（交通运输工程专业论文）自锚式混凝土悬索桥施工控制技术研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 i i l ll l i1 1 111 1 i i i ii iiil 17 5 3 3 3 4 本人声明所旱交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究- 1 ：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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同一t ：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。 研究生签名：日期：鲨! ：；：! 三 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图 5 馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 虢浒新签名锹 期：? ! 立! 摘要 摘要 题名：自锚式混凝土悬索桥施工控制技术研究 研究生：骆峻伟 导师：虞建成副教授，孙军高级工程师 东南大学 近十年来，我国的自锚式悬索桥处于一个快速发展和繁荣的阶段，因其结构造型美观、地形地质适应 性强以及较好的经济性能，使得其得到迅速应用和推广。本文结合宁杭二期高速公路学八路景观桥工程实 例，系统地阐述了自锚式混凝土悬索桥施工控制的建设发展、分析原理、控制流程及方法等关键技术，主 要内容和成果如下： ( 1 ) 系统分析自锚式悬索桥施工控制的特点，指出其重点在于通过高精度的理论方法计算出主缆、吊 索、桥塔、主梁的无应力尺寸和施工工序，再通过高精度的机械制造和施工，将大部分误差消除于计算、 预制和施工中，剩余较小的误差通过吊索张拉调整。 ( 2 ) 用有限元程序对学八路自锚式悬索桥建立模型进行分析，研究主缆、吊索的几何状态，计算主缆、 吊索、塔梁的内力和应力情况，根据合理的施工效应，对主缆无应力长度、空缆线形、吊索下料长度等进 行分析计算。 ( 3 ) 吊索张拉是自锚式悬索桥施工最关键的工序。与多数文献提出的多轮次反复张拉方法相比较，本 文提出的吊索张拉方案中绝大多数吊索只需张拉一次，从而有效地减小了反复张拉次数，提高吊索张拉效 率。 ( 4 ) 结合学八路自锚式悬索桥工程建设实例，对其进行几何控制、吊索力控制、温度控制、荷载监测 等，采集所需信息，并对实际吊索张拉方案进行相应调整。 ( 5 ) 从控制成果看出，主缆、主梁线形，关键断面应力、索塔变形等控制目标都达到了预期控制目标。 关键词：自锚式悬索桥，施工控制，悬链线索单元，吊索张拉方案优化，体系转换 a b s t r a c t a b s t r ac t t i t l e ：c o n s t r u c i o nm o n i t o rf o rs e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o nc o n c r e t eb r i d g e s c a n d i d a t e ：l u 0j u n - w e i s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f y uj i a n - e h e n ga n d s e n i o re n g i n e e r ss u nj u n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y o v e rt h ep a s td e c a d e ，s e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o nb r i d g ei si nas t a g eo fr a p i dd e v e l o p m e n ta n dp r o s p e r i t yi n c h i n a b e c a u s eo fi t sa e s t h e t i cf o r m ，t o p o g r a p h ya n dg e o l o g ya d a p t a b l ea n db e t t e re c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，m a k i n g i t sr a p i da p p l i c a t i o na n dp r o m o t i o n i nt h i sp a p e r , c o m b i n a t i o nw i t hc o n s t r u c t i o no fx u e b a l ul a n d s c a p eb r i d g ei nn i n h a