不同支撑体系下的矮塔斜拉桥线形参数分析

阮猛　李鹏飞　王之强

【摘 要】文章以某大跨度矮塔斜拉桥为研究对象，分别选取塔墩梁全固结，墩梁分离、墩塔固结，塔梁固结、塔墩分离三种不同支撑体系进行线形敏感参数研究，探究主梁刚度及容重、斜拉索刚度及容重、预应力张拉力、温度效应对不同支撑体系下的线形影响程度。结果表明：塔墩梁全固结体系对温度影响最为敏感，其余两种体系对主梁容重最为敏感。主梁容重、预应力张拉力、温度是影响线形的关键控制参数，主梁刚度、斜拉索刚度及容重则对线形的影响较小。

【关键词】矮塔斜拉桥; 支撑体系; 线形; 敏感性分析

【中图分类号】U448.27【文献标志码】A

矮塔斜拉桥是介于连续梁与斜拉桥之间的一种桥型，具有刚度大、跨越能力强等优势，在我国得到了广泛应用[1-2]。在矮塔斜拉桥建设时，因为施工现场环境复杂多变，结构参数与设计参数容易出现偏差，因此，准确把握桥梁结构变化规律，找寻关键控制参数，是矮塔斜拉桥施工控制的重要任务[3-4]。同时，在桥梁设计时，为了满足抗震性能的要求，往往会对边界结构进行调整，从而对桥梁关键控制参数产生影响[5]。因此，本文针对不同支撑体系的矮塔斜拉桥进行分析，分别建立3种体系的有限元模型。考虑主梁刚度及容重、斜拉索刚度及容重、预应力荷载、温度这些参数的影响，探究结构参数变化对不同支撑体系下的矮塔斜拉桥的线形影响程度，找寻关键控制参数，从而为类似工程提供参考。

1 工程概况与有限元模型

1.1 工程概况

本文以某3跨矮塔斜拉桥为分析对象，对其进行不同支撑体系下的参数敏感性分析。桥梁全长512 m，布置形式如图1所示。其中，主梁为变截面预应力混凝土箱梁，设置三向预应力体系，主梁高度4～8.2 m，采用二次抛物线变化。桥塔采用矩形空心桥塔。桥墩采用矩形实心断面，最大墩高95 m。斜拉桥采用扇形布置，共采用48对斜拉索，索间距7 m。

1.2 有限元模型与比较体系

采用MIDAS软件进行建模分析，主梁、桥墩均采用梁单元进行模拟，斜拉桥采用桁架单元模拟。全桥共建立526个单元和368个节点，有限元模型如图2所示。

为了考虑不同支撑体系的影响，分别选取塔墩梁固结（体系1），墩梁分离、墩塔固结（体系2），塔梁固结、塔墩分离（体系3），这3种支撑体系进行比较分析，并对其边界条件进行模拟。边界条件模拟方法见表1所示。

为了探究参数变化的影响，分别选取主梁弹模、主梁容重、斜拉索弹模、斜拉索容重、预应力荷载、温度这六个参数进行分析。并选取在各自设计参数的基础上，增加5 %与减少5 %这两个变化幅度进行分析，分别计算这两个变化幅度下桥梁挠度数值。结构参数取值见表2所示。

2 不同支撑体系下的结构参数敏感性分析

2.1 主梁刚度及容重

分别分析主梁刚度变化和容重变化对主梁挠度的影响。对主梁弹性模量进行改变，从而模拟主梁刚度变化。从图3可以看出，在3中支撑体系下，体系1即塔墩梁全固结体系下，主梁挠度随着主梁刚度的变化其变化幅度最小;体系3即塔梁固结，塔墩分离体系下，主梁挠度随着主梁刚度的变化其变化幅度最大。并且，对于不同的支撑体系，体系3具有最大的主梁挠度，同时对主梁刚度的变化也最敏感。

从图4可以看出，在同一支撑体系下，主梁容重变化对主梁挠度的影响巨大，两者最大差值达到109.16 mm。对于不同支撑体系，在体系3下主梁容重改变其对应的主梁挠度幅值变化最为明显，故主梁容重对支撑体系3最为敏感。

