（固体力学专业论文）斜拉桥施工控制与合理成桥状态研究.pdf

摘要 摘要 斜拉桥的设计往往是从确定成桥状态开始，然后根据确定的成桥状态用正 装迭代法或正装- n 拆法确定施工状态，最后通过施工过程控制来达到事先确 定的成桥状态。因而确定斜拉桥的合理成桥状态，就成为设计首先要解决的关 键问题。 本文通过对斜拉桥结构进行分析，阐述了桥梁现代施工控制理论和施工控 制方法以及施工过程模拟分析方法，并对几何非线性效应对斜拉桥结构计算的 影响进行了分析，对正装计算法、倒装计算法进行了探讨。对混凝土斜拉桥施 工中合理成桥与合理施工状态确定问题进行了研究，分析了最小弯曲能量法和 影响矩阵法的应用。提出综合采用最小弯曲能量法和影响矩阵法来确定其成桥 状态的综合方法，提出主梁合理恒载弯矩这个概念，并推导主梁合理恒载弯矩 的求解方法。 结合工程实例研究了前支点挂篮进行斜拉桥主梁悬臂现浇施工时中间张拉 索力的确定问题，并通过对确定合理施工状态的计算方法的分析比较，提出以 正装优化法来确定施工过程中各阶段合理索力和立模标高的方法，并将此思路 在有限元数值模拟中实现，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，通过将计算结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旋工状态方面的可行性。 关键词：斜拉桥合理施工状态施工控制有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e s i g no fc a b l e s t a y d e b r i d g ea l w a y sb e g i n s w i t hd e t e r m i n gc o m p l e t e d c o n d i t i o n ，t h e na c c o r d i n g l yd e t e r m i n et h ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o nb ya p p l y i n gt h e u p s i d ei t e r a t i o nm e t h o do ru p s i d e u p s i d ed o w nm e t h o d a tl a s t a t t a i n st ot h e c o m p l e t e ds t a t ef o r m e r l yd e t e r m i n e db yc o n t r o l i n gt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n t h e r e f o r e d e t e r m i n gt h er e a s o n a b l ec o m p l e t e dc o n d i t i o no fc a b l e s t a y d eb r i d g ei st h e p r i m a t yp r o b l e mt os o l v ei nd e s i g n t h ep a p e rd e m o n s t r a t e st h ec o n t r o lp r i n c i p a lo fb r i d g e ，c o n t r o lm e t h o do f c o n s t r u c t i o na n ds i m u l a t i n ga n a l y s em e t h o di nc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，b ya n a l y z i n gt h e s t r u c t u r eo fc a b l e s t a y e db r i d g e ，a n da n a l y z e st h ee f f e c to fg e o m e t r yn o n 1 i n e a re f f e c t o ns t r u c t u r a lc a l c u l a t i o no fc a b l e - s t a y e db r i d g e ，a l s od i s c u s s e st h eu p s i d ec a l c u l a t i o n m e t h o da n du p s i d ed o w nc a l c u l a t i o nm e t h o d i tr e s e a r c h e st h ep r o b l e mo fr e a o n a b l y c o m p l e t e da n dd e t e r m i n er e a s o n a b l ec o n d i t i o no fc o n s t r u c t i o ni nc o n s t r u c t i o no f c o n c r e t ec a b l e - s t a y e db d d g e ，a n da n a l y z e st h ea p p l i c a t i o no f m i n i m a lb e n d i n ge n e r g y m e t h o da n di n f l u e n c em a t r i xm e t h o d i td e v e l o p st h es y n t h e s t i cm e t h o dw h i c h d e t e r m i n e st h ec o m p l e t e dc o n d i t i o nb ya p p l y i n gb o