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无背索斜塔斜拉桥施工过程中索力监控研究 摘要 桥梁施工控制是桥梁建设的安全保证，施工过程中进行索力监控在保证斜 拉桥的线形和结构的受力性能中的地位越来越重要。桥梁施工过程的模拟计算 对整个施工控制过程起着关键性作用，通过合理的模型，采取有效的斜拉桥结 构施工阶段分析方法，对桥梁的施工过程和成桥状态进行一定精确度的模拟分 析，进而控制斜拉索初始张拉力，使得斜拉桥的线形和受力满足要求，为斜拉 桥的施工提供现实有效的控制参数，为下一步的施工提供指导。文中根据合肥 市铜陵路预应力混凝土无背索斜塔斜拉桥的具体施工过程和成桥状态，结合文 中介绍的现代桥梁施工控制理论和方法，运用大型通用有限元软件a n s y s 建 立了三维空间模型，对该桥进行了施工过程和成桥状态下的结构仿真模拟分析， 将模拟计算结果与施工现场振动频率法索力测试数据和分析结果相结合，为铜 陵路无背索斜塔斜拉桥拉索张拉施工提供指导，及时调控，确保了该桥在成桥 后线形美观，受力性能满足要求。同时，为应用大型有限元通用软件进行无背 索斜塔斜拉桥的结构分析计算，提供一个参考。 关键词：无背索斜塔斜拉桥；索力监控；施工控制；有限元；模拟分析 c a b l ef o r c em o n i t o r i n go fi n c l i n e dt o w e rc a b l e - s t a y e db r i d g e w i t h o u tb a c k - s t a yi nc o n s t r u t i n g a b s t r a c t b r i d g ec o n s t r u c t i o nc o n t r o li ss e c u r i t ya s s u r a n c e so fb r i d g ec o n s t r u c t i n g i ti s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt h a tt h ec a b l ef o r c em o n i t o r i n gf o ra l i g n m e n ta n d m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fc a b l e s t a y e db r i d g ei nt h ec o n s t r u c t i o no fl a r g e - s p a n b r i d g e t h eb r i d g ec o n s t r u c t i o ne m u l a t i n ga n a l y s i st a k eak e yr o l ew i t hc e r t a i n p r e c i s i o nf o rt h ec o n s t r u c t i o no fb r i d g ea n dd e s i g ns t a t eb yt h er e a s o n a b l em o d e l a n dt h ee f f e c t i v es t r u c t u r ea n a l y s i sm e t h o d s oc o n t r o lp r e l i m i n a r yt e n s i o n i n gf o r c e a n dp r o v i d ee f f e c t i v ec o n t r o l sp a r a m e t e rf o rt h es t r u c t u r e c o m p u t a t i o na n d c o n s t r u c t i o nt h r o u g ht h ee m u l a t i n gc a l c u l a t i o n i ta l s op r o v i d e sai n s t r u c t i o nf o r f u r t h e rc o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o nc o u r s ea n df i n i s h e dd e a ds t a t eo f t h ei n c l i n e dt o w e rc a b l e s t a y e db r i d g ew i t h o u tb a c ks t a ya tt o n g l i n gr o a di nh e f e i a n dc o m b i n i n gt h em o d e mt h e o r ya n dm e t h o do ft h eb r i d g ec o n s t r u c t i o nc o n t r o l m e n t i o n e di n t h i sp a p e r , e s t a b l i s h e das p a c em o d e lb yl a r g e s c a l eg e n e r a lf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y s i tc a no b t a i ns o m ev a l u a b l er e s u l tb ye m u l a t i n ga n a l y s i s o ft h eb r i d g ew h i c hi su n d e rt h ec o n s t r u c t i o nc o u r s ea n df i n i s h e dd e a ds t a t e i tc a n p r o v i d ea ni n s t r u c t i o nf o rt h et o n g l i n gr o a db r i d g ew i t ht h er e s u l ta n dc o n s t r u c t i o n j o bs i t em o n i t o r i n gd a t a a tt h es a m et i m e ，t h et h e m ep r o v i d e sa r e f e r e n c ef o ru s i n g l a r g e s c a l eg e n e r a lf i n i t ee l e m e ms o f t w a r et oc a l c u l a t et h i sk i n do fb r i d g e k e y w o r d s ：i n c l i n e d t o w e rc a b l e - s t a y e db r i d g ew i t h o u tb a c ks t a y ；c a b l ef o r c e m o n i t o r i n g ：c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ：f i n i t ee l e m e n t ：s i m u l a t i o na n a l y s i s ： 图1 1 图2 - 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图3 1 图3 - 2 图4 - i 图4 - 2 图4 3 图5 - 1 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 - 7 图5 8 图5 - 9 图5 - 1 0 图5 - 1 l 图5 1 2 图5 - 1 3 图5 - 1 4 图5 - 1 5 图5 - 1 6 图5 1 7 图5 - 1 8 图5 - 1 9 插图清单 全桥总体布置示意图8 柔索的横向振动1 3 拉索自振频谱图1 5 拉索的前四阶振型1 6 索力检测系统的框图1 7 有限元分析杆件单元编号2 3 斜拉桥受力图式2 4 s o l i d 6 53 d 单元3 3 l i n k i o3 d 单元3 4 l i n k l o 单元参数输出示意3 5 全桥总体布置示意图3 6 主塔施工工况3 6 全桥模型图3 9 主梁断面图3 9 主塔和拉索施工工况计算模型图3 9 自重和铺装荷载下全桥计算结果4 1 1 2 恒载+ 1 4 汽超2 0 x o 7 + 人群 下全桥计算结果4 1 1 1 恒载+ 1 3 汽超2 0 x 0 7 + 人群 + 1 3 ( 温+ 支降) 下全桥计算结果4 1 成桥状态下组合l 组合3 拉索索力4 4 主梁1 不同工况竖向位移沿顺桥向分布图4 4 主梁2 不同工况竖向位移沿顺桥向分布4 5 主梁3 不同工况竖向位移沿顺桥向分布4 5 主梁1 不同工况上表面x 方向正应力沿顺桥向分布4 6 主梁2 不同工况上表面x 方向正应力沿顺桥向分布4 6 主梁3 不同工况上表面x 方向正应力沿顺桥向分布4 7 主梁1 不同工况下表面x 方向正应力沿顺桥向分布4 7 主梁2 不同工况下表面x 方向正应力沿顺桥向分布4 8 主粱3 不同工况下表面x 方向正应力沿顺桥向分布4 8 斜拉索标号图4 8 表卜1 表4 一l 表5 1 表5 2 表5 - 3 表5 4 表5 - 5 表5 - 6 表5 7 表5 8 表5 9 表5 1 0 表格清单 无背索斜塔斜拉桥一览4 s o l i d 6 53 d 单元输入参数3 3 工况l 工况8 塔顶位移值4 9 工况1 一工况8 斜拉索索力损失值( 单位：i ( n ) 4 9 斜索的参数资料5 0 上游侧测试结果5 0 下游侧测试结果5 0 设计索力值5 1 上游侧测试索力值5 1 下游侧测试索力值5 1 设计参数( 考虑减振器) 5 l 索力对照5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 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己经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金蟹王些盘堂 或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做储签名汪试签字嗍1 年m 。) