大跨度双薄壁墩曲线连续刚构桥参数敏感性分析

姜洪伟，云利华

（1.山东省公路设计咨询有限公司，山东 济南 250102；2.内蒙古自治区交通建设工程质量监测鉴定站，内蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

预应力混凝土连续刚构桥凭借其优越的跨越能力、良好的经济性、便捷的施工方式以及美观的造型等优势成为跨越山区的首选桥型[1]。预应力混凝土连续刚构桥作为一类超静定结构，施工过程中会发生多次结构体系转换，且桥梁某一物理参数的变化均能使整个结构受力产生影响。对桥梁结构进行参数敏感性分析，旨在探究施工过程中，桥梁结构受影响较大的参数，通过反馈调节的方式进行调整，从而确保桥梁结构的受力合理和安全，保证结构的线形平顺和美观。

本文针对某大跨径双薄壁墩曲线连续刚构桥的结构参数进行参数敏感性分析，针对各参数分别进行一定幅度的调整，分析各参数调整对结构内力、线形和应力的影响，从而区分主要影响因素和次要影响因素，可为同类桥梁施工控制提供参考[2-4]。

2 工程概况

某桥为预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为（61+104+61）m，位于R=348m 圆曲线上，为双幅桥，如图1、图2 所示。箱梁采用单箱单室截面，顶板宽11m，底板宽6m，翼缘悬臂长2.5m，墩顶梁高6.0m，中跨跨中及边跨现浇段梁高2.3m，按二次抛物线变化，如图3 所示。主梁采用C50 混凝土，为三向预应力结构，采用先边跨合拢后中跨合拢的悬臂法施工。

图1 总体立面示意图（cm）

图2 总体平面示意图（cm）

图3 主梁标准横断面示意图（cm）

主墩采用C50 混凝土，为双柱式矩形薄壁墩结构，顺桥向沿道路设计线墩宽2.0m，横桥向墩宽6.0m，双薄壁截面的中心距为5.0m，1#、2#墩墩高分别为62m 和53m，桥墩基础为钻孔灌注桩。

3 结构有限元分析模型

采用Midas Civil 2019 建立有限元模型，依据施工节段进行单元划分，主梁、桥墩均采用梁单元模拟，对该桥进行静力分析。该桥模型共有主梁单元68 个，桥墩单元122个，有限元计算模型如图4所示。

图4 有限元模型

4 参数敏感性分析

对该桥进行参数敏感性分析，选定主梁自重、弹性模量、预应力损失和收缩徐变作为控制参数进行敏感性分析[5]，针对这些参数分别进行一定程度的改变，探究主梁线形、内力及应力的变化情况，进一步得到不同参数对结构的影响程度。

4.1 主梁自重

主梁自重直接体现主体结构发生变化，会受到多种因素的影响，比如施工过程中混凝土超方、混凝土容重变化、模板变形、尺寸偏差等因素均可能引起主梁自重变化[6]。根据施工现场的混凝土容重实测值出现的普遍现象可知，实测值普遍高于理论设计值[7]，故分别按容重+5%和+10%考虑容重变化给结构带来的影响，得到主梁内力、线形和应力的变化情况，见表1、图5～图7。

图7 主梁应力受主梁自重变化的影响

从表1 和图5 可以看出，主梁自重增加5%时，主梁弯矩最大变化量为13037.31kN·m；主梁自重增加10%时，主梁弯矩最大变化量为26074.56kN·m。可见，主梁自重的增加对主梁弯矩有显著影响，特别是在墩梁结合处，主梁弯矩变化最大，应在施工过程中作为主要监测部位，而中跨跨中位置及梁端位置受影响程度较小。

表1 主梁自重对结构的影响程度表

图5 主梁弯矩受主梁自重变化的影响

从表1 和图6 可以看出，主梁自重增加5%时，主梁挠度最大变化量为2.40mm；主梁自重增加10%时，主梁挠度最大变化量为4.90mm。可见，主梁自重的增加对主梁挠度影响较大。以桥墩为轴，挠度变化量呈对称分布，表明随着主梁悬臂长度的增加，挠度变化量随之增加，应在施工过程中加强线形监测，尤其是最大悬臂状态下，采取合理有效措施调整和控制合拢线形。

图6 主梁挠度受主梁自重变化的影响

从表1 和图7 可以看出，主梁自重增加5%时，主梁应力最大变化量为0.51MPa；主梁自重增加10%时，主梁应力最大变化量为1.01MPa。主梁自重增加会引起主梁应力重新分布，引起上、下缘应力的变化量基本一致；可见，主梁自重的增加对主梁应力影响显著。特别是在墩梁结合处，主梁应力变化最大，主梁自重增加的同时，悬臂长度增加，该处应力将持续增加，故对该处加强施工监测，而中跨跨中位置及梁端位置受影响程度较小。

根据上述分析可知，主梁自重对结构的内力、线形和应力均影响显著，应作为施工控制中的主要影响因素进行监控。

4.2 主梁混凝土弹性模量

主梁混凝土弹性模量的变化将直接影响结构刚度，实际工程中，混凝土弹性模量一般高于设计值[7，8]。因此，分别按主梁弹性模量+5%和+10%考虑弹性模量变化给结构带来的影响，得到主梁内力、线形和应力的变化情况，见表2、图8～图10。