n ge x p r e s s w a y , t h e k e yt e c h n o l o g y , s u c ha sc o n s t r u c t i o nd e v e l o p m e n t , a n a l y s i st h e o r y , c o n s t r u c t i o np r o g r a m ea n dm e t h o da l e d i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y t h em a i nc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c h a r a c t e r i s t i co fc o n s t r u c t i o nm o n i t o rf o rs e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o nb r i d g e sa r ed i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y t h ef o l l o w i n gr f ec o n c l u d e d ：k e yp o 硫i sh i g h - p r e c i s i o nt h e o r e t i c a lm e t h o dt oc a l c u l a t et h eu n s t r e s s e d d i m e n s i o n sa n dc o n s t r u c t i o np r o c e s s e so fm a i nc a b l e ，h a n g e r ，t o w e r sa n dt h em a i ng i r d e r ，a n dt h r o u g h h i g h - p r e c i s i o nm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n dc o n s t r u c t i o n , t oe l i m i n a t em o s to ft h ee r r o ri nt h ec a l c u l a t i o n , p r e f a b r i c a t e da n dc o n s t r u c t i o n , t h er e m a i n i n gs m a l le r r o r sb ya d j u s t m e n to fh a n g e rt e n s i o n ( 2 ) f i n i t ee l e m e n tm o d e la r ee s t a b l i s h e df o rx u e b a l ul a n d s c a p eb r i d g e g e o m e t r ys t a t eo fc a b l ea n dh a n g e r a r es t u d i e d ，f o r c ea n ds t r e s sc o n d i t i o n so fc a b l e ，h a n g e r , t o w e ra n db e a ma r ec a l c u l a t e d b a s e do nr e a s o n a b l e c o n s t r u c t i o ne f f e c t s ，u n s t r e s s e dl e n g t ho fc a b l ea n dh a n g e ra n dc a b l ea l i g n m e n tu n d e rs e l fw e i g h ta l ea n a l y s i s ( 3 ) h a n g e rt e n s i o ni st h em o s tc r i t i c a lp r o c e s s e s w i mm o s tl i t e r a t u r ep u tf o r w a r dm o r et h a nr e p e a t e dr o u n d s t e n s i o nm e t h o d s ，t h i sp a p e r , t h eh a n g e rt e n s i o ni nt h ev a s tm a j o r i t yo fp r o g r a m sh a n g e rt e n s i o no n l yo n c e ，i no r d e r t oe f f e c t i v e l yr e d u c et h en u m b e ro f r e p e a t e dt e n s i o na n di m p r o v eh a