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【摘 要】针对大跨度预应力混凝土连续箱梁悬臂施工标高控制问题,基于敏感度原理,运用Midas/Civil建立桂丹路特大桥有限元模型,分别对混凝土容重、混凝土弹性模量、预应力荷载、挂蓝荷载等设计参数进行敏感性分析,根据参数敏感度结合现场测试对有限元取值进行相应调整,实现挠度理论值和实测值的吻合,保证桥梁成桥线形达到设计状态。
【关键词】连续梁;标高控制;敏感度分析;混凝土容重;弹性模量;预应力荷载;挂蓝荷载
Impact Research of Structural Design Parameters Sensitivity on Continuous Bridge Control Elevation
Liu Yao-dong
(School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University ofTechnology Wuhan Hubei 430068)
【Abstract】In this article, according to the principle of sensitivity, the finite element model is built for Guidan super large bridge in order to control the elevation of cantilever construction of large span prestressed concrete continuous box girder through using finete element software Midas/Civil. The design parameters analyzed by the principle of sensitivity include the unit weight of concrete, the elastic modulus of concrete, prestressed load, the load of hanging basket and so on. The value calculated by finite element method may be adjusted in light of the comparative analysis of parameter's sensitivity combined with field test so that the theoretic values may keep in accordance with the field testing values and the shape of finished bridge can be guaranteed to reach the design state.
【Key words】Continuous girder;Elevation control, sensitivity analysis;Unite weight of concrete;Elastic modulus;Prestressed load;Load of hanging basket
1. 引言
标高控制是连续梁施工控制的重要组成部分。连续梁的成桥线形受桥梁自重、预应力载荷、施工机具荷载等因素的影响往往与设计线形不符，为了达到预期设计线形，每个悬浇节段都要设预拱值，通过预拱值调整节段立模标高。立模标高确定后，主梁线形才能基本确定。因此，确定立模标高是成桥标高控制的关键。
本文以广珠铁路工程桂丹路特大桥连续梁标高控制为目标，首先确定影响标高控制的主要参数，然后通过参数调整试算法确定各参数单独变化时对标高的敏感度。参数敏感度分析对确定有限元模型的输入参数，桥梁理论预供值计算，确定节段施工的立模标高以及误差分析都有重要意义。
2. 工程概况
广珠铁路工程桂丹公路特大桥系60+100+60m三跨预应力混凝土连续梁桥，三角挂蓝分段悬臂浇注法施工。大桥全长221.5m。主梁截面为单箱单室，墩中心处梁高7m，跨中及端支座处梁高4m，其余部位梁高按R=3309.667m圆曲线变化，大桥立面结构见图1。
计算过程中采用MIDAS/Civil三维空间有限元软件模拟桥梁总体结构。主桥离散成80个主梁单元，按17个施工阶段考虑。施工顺序为：墩顶零号块及第一节段的浇筑→对称悬臂浇筑各段→边跨平直段浇筑及边跨合拢→中跨合拢结束。计算模型见图2：
3. 参数敏感度计算
