郭家沱长江大桥主缆状态影响参数敏感性分析_熊桂开.pdf

书书书第 42 卷第 3 期重 庆 交 通 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Vol 42No32023 年 3 月JOUNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVESITY(NATUAL SCIENCE)Mar 2023DOI:103969/jissn1674-069620230301郭家沱长江大桥主缆状态影响参数敏感性分析熊桂开1，2，王辉3，陈翰新2，何旭东4(1 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045;2 重庆市勘测院，重庆 401121;3 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031;4 重庆中建郭家沱大桥建设运营管理有限公司，重庆 400020)摘要:主缆状态是悬索桥建设过程的重要控制指标，是影响桥梁线形精度的主要因素。以一座在建的公轨两用悬索桥为例，选取架设时主缆温度、桥塔预抬值、钢丝弹性模量、钢丝直径、钢桁梁重量误差等 5 个参数，分析以上参数对主缆状态的影响。研究结果表明:主缆架设时主缆温度、桥塔预抬值、钢丝弹性模量、钢桁梁重量误差对空缆线形影响较大，为高敏感性因素;钢丝弹性模量对主缆无应力长度影响较大，为高敏感性因素;钢丝直径对空缆线形有一定影响，为一般敏感性因素;钢桁梁重量误差对主缆成桥内力有一定影响，为一般敏感性因素。为提高悬索桥主缆架设精度，需准确获取相关影响参数并反馈到监控工作中。关键词:桥梁工程;公轨两用悬索桥;主缆状态;参数敏感性;有限元分析中图分类号:U44546文献标志码:A文章编号:1674-0696(2023)03-001-06Sensitivity Analysis of Parameters Affecting Main Cable State ofGuojiatuo Yangtze iver BridgeXIONG Guikai1，2，WANG Hui3，CHEN Hanxin2，HE Xudong4(1 School of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China;2 Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China;3 School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;4 Chongqing Zhongjian Guojiatuo Bridge Construction Operation Management Co，Ltd，Chongqing 400020，China)Abstract:The main cable state is an important control index in the construction process of suspension bridge，and it is themain factor influencing the accuracy of bridge alignment Taking a highway-rail suspension bridge under construction as anexample，five parameters during erection were selected，including main cable temperature，tower pre-lift value，elasticmodulus of steel wire，diameter of steel wire，and weight error of steel truss beam The influence of the above parameters onthe main cable state was analyzed The research results show that the main cable temperature，tower pre-lift value，elasticmodulus of steel wire and weight error of steel truss beam during erection have a great impact on the empty cable alignment，which are highly sensitive factors The elastic modulus of steel wire has a great influence on the unstressed length of the maincable，which is a highly sensitive factor The diameter of steel wire has a certain impact on the empty cable alignment，which is a generally sensitive factor The weight error of steel truss beam has a certain impact on the internal force ofcompleted main cable bridge，which is a generally sensitive factor In order to improve the erection accuracy of the maincable of suspension bridge，it is necessary to accurately obtain the relevant influencing parameters and feed them back to themonitoring workKey words:bridge engineering;road-rail suspension bridge;main cable status;parameter sensitivity;finite elementanalysis悬索桥跨越能力大、造型优美，是现代桥梁的重要形式之一1。