n g e rt e n s i o ne f f i c i e n c y ( 4 ) g e o m e t r i c ，h a n g e rt e n s i o n , t e m p e r a t u r ea n dl o a da r em o n i t o rd u et h ec o n s t r u c t i o np r o g r e s so fx u e b a l u l a n d s c a p eb r i d g e ，a n dt h e a c t u a lp r o g r a mo fh a n g e rt e n s i o ni sa d j u s t e da c c o r d i n g l y ( 5 ) t h er e s u l t sf r o mt h ec o n t r o lt os e et h a tc a b l ea n db e a ma l i g n m e n t , t h ek e yc r o s s - s e c t i o ns t r e s sa n d d e f o r m a t i o no f t o w e rh a sr e a c h e dt h ed e s i r e d g o a lo fc o n t r o lo b j e c t i v e s k e y w o r d ：s e l f - a n c h o r e d s u s p e n s i o nb r i d g e ，c o n s t r u c t i o nm o n i t o r , c a t e n a l yc a b l ee l e m e n t , p r o g r a m o p t i m i z a t i o no fh a n g e rt e n s i o n , s y s t e mc o n v e r s i o n 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 前言。l 1 2 国内外自锚式悬索桥的发展现状1 1 3 自锚式悬索桥的特点3 1 4 桥梁施工控制的意义4 1 5 本文依托工程概况6 1 6 本文研究内容一8 第2 章自锚式悬索桥计算理论9 2 1 悬索桥结构计算基本理论9 2 2 主缆线形计算的分段悬链线方法1 2 2 3 自锚式悬索桥结构的力学特点。15 第3 章自锚式悬索桥施工控制技术18 3 1 引言18 3 2 自锚式悬索桥施工控制的总体目标1 8 3 3 自锚式悬索桥施工控制的方法与特点1 9 3 4 自锚式悬索桥施工控制的内容与技术2 0 第4 章学八路自锚式悬索桥施工理论分析31 4 1 有限元模型3 1 4 2 合理成桥状态理论分析3 4 4 3 合理施工状态理论分析4 3 4 4 分析结论5 0 第5 章学八路自锚式悬索桥现场控制分析51 5 1 主粱线形控制成果5 1 5 2 主缆线形控制成果5 4 5 3 吊索力控制成果。5 7 5 4 成果与小结6 0 第6 章结论与展望6l 6 1 结论6 l 6 2 展望6 1 致谢6 3 参考文献6 4 作者简介6 7 第l 章绪论 1 1 前言i l j l 2 i 第1 章绪论 悬索桥也称吊桥，是指以悬索为主要承重结构的桥梁，其结构主要包括：主缆、索塔、锚碇、吊索、 主梁及桥面等。悬索桥构造简洁、受力明确：桥面恒载和活载由吊索传至主缆，再由主缆传至桥塔和锚碇 后传至地基。现代悬索桥具有跨越能力大、受力合理、造价经济等特点，同时悬索桥线形优美、外观轻盈， 所以大跨度的悬索桥不仅具有跨越江海的功能外，还往往成为当地的标志性建筑和旅游景点而使其闻名于 世，例如目前世界上跨径最大的日本的明石海峡大桥( 主跨1 9 9 1 m ) 、建于1 9 3 7 年的美国旧金山金门大 桥( 主跨1 2 8 0 m ) 等等。 对于中小跨径的桥梁和地质条件不佳的时候，采用传统的地锚式悬索桥有时会受到一定限制。如在地 质条件较差的地区则不适宜锚碇的建造，对于中小跨径采用钢结构又不经济，因此出现了用自锚式体系代 替地锚式体系的解决方案，这样主缆直接锚固在主梁上，避免了修建大体积的锚碇，节省了投资，有很强 的优势。由于自锚式悬索桥有不可替代的优点，所以对于中小跨径的桥梁而言，它的研究与发展也代表了 悬索桥在中小跨径上的一个发展趋势，近年来国内外的工程实践很好的说明了这一趋势。 1 2 国内外自锚式悬索桥的发展现状i m l r t i 1 9 世纪后半叶，奥地利工程师约瑟夫朗金和美国工程师查理斯本德分别独立的构思出自锚式悬 索桥的造型。本德在1 8 6 7 年申请了专利，而朗金在1 8 7 0 年在波兰建造了一座小型的铁路自锚式悬索桥。 到了2 0 世纪，自锚式悬索桥在德国开始得到发展。1 9 1 5 年，德国工程师在科隆的莱茵河上建造了第 一座大型自锚式悬索桥科隆迪兹桥，当时主要是因为地质条件的限制而使工程师们选择了这种桥型，该 桥主跨1 8 5 m ，用木脚手架支撑钢梁，然后主缆就位桥梁成型。