（固体力学专业论文）斜拉桥索力优化与合理施工状态研究.pdf

摘要 摘要 本论文以石家庄市仓安路斜拉桥施工过程为研究背景，采用有限元分析软 件a n s y s ，实现了斜拉桥施工过程的模拟计算。研究以约束正装迭代法进行施 工过程中索力优化与合理旎工状态确定的问题。约束正装迭代计算的基本思路 是：以设计成桥状态的索力、内力和主梁线形为目标值，通过假定初始张拉索 力对斜拉桥施工过程进行正装计算，并在正装计算过程中搬据结构受力和施工 安全的要求对各次张拉力施加约束。将正装计算得到的成桥状态与理想成桥状 态进行对比，建立各次张拉索力值与成桥状态控制参数之间的关系矩阵，以最 小二乘法原理对施工中张拉索力值进行修正后，投入下一轮正装计算，直至控 制参数的误差处于允许的范围内，终止迭代，输出结果，并根据正装迭代过程 中结构线形的变化，求出各个粱段在施工过程中合理的立模标高，从而为施_ 1 ： 控制提供可靠的科学依据。 论文的另一主要工作是研究采用前支点挂篮进行斜拉桥主粱悬臂现浇施工 时中间张拉索力的确定问题。斜拉桥结构主梁较柔，同时前支点挂篮的承载能 力也要受到其本身控制部件允许反力及应力范围的控制，这就要求作为前支点 的斜拉索在当前梁段施工过程中要根据主梁和挂篮受力的要求进行多次中间张 拉，来改善结构受力，保证施工安全。本文将以此为目标，通过分析斜拉桥和 挂篮结构在施工过程中内力变化规律，确定满足上述要求的合理中间张拉次数 与各次中间张拉索力。 作者提出的计算方法均在亲身经历的石家庄市仓安路斜拉桥施工控制中得 到验证，效果良好，具有一定的实用价值，可以为今后同类斜拉桥的设计与施 工提供参考。 关键词：斜拉桥，合理施工状态，索力优化，时变力学，中间索力 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，as i m u l a t i v ec o m p u t a t i o ni sr e a l i z e do ft h ec o n s t r u c t i o no ft h e c a b l e s t a y e db r i d g ea tc a n g a l lr o a do fs h i j i a z h u a n gc i t yt h r o u 曲t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h eo p t i m u mo ft e n s i o n i n gf o r c ea n dt h er e a s o n a b l e c o n s t r u c t i o ns t a t ea r ed e c i d e dt h r o u g hr e s t r i c t e di t e r a t i v ec a l c u l a t i o n 衲i sm e t h o di s b a s e do nt h ec a b l ef o r c e ，t h es t r u c t u r e si n t e r m df o r c ea n dg e o m e t r i cs t a t eo f r e a s o n a b l ef i n i s h e db r i d g e ，a n da s s u m e st h ei n i t i a l t e n s i o n i n g f o r c ei no r d e rt o s i m u l a t et h eb u i l d i n gp r o c e s so ft h ec a b l e - s t a y e db r i d g e c o n s t r a i n t sa r eb r o u g h tt o t h et e n s i o n i n gf o r c ea c c o r d i n gt ot h ef o r c eo nt h es t l u c t u r ca n ds a f e t yr e q u i r e m e n tt o i n s u r et h em e c h a n i c a ls t a t eo fc o n s t r u c t i o nc o u r s e c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t e df i n i s h e d m e c h a n i c a ls t a t ew i t ht h er e a s o n a b l ef i n i s h e ds t a t e ，t h er e l a t i o nm a t r i xi st h e n e s t a b l i s h e db e t w e e nt e n s i o n i n gf o r c e sa n dp a r a m e t e r so f f i n i s h e ds t a t e a f t e r m o d i f i e dw i t ht h el