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒罡王些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 解醐：硼年帆1 日 签字醐一7 引明们 学位论文作者毕业后去向：名8 巴韦 工作单位：窖 衩支盔m 些拨。木孽p 电话：l ? 7 织耖7 弘 邮编： 致谢 在此论文完成之际，我的硕士研究生生活也即将结束。在这里，首先要感谢我的 导师蔡敏教授。在这三年的学习、研究和生活期间，蔡老师自始至终给予我莫大的关 怀和帮助。在文献检索、资料收集、论文选题和论文撰写过程中，蔡老师给予了悉心 的指导，提出了许多宝贵的意见和建议。他严谨的治学态度，理论联系实际的指导思 想，兢兢业业的工作精神和平易近人的作风，使我深受启迪，受益匪浅。在此谨向蔡 老师致以最诚挚的敬意和深切的感激之情! 感谢安徽交通职业技术学院土木系各位领导的关心和支持! 感谢父母和亲人多年来的支持和教诲! 最后，我还要由衷地感谢答辩委员会的全体老师以及莅临答辩现场的各位老师和 同学，感谢大家在百忙之中抽出时间参加和指导我的毕业论文答辩工作。 作者：汪斌 2 0 0 7 年9 月2 9 日 第一章绪论 斜拉桥又称斜张桥，属于组合体系桥梁，它的上部结构由主梁、拉索和索 塔三种构件组成，其中桥面体系用加劲梁构成，其支承体系由钢索组成。斜拉 桥的桥面体系以主梁受轴力或受弯为主，其支承体系以拉索受拉和索塔受压为 主。 i i 斜拉桥的发展及其结构特点 斜拉桥是现代大跨度桥梁的重要结构形式，特别是在跨越峡谷、海湾、大 江、大河等不易修筑桥墩和由于地质的原因不利于修建地锚的地方，往往选择 斜拉桥的桥型。它的受力体系包括桥面体系，支承桥面体系的缆索体系，支承 缆索体系的桥塔。斜拉桥不仅能充分利用钢材的抗拉性能、混凝土材料的抗压 性能，而且具有良好的抗风性能和动力特性。它以其跨越能力大，结构新颖而 成为现代桥梁工程中发展最快，最具有竞争力的桥型之一。 1 1 1 斜拉桥的发展概况 斜拉桥是一种古老的桥型，其设想和实践在数百年前就己出现过，如老挝 和爪哇很早就有原始的竹制斜拉索，古埃及的海船上出现过用绳索斜拉的工作 天桥。1 7 世纪到1 9 世纪世界上也建造了一些斜拉桥，由于当时缺乏对斜拉桥这 样高次超静定结构的理论分析方法，和科学技术的落后无法生产出理想的钢材， 致使由于钢材的强度太低而不能张紧拉索，往往导致结构建成不久便因为整个 体系的松弛，而出现很大的变形，甚至使结构出现破坏。所以后来在相当长的 时问内，斜拉桥的发展相当缓慢。随着二战的爆发，钢材的短缺，促使人们再次研 究斜拉桥。 1 9 3 8 年德国的迪辛格尔( d i s c h i n g e r ) 认识到斜拉桥几个体系的优越性， 对斜拉桥开始做新的研究。现代高强度钢材的出现克服了斜拉桥的致命弱点， 带来了斜拉桥的新生。1 9 5 5 年迪辛格尔与德国德马克( d e m a g ) 合作设计建造 了瑞典的斯特罗姆松德桥( 跨径7 4 7 + 1 8 2 + 7 4 7 m ) 是第一座近代的斜拉桥，近代 斜拉桥的历史也是从此开始的。1 9 5 8 年，德国桥梁结构工程专家莱昂哈特 ( l e o n h a r d t ) 设计了位于德国杜塞尔多夫跨越莱茵河的t h e o d o rh e u s s 桥( 跨 径1 0 8 + 2 6 0 + 1 0 8 m ) ，巩固了斜拉桥在桥梁史上的地位。6 0 年代以来，随着电子 计算机的发展并运用于超静定结构分析中，斜拉桥结构分析有了新突破，使密 索体系在斜拉桥上运用有了可能。1 9 6 7 年德国波恩建成f r i e d r i c h e b e r t 桥， 主跨跨径2 8 0 m ，为单面密索体系，可使主梁应力分布均匀、结构更加轻巧，这 个设计构想以后成为许多斜拉桥的典范。随后，1 9 7 1 年德国建成k u r t s c h m a c h e r 桥( 跨径2 8 7 m ) ，1 9 7 7 年法国建成b r o t o n n e 桥( 跨径3 2 0 m ) ，1 9 7 8 年美国建成p - k 桥( 跨径2 9 9 m ) ，1 9 9 4 年法国建成诺鲁曼兹( n o r m a n d i e ) 桥( 跨径8 5 6 m ) ，1 9 9 9 年日本建成当今世界上最大跨径的斜拉桥多多罗( t a t a r a ) 大桥，跨度为8 9 0 米。斜拉桥跨径不断增大，结构体系日益完善，己成为一种重要的桥梁结构形 式。 中国建造斜拉桥的历史从7 0 年代开始。1 9 7 5 年，中国在四川云阳县建成 了一座跨度为7 6 m 的钢筋混凝土斜拉桥。以后的三十年，斜拉桥在中国得到了 充足的发展。