此后，美国宾夕法尼亚州的匹兹堡跨越阿 勒格尼河的3 座桥和在日本东京修建的清洲桥都受到科隆一迪兹桥的影响和启发。匹兹堡的3 座悬索桥比 科隆迪兹桥的跨径要小一些，但施工技术比科隆迪兹桥有了很大的进步。科隆迪兹桥建成后的2 5 年间，德国莱茵河上又修建了4 座悬索桥，其中，最著名的是1 9 2 9 年建成的科隆米尔海姆桥，该桥主 跨3 1 5 m ，虽然该桥在1 9 4 5 年被毁，但它至今仍然保持着国外自锚式悬索桥的跨径记录。在2 0 世纪3 0 年 代，工程师们认为自锚式悬索桥加劲梁的轴力使该种桥梁的受力性能接近于弹性理论，所以这段时间美国 和德国修建了许多座自锚式悬索桥。 此后的若干年间，日本、韩国、美国等国家又陆续修建了一些自锚式悬索桥，特别是美国奥克兰海湾 新桥的自锚式悬索桥方案以其突出的造型和跨径，引起了世界桥梁界的关注，在一定程度上促进了自锚式 悬索桥的“复兴”。表1 1 给出了国外一些自锚式悬索桥的基本参数。 东南大学硕士学位论文 表1 1国外自锚式悬索桥的基本参数 桥名国家跨径组合( m )矢跨比主梁形式备注 科隆迪兹桥德国 9 2 3 + 18 4 5 + 9 2 31 ：8 6 钢梁1 9 1 5 年建成 第七街桥美国 6 7 5 + 13 4 8 + 6 7 51 ：8 1 钢梁1 9 1 6 年建成 清洲桥日本 4 5 8 + 9 1 5 + 4 5 8l ：7 1钢梁 1 9 2 8 年建成 科隆一米尔海姆桥德国 9 1 o + 3 1 5 0 + 9 1 1 ：9 1 钢梁 1 9 2 9 年建成 此花大桥日本 1 2 伊卜3 0 0 + 1 2 0 l ：6 钢箱梁 1 9 9 0 年建成 永宗大桥韩国 1 2 5 + 3 0 0 + 1 2 5l ：5 钢析架 1 9 9 9 年建成 奥克兰新桥美国3 8 5 + 1 8 01 ：5钢箱梁设计中，单塔 s o r o k 岛桥 韩国1 l o + 2 5 0 + 11 0l ：5 穆胡岛桥爱沙尼亚 2 0 0 + 4 8 0 + 2 0 01 ：8 尽管自锚式悬索桥在国外起源和发展较早，但在我国国内却起步较晚，相关文献和资料也较少，使得 这种桥型在国内的发展落后于国外。但自2 0 0 2 年大连建成了世界上第一座钢筋混凝土加劲梁自锚式悬索 桥一大连市金石滩金湾悬索桥后，国内自锚式悬索桥开始得到了快速发展，在全国各地修建和正在修建 的自锚式悬索桥2 0 余座，结构形式多样，跨径范围也较大。悬索桥在景观上的突出优势和自锚式悬索桥 对桥址环境适应能力强的特点得到了充分的体现。表1 2 给出了国内一些自锚式悬索桥的基本参数。 表1 2国内自锚式悬索桥的基本参数 主跨边跨梁高 桥名桥址高跨比 主梁形式备注 ( m )( m )( m ) 万新大桥抚顺市 1 6 07 02 5l 6 4 钢筋混凝土箱梁单箱五室 溪心桥永康市 9 03 72l 4 5 钢筋混凝土箱梁 建设路立交桥平顶山市 7 23 51 8l 4 0 钢筋混凝土箱梁 安亭吴淞江桥 上海市 7 0 3 50 7 5 1 9 4 钢筋混凝土形梁 金石滩桥大连市 6 02 4ll 6 0 钢筋混凝土孔形梁 兰旗松花江桥吉林市 2 4 09 02 7 5l 8 7 预应力混凝土箱梁单箱四室 布尔哈通河桥延吉市 1 6 06 02 11 7 6 预应力混凝土箱梁 前甸大桥抚顺市 1 6 07 02 5l 6 4 预应力混凝土箱梁单箱五室 海盐塘桥平湖市 7 23 01 81 4 0 预应力混凝土箱梁单箱四室 长沙三汉矶 长沙市 3 2 81 3 23 6l 9 l 扁平闭口钢箱梁 湘江大桥 北关大桥江山市 1 1 84 02l 5 9 钢混凝土组合梁 义乌江金华市 1 0 03 62 3 5l 4 3 钢混凝土组合梁 广化桥常州市 5 41 7 50 5 41 1 0 0 钢混凝土组合梁 竹园大桥苏州市 9 03 32 21 4 1 钢混凝土组合梁 丽君桥桂林市 7 02 51 5l 4 7 钢箱梁 子牙河桥天津市 1 1 54 8 0 5独塔 学八路桥南京市 8 04 021 4 0 预应力混凝土箱梁 单箱四室 2 第1 章绪论 1 3 自锚式悬索桥的特点1 3 1 1 7 l i 8 1 1 9 1 1 1 i i 2 1 1 1 3 l 【4 7 l 1 3 1 自锚式悬索桥结构的构成 自锚式悬索桥的受力结构主要包括主缆、吊索、主梁、桥塔、主索鞍、散索鞍和转索鞍等。 主缆是悬索桥的主要承重构件，除承受自身恒载外，还通过索夹和吊索承受活载和主梁与桥面系的恒 载，除此以外主缆还承担一部分横向风荷载，并将它传递到桥塔顶部。由于平行钢丝绳和高强钢丝弹性模 量高、空隙率小、抗腐蚀性能好，因此主缆材料大多采用该种材料。 吊索也称吊杆，是将活载和主梁的恒载传递到主缆的构件。吊索的布置形式有垂直的和倾斜的两种， 上端通过索夹和主缆相连，下端锚固在主梁上。吊索一般采用有钢芯的钢丝绳或钢杆制作。 