e a s ts q u a r em e t h o d ，t h et e n s i o n i n gf o r c ei sa p p l i e dt ot h en e x t r o u n dc o m p u t i n gu n t i lt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc a l c u l a t e da n dr e a s o n a b l es t a t ei si nt h e a l l o w e dr a n g e t h e nt h er e a s o n a b l eu p r i g h tl e v e lo fe a c hg i r d e ri sd e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h ee o u l o ft h ei t e r a t i v ec a l c u l a t i o ns oa st op r o v i d eg u i d a n c ef o r c o n s t r u c t i o n t h en e x tw o r ko ft h i sp a p e ri st os t u d yt h er e a s o n a b l ei n t e r i mc a b l ef o r c e so f c a b l e s t a y e db r i d g e w i t hc o n c r e t e g i r d e r sd u r i n g t h ec a n t i l e v e r c a s t i n p l a c e c o n s t r u c t i o nu s i n gf o r mt r a v e l e r sw i t hf o r e - f u l c r a t h es t r u c t u r eo ft h ec a b l e s t a y e d b r i d g ea n dt h et r a v e l e r sw i t hf o r e f u l c r ar e q u i r e st h a tt h ec a b l em u s tb et e n s i o n e d s e v e r a lt i m e sd u r i n ge v e r yg i r d e r sc o n s t r u c t i o nc o u r s et 0i m p r o v et h es t r u c t u r e s m e c h a n i c a ls t a t e t h i sa r t i c l es e e k st od e t e r m i n et h er e a s o n a b l e f r e q u e n c yo f t e n s i o n i n ga n dt h ei n t e r i mc a b l ef o r c e sa c c o r d i n gt o t h ei n t e r n a lf o r c e s o ft h e s t r u c t u r ea n dt r a v e l e ri nt h ec o u r s eo ft h ec o n s t r u c t i o n t h i sc a l c u l a t i o nm e t h o di sp r o v e dt ob ec o r r e c ta n de f f e c t i v ei nt h ec o n s t r u d i o n c o n t r o lo ft h ec a b l e s t a y e db r i d g ea tc a n g a nr o a do fs 墒i a z h u a n gc i t yw h i c ht h e a u t h o rp e r s o n a l l yp a r t i c i p a t e di n w i t hi t sp r a c t i c a lv a l u e ，i tm a yp r o v i d er e f e r e n c e s a b s t r a c t f o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs i m i l a rc a b l e s t a y e db r i d g e s k e yw o r d s ：c a b l e - s t a y e db r i d g e ，r e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o ns t a t e ，c a b l ef o r c eo p t i m u m ， t i m e - v a r y i n gm e c h a n i c s ，i n t e r i mc a b l ef o r c e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 秘逃 争弦。