t hm i n i m a lb e n d i n ge n e r g y m e t h o da n di n f l u e n c em a t r i xm e t h o d ，a n dp u t sf o r w a r dt h ec o n c e p to ft h er e a s o n a b l e b e n d i n gm o m e n to f d e a d1 0 a do nt h eg i r d e ra n dd e d u c e st h em e t h o dt oa c h i e v ei t t h ep a p e rs t u d i e sh o wt od e t e r m i n et e n s i o n a n d p u l lc a b l ef o r c ew h e nf r o n t p i v o tb u n d l eo fb a s k e ti n p l a c et h es u s p e n s i o na r mo ft h em a i nb e a mo fc a b l e s t a y e d b r i d g ei nt h ec o n s t r u c t i o np h a s ea c c o r d i n gt oe x a m p l e so fe n g i n e e r i n g i tp u t s f o r w a r dd e t e r m i n i n gr e a s o n a b l ec a b l ef o r c ei nd i f f e r e n tp h a s e so fc o n s t r u c t i o nb y u p s i d eo p t i m a lm e t h o da n df o u n dm o d e la l t i t u d et h r o u g ha n a l y z i n ga n dc o n p a r i n gt h e m e t h o d so fc a l c u l a t i o na b o u td e t e r m i n er e a s o n a b l ec o n d i t i o no fc o n s t r u c t i o n ，a n d c a r r i e so u tt h et r a i no ft h o u g h ti nd a t as i m u l a t i n go ff i n i t ee l e m e n ta n dc a r r i e so n c a l c u l a t i o no fs t r u c t u r es i m u l a t i n ga n a l y s ei nt h ec o n s t r u c t i o n gf o rt h eb r i d g eb yg r e a t c o m m o n l yu s e df i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o ns o f e w a r ea n s y s a n dd e m o n s t r a t e st h e f e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o di nd e t e r m i n i n gr e a s o n a b l ec o n d i t i o no fc o n s t r u c t i o nf o r c a b l e s t a y e db r i d g eb ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h er e s u l t so fc a l c u l a t i o na n d p r a c t i c a ld a t ai nt h ef i e l d k e yw o r d s ：c a b l e - s t a y e db r i d g e c o n t r o lp r i n c i p a l r e a s o n a b l ec o n d i t i o no fc o n s t r u c t i o n f i n i t ee l e m e n t s 第一章绪论 1 1 斜拉桥综述 1 1 1 斜拉桥的结构特点 第一章绪论 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。 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施工，而结合梁斜 拉桥和钢箱梁斜拉桥则多采用悬臂拼装法【2 3 j 。 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、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。 1 1 2 斜拉桥发展概况 斜拉桥是2 0 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，斜拉桥相比梁式桥具有更大的跨越能力，在技术方案合理的跨 第一章绪论 径范围内，比悬索桥有更好的经济性。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，在桥梁工程 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 r i d g e ) ，该桥跨径组合为7 4 7m + 1 8 2 6m + 7 4 7i t i ，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 2 , 4 , 5 1 。