1 9 8 0 年在广西建成的红水河铁路斜拉桥( 跨径9 6 m ) ，1 9 8 2 年在上 海建成的泖港大桥( 跨径2 0 0 m ) ，以及同年建成的济南黄河大桥( 跨径2 0 0 m ) ， 这些斜拉桥的建成，为中国的斜拉桥建设积累了经验。1 9 8 8 年，在重庆建成石 门大桥( 跨径2 3 0 + 2 0 0 m ) ，为独塔单索面大桥斜拉桥，该桥的建成标志着中国已 经具备跨径为4 6 0 m 斜拉桥的设计施工能力。 1 9 9 1 年建成的上海南浦大桥( 跨径4 2 3 m ) 和1 9 9 3 年建成的上海杨浦大桥 ( 跨径6 0 2 m ) ，是中国桥梁史上的里程碑，它标志着中国的斜拉桥建设已经进 入国际先进行列m m 。 斜拉桥跨径一般在3 0 0 m 1 0 0 0 m 之间。在这一跨径范围，斜拉桥与悬索桥 相比，斜拉桥有明显优势。德国著名桥梁专家f 1 e o n h a r d t 认为，即使跨径1 4 0 0 m 的斜拉桥也比同等跨径悬索桥的高强钢丝节省二分之一，其造价低3 0 左右。 与悬索桥相比，斜拉桥的整体刚度大，在活载作用下斜拉桥的挠度比相同跨径 的悬索桥的挠度要小得多。斜拉桥的主梁可视为多孔弹性支承连续梁，每根钢 束可视为“桥墩”。斜拉索产生水平拉力，在主塔上水平拉力自我平衡，在加劲 梁内产生轴力形成了自锚体系，而不需要悬索桥那样巨大的锚碇。从而下部结 构是经济的。许多风洞试验和动力试验结果表明，在空气稳定性及其动力特性 上，斜拉桥远比悬索桥优越。而预应力混凝土斜拉桥在这方面又显著比钢斜拉 桥优越。但是由于跨度的增加，采用混凝土主梁，结构的自重将大幅度增加， 因而在大跨度斜拉桥设计中大多采用比较经济的扁平钢箱梁。 后期可调性是斜拉桥的一个重要特点和优点，斜拉桥可在施工过程中和运 营时期进行索力调整。这样，使我们可以通过索力调整工作内力。在不增加材 料的情况下，协调施工应力和设计应力，使结构在任何情况下均处于最佳的工 作状态。从而使设计具有灵活性。 斜拉桥的发展趋势：跨径会超过1 0 0 0 m ；结构类型多样化、轻型化；斜拉 索的防腐保护的研究、索力调整、施工观测与控制及斜拉桥动力问题的研究等 方面将不断走向成熟。本着“安全、适用、经济、美观”的原则，作为大自然 中最有魅力的空间建筑物之一的斜拉桥，通过改变结构局部的尺寸可实现与自 然环境和人文环境相协调，将会更好地满足人们审美需要”1 。 l 1 2 斜拉桥的分类及结构特点 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 2 为梁跨的弹性中间支承，以降低梁跨的截面弯矩，减轻主梁自重，提高了梁的 跨越能力。此外，斜拉索的水平分力对主梁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，因此其整体刚度好，与悬索桥相比，具有良好的抗风、抗 震稳定性嘲。 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、梁和墩的相互连接方 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墩 固结体系等。 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 主梁施工一般可采用支架法、顶推法、转体法、悬臂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旄工，而结合梁斜拉桥和 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 悬臂现浇旌工时，由于挂篮自重太大，塔、梁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梁段共同承担待浇梁段重量，以减轻施工设备重量，充分 发挥斜拉索的作用m 。 1 1 3 无背索斜拉桥 斜拉桥的三类构件一一主梁、索塔和斜拉索有多种构造形式，通过三者的 不同组合可以组成各式各样的斜拉桥，在这三类构件中，桥塔的形式和斜拉索 的总体布置方式对整个斜拉桥式样的影响最为显著，通过它们的些特殊的组 合形式可以设计出各种具有特色的斜拉桥o 】【”。 无背索斜拉桥是一种新型的桥梁结构形式，它利用倾斜的塔枉自重与来自 主梁的重量和轴力相平衡组成一种传力体系。无背索斜拉桥结构新颖，受力复 杂，塔墩梁固结节点部位承受来至主梁的轴力、剪力、弯矩及扭矩作用。目前 该类型的己建桥梁为数不多，但近年来在我国的建造有增多趋势，世界上第一 座无背索斜塔斜拉桥为建于1 9 9 2 年的西班牙塞维利亚( s e v i l l e ) 市的阿拉半 罗( a l a m i l l 0 ) 桥，为预应力箱形结构。而目前对无背索斜塔斜拉桥力学性能 进行较系统分析的文献很少，因此有必要对该桥型受力性能进行较系统的分析。 3 表1 1无背索斜塔斜拉桥一览 无背索斜塔斜拉桥造型优美，选择这种桥型一般都是由于桥址地理位置显 要，对桥梁的美学要求较高。