公轨两用悬索桥与公路悬索桥相收稿日期:2021-06-23;修订日期:2021-09-03基金项目:重庆市技术创新与应用发展专项面上项目(cstc2020jscx-msxmX0080)第一作者:熊桂开(1983)，男，湖南益阳人，教授级高级工程师，博士研究生，主要从事桥梁工程方面的工作。E-mail:xionggk520 qqcom比，具有荷载大、结构受力复杂、行车舒适性要求高等特点，因此对桥梁线形精度的要求也更高。主缆作为悬索桥的主要承重构件，是控制悬索桥成桥线形的重要因素，当悬索桥主缆架设完成后，主缆的实际成桥线形已经确定，后期施工中无法对主缆进行调整，因此在悬索桥的施工控制中，空缆线形是主缆施工的重要控制指标2-5。主缆的空缆线形受许多因素影响。例如:架设时主缆温度、桥塔预抬高值、主缆钢丝制造误差(钢丝直径制造误差、钢丝弹模制造误差等)、钢桁梁重量误差等。为确保成桥后的桥梁线形符合设计要求，在进行悬索桥主缆施工控制时，精准计算出主缆的空缆线形对指导主缆架设施工至关重要6。笔者以一座在建大跨度公轨两用悬索桥为例，基于 BNLAS 软件，采用空间几何非线性有限元分析方法，从架设时的主缆温度、桥塔预抬高值、钢丝弹性模量、钢丝直径、钢桁梁重量误差等参数来分析其对主缆状态的影响。1项目概况郭家沱长江大桥是重庆市六纵线横跨长江的节点性工程。该桥为(675+720+75)m 的单孔悬吊双塔三跨连续钢桁梁公轨两用悬索桥。大桥采用双层布置，上层为 8 车道城市道路，设计时速 80 km/h;下层为双线轨道交通，线间距 52 m，最高设计运行速度 100 km/h。主缆采用预制平行钢丝束股法(PPWS)形成，矢跨比为 1 9，两根主缆中心距为 38m，通长索股 133 股，每根索股由 127 根直径 545mm、公称抗拉强度 1 860 MPa 高强镀锌钢丝组成。吊索仅在中跨设置，采用公称直径 500 mm、公称抗拉强度 1 860 MPa 高强镀锌钢丝组成，吊点标准间距为 150 m。加劲梁采用正交异性钢桥面板桁结合钢桁梁，主桁架为带斜撑的三角形桁架，主桁架高度127 m，标准节间长度 150 m，两片主桁中心间距为170 m。桥跨布置见图 1;有限元模型见图 2。图 1郭家沱长江大桥桥跨布置(单位:cm)Fig 1Span arrangement of Guojiatuo Yangtze iver Bridge图 2郭家沱长江大桥有限元模型Fig 2Finite element model of Guojiatuo Yangtze iver Bridge2主缆状态影响参数分析21温度对主缆线形的影响温度荷载是悬索桥的主要荷载之一。大跨度悬索桥为柔性结构体系，温度变化会引起结构状态的显著改变。国内学者对此进行了大量研究，张永水等6 通过分析得出温度对悬索桥线形有较大影响的结论，在悬索桥空缆架设施工中，温度不仅会改变主缆索股长度，还会引起主塔偏位;范杰等7 针对悬索桥空缆线形对跨径及温度变化敏感的特点，从理论和工程实践上系统性的阐述了该影响。根据郭家沱长江大桥设计资料，设计基准温为20，为精确计算架设时主缆温度变化对空缆线形的影响，结合桥位处施工环境，分别采用架设温度为0、10、20、30、40 这5 种温度工况，计算分析架设时主缆温度对空缆线形影响，计算结果采用相对设计基准温度(20)的变化值表示，如表 1。表 1主缆温度对主缆空缆线形影响Table 1Influence of main cable temperature on empty cable alignmentof main cable温度/跨中空缆矢高/m北边跨侧中跨南边跨侧000690594006910003502960034200003000340295003440006905890069从表 1 可知:当架设时主缆温度每升高 10，计算出的主缆空缆线形中跨跨中矢高将降低 02952重 庆 交 通 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 42 卷m，边跨跨中矢高将降低 0034 m;中跨空缆线形受温度影响较大，边跨空缆线形受温度影响较小。这是因为在不同架设温度下，得出的索鞍预偏量不同。若鞍座固定，温度变化引起单孔悬吊悬索桥中跨主缆力变化小，边跨主缆力变化大;若鞍座放开，为保证塔顶两侧主缆水平力达到平衡，从而边跨主缆矢高变化小，中跨主缆矢高变化大，故中跨跨中空缆矢高相较于边跨受架设温度影响大。悬索桥施工控制一般选择在结构各部分温度尽量接近的情况下进行，并在架设时要对环境温度场进行监测，其目的是为主缆线形调整、监控计算提供参数，精确计算并指导主缆的空缆架设，保证其架设精度要求8。从变化规律中可看出:主缆跨中矢高变化值与架设温度近似为线性关系，可用式(1)表达。St=S0+K(T0 T)(1)式中:St为任意温度下跨中矢高值;S0为设计基准温度下跨中矢高值;T 为丝股架设期间平均温度;T0为设计基准温度;K 为主缆架设温度影响系数(本桥可近似取值 K=0029 6)。22桥塔预抬值对主缆线形的影响混凝土桥塔在索鞍传递的上部结构竖向荷载作用下，将产生弹性压缩，随着时间变化，也将产生收缩变形及徐变。为确保成桥后塔顶标高满足设计要求，施工时会将塔顶标高在设计标高状态基础上进行预抬9。如:万州新田长江大桥塔顶预抬值为 69mm;南沙大桥坭洲水道桥预抬值为 90 mm;深中通道伶仃洋大桥预抬值为 100 mm10。通过对于郭家沱长江大桥南北塔的桥塔预抬高值计算，在施工中给出的桥塔预抬高值为 65 mm。为分析桥塔预抬高值对主缆空缆线形的影响，笔者拟采取南北桥塔均预抬高 10、30、50、70、90 mm 这 5 个工况对主缆空缆线形影响进