ij 参 第一章绪论 第一章绪论 1 1 斜拉桥的发展与结构特点 1 1 1 斜拉桥发展概况 斜拉桥是上世纪5 0 年代重新发展起来的一种大跨度桥型。作为一种拉索支 承体系桥梁，斜拉桥相比粱式桥具有更大的跨越能力，在授术方案合理的跨径 范围内，比悬索桥有更好的经济性【1 , 2 】。更以其线条纤秀、构造简洁、结构造型 丰富多彩、结构受力性能好、抗震能力强及施工方法成熟等特点，在桥梁_ 1 ：程 中的应用日益增多，发展很快。 世界上的第一座现代化斜拉桥是建成于1 9 5 5 年的瑞典斯特罗姆松德桥 ( s t r o m s u n db a d g e ) ，该桥跨径组含为7 4 7m + 1 8 2 6m + 7 4 7m ，其钢板主梁由越 经塔顶的成组预应力拉索支承，横向有两个垂直的索面，立面上斜拉索布置呈 放射形，索塔是有倾斜塔柱的门式框架，底部铰接以便能沿桥的纵向摆动。该 桥也是世界上第一座现代化钢结构斜拉桥【3 1 。其稀疏的斜拉索在主梁不能设嚣桥 墩的区域提供中间弹性支承，由于超静定次数低，结构计算分析简单，成为斜 拉桥发展之初被广泛采用的形式。与现代密索体系斜拉挢相比较，由于其斜拉 索在主粱上锚固点间距较大，主粱控制截面的弯矩就相应增大，这就要求稀索 体系斜拉桥主粱具有较大的剐度，因此，其工程造价较高，没有充分体现出斜 拉桥结构上的优越性。 2 0 世纪中后期，随着科技的迅猛发展，计算机技术在桥梁工程中的应用日 益增多，有限元法的出现和电算技术的发展，高强度优质新型建筑材料的大璧 生产，模型试验技术和预应力混凝土技术的飞速发展，使斜披桥建造技术有了 突破性进展。2 0 世纪6 0 年代开始出现的密索体系辩拉桥，主粱以受压为主，截 面大幅度减小，并且可以挟索，避免了稀索体系斜拉桥主粱重且配筋多的缺点。 如1 9 6 7 年德国波恩建成的弗瑞德里西一埃伯特桥( b o u n n o r db a d g e ) ，是世界上 首创的单索面扇状密索体系斜拉桥，主跨达2 8 0m | 4 , 5 】，这种体系使得锚固点的 集中力减小，而且适合于悬臂施： ，为其后许多斜拉桥的建设做出了典范。 第一章绪沧 2 0 世纪末，尤其是进入2 1 世纪以来，随着高强度钢材( 筋) 、钢绞线、高标 号混凝土等优质材料的出现，结构分析的不断完善，施工工艺及施工控制技术 的日趋成熟，斜拉桥向跨径大、结构柔等方向发展已成为可能，曰益成为大跨 度桥梁建设的首选桥型。建成于1 9 9 5 年的法国诺曼底大桥( n o r m a n d yb r i d g e ) 跨 径为5 4 7 8m + 8 5 6m + 7 3 7 5m ，倒y 形塔，为扇形双索面混合粱斜拉桥，该桥主 跨为钢箱粱，边跨采用混凝土粱，从而有效解决了边跨支墩出现上拔力的问题。 日本于1 9 9 9 年建成的多多罗大桥( t a t a r ab “d 翰，跨径组合为2 7 0m + 8 9 0m + 3 2 0 1 1 1 ，倒y 形钢塔高达2 2 01 1 1 ，为双塔双索面混合粱斜拉桥，是目前世界上已建成 的跨径最大斜拉桥 6 , 7 1 。在混凝土斜拉桥的建设方面，也有突破性进展。建成于 1 9 9 1 年，位于北极圈附近的挪威斯卡恩圣特桥( s k a m s u n d e tb r i d g e ) ，跨径组合为 1 9 0m + 5 3 0m + 1 9 0m ，三角形预应力混凝土箱梁高2 1 5m ，至今一直保持着世界 第一预应力混凝士斜拉轿的地位i 驯。 我国在斜拉桥建设领域虽然起步较晚，但建造技术发展很快。从1 9 7 5 年建 成中国第一座斜拉桥重庆云阳桥至今，已经成为世界上拥有斜拉桥最多的 国家之一。先后于2 0 0 1 年和2 0 0 5 年建成的南京长江二桥和南京长江三桥，均 为南北对称的双塔双空问索西漂浮体系钢箱粱斜拉桥，其主跨分别达到了6 2 8m 和6 4 8m 。2 0 0 2 年建成的荆州长江公路大桥，北汉桥跨径组合2 0 0m + 5 0 0m + 2 0 0 m ，是我国目前跨径最大的p c 斜拉桥；南汉p c 斜拉桥跨径组合1 6 0m + 3 0 0m + 9 7 m ，姊妹两塔高差达3 5 4m ，全桥构造包含国际国内太跨度桥粱的多种形式，设 计、施工、控制难度太，被园内桥梁界誉为“中国桥梁建设的博物馆”。 9 1 1 1 它们的成功建造，标志着我国大跨径斜拉桥建造水平达到丁一个新的里程碑， 迈入了斜拉桥建设领域世界先进国家行列。预计2 0 0 7 年建成的江苏苏通长江公 路大桥，为主跨1 0 8 8m 的双塔双索面混合式钢箱梁斜拉桥，倒y 形索塔高达 2 9 7 7m ，该桥建成后将在相当长一段时间内保持世界上跨径最大斜拉桥纪录l l “。 所有这些表明：斜拉桥已成为大跨径桥梁最主要桥型之一，在2 0 0m - - 6 0 0m 范围内优势明显，在6 0 0m 1 2 0 0r r l 范曝内，可与悬索桥楣竞争。斜拉桥在国 内外桥梁建设中都具有广阔的发展前景。 