斜拉桥的探究.doc

斜拉桥的探究 内容摘要：本文从斜拉桥的发展经历，阐述了其现状，从混合斜拉桥出发，引出了斜拉桥的发展趋势。还介绍了斜拉桥的设计构思，结构构造及结构分析，着重解析了斜拉桥的施工监测监控和施工控制，探索斜拉桥的未来发展趋势。关键词：斜拉桥、现状、混合斜拉桥、设计、分析、监测监控、控制、展望。一、斜拉桥的现状现代斜拉桥始建于1956年，第一座现代斜拉桥主跨182.16m的Stromsund桥（如图1-1）是由德国工程师Dishinger于1956年在瑞典建造的。虽然斜拉桥的历史不是很久远，但其发展异常迅速。在短短的四十几年时间里，其跨径从182.16m发展到2002年后的890m，之后继续加速发展，现已突破1000m。斜拉桥的发展主要经历了三个阶段：第一代斜拉桥以稀索为特征，梁以受弯为主，以委内瑞拉的马拉开波桥（如图1-2）为代表，结构形式简单，受力明确，索的养护工作量少，但其自重大、梁高、跨径很难发展。第二代斜拉桥的特征是密索体系，梁上索距610m，梁以受压为主，梁高减少，以美国的P-K桥和德国的勃鲁东桥为开端，我国上海的柳港大桥与济南的黄河大桥（如图1-3）属第二类斜拉桥。第三类斜拉桥的特征是轻性型，多采用开口截面，而梁高较前面都小很多，这与跨度关系不大。如法国的诺曼底大桥（如图1-4）梁高310.5m（跨度856m）、日本的多多罗大桥（如图1-5）梁高217m(跨度890m)、我国的青州闽江大桥（如图1-6）梁高218m。 （图1-1 瑞典Stromsund桥）（图1-2 委内瑞拉的马拉开波桥）（图1-3 济南黄河大桥）（图1-4 法国的诺曼底大桥）（图1-5 日本的多多罗大桥）（图1-6 青州闽江大桥）目前全世界已建成斜拉桥数百座，其种类多种多样，丰富多彩。以材料分有：钢斜拉桥、PC斜拉桥叠合梁和混合梁斜拉桥。以锚固方式分有：自锚式斜拉桥、地锚式斜拉桥和部分地锚式斜拉桥。以载荷类型分有：公路桥、铁路桥和公、铁两用桥。由于工程中混泥土和钢筋的广泛应用，因此，混合斜拉桥无疑是一个重点，下面我们就了解一下混合斜拉桥的信息。混合斜拉桥是指斜拉桥的主梁沿梁的长度方向由两种不同材料组成，主跨的梁为钢梁，边跨的梁为混泥土梁。混合斜拉桥由于其主跨采用钢梁，所以具有跨越能力大的优点，而边跨用混泥土梁从而起到了很好的锚固作用且兼有可降低建桥成本的特点。该桥型自20世纪70年代在法国问世后，先后受到欧洲各国、日本等国家的青睐，90年代开始逐渐得到我国桥梁技术人员的关注和应用。我国首座混合斜拉桥是1996年建成通车的上海徐浦大桥（如图1-7），其跨度590m，超过日本生口桥100m.1997年香港汲水门大桥（如图1-8）建成，该桥为公、铁两用斜拉桥，主跨也达430m。1999年，汕头礐石大桥（如图1-9）建成，主跨518武汉白沙洲长江大桥（如图1-10）主跨618m，于2000年建成，一举成为国内同型桥梁之最。2001年舟山桃夭门大桥（如图1-11）顺利竣工，主跨度580m。香港的昂船洲桥（如图1-12），主跨1018m勘称同类型桥之最，超过日本多多罗大桥，于2008年建成。现在混合斜拉桥的数量不断增加，跨度记录不断更新，据不完全统计，全世界范围内共建成23座，其中13座主跨大于500m。可见，混合斜拉桥的发展迅速及大垮度斜拉桥发展越来越快。据有关书籍记录，20世纪中后期，国际桥协曾召开过一次以混合结构为主题的学术会议，研讨了混合结构的新进展。可见，21世纪混合结构将作为一种及富创新空间的结构形式会得到更大的发展。混合斜拉桥在世界范围内会得到更大规模的建设，混合斜拉桥在大跨度斜拉桥中所占比例越来越大，应用范围也越来越广。（图1-7 上海徐浦大桥）（图1-8 香港汲水门大桥）（图1-9 汕头礐石大桥）（图1-10 武汉白沙洲长江大桥）（图1-11 舟山桃夭门大桥）（图1-12香港昂船洲桥）二、斜拉桥的设计斜拉桥的桥型自古就有，但是在材料的影响下，斜拉索呈现严重的几何非线性而大大削弱其用于支承桥面的主要功能，所以以前这一优秀的桥型难以与悬索桥甚至是梁式桥竞争。