在城市桥梁中，选用独塔无背索斜拉桥，用斜拉 桥的塔身创建一个制高点，体现出一种气势和力度。无背索斜拉桥是一种不对 称结构，塔身向岸侧倾斜，给人一种新颖的稳定感。仅在主跨侧配置的拉索轻 轻将桥面提起，更增添了惊险的感觉，形成了壮观的画面。纵立面的造型又类 似扬帆远航的船只，象征一帆风顺、欣欣向荣的景象。“”。 在此基础上综合考虑通航要求、地质条件要求、经济性和受力性能。与普 通独塔斜拉桥相比，当索塔高度和主跨相同时，斜拉索的水平角更小，主梁根 部的轴力也就更大。出于结构整体刚度的考虑，无背索斜塔斜拉桥的索塔刚度 较普通斜拉桥要大很多，但是由于该桥型无须背索和边跨，在一定范围内其经 济性是可以与普通斜拉桥相竞争的。因此，在桥梁选型时，如选择无背索斜塔 斜拉桥，则其主跨跨径应选择比普通独塔斜拉桥小一些，才可能保证其经济指 标不致过大。8 0 1 “。 无背索斜拉桥和普通斜拉桥一样，拉索在粱体外增加了力臂，多根拉索形成 了梁的弹性支承，减小了梁内弯矩。无背索斜拉桥相对于常规斜拉桥来说，主 塔作用发生了变化。主塔作为悬臂梁用来抵挡斜拉索传递的桥面荷载。同时将 塔身倾斜依靠其重量来平衡斜拉索索力，进而组成了梁塔结构的平衡体系。在 无背索斜拉桥中，活载对主塔的作用主要表现在使主塔向主跨侧偏移，主塔截 面在主跨侧受压，另一侧受拉。无背索斜拉桥主塔结构所受轴向力的作用，是 从上到下逐步增大的。拉索吊点所能提供的刚度较小，因而在活载作用下，主 粱内力变化幅度相对较大“3 。 1 2 斜拉桥旖工控制技术 1 2 1 斜拉桥施工控制的内容和意义 斜拉桥属高次超静定结构，施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梁标高、内力和附近斜拉索的内力，所采 用的施工方法和安装程序与成桥后的主梁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构体系和荷载状态的不断变化，结构 4 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、主梁挠度、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，对施工顺序做出明确规 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工过 程中结构的受力状态和变形始终处于安全范围内，成桥后主梁的线形符合设计 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。 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。尤其是混凝土主梁斜拉桥，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、湿度和时间等因素的影响，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，必然造成各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。为了保证旅工质量，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。施工中虽然按一定方法 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，这就需要及时根据施工现场实测数据与计算结果进 行对比分析，对影响结构计算的设计参数进行识别和修正，从而实现对施工过 程的实时跟踪控制。由于施工控制实施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 l o m + 2 0 0 m 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臂现浇，浇筑时通过水箱放水减 载与浇筑的混凝土重力相平衡，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两次浇筑，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，所以造成该桥完工后，主梁外观呈波浪形，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。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 c m 。1 9 7 7 年建成的跨径3 2 0 m 的法国b r o t o n e 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合理。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8 0 年代出现的四川达县州河斜拉 桥在合拢前的垮塌与施工过程中结构状态控制不力有很大关系”“”】 删。 鉴于以上分析，施工控制在斜拉桥建设中占用十分重要的地位。