1 1 2 斜拉桥的绩构特点与建造技术 斜拉桥结构由塔、索和主梁组成，它的结构特点是由索塔引出的斜拉索作 为梁跨的弹性中间支承，以降低粱跨的截面弯矩，减轻主粱自重，提高了粱的 一2 一 第一章绪论 跨越能力。此外，斜拉索的水平分力对主粱产生轴向预加压力的作用，从而增 强了主梁的抗裂性能和承载能力，减少了商强度钢材的用量。 斜拉桥在结构力学上属于高次超静定自锚体系，可以通过索力优化获得理 想的成桥内力状态，因此其整体剐度好，与悬索桥相比，具有良好的抗风、抗 震稳定性【1 3 】。 斜拉桥结构体系丰富多彩。按孔跨布局，可分为独塔双跨式、双塔三跨式 和多塔多跨式等；按索面数分为单索面、双索面及三索面；按索面的形状可分 为辐射形、竖琴形和扇形；在密索体系的前提下，按塔、粱和墩的相巨连接方 式，斜拉桥的结构体系可分为漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系和塔梁檄 固结体系等1 1 4 1 。 与其多变的结构体系相对应，斜拉桥的施工方法也是多种多样的。斜拉桥 主粱施工一般可采用支架法、顶推法、转体法、悬储浇注法和悬臂拼装法来进 行。在实际工程中，混凝土斜拉桥多采用悬臂浇注法施工，而结合粱斜拉轿和 钢箱梁斜拉桥则多采用悬臂拼装法。 斜拉桥与一般粱式桥相比，主梁较柔，抗弯能力差，当采用传统挂篮进行 悬臂现浇施工时，由于挂篮自重太大，塔、粱和拉索设计由施工内力控制，极 不经济。所以，施工中应尽量利用斜拉挢的结构特点，使用前支点牵索式挂篮， 由斜拉索和已经浇注粱段共同承担待浇粱段重量，以减轻施工瑷备重量，充分 发挥斜拉索的作用 1 5 , 1 6 | 。 1 2 斜拉桥施工控制技术 1 2 1斜拉桥施工控制的内容与意义 斜拉桥属高次超静定结构，施工中主粱标离的调整将影响到斜拉索的内力， 而某根斜拉索内力的调整又影响到主粱标商、内力和附近斜拉索的内力，所采 用的旌工方法和安装程序与成挢厝的主粱线形和结构恒载内力有着密切的关 系。另一方面，在施工阶段随着斜拉桥结】| 句体系和旖载状态的不断变化，结构 内力和变形亦随之不断发生变化，因此，需要对斜拉桥的每一施工阶段进行详 细的分析和验算，求出斜拉索张拉吨位、主粱挠度、塔柱位移以及主梁和索塔 的控制截面内力与应力等施工控制参数的理论计算值，对旌工顺序做出明确舰 3 一 第一章绪论 跨越能力。此外，斜拉索的水平分力对主粱产生轴向顸加压力的作用从而增 强了主粱的抗裂性能和承载能力，减少了高强度钢材的用量。 斜拉桥在结构力学上属于高次超静定自锚体系，可以通过索力优化获得理 想的成桥内力状态，因此其整体剐度好，与悬索桥相比，具有良好的抗风、抗 震稳定性吲。 斜拉桥结构体系丰富多彩。按孔跨布局，可分为独塔双跨式、双塔兰跨式 和多塔多跨式等；按索面数分为单索面、双索面及三素面；按索面的形状可分 为辐射形、竖琴形和扇形；在密索体系的前提下，按塔、粱和墩的相勤垒接方 式，斜拉桥的结构体系可分为漂浮体系、半漂浮体系、塔粱固结体系和塔粱檄 固结体系等1 1 4 j 。 与其多变的结构体系相对应，斜拉桥的施工方法也是多种多样的。斜拉桥 主粱施工一般可采用支架法、顶推法、转体法、悬储浇注法和悬臂拼装法来进 行。在实际工程中，混凝土斜拉桥多采用悬臂浇注法施工，而结合粱斜拽轿和 钢箱梁斜拉桥则多采用悬臂拼装法。 斜拉桥与一般梁式桥相比，主梁较柔，抗弯能力差，当采用传统挂篮进行 悬臂现浇施工时，由于挂篮自重太大，塔、粱和拉索设计由施工内力控制，极 不经济。所以，施工中应尽量利用斜拉桥的结构特点，使用前支点牵索式挂篮， 由斜拉索和已经浇注粱段共同承担待浇粱段重量，以减轻施工设备重量，充分 发挥斜拉索的作用| 1 5 1 6 1 。 1 2 斜拉桥施工控制技术 121斜拉桥施工控制的内容与意义 斜拉桥属高次超静定结构，德工中主梁标高的调整将影响到斜拉索的内力， 而某根斜拉索内力的调整又影响到主粱标离、内力和附近斜拉索的内力，所采 用的旌工方法和安装程序与成桥后的主粱线形和结构恒载内力有着密切的关 系。另一方面，在施工阶段随着斜拉桥结_ l 姆体系和旖载状态的不断变化，结构 内力和变形亦随之不断发生变化，因此，需要对斛拉桥的每施工阶段进行详 细的分析和验算，求出斜拉索张拉吨位、主粱挠度、塔柱位移以及主梁和索塔 的控制截面内力与应力等施工控制参数的理论计算值，对旌工顺序做出明确规 的控制截蕊内力与应力等施工控制参数的理论计算值，对旌工顺序做出明确规 3 第一章绪论 跨越能力。此外，斜拉索的水平分力对主粱产生轴向预加压力的作用，从而增 强了主梁的抗裂性能和承载能力，减少了商强度钢材的用量。 斜拉桥在结构力学上属于高次超静定自锚体系，可以通过索力优化获得理 想的成桥内力状态，因此其整体剐度好，与悬索桥相比，具有良好的抗风、抗 震稳定性【1 3 】。 斜拉桥结构体系丰富多彩。按孔跨布局，可分为独塔双跨式、双塔三跨式 和多塔多跨式等；按索面数分为单索面、双索面及三索面；按索面的形状可分 为辐射形、竖琴形和扇形；在密索体系的前提下，按塔、粱和墩的相巨连接方 式，斜拉桥的结构体系可分为漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系和塔梁檄 固结体系等1 1 4 1 。 