假设该桥所有梁段的混凝土都变化10%,进行敏感性分析,计算成桥状态下挠度和应力变化值。

由图2可知,当混凝土容重增大10%时,成桥时向下的挠度变大,挠度差最大变化量为7.0mm,即结构主梁的挠度最大增幅为17.7%;当混凝土容重减小10%时,成桥时向下的挠度变小,挠度差变化量为6.9mm,即结构主梁的挠度最大降幅为17.4%。

由图3及图4可知,当混凝土容重增大10%时,成桥时主梁墩顶处上缘拉应力最大增加0.1MPa,主梁下缘压应力最大增加1.0MPa,增幅分别为0.7%和13.2%;当混凝土容重减小10%时,上缘压应力最大增加1.0MPa,下缘压应力最大减小1.0MPa,变化幅度分别为11.7%和13.2%。

由此可以看出,结构混凝土容重的误差对主梁挠度和应力的影响显著,施工监控中应加强结构尺寸和混凝土方量的控制,使其符合设计要求。

2.2 混凝土弹性模量的敏感性分析

材料的弹性模量具有离散性,弹性模量的实际值与设计值往往有一定偏差。结构刚度主要与构件的截面特征值、支承的弹性条件和材料的弹性模量有关。为了分析方便,仅考虑弹性模量误差对结构的挠度和应力的影响,主梁截面面积和惯性矩的误差影响与弹性模量类似。

本桥主梁混凝土为C50,弹性模量E规范取值为3.45×104MPa,假设本桥主梁混凝土弹性模量E变化10%,进行敏感性分析,计算成桥状态下挠度和应力变化值。

由图5可知,当混凝土弹性模量增大10%时,挠度差最大变化量为8.2mm,即结构主梁的挠度最大增幅为9.1%;当混凝土弹性模量减小10%时,挠度差变化量为10.0mm,即结构主梁的挠度最大降幅为11.1%。

由图6及图7可知,混凝土弹性模量增大、减小对主梁截面应力影响很小,最大差值0.2MPa,幅度不足1%。

由此可以看出,混凝土弹性模量的误差对主梁挠度影响明显,对主梁应力的影响较小,施工监控中应注意弹性模量对预抛高的影响。

2.3 预应力误差的敏感性分析

预应力钢束是预应力混凝土桥梁中承受弯矩的主要构件。预应力误差主要有两种误差,一是施加预应力时存在的初始控制应力误差;二是预应力损失计算的误差,包括预应力管道的摩擦系数μ、预应力管道的偏差系数k。

本桥初始张拉控制应力σcon为1395MPa,预应力管道摩擦系数μ为0.17,偏差系数k为0.0015。分别将上述参数增减10%,进行敏感性分析,计算成桥状态下挠度和应力变化值。

由图8可知,初始张拉控制应力的误差对挠度的影响很显著,最大差值达到11.0mm,幅度为30.0%。

由图9及图10可知,初始张拉控制应力的误差对应力的影响也很显著,最大差值为2.1MPa,幅度为19.6%。

由此可以看出,初始张拉应力的误差对主梁挠度和应力的影响明显,这种误差完全是可以避免的。因此在施工中应消除人为因素和外界因素引起初始张拉应力的误差,预应力张拉油表应进行标定,预应力张拉值进行“双控”控制。

由此可以看出,预应力管道摩擦系数的误差对主梁挠度和应力的影响不明显。但并不是说可以忽视预应力管道摩擦系数,必要时可以通过现场摩阻试验来确定实际管道摩擦系数来修正模型,从而更好的指导施工监控控制。

由此可以看出,预应力管道偏差系数的误差对主梁挠度和应力的影响不明显。同样的并不是说可以忽视预应力管道偏差系数。施工中应加强定位钢筋的布置,使波纹管平顺,必要时可以通过现场摩阻试验来确定实际管道偏差系数来修正模型,从而更好的指导施工监控控制。

2.4参数对比分析

根据以上参数敏感性分析,各参数对结构挠度和应力的影响程度汇总、对比如下表1所示,表中挠度和应力变化量为参数引起的最大变化值。

表1 各参数影响程度对比表

参数名称参数变化量挠度变化量(mm)应力变化量(MPa)

混凝土容重γ±10%7.01.0

混凝土弹性模量E±10%10.00.2

初始张拉控制应力σcon±10%11.02.1

预应力管道摩擦系数μ±10%0.60.1

预应力管道偏差系数k±10%0.30.1

由表1可知,初始张拉控制应力σcon对结构的挠度和应力影响最大,但是该误差可以人为消除或减小。其次是混凝土的弹性模量和容重误差对主梁挠度和应力影响较大,实际监控中可以通过现场测试来确定实际值,并与理论值相比较来修正模型,为后续施工提供提供科学的指导。预应力管道摩阻系数和偏差系数对主梁挠度和应力影响最小。

3小结

本文介绍了茨维新河特大桥结构参数的敏感性对本桥成桥时挠度和应力的影响,分析表明初始张拉控制应力对结构的挠度和应力影响最大;其次是混凝土的弹性模量和容重误差对主梁挠度和应力影响较大;预应力管道摩阻系数和偏差系数影响最小。

对于初始张拉应力的误差可以通过人为的控制来避免或减小影响;弹性模量和容重的误差可以通过现场的控制和试验,来确定实际值,并与理论值比较来修正模型,为后续施工阶段提供科学的指导;预应力管道摩阻系数和偏差系数,必要时可以通过现在做摩阻试验来确定实际值,同时施工过程中应保证波纹管道定位准确、预埋平顺过渡。

参考文献:

[1].叶再军.多跨长联预应力混凝土连续梁桥施工控制研究.武汉:武汉理工大学,2006.

[2].向东刚.高墩大跨度连续刚构桥施工控制及影响参数分析.西安:长安大学,2014.

[3].李健伟等.大跨长联连续梁桥施工监控参数敏感性分析[J].中国会议,2012:359-362.

[4].张 誉,蒋利学,张伟利等.混凝土结构耐久性概况[M].上海:上海科技出版社,2003.

[5].张继尧,王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,2000.

[6].Aryana F, Bahai H. Sensitivity Analysis and Modification of Structural Dynamic Characteristics Using Second Order Approximation[J].Engineering Structures, 2003,25:1279-1287.

[7].向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社,2001.

[8]JTGD62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[9].范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,1999.


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