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 2 斜拉桥施工控制技术的发展 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 5 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析，最后将分析结果返回到现 场进行施工控制。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侧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 u t 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“2 “4 ”。 国外众多发达国家已经将施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、分析预报和计算机自动控制， 并己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辅助控制。1 9 8 2 年建成的上海泖港大 桥( 主跨2 0 0 m 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 梁挠度和索塔水平位移的施工控制。泖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。于1 9 8 7 年竣工的天津永和斜拉桥( 主 跨2 6 0 m p c 斜拉桥，主梁悬臂拼装施工，由同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，首次在该桥主梁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，使施工中的 计算较好的接近真实受力状态。在分析中除了利用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行修正外，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，为该桥缩短工期做出了 贡献。实践证明，该桥的内力和线形控制良好。 1 2 3 斜拉桥施工控制方法 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n ”n “。 ( 1 ) 开环控制：按理论的控制参数位模标高和张拉索力) 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围内，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( 如梁 6 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，并且随着 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。根据施工误差调整控制参数，使调整后的理论施工状态和实际施 工状态基木一致，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高、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：根据旖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合一段时间后，自动适应结 构的物理力学规律。该控制系统中必须具备一个有效的参数识别系统，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。在主梁的前几个梁段施工中结构刚度较大， 变形较小，因此，在控制初期参数误差对主梁标高的影响较小，这对于自适应 控制方法的应用是非常有利的。经过几个梁段的施工后，计算参数己得到修正， 为后继变形较大梁段的施工控制创造了良好的条件。 1 3 本文研究的工程背景 合肥市铜陵路桥位于合肥市铜陵路南段上，在屯溪路桥与当涂路桥之间，横 跨南淝河。铜陵路桥为单塔无背索的预应力混凝土斜拉桥，塔梁固接，桥梁跨 径布置为：3 0 + 6 6 + 3 0 m ，设计宽度为：1 4 + 2 1 5 + 2 x 5 + 2 5 5 = 3 8 m 。主梁采用 部分预应力混凝土梁格式结构，全桥横向分5 道纵梁，两主纵梁分别位于快、 慢车道分隔带处，梁上布置斜拉索与桥塔；在人行道与慢车道相连及桥面中心 线处设3 道辅助纵梁。五道纵梁根据需要采用矩形和t 型两种形式。纵桥向每 隔6 m 设一道横梁，全桥共1 8 道。主塔纵向设于号桥墩处，横向分别位于两 分隔带处，塔身主体在桥面以上高5 4 7 9 m ，其轴线与桥面呈6 0 。夹角向北倾斜。 在塔高3 0 7 9 m 和4 7 7 9 m 处分设两道横向联系梁。塔底与梁固结，在连接处两 侧分别采用圆滑曲线过渡”“。