与其多变的结构体系相对应，斜拉桥的施工方法也是多种多样的。斜拉桥 主粱施工一般可采用支架法、顶推法、转体法、悬储浇注法和悬臂拼装法来进 行。在实际工程中，混凝土斜拉桥多采用悬臂浇注法施工，而结合粱斜拉轿和 钢箱梁斜拉桥则多采用悬臂拼装法。 斜拉桥与一般粱式桥相比，主梁较柔，抗弯能力差，当采用传统挂篮进行 悬臂现浇施工时，由于挂篮自重太大，塔、粱和拉索设计由施工内力控制，极 不经济。所以，施工中应尽量利用斜拉挢的结构特点，使用前支点牵索式挂篮， 由斜拉索和已经浇注粱段共同承担待浇粱段重量，以减轻施工瑷备重量，充分 发挥斜拉索的作用 1 5 , 1 6 | 。 1 2 斜拉桥施工控制技术 1 2 1斜拉桥施工控制的内容与意义 斜拉桥属高次超静定结构，施工中主粱标离的调整将影响到斜拉索的内力， 而某根斜拉索内力的调整又影响到主粱标商、内力和附近斜拉索的内力，所采 用的旌工方法和安装程序与成挢厝的主粱线形和结构恒载内力有着密切的关 系。另一方面，在施工阶段随着斜拉桥结】| 句体系和旖载状态的不断变化，结构 内力和变形亦随之不断发生变化，因此，需要对斜拉桥的每一施工阶段进行详 细的分析和验算，求出斜拉索张拉吨位、主粱挠度、塔柱位移以及主梁和索塔 的控制截面内力与应力等施工控制参数的理论计算值，对旌工顺序做出明确舰 3 一 第一章绪论 定，并在施工中加以有效的管理和控制。只有这样，才能确保斜拉桥在施：i i 过 程中结构的受力状态和变形始终处于安全范围内，成桥后主粱的线形符合设计 要求，结构本身又处于最优的受力状态，这是各种类型斜拉桥建造过程中都必 须面对和解决的一个重要问题，即斜拉桥的施工控制1 1 。1 。 随着斜拉桥跨径不断增大，且主跨多是跨越江河，不便搭设支架进行施工， 故现代斜拉桥主梁多采用自架设方法进行施工，施工难度不断增大，施工控制 也显得尤为重要。尤其是混凝土主粱斜拉桥，因为混凝土除自身是非均匀材料 和材质特性的不稳定外，还要受温度、湿度和时问等因素的影响，加上采用自 架设体系施工方法，各节段混凝土或各层混凝土相互影响，且这种相互影响又 有差异，因此，必然造成备节段或各层的内力和位移随着混凝土浇注或块件拼 装过程变化而偏离设计值。为了保证施工质鳖，必须要对建桥的整个过程进行 严格的施工控制。 斜拉桥的施工控制是一个比较困难和复杂的问题。施工中虽然按定方法 计算出每一施工阶段的索力和相应的位移，但实际结构的索力和位移与理论计 算值不可避免的存在误差，这就需要及时根据拖工现场实铡数据与计算结果进 行对比分析，对影响结构计算的设计参数进行识别和修正，从赠实现对施工过 程的实时跟踪控制。由于施工控制实旌不合理或没有进行有效的施工控制而造 成的工程事故国内外都有典型的例子。比如国内有座2 1 0m + 2 0 0m 跨径的独塔 单索面p c 斜拉桥，在施工中主梁采用劲性骨架悬臀现浇，浇筑时通过水箱放水 减载与浇筑的混凝士重力相平衡，以此来保持设计线形，理论上是完善的，但 由于主梁分中箱和边箱磁次浇筑，施工工序除纵向分节段外，横向又分两次完 成，工序太多，不容易控制，所以造成该桥究工后，主梁外观垦波浪形，在桥 面行车时更为明显，不但影响行车舒适，也造成外观的缺憾，且各斜拉索受力 是否符合设计要求，就更不得而知了【1 , 1 8 。再如1 9 7 8 年建成的美国p 。k 斜拉桥， 中跨合拢时，误差达到1 7 锄。1 9 7 7 年建成的跨径3 2 0 m 的法辫b r o t o n c 斜拉桥 采用压重方法才使大桥最终合拢，造成了主梁内力和索力的不会理。由于施工 控制不力造成的安全事故也时有发生，例如2 0 世纪年代出现的四川达县州 河斜拉桥在合拢蔺的垮塌与旅工过程中结构状态控制不力有很大关系i ” 2 。 鉴于以上分析，旌工控制在斜拉桥建设中占用十分重要的她位。目前，我 国已将施工控制纳入斜拉桥建设管理不可缺少的内容中，公路斜拉桥设计规范 ( 试行) ( j t j 0 2 7 9 6 ) 明确规定对斜拉桥建设应进行施工控制1 2 1 1 。 4 第一章绪论 1 2 2 斜拉桥旅工控制技术的发展 最早较系统的把工程控制理论应用到桥梁施工管理中的是日本。2 0 世纪8 0 年代初，日本修建日野预应力混凝土连续梁桥时，就建立了施工控制所需要的 应力、挠度等参数的观测系统，并应用计算机对所测参数进行现场处理，然后 将处理后的实测数据送回控制室进行结构计算分柝，最后将分析结果返回刘现 场进行旋工控制。至于斜拉桥的施工控制，到8 0 年代后期，日本在修建c h i c h b y 斜拉桥和y o k o h a m a 海湾大桥时，成功地利用计算机网络传输技术建立了一个用 于拉索索力调整的自动监控系统，实现了施工过程中实测参数与设计值的快速 比较验证，对保证施工安全和精度，加快施工进度起了决定性作用。此后在1 9 8 9 年建成的n i c h u 桥和1 9 9 1 年建成的t o m e i a s h i g a r a 桥的施工中又建立了更为先 进的监控系统i 弘矧。 国外众多发达国家已经将旄工控制纳入常规施工管理工作中，施工控制方 法已从人工测量、分析与预报，发展到自动监控、分析颈报和计算机自动控制， 并已形成了较完善的桥梁施工控制系统。