主梁( 加劲梁) 是悬索桥保证车辆行驶和结构刚度的结构，主要功能是承受活载、提供桥面支承和防止 桥面发生过大的挠曲变形和扭曲变形。主梁是承受风荷载和其它横向水平力的主要构件。大跨度悬索桥由 于主梁自重的限制，主梁均为钢结构，一般采用钢桁架和钢箱梁形式。对于自锚式悬索桥由于跨径一般不 是很大，较多采用钢筋混凝土材料。 桥塔是支承主缆的重要构件。自锚式悬索桥的活载和恒载( 包括桥面、主梁、吊索、主缆和其附属构 件如索鞍和索夹等的重量) 以及主梁支承在塔身上的反力，都将通过桥塔传递到下部的塔墩和基础。桥塔 同时还受到风力和地震力的作用，桥塔的高度主要由垂跨比确定。桥塔可采用钢结构，也可采用混凝土结 构。 主索鞍一般设在在主塔上，用来支承和固定主缆，通过它可以使主缆的拉力以垂直力和不平衡力的方 式均匀的传递到塔顶。 散索鞍位于主缆锚固处，其作用是将主缆的索股散开，分别锚固在锚固区的锚块上。散索鞍一般应用 在跨度较大的自锚式悬索桥中，由于跨度较大的悬索桥其主缆传递到主梁上的压力很大，所以必须将主缆 散开分别锚固。散索鞍一般前段和主缆固定，后段散开。为了不使散索鞍承受主缆的拉力，可通过橡胶支 座和螺栓安装在主梁上，使其允许一定的剪切变形。 转索鞍的作用是改变主缆的方向。当采用通长主缆，在梁端环绕通过时，可通过转索鞍来实现。采用 这种索鞍时，不需要锚固构造，主梁端部尺寸也相对较小，当锚固处受洪水位的限制时采用这种形式可以 尽量避免锚固构造受水的侵蚀，但这种方式会增加主缆的用量。 1 3 2 自锚式悬索桥结构的特点 自锚式悬索桥实质上是一种特殊结构形式的悬索桥，因此其具备悬索桥的基本特点： ( 1 ) 主缆几何可变，只能承受拉力。主缆通过自身的弹性变形和几何形状的改变来影响整个体系的平 衡，因此，悬索桥的受力平衡是建立在变形后的状态下。在恒载作用下，主缆具有的拉力使得主缆保持一 定的几何形状。当外荷载作用在此状态的主缆时，缆索发生几何形状改变。初拉力对在外荷载作用下产生 的位移存在着抗力，它和位移有关，反映出缆索的几何非线性的特性。 ( 2 ) 主缆的垂跨比将影响结构的受力和刚度。 ( 3 ) 跨径增大时，增大主梁的抗弯刚度对减小悬索桥竖向变形的作用不大。主要是因为竖向变形是悬 3 东南大学硕士学位论文 索桥整体变形的结果，主梁的挠度还受到主缆变形的影响。随着跨径的增大，主梁的功能趋向于只将活载 传递给主缆，本身的刚度贡献有限。 同时，自锚式悬索桥作为一种特殊形式的悬索桥，与一般的悬索桥相比，还具有自身的一些特点。其 优点主要有： ( 1 ) 不需要修建大体积的锚碇，所以适用于地质条件比较差的地区。 ( 2 ) 由于受地形限制小，可结合地形灵活布置，既可做成双塔三跨的悬索桥，也可做成单塔双跨的悬 索桥，景观优势明显。 ( 3 ) 对于钢筋混凝土材料的主梁，由于需要承受主缆传递的压力，刚度提高，节省了大量预应力构造 及装置，同时也避免了钢结构在较大轴向力下容易压屈的缺点；采用混凝土材料可克服以往自锚式悬索桥 用钢量大、建造和后期维护费用高的缺点，具有经济优势。 ( 4 ) 由于采用钢筋混凝土材料造价较低，结构合理，桥梁外形美观，所以不仅仅局限于在地基很差、 锚碇修建困难的地区采用。同时自锚式悬索桥保留了传统悬索桥的外形，在中小跨径桥型中很有竞争力。 ( 5 ) 混凝土材料的主梁刚度比钢结构的主梁刚度大，混凝士材料的自锚式悬索桥其非线性的影响比钢 结构的小。 与此同时，自锚式悬索桥也存在以下缺点： ( 1 ) 由于主缆直接锚固在主梁上，梁承受了很大的轴向力，为此需加大梁的截面，对于钢结构的主梁 则造价明显增加：对于混凝土材料的主梁则增加了主梁自重，从而使主缆钢材用量增加，所以主梁采用这 两种材料跨径都会受到限制。 ( 2 ) 施工步骤受到了限制，一般必须在主梁、桥塔做好之后再吊装主缆、安装吊索，因此需要搭建大 量临时支架以安装主梁，对于跨越水面施工时，难度较大。所以自锚式悬索桥若跨径增大，其额外的施工 费用会增加很多。 ( 3 ) 锚固区局部受力复杂，同时为了减小主梁在锚固处承受主缆力的竖向分力，需要减小主缆锚固处 主梁的夹角，因此直背索形式不宜采用。 ( 4 ) 相对地锚式悬索桥而言，由于主缆非线性的影响，使得吊杆张拉时的施工控制更加复杂。 1 4 桥梁施工控制的意义1 4 h 1 9 l 1 4 1 桥梁施工控制的作用 随着桥梁施工技术的不断发展，桥梁施工控制的作用也越来越大。而自锚式悬索桥桥型的施工步骤更 加繁琐，吊杆张拉程序更加复杂，因此其施工控制的难度更大、要求更高，施工控制的作用就显得更加重 要。 ( 1 ) 施工控制是桥梁建设质量的保证。 衡量一座桥梁的质量标准就是要保证已成桥的线形和受力状态符合设计要求。对于桥梁的下部结构， 只要基础埋置深度和尺寸、塔墩尺寸准确就达到标准，容易检查和控制；但对于上部结构，要求成桥后的 结构内力和标高的最终状态符合设计要求，就相对困难了。而对于自锚式悬索桥，确定合理的吊杆张拉方 4 第1 章绪论 法以及张拉吊杆过程中对塔、主梁进行监测、调整、控制，成桥后的结构实际状态是否符合设计理想状态 等，都是自锚式悬索桥成功建设的关键和保证。 ( 2 ) 施工控制是指导施工、确保安全的需要。 施工控制既是指导施工的需要，也是桥梁结构安全的保证，施工控制是施工技术的重要组成部分，始 终贯穿于桥梁施工中。例如自锚式悬索桥吊杆张拉过程中主塔的变形和应力，主梁的应力和线形以及吊杆 力的大小等是否处于安全的范围内，都要通过监测手段得到各施工阶段结构的实际数值，实行动态控制， 当发现施工过程中监测的实际值与计算的预计值相差过大时，就要进行检查和分析。而不能再继续进行施 工，以免造成结构损伤和破坏，以致出现事故。 例如著名的加拿大魁北克桥即是因为没有做好施工控制而两次引发事故，该桥跨径为5 4 8 6 4 m ，采用 悬臂拼装的方法施工，当南侧桁架即将架设完毕时，突然崩塌坠落，原因是悬出的桁架太长( 悬臂长 1 7 6 8 m ) ，因此靠近中间墩处的下弦杆受压力过大，致使下弦杆腹板失去稳定而引起全桁架严重破坏。 同时在一段时间内，国内的桥梁建设施工中事故也较为频繁，尽管造成事故的原因是多方面的，但若 当时采用了施工控制手段，在内力较大的杆件或截面处布置监控点，当发现异常时，及时采取措施、停工 检查，就不会发生事故。可见，为避免突发事故的发生，施工控制是如期安全建成一座桥梁有力的保证， 施工控制系统也是桥梁建设的安全系统必不可少的重要部分。 ( 3 ) 施工控制是后期桥梁运营中健康监测的需要。 桥梁建成后由于多种原因会遭受破坏，同时随着交通事业的发展，荷载等级、交通流量、行车速度等 必然提高，一些不可预测的自然破坏力也将会危及桥梁的安全，若在建设桥梁时进行了施工控制，并预留 长期监测点，将会给桥梁创造终身安全监测的条件，从而给桥梁运营阶段的养护工作提供科学的、可靠的 数据，为桥梁运营阶段的养护提供科学可靠的依据，为桥梁健康监测提供数据资料。 例如如韩国圣水桥就是由于没有重视运营期的健康安全监测导致事故发生，该桥于1 9 9 4 年1 0 月突然 在中跨断塌5 0 m ，其中1 5 m 掉入水中，造成3 2 人死亡，1 7 入受重伤的重大事故，经查造成该桥在行车高 峰期突然断裂的主要原因是该桥长期超负荷运营，钢梁螺栓和杆件疲劳破坏所致。又如我国的广州海印大 桥，因斜拉索的防护措施不够完善和可靠，造成斜拉索超应力，只使用几年就突然断裂，不但造成重大的 经济损失，而且带来很坏的社会影响。可见，对于桥梁的营运阶段仍然急需要一套长期有效的监测系统， 使桥梁养护部门能根据该桥的实际使用情况进行有效的更换和维护，而通过桥梁建设期间施工控制预留的 长期监测点，将会给桥梁创造终身安全监测的条件，将使桥梁养护部门能够科学、准确地预报桥梁各部位 营运情况，从而确保每座大桥的安全耐久。 ( 4 ) 施工控制是桥梁设计、规范编制、资料积累的需要。 施工控制中积累了完整的设计、施工、监测数据和资料，不仅有利于桥梁资料积累和档案管理，而且 可以进一步为今后的桥梁设计、施工及规范编制提供重要依据。 1 4 2 自锚式悬索桥施工控制特点 自锚式悬索桥独特的受力特点使得它的施工方法与其他桥梁不同，因此其施工控制的特点也更加明 显。自锚式悬索桥的主缆是直接锚固在主梁端部的锚碇上，这使得自锚式悬索桥的施工顺序一般是先浇筑 5 东南大学硕士学位论文 或组装主梁，等到主梁达到一定强度或组装完成后再挂设主缆，最后才能张拉吊杆。吊杆张拉的次序和每 次张拉力的大小决定了最终的桥面线形是否到位，吊杆力是否到量，同时保证主缆线形、主梁应力、塔顶 偏移、索鞍位移等在允许的范围内。而且往往不能将每根吊杆一次张拉到位，而应该进行多轮次、小力幅 的交替张拉，最终使各索力趋近于理想索力，同时确保成桥后的内力状态和几何线形符合设计要求。 因此，自锚式悬索桥的施工控制可分为两部分：施工前的内业分析和施工中的现场控制。施工前的内 业分析的目的主要是确定出理想成桥状态及空缆状态等等诸多状态，由于悬索桥施工方法的特殊性，它在 主缆就位以后就难以像斜拉桥那样进行后期的索力和标高的调整，故张拉空缆状态的精确计算就显得尤为 重要。它可以避免或减少后期的调整工作，并且使竣工后交付运营时的桥面标高、主缆垂度、鞍座位置、 各构件的几何形状和应力状态等各项指标符合或最接近设计要求。因此张拉前的工程控制分析是自锚式悬 索桥施工控制分析的重点和关键，也是张拉中控制分析得以进行的前提和基础。有了理想成桥状态，得出 空缆状态；有了空缆状态才可能在此基础上调试出各个张拉状态以及施工控制的目标状态成桥状态； 而张拉中控制分析恰恰要以各个张拉状态及成桥状态的确定为基础。 施工中的现场控制包括桥面和主缆线形控制、吊索力控制以及应力控制等几方面的内容。要根据自锚 式悬索桥的结构特点和施工方法制定相应的施工控制程序，用于指导施工。自锚式悬索桥的施工控制是个 张拉量测、识别修正、预告张拉的循环过程，为了实现控制的目标，就必须有一套完整的、 精密仪器的量测手段的支持和先进实用的计算方法作为依据。具体的现场控制内容和方法将在第三章中研 究。 1 5 本文依托工程概况 本文依托工程学八路自锚式悬索桥位于南京市江宁区科学园，桥梁由西向东跨越宁杭二期高速公路， 与之成8 0 4 2 8 度交角，交叉点桩号为k 1 2 + 8 5 7 2 6 2 。