20世纪60年代随着材料的进步和有限位移理论在计算机分析软件中的应用，现代斜拉桥才有了长远的发展，其跨度也向1000米靠近。、斜拉桥设计的首要任务一是斜拉桥合理内力调配或者称为斜拉桥调索。斜拉桥是典型的自锚体系，桥梁能否充分利用斜拉索这一体外预应力系统，使得无论主塔、主梁还是斜拉索都具有较为合理经济的设计。二是大跨度斜拉桥的非线形行为延伸到结构正常运营的各情况和施工的每一个步骤。如何让设计者了解施工实际特性，掌握施工阶段结构的行为，预测其成桥状态和矫正每个施工步骤就显得尤为重要，达成这一目的的方法就是建立在有限位移理论基础上的斜拉桥监控。、斜拉桥的设计构想1、桥型与方案比选桥的主桥型方案有单塔不对称斜拉桥、单塔对称斜拉桥、双塔斜拉桥、钢管混凝土拱桥、连续钢构桥等桥型。根据桥址处的地质条件及通航要求、施工难度和城市桥梁的功能等因素，得出主桥的大致设计方案。一般跨径为180m360m。2、跨径的布置主要考虑斜拉桥建设地段的地质概况，并根据需要进行跨度的布置。如三水斜拉桥中考虑到河中心处有一沿水流方向的断层，大桥施工应保证航道正常通行，同时应减小施工难度，故在其设计时将其主墩移到左岸，从而形成岸跨110m河跨180m的斜拉桥孔布置。 3、结构构造其内容包括主墩、索塔、主梁、斜拉索和拉力支座。主墩的设计包括其断面、壁厚、墩高、承台及各种桩的设计。其次是索塔设计，索塔设计的核心内容是塔高、塔桩及壁厚。主梁设计包括其断面、梁高、肋宽、板厚、梁宽、横断面间距、钢铰预应力等。在设计斜拉索时应确定其类型和根数，这些将在很大程度上影响斜拉桥的强度。对于拉力支座，其主要分布在桥台和辅助墩。结构构造设计中将很大程度上影响桥的质量，而也是难度系数很大的工程，需要考虑的因素有各个方面的，所以做好了桥的结构构造设计将是桥梁设计中的一个决定因素。4、结构分析在给出结构构造后，我们要对其结构进行分析，确定其是否符合要求，是否有实施性。其包括主桥纵向分析、桥塔的非线形分析、桥板面分析、上塔柱锚索区段断面的分析、静风力验算、抗风稳定性分析和抗震分析等。、主桥纵向分析主桥纵向分析按主桥的施工顺序逐个施工阶段进行。计算中考虑了预加力、混凝土的收缩渐变、挂篮的结构型及其荷载取值。在主桥运营状态的分析中，将车辆、行人荷载的空间效应以横向分布系数的方式计入，计算了温度力、汽车制动力、船舶撞击力、支座竖向位移产生的内力和位移，并进行荷载的最不利组合，其中上述的计算中均要考虑拉索的非线性效应。、桥塔的非线性分析 以采用坐标拖动法为例，计算工况如下：独塔、岸靠合拢前、河跨合拢前、运营，分析中还应考虑拉索的不对称张拉、静风力等荷载。、桥面板分析 采用取纵向五跨单宽连续板条进行分析。在分析中仅考虑板的自重和汽车荷载。将其计算结果与纵向分析中的结果相叠加即为桥板面的实际内力情况。、上塔柱锚索区段断面的分析上塔柱锚索区段断面按平面框架进行分析，计算分为斜拉索张拉前后两种情况。、静风力验算分为最大悬臂状态和成桥状态两种情况。其中每种情况都要计算纵桥向、横桥向和竖向三种情况。、抗风稳定性分析根据桥梁的动力特性，计算桥梁施工和运营两种状态下的颤振临界风速。、抗震分析采用反应谱理论，利用空间杆系结构模型进行抗震分析，使地震荷载在桥上产生的内力和位移比静力产生的内力和位移小。经过上述分析后，确保其在上述各种情况下的内力和变形均满足要求，才能达到其抗风稳定性和抗震安全性等得到保证。、斜拉桥的施工监测在桥梁工程中，随着技术水平的提高，跨度不断增大，结构型式越来越复杂，工艺越来越先进。为了确保桥梁施工安全顺利，施工过程中的监测应当受到高度重视。1、施工阶段监测的内容斜拉桥是高次超静定结构，它对成桥线形有较严的要求，每个节点坐标的变化都会影响结构内力的分配。