即便如此，国外对桥梁施工控制技术 的研究还在继续，这是由于影响桥梁施工的因素太多、太复杂，同时不断涌现 的新桥型、不断增大跨径的大规模桥梁工程也对桥梁施工控制提出了更高的要 求。 我国在现代桥梁施工控制技术方面的研究起步相对较晚，但发展很快。进 入8 0 年代后，施工控制中引入了计算机辘助控制。1 9 8 2 年建成的上海泖港大桥 ( 主跨2 0 0m p c 斜拉桥) ，首次根据现代工程控制的基本思想，有效的进行了主粱 挠度和索塔水平位移的施工控制l 硼。济港大桥施工控制的成功实施，引起了国 内桥梁界对桥梁施工监控技术研究的高潮。8 0 年代后期，斜拉桥施工监控技术 已经有了全面的研究，并逐渐形成了系统。予1 9 8 7 年竣工的天津永和斜拉桥( 主 跨2 6 0mp c 斜拉桥) ，主粱悬臀拼装麓工，由阏济大学负责该桥的施工控制工作。 除了进行必要的科学试验，以求得各种参数并进行识别外，为保证成桥状态符 合设计要求，首次在该桥主粱安装计算时采用了倒退分析法，编制了倒拆法计 算程序。为了较准确的调整索力，编制了“恒载自动调索”程序，使旋工中的 计算较好的接近真实受力状态。在分析中除了剥用e r n s t 公式对由于拉索垂度效 应引起的几何非线性影响进杼修正外，还利用拖动坐标计入了大变形影响。为 了减小徐变效应影响，还合理安排了预制块养生期，为陔桥缩短工期做出了贡 一5 一 第一章绪论 献。实践证明，该桥的内力和线形控制良好【期。 1 2 3 斜控桥麓工控制方法1 2 牡3 0 j 斜拉桥的施工控制方法从控制思路上可以分为三种：开环控制、反馈控制 和自适应控制。 ( 1 ) 开环控制。按理论的控制参数( 立模标高和张拉索力) 进行施工，不进行参 数识别修正，如施工过程中误差在允许范锄内，则成桥后桥梁结构的受力和主 梁线形能满足要求。采用开环控制必须具备参数误差小的条件。如果在设计中 对各种参数均估计得比较准确，施工中又能做到严格控制这些参数大小( 如粱段 重量、张拉索力等) ，则这种方法是可行的。大部分中小跨度规模的斜拉桥，特 别是钢斜拉桥采用了这种方法。 ( 2 ) 反馈控制。实际施工状态与理论施工状态通常是存在误差的，并且随蔫 施工过程的进展，悬臂越来越大，误差可能也随之增大，严重时会危及结构的 安全，并且成桥后达不到设计要求，因此，在误差较大的情况下，必须进行控 制参数调整。根据旌工误差调整控制参数，使调整后的理论施工状态和实际施 工状态基本一致，且满足成桥状态要求，这就是一个反馈控制系统。控制的目 标可以是施工过程中以及成桥状态下主梁标满、主塔偏位、斜拉索的索力以及 梁与塔控制截面的内力或应力等。调整的手段和措施主要有：斜拉索的张拉力 和新增梁段的立模标高。 ( 3 ) 自适应控制。掇据施工过程中识别出来的设计参数实际值不断修正正装 计算模型中相应的参数，使计算模型与实际模型磨台一段时间后，自动适应结 构的物理力学规律。该控翱系统中必须具备一个有效豹参数识别系统，这些参 数主要有：梁段自重、结构刚度、索力测试换算参数、混凝土收缩徐变系数、 温度、施工临时荷载以及预应力等f 3 l j 。在主粱的前几个粱段施工中结构附度较 大，变形较小，因此，在控锚初期参数误差对主粱标高豹影响较小，这对于自 适应控制方法的应用是非常有利的。经过几个梁段的旖工后，计算参数已得到 修正，为后继变形较大梁段的施工控制仓b 造了良好的条件。 1 3 研究的主要内蒜和意义 斜拉桥的结构计算通常包括成桥阶段的结构计算和施工过程中的结构计算 一6 一 第一章绪论 两大部分。成桥阶段的结构计算需要全面考虑施工各阶段和成桥阶段结构所要 承受的各种恒、活载作用，突发荷载作用以及地震、洪水等自然灾害的综合影 响，使桥梁结构的受力、线形和稳定性始终处于安全范围内。而施r j ：过程中的 结构计算则是根据桥梁结构设计参数和在施工过程中获得的实测参数，反复对 斜拉桥的施工过程进行模拟和修正，求出施工各个中间阶段主梁、索塔控制截 面的内力或应力，各悬臂浇筑或拼装梁段的理论位移值，各根斜拉索的理论张 拉索力值，并逶过与实测数据的对比，及时对控制参数进行识别和修正，掌握 桥梁的实际受力情况和稳定情况，实现对线形、内力和索力的控制，从而为施 工中间过程提供可靠的科学依据。 本论文将从斜拉桥施工过程中的结构分析理论入手，阐述影响斜拉桥结构 计算的各项因素，并就其中对结构分析影响较大的典型因素进行深入研究，提 出在有限元计算中考虑其影响的方法。通过a n s y s 二次开发技术，将此计算方 法在斜拉挢施工过程的模拟计算中实现。探讨以约束正装迭代法进行施工过程 中张拉索力优化与合理施工状态的确定问题。约束芷装迭代计算的基本思路是： 以设计成桥状态的索力、内力和主粱线形为嚣标值，通过假定初始索力对斜拉 桥施工过程进行正装模拟，并在正装计算过程中根据结构受力和施工安全的要 求对各次张拉力旌加约束。将正装计算锝到的成桥状态与设计的理想成桥状态 进行对比，建立各次张拉索力值与成桥状态控制参数之间的关系矩阵，以最小 二乘法原理对施工中张拉索力值进行修正后，投入下一轮的正装计算，直至控 制参数的误差在允许的范围内，终止迭代，输出结果，并根据正装迭代过程中 结构线形的变化，求出各个梁段在施工过程中合理的立模标高，从而为施工控 制提供可靠的科学依据。 