其稀疏的斜拉索在主梁不能设 置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桥相比较，由于其 斜拉索在主梁上锚固点间距较大，主梁控制截面的弯矩就相应增大，这就要求 稀索体系斜拉桥主梁具有较大的刚度，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量 生产，模型试验技术和预应力混凝土技术的飞速发展，使斜拉桥建造技术有了 突破性进展。2 0 世纪6 0 年代开始出现的密索体系斜拉桥，主梁以受压为主，截 面大幅度减小，并且可以换索，避免了稀索体系斜拉桥主梁重且配筋多的缺点。 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 r i 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 【1 2 】，这种体系使得锚固点 的集中力减小，而且适合于悬臂施工，为其后许多斜拉桥的建设做出了典范。 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，日益成为大 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，为扇形双索面混合梁斜拉桥，该桥 主跨为钢箱梁，边跨采用混凝土梁，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 r i d g e ) ，跨径组合为2 7 0m + 8 9 0 m + 3 2 0m ，倒y 形钢塔高达2 2 0m ，为双塔双索面混合梁斜拉桥，是目前世界上 已建成跨径最大的斜拉桥。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 r n s u n d e tb r i d g e ) ，跨径 第一章绪论 组合为1 9 0m + 5 3 0 m + 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土斜拉桥的地位【l ，3 ，4 j 。 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一重庆云阳桥至今，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f 自j 索面漂浮体系钢箱梁斜拉桥，其主跨分别达到了6 2 8m 和6 4 8m 。2 0 0 2 年建成的荆、i 1 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；南汊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大跨度桥梁的多种形式，设 计、施工、控制难度大，被国内桥梁界誉为“中国桥梁建设的博物馆”。它们的 成功建造，使我国大跨径斜拉桥建造水平达到了一个新的里程碑，迈入了斜拉 桥建设领域世界先进国家的行列。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的纪录 1 , 2 , 4 5 】。 所有这些表明：斜拉桥己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 0m 范围内，可与悬索桥相竞争。斜拉桥在国 内外桥梁建设中都具有广阔的发展前景。 1 2 桥梁施工控制技术 1 2 1 桥梁施工控制技术的重要性 1 9 世纪中期以前，各种桥梁均采用有支架的施工方法。有支架施工是在桥 跨位置架设支架，在支架上拼装钢梁和浇筑混凝土梁，这个施工过程处于无应 力状态。 随着科学技术的发展，桥梁跨度不断增大，尤其需要修建跨越大江、大河 和深沟的桥梁。1 9 世纪中期，在美国等国家修建了为数不多的钢桁梁桥，但是， 在建设和使用过程当中，由于温度变化、墩台沉陷等影响，尤其是多次超静定 结构，在当时设计计算手段落后的情况下，深感设计计算复杂由此，在连续 钢桁梁中采用了铰，把连续桁架转化成为静定的悬臂桁梁，从此，无支架施工 开始得到广泛使用1 6 , 4 9 。 1 9 5 0 年由德国工程师率先采用挂篮悬臂浇筑混凝土，修建预应力混凝土连 第一章绪论 续梁桥。施工中利用己建成的桥墩沿桥跨径方向逐段地悬出接长对称施工。悬 臂施工中桥墩与梁固结，施工中桥墩要承受不对称弯矩。悬臂施工时随着梁段 增加即悬臂长度的增加，梁段内出现的负弯矩不断增大，对混凝土桥必须在梁 上缘施加预应力，才能使其完成的梁段连成整体。这就是后来的挂篮施工方法。 随着我国交通事业的发展，急需修建更多的混凝土大跨桥。为了建桥中不 影响交通，一般采用自架设体系施工，即将桥梁的上部结构分节段或分层施工， 后期节段或后层是靠已浇节段或己浇层来支撑，逐步完成全桥的施工。它的广 泛使用，使得混凝土桥得到了较大发展，比如t 型刚构桥、大跨度钢筋混凝土 拱桥、预应力混凝土桥。自架设体系施工方法的采用，必然给桥梁结构带来了 较为复杂的内力和位移变化，为了保证桥梁施工质量和桥梁施工安全，桥梁施 工控制是不可缺少的。自架设体系的施工在单一钢桥中比较容易实现，因为存 在钢材的匀质性和制造尺寸的准确性。但是应用在非匀质的混凝土桥中就不简 单了。因为混凝土桥除了本身材料是非线性材料和材质特性不稳定外，它还要 受温度、湿度、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，这些影响必然 造成各节段或各层的内力和位移随着混凝土浇筑或块件拼装过程变化而偏离设 计值。为了保证施工质量，必须要对建桥的整个过程进行严格的施工控制。 桥梁施工控制又是桥梁建设的安全保证。