桥梁线形一旦偏离设计值，势必导致内力偏离设计值。另外，主梁，索塔和拉索之间刚度相差十分悬殊，受拉索垂度，温度变化，风力和日照的影响，施工临时载荷，混凝土收缩徐变等复杂因素干扰等等，使力与变形的关系十分复杂。在施工理论计算中，虽然可以采用多种计算方法，算出各施工阶段或步骤的索力和相应的梁体变形，但是按理论计算所给出的索力和线形进行施工时，结构的实际变形却未必能达到预期的效果。这主要是由于设计时所采用的计算参数诸如材料的弹性模量，构件重量，混 凝土的收缩徐变系数、施工中温度变化以及施工临时荷载条件等与实际工程中所表现出来的不完全一致所引起的。斜拉桥在施工中表现出来的这种理论与实际的偏差具有累积性, 如不加以及时的有效的控制和调整，随着主梁悬臂施工长度的增加, 主梁标高最终会显著偏离设计目标, 造成合拢困难, 并影响成桥后的内力和线形。因此, 斜拉桥施工监测监控是保证斜拉桥达到设计要求的重要手段斜拉桥施工监测监控是一个“施工测量计算分析修正预告”的循环过程, 最根本的要求是在确保结构安全施工的前提下, 要做到主梁线形和内力符合设计规定的允许误差范围。2、施工阶段监测的方法测量是施工监测监控中的重要环节, 它包括几何指标参量的测量和力学指标参量的测量两部分。、主塔变位测量其包括顺桥向和横桥向二个方向变位值的测量。主塔在施工和成桥状态通过斜拉索均承担相当部分的梁体重量。在不平衡荷载和大气温差及日照影响下, 均会使主塔产生不同程度的变形。为了不影响主梁的架设施工, 必须研究掌握主塔在自然条件下的变化规律以及在索力影响下偏离平衡位置的程度。测量方法: 主要采用天顶基准法、投影法(或称测小角法)、测距法等三种方法。所使用的仪器设备为经纬仪和全站仪等。测站点的布置一般选在梁顶面上相应较为适当的位置, 观测点的布置可随测试阶段作相应的, 一般设置在塔柱侧壁或顶端部位。、梁体线形测量主梁线形测量包括高程测量和中线测量。高程线形测量采用几何水准测量法, 测出已施工各节段的节段控制水准点的绝对标高, 再根据各节段竣工时测得的与其梁底的高差, 推算出相应节段的梁底标高。为消除日照温差引起的梁体的不规则变化, 线形测量应选择在温度变化小、气候稳定的时间段进行, 测量工作持续的时间越短越好。随着液体静力水准测量仪的改进和自动化程度的提高, 在主梁坡度较小的情况下, 可以在每个挠度观测点上安置一台液体静力水准仪的观测头, 并将它们用软管连接起来。在试验准备期间, 将观测头调整在大致相同的高程面上。当观测头和软管内充满液体时, 即可根据观测头中液面状态及其变化测定观测点的高程和变化量。这种方法不仅可以求得主梁在观测时的瞬时高程和挠度状态, 而且还可以进行连续跟踪观测, 这一点对于成桥状态的荷载试验显得更为重要。中线测量是观测已施工节段的中线点相对于桥轴线的偏距。由于梁体受混凝土徐变和现浇段超重以及施工偏差、塔柱扭转等因素的影响, 容易造成梁体产生局部变形或引起整个梁体偏离桥梁中心线。为了保证边、中跨按设计中线正确合龙, 必须控制主梁中线偏差值，一般不应偏离上下游各1cm。中线测量的一般方法是将经纬仪安置在0号块主梁中心点上，以另一墩主梁中心线后视点定向。对于后视方向同侧的主梁中线测量，可采用视准线法直接利用小钢尺测量每一块主梁中心点的偏离值；对于与后视方向异侧的主梁中线测量，则采用正、倒镜观测法，依次测量每一块主梁中心点的偏离值。中线测量观测时间与方程线形测量同步。方程测量和中线测量的测点一般均布置在梁顶面上。观测点断面间距应根据主梁长度确定。、索力测量拉索索力的准确与否直接关系到主来的线形，乃至施工安全。索力测量一般采用脉动法，利用附着在拉索上的方敏感度传感器拾取拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波放大和频谱分析，再根据频谱图来确定拉索的自振频率，然后根据自振频率与索力的关系确定拉力。