其总体布置图如图卜1 ： 7 图1 - 1全桥总体布置示意图 1 4 本文研究的主要内容 本文首先介绍了斜拉桥索力测试技术、现代桥梁施工控制的理论和施工控 制方法以及施工控制结构模拟分析的方法和应用大型通用计算软件a n s y s 进行 桥梁施工过程模拟分析的研究方法。 其次，针对合肥市铜陵路无背索斜塔斜拉桥的工程具体情况，结合本文介 绍的桥梁现代施工控制理论和确定斜拉桥合理成桥状态的几种方法，利用大型 通用有限元计算软件a n s y s ，对该桥进行了施工过程的结构模拟分析计算。在 模拟斜拉桥实际施工过程计算的基础上，控制铜陵路无背索斜塔斜拉桥的拉索 初始张拉力，保证施工安全，成桥后结构受力合理、主梁线形美观。 最后总结了全文的研究工作及成果，并对今后的研究方向做了展望。 本文的研究目的在于结合合肥市铜陵路无背索斜塔斜拉桥的结构受力特 性，应用大型通用有限元软件a n s y s 进行该桥施工过程的结构模拟分析，在模 拟分析计算的基础上，控制斜拉桥的拉索初始张拉力，保证施工安全，成桥后 结构受力合理、主梁线形美观。 8 第二章斜拉桥索力监测技术 监测是桥梁施工控制和运营管理的基本内容，是保证桥梁结构顺利修建、 安全运营重要工序，为后期调控提供基础数据的重要手段。真实、及时地掌握 各项监测内容的变化情况，对桥梁结构安全有着极其重要的意义。索力监测是 桥梁结构监测的核心内容，拉索索力的准确与否直接关系到主梁的线形乃至施 工安全，因此，必须对施工阶段及运营阶段的索力真实状态进行准确的描述。 选用适当的量测方法和仪器，并设法消除量测中各种误差因素的影响，可以反 映索力真实状态。 2 1 斜拉桥结构监测 斜拉桥结构监测包括施工监测和运营监测两大部分“2 ”1 。 2 1 1 斜拉桥施工监测 斜拉桥旌工监测主要包括以下内容： 1 、梁体线形测量 梁体线形测量主要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，测出己施工各节段的节段控制水准点 的绝对标高，再根据各节段施工时测得的与其梁底的高差，推算出相应节段的 梁底标高。为了消除日照温差引起的梁体不规则变化，线形测量应选择在温度 变化小，气候稳定的时间段进行，测量工作持续的时问越短越好。 中线测量是观测己旌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 正确合拢，必须控制主梁中线偏差值。 2 、主塔变位测量 主塔变位测量包括顺桥面和横桥面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。观测点的布置可随测试阶段作相应的适时调整，一般设置在 塔柱侧壁或顶端部位。通过测量，可以提供塔柱在日照下随温度变化发生纵横 桥向偏移的曲线以及在主粱施工过程中塔柱的变位值。 3 、索力测量 拉索索力的准确与否直接关系到主梁的线形乃至施工安全，因此，必须对 施工过程中索力的真实状态进行准确的描述。选用适当的量测方法和仪器，并 设法消除量测中各种误差因素的影响，可以对索力真实状态进行反映。 9 4 、混凝土应力测量 斜拉桥混凝土应力测量主要包括主梁的安装应力测量和主塔的施工应力测 量两大类，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 荷载变化情况进行判断，确保结构施工安全。 由于桥梁施工的时间一般较长，因而，应力监测是一个长时问的连续量测 过程。影响施工应力监测的因素相当复杂，除荷载作用引起的弹性应变之外， 还有与收缩、徐变、温度等因素有关的应变。对于p c 斜拉桥塔梁，应在埋设 应力计的相同部位埋设无应力计，补偿混凝士自身的体积应变和收缩应变以及 自由温度应变，并且在测试工艺上采取有效措施，使混凝土徐变和温度产生的 应变减少到最低限度，或根据测量时的龄期及环境温度状态进行修正，这样， 基本上可以达到施工控制的目的。 5 、环境温度量测 除要求在线形、应力测量同时对环境温度进行量测记录外，还应该在典型 气候条件下，对温度变化梯度及相应挠度变化进行量测分析。 6 、建桥材料力学指标检测 包括混凝土( 强度、容重、徐变参数、弹性模量等) 、钢筋( 极限强度、弹性 模量) 和钢绞线( 松弛率、弹性模量、极限强度) 等的相关力学指标。 2 1 2 斜拉桥运营监测 桥梁结构竣工后，投入运营，其安全性能决定着国民经济的发展和人民生 命财产的安全，因而应该随时对桥梁结构的健康状况进行检查。粱体线形、主 塔变位、结构应力、拉索索力等是观测的主要内容，其中梁体线形、主塔变位、 结构应力的监测理论与方法同施工监测相似但对斜拉索来讲，由于减振器的 安装，使得拉索振动特征发生改变，索力监测理论和方法也不同与旄工阶段， 本文将在后面详细讨论。 2 2 斜拉索索力测试方法 斜索是斜拉桥主要承重构件之一。在设计斜索时，需要综合考虑其材料的 要求，如要求单位有效面积的拉力强度大；材料拉伸的延伸率小；材料弹性模 量大；材料截面密度大；材料疲劳强度高、徐变小；制成斜索后其锚周和防锈 容易。