结构分析模型误差对大跨径

徐利平

（同济规划建筑设计研究总院桥梁设计分院）

【摘要】本文以唐津高速公路永定新河大桥工程控制为背景，分析大跨径连续梁桥悬臂施工期间墩顶临时固结模型的准确选用和边跨合龙工程的仿真模拟，对成桥状态线型控制的影响程度，用以说明结构分析模型误差在大跨径连续梁桥工程控制中的重要性。 关键词 大跨径 连续梁桥 分析模型 误差 影响

一、前言

按零位移倒退分析得到的理想状态是我们期望在每个节段施工期间实现的目标，而实际施工期间的某一状态总是偏离相应阶段的理想状态，这就是误差所致【1】，根据误差产生的原因和修正的办法的不同，将其分为设计参数误差、施工误差、测量误差和结构分析模型误差等四大类型，其中设计参数的误差分析和修正有较多的研究成果，有许多成熟的实践积累【2，3】。而对于大跨径连续梁桥，准确选用结构分析模型（本文所指结构分析模型包括结构模型和工况模拟两部分），尤其是悬臂施工期间的墩顶！临时固结模型和边跨合龙的仿真摸拟，将直接关系到结构体系转换后的线型状态，对结构最终的合龙和成桥状态线型起着关键的作用。因此，根据实际施工情况，选用准确、合适的墩顶临时固结模型和边跨合龙工况模拟也是非常重要的。

本文以唐津高速公路（唐山至天津段）永定新河大桥工程控制为背景，分析大跨径连续梁桥悬臂施工期间墩顶临时固结模型的准确选用和边跨合龙工况的仿真模拟，对成桥状态线型控制的影响程度，用以说明结构分析模型在大跨径连续梁桥工程控制中的重要性。

天津永定新河大桥为唐津高速公路跨越永定新河的一座大型桥梁，大桥主桥为三跨预应力混凝土变高度连续梁，跨径组合为： 82.75＋ 110.0＋ 82.75＝ 275.5（m）。主墩支点梁高6m，是主跨的1／18.3，跨中梁高2.5米，是主跨的1／44。横断面为两个分离的单箱单室箱型梁，箱型梁顶板定12.0m，箱宽6m，两侧挑臂各3m。大桥采用悬臂浇筑法施工，主墩墩顶零号段长度为 22.0m，节段长度有 3.0m、3.5米和 4.0m三种，主墩每侧各 12块悬浇节段，最大节段重量约 1180kN，最小节段重量约 680kN。边跨支架现浇段长度为 26.6m，中跨和边跨合龙段长度均为

2.0m。

大桥于1999年8月开始箱梁零号段施工，2000年6月全桥结构合龙。

二、结构模型误差

连续梁桥的结构模型问题关键是悬臂施工期间墩顶临时固结的模拟问题。由于墩顶临时固结的方式很多，而不同的墩顶固结方式会产生不同的成桥线型。在结构分析时，每一种固结方式都需要简化成一种力学和位移条件与实际相适应的结构模型，如何选择适当的简化模型，避免工程控制中由于结构模型选择不当引起的计算状态和实际状态之间的误差，这是工程控制首先要解决的问题。图1所示为三种常用的墩顶临时固结方式。

图2所示为四种计算采用的临时固结模型，模型1将撤顶两侧的固结混凝土垫块用两个链杆支座代替；模型2将实际墩身结构模拟在计算模型中，并把墩顶固结垫块按实际刚度和面积作为一个杆单元处理；模型3在模型2的基础上，将实际采用的墩身两侧辅助混凝土立柱作为杆单元与墩身共同构成固结模型；模型4也是在模型2的基础上，将墩身两侧抵抗不平衡力矩用的钢绞线模拟为可调值索单元，计算中可通过索单元轴向力调值模拟实际施工中对钢绞线的分批张拉。

对以上四种模型分别进行计算，其前进分析成桥时主要节点的位移状态和主要单元的力状态结果见表1所示，施工期（以12号节段浇筑混凝土和张拉预应力为例）的位移状态、挠度和理论抛