在桥梁施工现场各种不确定因素的影响下，实际参数往往与设计参数存在一定差异。通过参数误差敏感度的理论分析，可以了解该参数对桥梁结构状态的影响程度，并以此为参考，根据现场实测的参数，适当调整理论分析模型，从而使理论分析与桥梁实际状态趋于一致。
连续梁桥设计参数主要有几何参数、截面特征值、材料特性、荷载参数等四类。结构设计参数敏感度分析的目的在于甄别参数对桥梁结构行为的影响程度，即当某一设计参数发生变化时，由此引起的桥梁结构某个目标控制部位的内力和变形的变化程度。混凝土容重、弹性模量、预应力荷载、挂蓝荷载是连续梁桥的主要设计参数，对其进行敏感度分析时可按±10%的控制幅度进行并以中跨跨中合拢段两侧挠度作为控制分析目标。
3.1 容重对标高的影响。
本桥设计容重取26KN/m3，按±10%的控制幅度，以成桥铺装1000天后中跨跨中挠度为目标，采用有限元进行分析，结果见表1。
由表1可以看出，随着容重的增加，梁段呈下挠趋势，容重每增加10%，下挠值约为6mm，下挠比例24.67%，可见桥梁标高对容重的敏感度较高。根据现场用容量筒所作的容重测量试验，将计算模型的混凝土容重修改为25.82 KN/m3。
3.2 混凝土弹性模量对标高的影响。
混凝土弹性模量对于桥梁结构的变形和应力都有影响，在混凝土从浇筑到终凝乃至后期收缩徐变的过程中，弹性模量一直随时间变化。以28天弹性模量作为计算分析参数，按±10%的幅度调整，可得成桥阶段和运营时静活载作用阶段挠度与弹性模量的关系（如表2所示）。
由表2可知，混凝土弹性模量的改变对成桥挠度影响最大仅为1.87%，挠度变化值在1mm之内；而运营阶段静活载作用下，弹性模量影响相对较大，最大挠度变化达6mm，影响幅度为10.26%。因此，在成桥之前，弹性模量的影响并非主要标高控制因素。在计算中可取理论弹模3.55 E+04MPa。
3.3 预应力对标高的影响。
预应力钢束的张拉对桥梁标高控制至关重要，以张拉控制应力Ncon为研究对象，分别以最大T构阶段、成桥阶段、和静活载作用阶段中跨跨中节点的挠度为分析目标，研究预应力张拉对标高控制的敏感程度。如表3所示：
由数据可知，张拉控制应力对桥梁施工节段影响较大，最大T构时影响值为2mm，影响幅度为22.07%，而成桥铺装后的挠度影响更大，最大挠度变化值为11mm，影响幅度为39.6%。但预应力对成桥后运营阶段的挠度无影响。
3.4 挂蓝荷载对标高的影响。
有限元计算中，挂蓝荷载是建模输入的重要参数之一，施工挂蓝荷载简化为对悬臂前端点的集中力和力矩，取±10%的挂篮荷载调整幅度，可得挂蓝荷载对标高控制的敏感度（见表4）。
由上表可知，挂蓝荷载在±10%的范围内变化时，中跨跨中挠度变化在±1mm左右波动，最大影响幅度为12.62%。
4. 标高控制结果分析
主要参数的敏感度计算结果表明预应力钢束的张拉控制应力对标高影响最大，其次是混凝土容重对标高的影响。混凝土弹性模量和挂篮荷载的影响相对较小。事实上最终标高的形成是各种影响参数共同作用下的结果，而各种影响参数量值的增大和减小对标高的变化趋势并不一致，其中混凝土容重和挂篮荷载越大挠度越小，张拉控制力越大挠度越大。因此在考虑最终标高时不仅要考虑量值的变化还要考虑影响趋势的问题。参数敏感度的分析不仅能够帮助有限元计算过程中的参数选取，对误差分析也有重要作用。可以根据实测值和理论值的误差及参数敏感度不断调整有限元计算中的主要参数，使得计算值更符合实际。
桂丹特大桥全桥于2010年6月15日合龙，见图3。合龙段两侧高差均在20mm以内，成桥线形，高程等均符合设计要求。全桥的线形监测结果见图4.
5. 结语
5.1 混凝土容重、预应力张拉控制力、混凝土弹性模量、挂篮荷载是影响连续梁标高的重要参数。
5.2 连续梁标高对预应力张拉控制力最敏感，其次是混凝土容重和挂篮荷载。
5.3 参数敏感度分析不仅能为有限元计算的参数取值提供依据，在误差分析中也有重要作用。
5.4 根据参数敏感度分析和现场实测选取的计算参数能够反映桥梁的实际状况，由此进行的高程控制保证了桥梁线形符合设计要求。
参考文献
［1］ 刘耀东，白应华.广珠铁路工程桂丹特大桥施工监控总结报告［R］湖北工业大学，2010.
［2］ 刘耀东，刘璐等.桂丹公路特大桥预应力孔道摩阻试验研究［J］混凝土，2010（11）：13～15.
［3］ 范立础主编.预应力混凝土连续梁桥［M］.人民交通出版社,1988.
［4］ 向中富主编.桥梁施工控制技术［M］.人民交通出版社,2001.
［5］ 褚奇.预应力混凝土连续梁桥施工仿真分析与标高控制研究［D］.武汉理工大学.2008.
［5］ 张健.预应力混凝土连续箱梁桥高程控制研究［D］.东北林业大学,2009.