由于斜索对斜拉桥的安全起着重要作用，同时施工阶段斜索的索力状况 及索力误差分布状况又是评价、判断施工阶段结构内力状况及施工质量的重要 依据，斜索拉力及其变化是测试重点之一。如何准确地量测索力，一直是设计、 施工和科研部门所关注的课题。常用的测量方法分为直接法和间接法两类。例 如压力表测定法、电测法等属直接法，通常用以施工过程中的监控测量；振动 频率法是一种间接测量法，多用于斜索张拉结束后的检测工作”儿“儿”1 。 一、压力表测定法 1 0 在施工过程中，斜索的张拉均使用油压千斤顶，无一例外。根据千斤顶油 缸中液压和索拉力的关系，只须测定油缸中的油压即可求得索力。若油压表的 精度高，千斤顶系统完好，这种方法可以得到较为准确的结果。通常在使用之 前，必须将千斤顶和配套的油压表进行严格地标定。在千斤顶的满荷载范围内， 划分若干加载级别，建立张力吨位与油压表读数间的相关曲线，以供施工时参 考。但在实际工程中使用的油压表的精度并不高，也容易发生故障；再者千斤 顶的内摩阻力难以准确地预计，它是随着油封的磨损程度和张拉吨位的大小而 变化的。此外千斤顶是串入斜索与锚头之间使用的，桥梁投入正常营运后。就 无法再使用油压表进行索力测量。 二、电测法 电测法是运用电阻应变片测量的原理，将秸有电阻应变片的张拉连杆或简 式压力传感器接在千斤顶上，把索力的变化转成电信号，由电阻应变仪或电子 秤反映出来。这种方法的精度可以达到满量程的1 1 0 0 0 的误差。应变片用八片 全桥方式贴在张拉杆上，并接有温度补尝和零点补尝电阻。这种测力系统也是 用于施工阶段张拉索力的控制。压力筒贴片也是八片全桥方式，但质量容易保 证，使用也比张拉杆方便。用时可套在张拉杆外面进行检测。压力筒可用于施 工阶段张拉索力的控制，也可将其留在锚具与索孔垫板之间供长期使用，进行 在线监测。但于由电阻应变片很难适应长期在斜拉桥现场的环境中工作，检测 周期过长质量难以保证。另外通常斜拉桥的斜索比较多，而且分布广，如果作 全桥检测需要布置的导线则很多很长。因此电测法虽然精确，但不宜大量使用， 再者随着时问变化应变片对变形的反应也越来越迟钝，检测误差也将随之增大。 三、钢索测力仪法 钢索测力仪是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种测力仪器，其原理是根据张 紧的完全柔性弦作横向振动时，张力与自振频率之间的关系，通过测取弦的自 振频率来计算弦的张拉力。是弦的张力与弦单位长度的质量、弦的长度、重力 加速度等因素有关。检测时给索以特定的振动信号，通过放大、整形求出谐振 周期。由周期与频率的倒数关系代入上式求索力。实际应用的此类仪器，一般 都是经过预先标定，给出周期与索力的关系曲线，直接换算索力。这种方法的 测试对象大多为直径在2 c m 以下的细钢丝。 四、振动频率法 信号处理技术在电子计算机大量涌现的前提下得到了长期发展与应用。这 一技术推动了斜拉桥索力检测分析的进步，使之能在桥梁的任何工作状态下实 时测求斜索的张力。早期的斜拉桥跨径小、桥面窄，斜索直径细、索力也较小， 对索施加人工激振，即可形成一阶驻波，使用一般的频率测试仪就不难得到索 的基频。随着大跨度、特大跨度斜拉桥的出现，斜索索力达到数千千牛；索的 自重一般超过5 0 k g m ，有时可达l o o k g m 。这种情况下，人工激振难以获得理 想的振动信号；同时对如此之大的构件也不可能通过预先标定，得出频率与索 力之间的关系。为此提出了利用斜索随环境变化时发生随机振动的特征，来测 求斜索频率的振动法。将高精度拾振器采集的信号进行频谱分析，由功率谱图 上的峰值判断斜索的各阶频率，然后再根据频率与索力之间的关系求出索力。 目前利用信号处理技术己不难解决测试频率的问题。 2 3 斜拉索振动频率测量法 由于压力表测定法通常受环境条件限制仅适用于施工索力监测，电测法和 钢索测力仪法也有一定限制，而振动频率量测法适用于各种工况下索力监测。 由于此法具有简单、快速的特点，在应用中通过测量斜拉索的固有频率就可计 算出斜拉索的索力大小，而得到工程技术人员的青睐”2 ”“”1 。 2 3 1 基本原理 通过对斜拉索的动力特性进行分析研究，发现斜拉索索力与其振动频率具 有显式关系，因而在工程应用中，通常采用测量拉索振动频率的方法来确定索 力的大小。 根据测量拉索振动频率的不同方法，频率法又可分为共振法和随机振动法。 采用共振法测量拉索的索力时，要用人工激振的方法，使拉索做单一的基频振 动，然后用频率计测出拉索的基频。共振法测量拉索振动频率的缺点是测量结 果的准确性与操作者的经验有关，经验丰富的测试人员能在较短的时间内激出 拉索的纯基频振动，而一般人员往往激不出拉索的纯基频振动，当然也就测不 出拉索的纯基频。用随机振动法测量拉索振动频率时，不用对拉索进行人工激 振，而是利用风、桥面振动等环境随机激振源对拉索的激励。在环境随机激振 源的激励下，拉索的振动也是一种随机振动，可利用频谱分析仪对拉索的随机 信号进行频谱分析，一般可以得到拉索前几阶振动频率。利用环境随机振动法 测量拉索的振动频率具有不需要对拉索进行人工激振、测得拉索振动频率准确 可靠等优点。 通过频谱分析，根据功率谱图上