高值见表二所示。结果表明，不同的临时固结模型，其成桥状态线型是不同的，有的甚至存在较大的差别。既使是图1中（a）的固结方式与模型1的支承条件非常相似，其成桥线型也存在较大的差别。模型1和模型2的边跨成桥线型相差28.8％，中跨相差22.89％，相应在表2可见，其岸测和河侧12号节段理论抛高值也分别相差41％和18.5％。显然，图1中（a）的固结方式采用图2中模型2来模拟是合适的，若采用模型1来模拟，就会产生较大的误差。类似地，比较模型2和模型4可以知道，虽然两者浇筑节段混凝土和张拉预应力产生的挠度非常接近，但其成桥线型相差较大，边跨和中跨分别相差40％和 10.4％，河侧12号节段理论抛高值相差30％。可见，若忽视固结钢绞线的作用，将图1中（ C）的固结方式简单采用模型2来模拟，同样会产生较大的误差。另外，四种临时固结模型的成桥内力状态又都是非常接近的。

连续梁悬臂施工期的墩顶；临时固结模型误差的特点是：在每一节段的施工中，各阶段的实测值挠度和计算值很接近，误差不大，因而其原因不易发觉，通常会计入设计参数误差中而被修正；模型误差引起的线型偏离是伴随结构体系转换而发生的，因而会形成无法修正的局面，造成合龙困难。

三、工况模拟误差

结构分析中的工况模拟应尽可能接近实际施工步骤，方可减少由于工况模拟误差带来的施工期和

成桥状态的线型与内力误差。连续梁桥边跨合龙时，实际操作是分阶段、分步骤实现的。具体工况划分和施工周期见表3所示，并称为边跨合龙工况模拟1。

若将边跨合龙的以上三个步骤简化为采用一个工况模拟，称为边跨合龙工况模拟2。对两种边跨合龙的工况模拟分别进行计算，其成桥时主要节点的位移状态和主要单元的力状态见表4所示。由表可见， 二者的位移状态相差非常大，边跨跨中和中跨跨中均相差36％。

显然，若采用工况模拟2表示边跨合龙的施工状况，将导致计算值与实桥线型发生较大的误差，根据零位移倒退分析进行工程控制，会使实桥边跨跨中比理想线型低14毫米，中跨跨中高出16毫米。但是，同固结模型的影响一样，两种边跨合龙工况模拟对结构内力影响很小。

工况模拟误差导致成桥线型偏高理想状态的主要原因在于各计算工况中产生混凝土收缩、徐变等变形时的结构应力状态及时间与同期实桥的应力状态、施工周期存在着差异。其误差产生的特点类似于固结模型误差，只有在边跨合龙完成后，误差全部发生时才被发觉，且已无法调整。

四、实桥线型控制成果

永定新河大桥两个主墩分别属于两个施工单位，南北两个主墩采用了不同的施工挂篮和墩顶临时固结方式，南侧主墩（SP27号墩）采用图1（C）所示的固结方式，计算采用固结模型4，北侧主墩（NP28号墩）采用图1（b）所示的固结方式，计算采用固结模型3。两个主墩采用不同的临时固结方式，使得悬臂施工期间两侧箱梁顶面标高不具有可比性，给标高控制和挠度判断带来了困难。

图4、图5给出了大桥下游箱梁边跨合龙并实现体系转换和中跨合龙完成这样两个状态线型的计算值和实测值（图中标高放大100倍）。由于两个主域运用了不同的固结方式，计算也相应采用了不同的固结模型，因而，在边跨合龙并解除固结实现体系转换以后，南侧半桥中跨悬臂端产生的总竖向位移量的计算值和实测值分别为一34毫米和一23毫米，北侧分别为一48毫米和一41毫米，南北两侧的计算值和实测值均比较接近，说明了工程控制中采用的两个主墩的固结模型和边跨合龙施工的工况模拟达到了模型仿真和施工仿真的目的，从而最大限度地减小了这一过程中

产生的线型误差。

五、结语

对于大跨径连续桥梁工程控制而言，建立简单、明确的墩顶临时固结模型和仿真的工况模拟有助于减小伴随着结构体系转换而出现的线型偏离，以避免对结构内力不利的强迫合龙，也有助于判断修正设计参数等误差时排除结构模型误差的干扰。

为了减少结构分析模型误差对大跨径连续梁桥工程控制的影响。一方面必须从结构实际支承条件和实测数值出发，通过对各种具有类似支承状况的墩顶临时固结模型进行比较分析，以获得最能反映实际固结方式的位移和力学条件的墩顶固结模型。另一方面应对设计安排的施工顺序和施工单位制定的施工组织设计进行反复协调，确定实际执行的施工步骤，将其细化成为计算工况，并根据实际施工状况进行不断调整，最终才能得到反映实际施工的工况模拟。