学八路自锚式悬索桥为双塔双索面塔梁固结混凝土结 构，主跨为8 0 m ，边跨4 0 m ，中跨垂跨比1 5 ，垂度1 6 m 。全桥长4 0 + 8 0 + 4 0 = 1 6 0 m 。主缆横桥向中心距2 2 m ， 吊索沿顺桥向间距5 m 。 | | 瓜 而! 三| l 一叫! 驯骶即一号一一“牛即二，止 一掣 高翟j 盖j 掣毫一盘 妻 l矗 垂 哆j! ”，一 ! ：， !垂 羹 图1 1 学八路自锚式悬索桥总体布置图 6 第l 章绪论 主梁采用c 5 0 预应力混凝土箱梁，箱梁标准断面为单箱4 室，梁宽2 9 m 。标准段底板宽2 2 6 5 m ，每 侧悬臂宽3 1 7 5 m 。梁中心高度2 m ，顶板设双向2 横坡，底板水平。顶板厚2 2 c m ，底板厚2 0 c m ，边腹 板厚8 0 c m ，中腹板厚5 0 e m 。主梁顺桥向配有通长的1 0 束1 9 由1 5 2 m m 钢绞线腹板束，每侧箱梁与桥塔 交叉处设置1 6 束1 9 巾1 5 2 m m 钢绞线项板束，中跨中心设置1 6 束1 9 由1 5 2 4 m m 和1 6 束9 由1 5 2 4 r a m 钢 绞线底板束。箱梁标准段内每5 m 设一道横梁，横梁厚度4 0 c m 。标准梁段横梁内配置4 束1 6 由1 5 2 m m 钢 绞线预应力束。 桥塔为“柱”式钢筋混凝土结构，桥面以上高2 0 6 m ，全高2 8 2 m 。索鞍以下为矩形混凝土实心断面， 尺寸顺桥向为2 8 m ，横桥向为2 0 m 。每塔柱下设8 7 8 7 3 m 的承台，每个承台下设4 根m 2 2 m 的挖孔 灌注桩。桩基按嵌岩桩设计。 图1 2 学八路自锚式悬索桥实景 主缆采用对称布置，成桥状态下主跨8 0 m ，理论矢高1 6 m ，矢跨比1 ：5 。全桥主缆共两根，每根主缆 由1 9 根9 1 由5 m m 预制平行钢丝索股组成，标准强度为1 6 7 0 m p a 。主缆在索夹处理论直径2 3 0 m m 。主缆 采用p p w s 逐根架设的施工方法。 全桥吊索共5 0 根，靠近锚块处的4 根吊索采用巾1 0 0 m m 刚性吊杆，材料为镀锌4 0 c r 钢；塔左右两 侧各一根全桥共8 根吊索采用1 8 7 巾5 m m 高强镀锌钢丝成品索，其余吊索采用1 3 9 由5 m m 高强镀锌钢丝成 品索，标准强度为1 6 7 0 m p a ，冷铸锚锚固体系。吊索上端与索夹采用叉耳板销接，下端锚固于横梁底部。 鞍座由鞍体、底座、盖板组成，全桥共4 个。鞍体采用z g 4 5i i 铸钢铸造。鞍座底部设3 m m 厚四氟板， 底座与塔顶预埋钢板通过高强螺栓固定。鞍槽底部为1 8 8 4 m m 半径的圆弧线槽，超过主缆与圆弧的切点后， 接半径为2 7 4 m m ( 边跨侧) 和3 0 8 m m ( 中跨侧) 的圆弧过渡，并于槽底和侧壁的端部，倒1 0 m m 半径的圆角以 保护主缆钢丝。 主缆在鞍座槽内逐股排放定位，待1 9 股成品索全部定位后，采用锌铝合金条封填，上盖板，紧螺栓， 使主缆在鞍座内固定。 7 东南大学硕士学位论文 索夹由左右两个半圆铸钢构件组成，高强螺栓连接。根据吊索力及索夹处主缆倾角不同，索夹长度与 螺栓数量也不同。全桥共2 5 对索夹，分4 种类型。索夹下端伸出吊耳与吊杆销接。散索套的作用是将主 缆由一整根分散成1 9 股，构造与索夹类似。 1 6 本文研究内容 本文结合宁杭二期高速公路学八路自锚式混凝土悬索景观桥的修建，对自锚式混凝土悬索桥施工中的 控制技术进行分析研究，并将研究成果及时应用于该工程的施工以确保工程施工的顺利进行。本文的主要 研究内容包括： ( 1 ) 简要介绍自锚式悬索桥的发展历史和国内外研究、应用现状，自锚式悬索桥的结构特点和施工控 制的作用，从而引出本文的研究内容。 ( 2 ) 阐述自锚式悬索桥计算理论、主缆线形计算的分段悬链线方法和结构的力学参数特点。 ( 3 ) 研究自锚式悬索桥施工控制技术，根据自锚式悬索桥的力学特性和施工特点，提出了自锚式悬索 桥的施工控制的方法、内容和技术。着重指出自锚式悬索桥施工控制的重点在于通过高精度的理论方法计 算出主缆、吊索、桥塔、主梁的无应力尺寸和施工工序，再通过高精度的机械制造和施工，将大部分误差 消除于计算、预制和施工中，剩余较小的误差通过吊索张拉调整。 ( 4 ) 依托学八路自锚式悬索桥进行理论分析，建立空间有限元模型，分析合理成桥状态和合理施工状 态。合理成桥状态包括主缆、吊索的下料长度和结构的恒载受力状态，而合理施工状态是通过施工实现合 理成桥状态的具体措施和步骤，提出自锚式悬索桥吊索的快速张拉方案。 ( 5 ) 结合学八路自锚式悬索桥工程建设实例，应用自锚式悬索桥控制技术对其进行几何监测、吊索力 监测、温度监测、荷载监测等，保证桥梁施工符合设计要求。 8 第2 章自锚式悬索桥计算理论 第2 章自锚式悬索桥计算理论 2 1 悬索桥结构计算基本理论1 7 1 1 2 3 1 1 2 讹i l 邺1 1 o i i 4 4 1 悬索桥在竖向荷载下的结构分析理论的发展构成了近代悬索桥发展的理论基础。