［文章编号］1006-7619（2011）04-18-380
［作者简介］ 刘耀东（1969-），男，籍贯：山东滕州，职称：副教授，工学博士，硕士生导师，研究方向：桥梁结构理论及施工技术。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
【关键词】连续梁;标高控制;敏感度分析;混凝土容重;弹性模量;预应力荷载;挂蓝荷载
Impact Research of Structural Design Parameters Sensitivity on Continuous Bridge Control Elevation
Liu Yao-dong
(School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University ofTechnology Wuhan Hubei 430068)
【Abstract】In this article, according to the principle of sensitivity, the finite element model is built for Guidan super large bridge in order to control the elevation of cantilever construction of large span prestressed concrete continuous box girder through using finete element software Midas/Civil. The design parameters analyzed by the principle of sensitivity include the unit weight of concrete, the elastic modulus of concrete, prestressed load, the load of hanging basket and so on. The value calculated by finite element method may be adjusted in light of the comparative analysis of parameter's sensitivity combined with field test so that the theoretic values may keep in accordance with the field testing values and the shape of finished bridge can be guaranteed to reach the design state.
【Key words】Continuous girder;Elevation control, sensitivity analysis;Unite weight of concrete;Elastic modulus;Prestressed load;Load of hanging basket
1. 引言
标高控制是连续梁施工控制的重要组成部分。连续梁的成桥线形受桥梁自重、预应力载荷、施工机具荷载等因素的影响往往与设计线形不符，为了达到预期设计线形，每个悬浇节段都要设预拱值，通过预拱值调整节段立模标高。立模标高确定后，主梁线形才能基本确定。因此，确定立模标高是成桥标高控制的关键。
本文以广珠铁路工程桂丹路特大桥连续梁标高控制为目标，首先确定影响标高控制的主要参数，然后通过参数调整试算法确定各参数单独变化时对标高的敏感度。参数敏感度分析对确定有限元模型的输入参数，桥梁理论预供值计算，确定节段施工的立模标高以及误差分析都有重要意义。
2. 工程概况
广珠铁路工程桂丹公路特大桥系60+100+60m三跨预应力混凝土连续梁桥，三角挂蓝分段悬臂浇注法施工。大桥全长221.5m。主梁截面为单箱单室，墩中心处梁高7m，跨中及端支座处梁高4m，其余部位梁高按R=3309.667m圆曲线变化，大桥立面结构见图1。
计算过程中采用MIDAS/Civil三维空间有限元软件模拟桥梁总体结构。主桥离散成80个主梁单元，按17个施工阶段考虑。施工顺序为：墩顶零号块及第一节段的浇筑→对称悬臂浇筑各段→边跨平直段浇筑及边跨合拢→中跨合拢结束。计算模型见图2：
3. 参数敏感度计算
在桥梁施工现场各种不确定因素的影响下，实际参数往往与设计参数存在一定差异。通过参数误差敏感度的理论分析，可以了解该参数对桥梁结构状态的影响程度，并以此为参考，根据现场实测的参数，适当调整理论分析模型，从而使理论分析与桥梁实际状态趋于一致。