索力测试内容包括：施工挂篮挂索张拉后、每悬拼或悬浇一个节段后、体系转换张拉拉索时邻近的45对索、中间调索和全桥合拢调索时全部拉索的索力。、温度测试温度的变化，特别是日照温度的变化，对于斜拉桥结构内力和变形的影响是复杂的。在施工阶段，日照温差对桥梁挠度和塔柱水平位移的影响尤其显著。为了便于施工控制资料的分析，尚应测量出较有代表性的某一天或几天24h内结构温度变化情况，结合塔柱偏移和主梁线形测量结果，总结出结构日照温差变形规律和季节性的温差变形规律。温度测量元件一般选用性能良好的热敏电阻。根据电阻与温度的标定曲线，由测量的电阻值推算温度值。主梁和塔柱测断面一般与应力测量断面相同，以资对应，也便于计算分析。索温测量的一般方法是制造一段同实索等粗的长约1.5m的实验索，在其中心和内部以及外表均对称布置测点，吊挂与施工现场实索部位，以承受相同的大气环境条件。对其他实索，每种型号选择12根，在其表面布设测点，测得表面温差，对照试验短索的测量结果，确定实索的内外温差。、应力测试斜拉桥应力监控测量包括梁的安装应力监测和塔的施工应力监测两大类。主要目的是了解梁塔控制截面的应力状况，并对梁体重量及其它荷载的变化情况进行判断，确保结构施工安全。施工应力测试是一项长期的现场观测，涉及的测试困难较多，至今，国内外尚无十分完善的解决方法。经过长期的大量的现场观测实践，采用手持式应变计相比较可靠。针对混凝土梁则选用钢悬式应变计，并用无应力计加以补偿，测试效果较好，可以满足施工监测的要求。混凝土施工应力测点一般是测试截面的法向应力对于箱梁截面应力应在顶板和底板上布设测点，方向与截面法向一致。在主衡量中部，宜布设横桥向应力点。对钢箱梁和钢桁梁结构，选择控制部位和控制杆件，连接部位等制作手持式应变计测点，并读取初始读数和钢构件温度及环境温度，结合温度补偿测点的数值，以便正式测量时参照修正。、斜拉桥的施工监测斜拉桥的施工监测方法目前可分为三类：开环控制、反馈控制和自适应控制。1、斜拉桥施工的开环控制开环控制是指对于一般较简单的斜拉桥，在其设计中估计结构的恒载和活载，一次计算出恒载结构的预拱度，在施工过程中只要按照这个预拱度来施工，施工完成后的结构就基本上能带到设计所要求的线形和内力。对于早期的斜拉桥施工，从理论和桥状态通过施工过程的倒退分析，求得每个施工阶段主梁的位置和索力。在施工过程中只要按这样的位置和索力进门暗转，理论上即可达到理想的状态。这也是施工开环控制的一个过程。 2、斜拉桥施工的反馈控制当施工过程中，出现施工状态偏离理想的设计状态社，如不加以调整，就会造成结构的线形和内力远远偏离设计成桥的状态，甚至危机安全。对于预应力混泥土的斜拉桥，其施工中的精度保证相对较低，且设计计算中采用的各项参数与现场材料的参数存在一定的差距，一次预应力混泥土斜拉桥的施工控制难度较大。反馈控制就是通过施工控质量的实测数据进行计算，得出调整数量，纠正偏差。3、斜拉桥施工的自适应控制对于预应力混凝土斜拉桥，施工中每个工况的受力状态达不到设计所确定的理想目标的重要原因是有限元计算模型中的计算参数取值，并且主要是混泥土的弹性模量，材料比重、徐变系数的取用等与施工中的实际情况有一定的差距。要得到比较准确的控制调整量必须在施工中实测到的结构反应修正。计算模型中的这些参数值以使得计算模型在实际结构磨合一段时间后自动适应结构的物理学规律。在闭环反馈控制的基础上再加一个系统参数的识别过程，整个控制系统就成为自适应控制系统。 当结构测量的受力状态与模型计算结果不相符时，把误差输入到参数中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量的结果相一致，得到修正的计算模型后，重新计算各施工阶段的理想状态，按反馈控制方法对结构进行控制。这样，经过几个工况的反复辨识后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此