而分析理论 的发展主要源于：( 1 ) 对悬索桥的受力特点的认识不断加深；( 2 ) 数值计算方法和计算机的发展； ( 3 ) 悬索桥因向大跨度和新型结构方向发展而出现的一些新的结构特色。 悬索桥承受竖向荷载的结构分析理论可以划分为以下三类：弹性理论：挠度理论；有限位移 理论。三种理论的比较见表2 1 。 表2 1三种计算理论 理论名称 适用的悬索桥理论区别主缆的对待 弹性理论刚度较大的小跨度悬索桥微小变形理论不考虑主缆的初始轴力 挠度理论 大跨度悬索桥竖直吊杆有限变形理论主缆拉力水平分力为定值 有限变形理论 有限位移理论 大跨度悬索桥任意形状主缆拉力水平分力为变值 大变形理论 2 1 1 弹性理论 大约在18 8 0 年前后，在美国以l e v y 为代表的一批学者曾尝试使用n a v i e r 和c a s t i g l i a n o 建立 的结构分析理论来分析悬索桥的内力；在欧洲n a v i e r 及c a s t i g l i a n o 本人也在进行这样的尝试( 此 前他们的理论主要用于拱类结构的分析) ，这就出现了最初的悬索桥弹性理论。 2 1 1 1 基本假定及基本方程 用弹性理论作悬索桥结构分析时，作了如下假定： ( 1 ) 主缆只受拉力，其本身不承受弯矩，水平均布的恒载使主缆的几何形状为二次抛物线， 而且，恒载完全由主缆承担。活载作用在桥上时，主缆的几何形状及长度假定保持不变。 ( 2 ) 假定梁的抗弯刚度e i 沿梁长不变。 ( 3 ) 将布置很密的吊索，按形成“膜”来考虑，并假定吊索长度不因活载而伸长。这样，在 活载作用下，沿主缆各点的竖向挠度就和沿梁长各相应点的挠度一样。在利用弹性理论对悬索桥 结构进行计算分析时，假定活荷载使结构变形的影响可以忽略不计，悬索桥主缆的几何形状仅仅 由满跨均布的恒载决定，其线形为二次抛物线，见式( 2 1 ) ： y = 4 f i ( 三- x ) l 2 ( 2 1 ) 式中x ，y 分别为主缆上各点的横坐标和纵坐标，l 为跨径，厂为矢高，主缆的几何形状不 因为活载作用而发生任何变化。根据这一假设，在计算主梁由于恒活载作用而产生的弯矩m 时， 其计算模型与活荷载作用之前是相同的。按平衡条件得： 9 东南大学硕士学位论文 m g o - h g y ，m q = 0 m = m p = m ；一h q y ( 2 2 ) 式中：m ：相应简支梁的活载弯矩； m ：相应简支梁的恒载弯矩； h 。活载下主缆力的水平分力； 峨恒载下主缆力的水平分力； m 口主梁由于活载而产生的弯矩； m 。主梁由于恒载而产生的弯矩： j ，主缆的初始纵坐标值。 2 1 1 2 适用范围 弹性理论是在不考虑结构体系变形对内力影响的前提下推导出来的计算方程，而实际上悬索 桥结构的变形对内力是有影响的，体系的挠曲变形将减少主梁的弯矩和悬索桥的水平拉力。按弹 性理论所计算出来的悬索内力和主梁弯矩，将随跨径的增大而减小。因此，在跨度小于2 0 0 m 的悬 索桥设计中，当主梁高度取为跨径的1 4 0 左右时，采用弹性理论方法计算是合适的。 而对于大跨度悬索桥设计计算时，弹性理论则有两个非常明显的缺点：其一是未考虑到恒载 对悬索桥刚度的有益影响；其二是未考虑悬索结构非线性大位移的影响，使按弹性理论做的设计 太保守，偏于安全，浪费材料。因此，当设计2 0 0 m 以上大跨径悬索桥时，应采用计入体系变形对 内力影响的挠度理论方法计算或有限位移理论计算。 2 1 2 挠度理论 随着悬索桥跨度的增加，梁的刚度相对降低，结构的非线性性态突出，r i t t e r ( 1 8 8 7 ) ，m e l a n ( 1 8 8 8 ) 等人提出了考虑位移影响有主梁的“挠度理论”，奠定了近代悬索桥分析的理论基础。g o d a r d 忽 略成桥后竖向荷载引起的主索水平力改变对悬索桥静力响应的影响提出了线性挠度理论，在此基 础上，李国豪教授提出了等代梁法，使影响线加载原理得到有效利用。 2 1 2 1 基本假定及基本方程 用挠度理论对悬索桥结构分析计算时，应基于以下的假定： ( 1 ) 假定恒载为沿跨度均布，在无活载状态下，主缆为抛物线型，主梁内无应力。 ( 2 ) 吊索为竖直，沿桥跨密布，不考虑在活载作用下的拉伸和倾斜，当作仅在竖向有抗力的薄 1 0 第2 章自锚式悬索桥计算理论 膜。 ( 3 ) 在每一跨内主梁为等直截面梁，即截面惯性矩在一跨内为常量。 ( 4 ) 主缆及主梁都只有竖向位移，不考虑其在纵向的位移。 此理论的特点是，当悬索桥因活载产生竖向变形时，在基本计算式中开始引入这样一个事实， 即原有恒载己产生的主缆轴力由于变形的关系将产生新的抗力。这个理论最早用于美国的曼哈顿 桥( 1 9 0 9 年) ，这个认识随即改变了悬索桥的跨度，使其一下就进入1 0 0 0 m 以上的大跨度。 挠度理论的要点如下： m = m ；+ 川一日( y + 1 ，) = m ；+ m 。- j p y 一峨y