2.2 斜拉索刚度及容重

对拉索弹性模量进行改变，以模拟拉索刚度变化，从而探究斜拉桥刚度变化对主梁挠度的影响。从图5可以看出，对于相同支撑体系下，斜拉索刚度变化对主梁挠度的影响很小，最大差值为6.6 mm。在不同支撑体系下，拉索刚度变化对主梁挠度的影响均较小，说明斜拉索刚度对主梁挠度的影响不显著。

对斜拉索容重进行改变，探究其对主梁挠度的影响。如图6所示，在不同支撑体系下，挠度随着拉索容重的改变变化非常微小，因此表明拉索容重对线形的影响很小。这主要是因为斜拉索的重量占上部结构总重量的比例很小，因此影响微弱。

2.3 预应力效应

探究主梁预应力张拉力变化对主梁挠度的影响。从图7可以看出，预应力改变在不同支撑体系下，对主梁挠度均有较大影响，最大变化幅度为61.47 mm，出现在体系2时。并且，对于同一支撑体系，从图7可以看出，中跨撓度变化最为明显，说明中跨线形控制极为重要。

2.4 温度效应

探究系统温度改变对桥梁挠度的影响。从图8可以看出，体系温度变化对3种体系下的主梁挠度均有较大影响，最大挠度变化幅值为84.64 mm，发生在体系1中。同时，以上分析也可以说明，全固结体系对温度的影响更为敏感，在施工控制中体系温度的影响不可忽略。

2.5 参数敏感性分析

将以上各参数变化对主梁挠度的影响进行汇总，如表3所示。从表3可以看出，主梁容重、预应力荷载、温度这三个参数对不同支撑体系下的主梁挠度均有较大的影响，这三个参数均可视为关键控制参数。其余参数对主梁挠度的影响较小，可视为不敏感参数。对于支撑体系1，主梁挠度对温度的变化最为敏感，其次为主梁容重、预应力荷载、主梁弹模、主梁容重;对于支撑体系2，主梁挠度对主梁容重最为敏感，其次为温度、预应力荷载、主梁弹模、斜拉索弹模;对于支撑体系3，主梁挠度对主梁容重最为敏感，其次为温度、预应力荷载、主梁弹模、斜拉索弹模。

4 结论

本文针对矮塔斜拉桥结构参数特点，分别探究塔墩梁全固结，墩梁分离、墩塔固结，塔梁固结、塔墩分离，这三种支撑体系下的矮塔斜拉桥线形敏感参数，分析支撑体系对线形关键控制参数的影响。主要结论如下：

（1）主梁容重、预应力荷载、温度对于主梁挠度变化最为敏感，是施工控制中的关键参数，而主梁刚度、斜拉索刚度及容重则对挠度的影响较小，其为次要敏感参数。

（2）不同支撑体系对主梁挠度的关键控制参数影响较大，对于塔墩梁全固结体系，挠度对温度变化最为敏感;对于墩梁分离、墩塔固结与塔梁固结、塔墩分离体系，挠度对主梁容重变化最为敏感。

（3）在施工控制中，应特别注意混凝土超方，预应力张拉控制应力以及合龙温度的影响，应该严格遵守设计值，控制模板变形量，预应力张拉量，从而减小线形误差。

（4）对不同支撑体系下的矮塔斜拉桥，其关键控制参数具有较大差别，应注意桥梁支撑体系的影响，本文分析结果可为同类工程提出参考。

参考文献

[1]刘榕， 伍英， 丁延书， 等. 多塔矮塔斜拉桥结构参数敏感性分析 [J]. 铁道科学与工程学报， 2018， 15（5）： 1224-1230.

[2]王立峰， 姜洪伟， 崔海龙. 波形钢腹板矮塔斜拉桥参数敏感性分析 [J]. 公路工程， 2015（2）： 117-121.

[3]周勇军， 吴领领， 刘将， 等. 预应力混凝土矮塔斜拉桥线形敏感参数研究 [J]. 公路， 2020， 65（3）： 91-96.

[4]寇静. 矮塔斜拉桥结构参数敏感性分析 [J]. 四川建筑， 2020， 40（3）： 159-162.

[5]刘士林， 王似舜. 斜拉桥设计 [M]. 北京：人民交通出版社， 2006.

[定稿日期]2021-01-26

[作者简介]阮猛（1986～），男，本科，工程师，主要从事施工控制与管理工作;李鹏飞（1976～），男，本科，高级工程师，主要从事施工控制与管理工作;王之强（1975～），男，本科，高级工程师，主要从事施工控制与管理工作。