连续梁桥设计参数主要有几何参数、截面特征值、材料特性、荷载参数等四类。结构设计参数敏感度分析的目的在于甄别参数对桥梁结构行为的影响程度，即当某一设计参数发生变化时，由此引起的桥梁结构某个目标控制部位的内力和变形的变化程度。混凝土容重、弹性模量、预应力荷载、挂蓝荷载是连续梁桥的主要设计参数，对其进行敏感度分析时可按±10%的控制幅度进行并以中跨跨中合拢段两侧挠度作为控制分析目标。
3.1 容重对标高的影响。
本桥设计容重取26KN/m3，按±10%的控制幅度，以成桥铺装1000天后中跨跨中挠度为目标，采用有限元进行分析，结果见表1。
由表1可以看出，随着容重的增加，梁段呈下挠趋势，容重每增加10%，下挠值约为6mm，下挠比例24.67%，可见桥梁标高对容重的敏感度较高。根据现场用容量筒所作的容重测量试验，将计算模型的混凝土容重修改为25.82 KN/m3。
3.2 混凝土弹性模量对标高的影响。
混凝土弹性模量对于桥梁结构的变形和应力都有影响，在混凝土从浇筑到终凝乃至后期收缩徐变的过程中，弹性模量一直随时间变化。以28天弹性模量作为计算分析参数，按±10%的幅度调整，可得成桥阶段和运营时静活载作用阶段挠度与弹性模量的关系（如表2所示）。
由表2可知，混凝土弹性模量的改变对成桥挠度影响最大仅为1.87%，挠度变化值在1mm之内；而运营阶段静活载作用下，弹性模量影响相对较大，最大挠度变化达6mm，影响幅度为10.26%。因此，在成桥之前，弹性模量的影响并非主要标高控制因素。在计算中可取理论弹模3.55 E+04MPa。
3.3 预应力对标高的影响。
预应力钢束的张拉对桥梁标高控制至关重要，以张拉控制应力Ncon为研究对象，分别以最大T构阶段、成桥阶段、和静活载作用阶段中跨跨中节点的挠度为分析目标，研究预应力张拉对标高控制的敏感程度。如表3所示：
由数据可知，张拉控制应力对桥梁施工节段影响较大，最大T构时影响值为2mm，影响幅度为22.07%，而成桥铺装后的挠度影响更大，最大挠度变化值为11mm，影响幅度为39.6%。但预应力对成桥后运营阶段的挠度无影响。
3.4 挂蓝荷载对标高的影响。
有限元计算中，挂蓝荷载是建模输入的重要参数之一，施工挂蓝荷载简化为对悬臂前端点的集中力和力矩，取±10%的挂篮荷载调整幅度，可得挂蓝荷载对标高控制的敏感度（见表4）。
由上表可知，挂蓝荷载在±10%的范围内变化时，中跨跨中挠度变化在±1mm左右波动，最大影响幅度为12.62%。
4. 标高控制结果分析
主要参数的敏感度计算结果表明预应力钢束的张拉控制应力对标高影响最大，其次是混凝土容重对标高的影响。混凝土弹性模量和挂篮荷载的影响相对较小。事实上最终标高的形成是各种影响参数共同作用下的结果，而各种影响参数量值的增大和减小对标高的变化趋势并不一致，其中混凝土容重和挂篮荷载越大挠度越小，张拉控制力越大挠度越大。因此在考虑最终标高时不仅要考虑量值的变化还要考虑影响趋势的问题。参数敏感度的分析不仅能够帮助有限元计算过程中的参数选取，对误差分析也有重要作用。可以根据实测值和理论值的误差及参数敏感度不断调整有限元计算中的主要参数，使得计算值更符合实际。
桂丹特大桥全桥于2010年6月15日合龙，见图3。合龙段两侧高差均在20mm以内，成桥线形，高程等均符合设计要求。全桥的线形监测结果见图4.
5. 结语
5.1 混凝土容重、预应力张拉控制力、混凝土弹性模量、挂篮荷载是影响连续梁标高的重要参数。
5.2 连续梁标高对预应力张拉控制力最敏感，其次是混凝土容重和挂篮荷载。
5.3 参数敏感度分析不仅能为有限元计算的参数取值提供依据，在误差分析中也有重要作用。
5.4 根据参数敏感度分析和现场实测选取的计算参数能够反映桥梁的实际状况，由此进行的高程控制保证了桥梁线形符合设计要求。
参考文献
［1］ 刘耀东，白应华.广珠铁路工程桂丹特大桥施工监控总结报告［R］湖北工业大学，2010.
［2］ 刘耀东，刘璐等.桂丹公路特大桥预应力孔道摩阻试验研究［J］混凝土，2010（11）：13～15.
［3］ 范立础主编.预应力混凝土连续梁桥［M］.人民交通出版社,1988.
［4］ 向中富主编.桥梁施工控制技术［M］.人民交通出版社,2001.
［5］ 褚奇.预应力混凝土连续梁桥施工仿真分析与标高控制研究［D］.武汉理工大学.2008.
［5］ 张健.预应力混凝土连续箱梁桥高程控制研究［D］.东北林业大学,2009.
［文章编号］1006-7619（2011）04-18-380
［作者简介］ 刘耀东（1969-），男，籍贯：山东滕州，职称：副教授，工学博士，硕士生导师，研究方向：桥梁结构理论及施工技术。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文