斜拉挢结构主梁较柔，当采用前支点挂篮进行悬臀浇筑施工时，对挂篮及 旌i 临时荷载的重量都有一定的限制，同时前支点挂篮的承载能力也要受到其 本身控制部件允许反力及应力范曝的控制，这就要求作为前支点的斜拉索在当 前粱段施工过程中要根据主梁和挂篮受力的要求进行多次中问张拉，来改善结 构受力，保证施工安全。在以往的文献中，学者们很关心的往往就是施工中张 拉索力和目标状态的直接联系，通常都隐含假设所期望的旅工张拉索力在设计 中一定能够实现，这也就忽略了桥梁结构在施工过程当中的安全要求，这里所 指的安全要求主要是指结构的应力安全要求。另外，学者们也都把注意力集中 在确定体系转换的索力，而对于实际每一个节段具体的施工方案则给以回避， 第一章绪论 在实际工程中通常用试算或者经验来给出个安全的施工细节。本文第五章将 针对上述情况，结合石家庄仓安路斜拉桥施工实际，研究节段施工过程中确定 合理中间索力张拉方案的科学方法。 对索力和立模标商的控制是实现斜拉桥施工控制的两个主要手段，以前在 斜拉桥结构计算中经常采用的正装法，倒拆法，正装一倒拆法及无应力状态法 由于在拆除粱段时存在不平衡杆端力或支座反力，加上材料和几何非线性因素 的影响，使结构在不同程度上存在不闭合的问题，并且在使用倒拆法时，计算 数据量很大，不容易把握。目前所采用的许多索力优化方法，都是先确定一个 合理的成桥状态，经过施工中的二次或多次调索，使最终成桥索力与合理成桥 状态的索力相近，这样的优化结果对施工过程没有太大的指导意义，有时还可 能造成结构在某个施工阶段因为应力过大而破坏；同时由于施工中结构内力的 多次熏分布，实际得到的结构内力已非合理成桥状态的内力值1 3 2 划。所以，只 有以成桥内力为目标，将斜拉索索力与施工过程中的塔梁受力结合起来进行优 化，才能保证各施工阶段和成桥时的结构受力满足要求。本文按照以上思路， 采用约束芷装迭代法进行计算，在正装计算中综合考虑塔粱受力和施工实际情 况，并将结构受力的要求转换到对张拉索力的约束上来，只需作正装计算，并 且把不闭合原因造成的影响通过最小二乘法减少到最小。由于加入约束条件， 实现了对正装计算过程的控制，为斜拉轿的施工控制计算提供了新的思路，对 斜拉桥施工控制技术的发展具有重要意义1 3 5 l 。 1 4 本论文的主要工作 ( 1 ) 阐述斜拉橇结构分析理论。几何非线性效应是对斜拉桥结构计算影响较 大的因素，文中将详细论述斜拉索的垂度效应、塔粱的弯矩辘向力组合效应和 结构大变形效应这三大几何非线性因素产生的琢因、对结构分析的影响程度及 在有限元计算中的处理方法。 ( 2 ) 结合工程实例对混凝士斜拉桥施工中的索力优化与合理施工状态确定问 题进行研究。通过对各种确定合理施工状态的计算方法分析比较，提出以约束 正装迭代法来确定旖工中间各阶段合理张拉索力和立模标商的方法，并将此思 路在有限元数值模拟中实现，通过将索力、内力和位移的计算缩果与现场实测 数据进行对比分析，说明本方法在确定斜拉桥合理施工状态方面的可行性。 一8 一 第一章绪论 ( 3 ) 结合石家庄仓安路斜拉桥前支点挂篮悬浇施工，根据挂篮和已浇梁段的 受力要求，提出斜拉索在施工中间阶段合理张拉次数及合理中间张拉索力值的 确定方法，并在实际施工中得到验证。 9 一 第二二章斜拉桥结构计算理论 第二耄斜拉桥结构计算理论 2 1斜拉桥结构分析概述 斜拉桥是由塔、粱和索三大部分组成的一种组合体系桥粱。斜拉索锚固于 塔和梁上，为主梁提供多点弹性支承，大大降低了主粱的弯矩，提高了桥梁的 跨越能力。塔是整个体系的主体结构，以承压为主，支承起几乎全部的动、静 荷载；梁是直接承受活载作用的构件，在斜拉索的斜向支承下既受弯又受压。 斜拉索的索力是影响斜挝桥受力的一个主要因素，而索力可以根据设计者的要 求进行调整。斜拉桥在施工过程中，结构状态不断变化，在边跨或中跨合拢后， 通常还有体系转换的闯题。如何确定合理的索力，使斜拉桥处于合理的受力状 态，是斜拉桥设计中的关键问题。为了方便设计，通常将设计计算工作分成成 桥受力状态确定与施工过程受力状态确定掰步进行1 3 ”。 斜拉桥施工一般采用分阶段逐步完成的旖工方法，结构的最终形成，必须 经历一个漫长丽又复杂的施工过程以及结构体系转换过程，对施工过程中每个 阶段进行变形计算和受力分析，是桥粱结构施工控制中最基本的内容。施工控 制的目的就是确保撼工过程中结构的安全，像证成桥线形及受力状态基本符合 设计要求。为了达到施工控制的目的，必须遭过合理的计算方法和理论分析来 确定桥梁结构施工过程中每个阶段在受力和变形方面的理想状态，以便控制施 工过程中每个阶段的结构行为，使其最终成桥线形和受力状态满足设计要求。 因而，施工控制中的结构计算分析不仅能对整个施工过程进行描述，反映整个 施工过程中结构的受力特点，而且还能确定结构各个阶段的理想状态，为施工 提供中间目标状态唧。 斜拉桥的结构特点就决定了其结构分析与传统的连续梁和桁架桥结构分析 相比较，几何非线性的影响尤为突出，影响的因素也较多。特别是大跨径的斜 拉桥，由于斜拉索较长，索自重产生的垂度较大，索的伸长薰与索内拉力不成 正比关系。