表2 主梁弹性模量对结构的影响程度表

图8 主梁弯矩受主梁弹性模量变化的影响

图9 主梁挠度受主梁弹性模量变化的影响

图10 主梁应力受主梁弹性模量变化的影响

从表2 和图8～图10 可以看出，主梁弹性模量增加5%时，主梁弯矩最大变化量为870.14kN·m，挠度最大变化量为1.00mm，应力最大变化量为0.10MPa；主梁弹性模量增加10% 时，主梁弯矩最大变化量为1724.03kN·m，挠度最大变化量为1.93mm，应力最大变化量为0.20MPa。可见，主梁弹性模量的增加对主梁内力、线形和应力均有一定影响，但并不显著。

根据上述分析可知，主梁弹性模量对结构的内力、线形和应力均影响较小，可忽略，应作为施工控制中的次要影响因素。

4.3 主梁预应力损失

主梁预应力能够使结构处于受压状态，充分发挥材料性能，改善结构受力，因此，施工过程中对预应力进行严格控制能够确保结构的耐久性和受力合理。本桥预应力以1395MPa 为控制值，为探究预应力损失给结构产生的影响，分别对预应力损失为5%和10%两种情况进行分析，得到主梁内力、线形和应力的变化情况，见表3、图11～图13。

图11 主梁弯矩受主梁预应力损失的影响

图12 主梁挠度受主梁预应力损失的影响

图13 主梁应力受主梁预应力损失的影响

表3 主梁预应力损失对结构的影响程度表

从表3 和图11 可以看出，主梁预应力损失5%时，主梁弯矩最大变化量为20014.71kN·m；主梁预应力损失10%时，主梁弯矩最大变化量为40290.34kN·m。可见，主梁预应力损失对主梁弯矩有显著影响，尤其是墩梁结合处的主梁弯矩变化最大，应在施工过程中作为主要监测部位，相反，中跨跨中位置及梁端位置受预应力损失影响较小。

从表3 和图12 可以看出，主梁预应力损失5%时，主梁挠度最大变化量为2.60mm；主梁预应力损失10%时，主梁挠度最大变化量为5.20mm。可见，主梁预应力损失对主梁挠度影响显著。以桥墩为轴，挠度变化量呈对称分布，表明随着主梁悬臂长度的增加，预应力损失会加剧挠度变化量的增加，对主梁线形产生更加不利的影响，因此应在施工过程中加强预应力施工的监控工作。

从表3 和图13 可以看出，主梁预应力损失5%时，主梁上缘应力最大变化量为1.20MPa，下缘应力最大变化量为0.62MPa；主梁预应力损失10%时，主梁上缘应力最大变化量为2.40MPa，下缘应力最大变化量为1.22MPa；主梁预应力损失会引起主梁应力重新分布，使上缘应力变化比下缘应力变化更加显著，这与主梁预应力筋主要分布在顶板和腹板上部有关。可见，主梁预应力损失对主梁应力影响尤为显著，特别是在墩梁结合处，主梁应力变化最大，主梁预应力损失程度最大，随着悬臂长度的增加，该处应力变化量越大。

根据上述分析可知，主梁预应力损失对结构的内力、线形和应力均影响显著，应作为施工控制中的主要影响因素进行监控。

4.4 混凝土收缩徐变

收缩徐变作为混凝土材料特性之一，将在结构的施工期和运营期的整个生命周期内发生，因此，这一影响不能忽略[9，10]。通过分析桥梁结构在成桥1 年、3 年、5年、7 年和10 年的线形和应力情况，探究收缩徐变对结构产生的影响，得到主梁线形和应力的变化情况，见表4、图14～图16。

表4 收缩徐变对结构的影响程度表

图14 主梁挠度受收缩徐变的影响

图15 主梁上缘应力受收缩徐变的影响

图16 主梁下缘应力受收缩徐变的影响

从表4 和图14 可以看出，随着成桥时间的增加，挠度变化量逐渐增加，且最大挠度变化量出现在中跨跨中位置，均呈现跨中位置下挠的趋势。与成桥时相比，成桥10 年后的主梁挠度最大变化量为-12.8mm，可见，收缩徐变对主梁挠度影响显著。

从表4 和图15、图16 可以看出，随着成桥时间的增加，主梁上、下缘应力变化量逐渐增加，均呈现应力增加的趋势。其中，对于主梁上缘应力变化量，主梁中跨位置大于边跨位置，与成桥时相比，成桥10年后的主梁上缘应力最大变化量为0.60MPa；对于主梁下缘应力变化量，中跨跨中位置和边跨跨中位置均较大，与成桥时相比，成桥10 年后的主梁下缘应力最大变化量为1.12MPa。

根据上述分析可知，收缩徐变对桥梁线形和应力均影响显著，属于主要影响因素，应在设计阶段充分考虑收缩徐变对桥梁结构的长期影响。

5 结语

通过对该桥进行参数敏感性分析，得到主梁自重、主梁混凝土弹性模量、预应力损失、收缩徐变等参数对桥梁结构的影响程度，明确了大跨径连续刚构桥施工过程中结构内力、线形和应力的变化规律，得到如下结论：

①主梁自重、预应力损失和收缩徐变对桥梁结构的影响程度大，属于主要敏感性参数，施工过程中应作为监控的重点；主梁混凝土弹性模量对桥梁结构的影响程度小，属于次要敏感性参数。

②桥梁施工时，对主梁自重进行监控，可通过监控混凝土容重值和浇筑量、模板变形值、振捣的密实度等相关因素实现；严格控制预应力施工质量，适度超张拉以抵抗少量的预应力损失，避免实际预应力值与设计值偏离过大，确保桥梁状态与设计状态相符合；设计阶段应充分考虑收缩徐变因素对桥梁结构带来的长期影响，对桥梁的长期运营和养护均有利。

③参数敏感性分析有助于优化桥梁设计，为施工现场的误差调整提供依据，也为同类桥型的施工监控工作提供参考。