整个结构的几何变形也较大，大变形阀题很突出，加上弯矩轴向力 的相互作用等因素的影响，使得大跨径斜拉桥的几何非线性分析显得较为复杂。 斜拉桥几何非线性影响因素概括为三个效应：即斜拉索的垂度效应、粱塔 1 0 一 第二章斜拉桥结构计算理论 的弯矩轴向力组合效应和结构的大变形设应f 划。 2 2 斜拉索的垂度效应 2 2 1垂度效应产生的原因 目前国内外各类斜拉桥所采用的斜拉索均为柔性索，主要包括掰大类：高 强平行钢丝拉索( 如已建成的南京长江三桥和在建的江苏苏通长江大桥等大跨径 斜拉桥采用此体系) 和平行钢绞线拉索( 如润扬长江大桥托汉斜拉桥和多数矮塔 斜拉桥采用此体系) 1 4 1 】。柔性的斜拉索在自重的作用下一般是呈悬垂状态而不是 直线状态，尤其是在施工阶段，由于拉力不大，所以垂度的影响较大。由于拉 索的自重垂度使其弹性模量下降或损失，引起拉索的刚度降低，因此不能简单 的按一般的拉伸杆件来计算，而应该考虑其垂度的影响。 索两端的相对运动受到索本身三个因素的影响 ( 1 ) 索受力后发生的弹性应变受索材料的弹性模量控制。 佗) 索的垂度变化与材料应力无关，完全是几何变化的结果，受索内张力、 索的长度和重力控制。抗拉冈b 度随轴力的变化而变化，索的拉力若为零或受压， 则抗拉刚度变为零。垂度变化与索的拉力不是线性关系。 o ) 在荷载作用下，索中各股钢丝或钢绞线作相对运动，重新排列的结果是 使横截面更为紧密。这种变形引起索的仲长叫做构造伸长，大部分是永久持续 的，它发生在一定的张力下。一般可以在索的制造过程中采用预张拉的方法予 以消除。 2 2 2 有限元分析理论 对于拉索体系。目静国内外学者提出了不少的数值和解柝解法。就数值法 而言，主要是利用有限单元法采用相应的索单元进彳亍非线性分析，目前广为大 家所知的主要有两种索单元：二节点直线杆单元。将拉索当作二节点宜线杆 单元来处理，没有考虑索自重垂度影响，对索元较短的结构，如索髓结构等误 差较小，但对长索结构如斜拉索，索元的自熏囊度较大，黄仍用此单元，其精 度较难保证。多节点曲线索单元。引入离次函数作为索元的插值函数，考虑 了索自重垂度影响，但节点数较多，自由度数增加显著，且不易得出刚度显式 第二章斜拉矫结构计算理论 表达式，对大跨多索结构易造成刚度矩阵庞大，计算机无法处理等缺点1 4 2 , 4 5 1 。 基于上述比较，目前有限单元法中主要采用引进修正弹性模量的二节点赢 杆单元来模拟斜拉索体系。这样既考虑了斜拉索自重垂度对刚度的影响，又有 效避免了结构剐度矩阵过大绘计算带来的不便。 ( 1 ) 修正弹性模量的推导f 删。如图2 - 1 ( a ) 所示，a c b l 为一根拉索，作用拉力 丁，在c 点作用集中力g ，垂度为，甄是钢索的端点，占是支座上与拉索相接 触的点。现在增加拉力丁，如图2 - 1 彻所示，此时挑离开口的距离为a l ，c 点上升至c l ，c c l = 。在a r 作用下口l 离开口的总位移刖为 g b l r 口 l t + 船 ( a )( b ) 豳2 _ 1 拉索的垂度 出一a f 。+ 脚， ( 2 一i ) 式中，t _ 撙性伸长； a ，垂度伸长( 即仅因为垂度改变而引起的沿爿、口两点连线方向的 伸长) 。 在这里我们用常瓣应变定义s 。等。竽+ 竽q 吩( 2 - 2 ) lli j 式中，f 。弹性应变； ，垂度应交a 其中 式中，e 。一壹索的弹性模量； 一拉素的横截面积。 。坚a a 一( 2 。) 一e 。ae 。 、7 1 2 第二章斜拉桥结构计算理论 效仿弹性模量，我们可以引进垂度模量，【4 7 】，使得 旷等 ( 2 - 4 ) 于是有 s 一等+ 等e 一髻e e 盯 p s ， e f ，c ， 、 e ， 幻。西z e 6 ( 2 - 6 ) 由式( 2 - 6 ) 可知，考虑垂度影响后，弹性模量应等于e ，e ，暖，+ e ，) ，比原 有的弹性模量要小一些，这个弹性模量称为等效弹性模量或修正弹性模量。 斜拉索的修正弹性模量目前采用最广的是1 9 6 5 年德国学者e r n s t i4 8 ，4 9 1 提出的 公式，即e r a s t 公式。下面绘出该公式的推导过程。 该公式是在两个基本假定的前提下得到的：拉索的重量沿弦长均匀分布； 拉索为柔性，不能承担弯矩。 分布荷载作用下的斜拉索如图2 2 所示，斜拉索船长度为f ，沿索长方向 自重分布集度为w ，斜拉索呈悬垂状态。 y 一i h l + 慨) t k 卜k 地) 完成其中的积分，可以求得单元的刚度矩阵为 其中线性刚度矩阵为 k 。】- 几何冈度矩阵为 o 1 2 e ， ，3 6 e ， l 2 0 1 2 点 j ，3 6 e | f 2 - 4 9 ) l k l l 墨】+ 【k 。】 ( 2 。5 0 ) o一e a 0 0 ， 6 ，e 0 f 2 4 e o f o 墅 f 1 z e y ， 6 e l ，2 o 6 e l f 2 2 豇 f o 一等。等一等 半。一等孚llt 2 0 ( 2 - 5 1 ) 尉一，o o尉一，o o 第二章斜拉桥结构计算理论 k ，】一7 p oo0 o 6 i 51 0 o 一上一1 1 03 0 o o 0 0 6 l 51 0 o 一上三f