为了安全可靠地建好每座桥，施 工控制将变得非常重要。因为每种体系的桥梁所采用的施工方法均按预定的程 序进行，施工中的每一阶段，结构的内力和变形是可以预计的，同时可通过监 测手段得到各施工阶段结构的实际内力和变形，从而完全可以跟踪掌握施工进 程和发展情况。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原因。为确保桥梁施工的安全，桥梁施工控制必不可少。 1 2 2 斜拉桥施工控制的研究进展 现代斜拉桥以其良好的结构性能和跨越能力以及优美的建筑造型在现代桥 梁结构中占据重要的地位，在近5 0 年间发展迅速，随着技术水平的提高，跨度 不断增大，结构型式也愈趋复杂，工艺越来越先进。现代结构理论、高强材料、 计算机技术以及施工方法在现代斜拉桥的运用和发展，同时也使其施工控制理 论成为竞相研究的重要课题。 斜拉桥施工控制的方法目前己经应用于工程实践中的有参数识别法，灰色 第一章绪论 预测控制系统、卡尔曼滤波法、最佳成桥状态法、顺推法、无应力状态法、零 弯矩拼装法，以及日本研制的斜拉桥施工精度控制系统等。到目前为止，施工 控制不论是理论上还是实践上都还没有重大突破。在现有的施工控制方法中还 存在各种各样的缺陷，而在实桥修建时，有的采用强制合拢，有的采用反复调 索，也有修建好的斜拉桥在运营阶段挠度过大或出现斜拉索拉断等危险状态而 不得不进行调索或者换索处理e 4 , 6 1 。 近2 0 年来，随着预应力混凝土斜拉桥在中国的发展，形成了一些实用的控 制方法，目前主要有三种基本思想指导下的不同方法：第一种是卡尔曼滤波的方 法，采用纠偏终点控制的思想，也就是在斜拉桥施工过程中将各种产生主梁线 型偏差的因素不断用改变斜拉索索力予以纠正，很显然，这种做法不仅要增加 施工作业量，而且对斜拉索索力不利，或者说是将误差积累到索力中去，所以 也有称其为线形单控的方法：第二种是应用现代控制理论中自适应控制的思想， 具体做法是通过对施工过程中主梁标高和( 或) 斜拉索索力的实测值进行结构主 要基本设计参数的识别，辨别设计值与实际值产生偏差的主要原因，从而修改 最初设计的“轨道”，达到标高和索力双控的目标，也即控制系统与被控系统之 间互相适应，或称双控的方法；第三种做法是在设计时给予主梁标高和斜拉索 索力较大的宽容度，当然对于每一节段长度的误差也有限制，这种做法虽然减 少了控制的难度，但是对p c 斜拉桥却不适用，理由是预应力混凝土斜拉桥的主 梁应力或预制的斜拉索的长度都不容易具备较大的宽容度。由此，自适应的控 制思想被认为最符合p c 斜拉桥的施工控制模型。 近几年，随着p c 斜拉桥自适应控制技术的发展，p c 斜拉桥悬臂施工中的 线形和内力控制技术已经变得比较成熟，主要归功于在p c 斜拉桥自适应控制方 法中两项最为关键技术水平的提高，即结构的参数识别和现场立模标高实时修 正方法，前者为工程控制论中自适应控制的基本原理和方法，也是斜拉桥施工 控制中实现主梁标高和斜拉索索力双控的重要的基本手段之一。主要解决理论 值与实际值不一致性问题，而后者为斜拉桥施工控制中的特色问题，其目的主 要是为了解决实际施工时结构控制变量的连续动态变化与理论计算时依赖固定 工况而使变量相对间断和具有局限性之间的矛盾，在现场实施每一段主梁立模 标高时合理解决这一矛盾显得尤为重要【5 】。 同时现代微机技术的飞速发展为斜拉桥施工控制带来了新的内涵，使得有 可能用微机软件来高效地实现这一复杂的工作。 一5 一 第一章绪论 在日本，因修建的斜拉桥多，近年来有许多学者致力于这一问题的研究。 早期日本修建的钢斜拉桥多，因此控制方法也针对钢斜拉桥，但近年来建造了 许多预应力混凝土斜拉桥，因此也研制适用于p c 斜拉桥的施工控制方法。p c 斜拉桥与钢斜拉桥在设计和施工时最主要的不同点是p c 斜拉桥必须考虑混凝土 的收缩徐变效应。日本斜拉桥的施工精度控制的方法要点是：首先确定误差范 围，对需控制的因素进行高精度的量测，把量测结果输入计算机进行误差分析、 温度修正，然后确定是否要进行索力调整，对下一施工阶段进行预测。对于测 试误差则通过增加测试项目来处理，该方法为最小二乘法【2 5 】。 根据上面对国内外斜拉桥施工控制的研究现状的分析可知，目前己有的各 种控制方法在理论上和实践上还存在各种各样的缺陷，因此有必要对此问题进 行更深入的研究。未来斜拉桥施工控制的研究方向首先是量测监控的自动化， 引入先进的量测仪器，并直接把量测结果输入计算机处理，其次是要将现代控 制理论、专家系统等的最新研究成果引入施工控制，并且丌发施工控制的可视 化软件，一个实用和高效的斜拉桥施工控制软件就是要实现可以利用现代可视 化技术的软件，既直观又高效。从而使斜拉桥的施工控制实现科学化、自动化 和智能化，以适应于斜拉桥的实际工程建设的发展需要。 1 3 研究的现实意义及工程背景 1 3 1 现实意义 对大跨度斜拉桥施工控制进行分析研究的目的就是如何选择科学、合理、 经济的施工工艺、施工方法，同时，对大跨度斜拉桥施工中的各个环节、各道 工序进行科学合理的组织施工，并对施工进行科学、严格、有效的监测监控， 使大跨度斜拉桥施工中的索力、线形、主梁标高及塔顶偏位等参数指标满足设 计要求，并保证大跨度斜拉桥的施工安全和施工质量。因此，对大跨度斜拉桥 施工控制进行分析研究是十分必要的，具有非常重要的意义。 其次，斜拉桥是塔、梁、拉索三种基本构件组成的缆索承重结构体系，一 般表现为柔性的受力特性。与连续梁和桁架梁的结构分析相比较，几何非线性 的影响比较突出，而且影响因素也比较多。特别是对大跨度的斜拉桥来说，因 为斜拉索比较长，索自重产生的垂度就比较大，索的伸长量与索内拉力不成正 比关系：而且整个结构的几何变形也较大，大变形问题很突出，也就是当荷载 第一章绪论 作用在斜拉桥结构的某个结点上时，该节点将发生位移，荷载也随之移动。这 种位移不仅改变了荷载对于节点相连接的杆件的作用方向，而且改变了荷载对 结构上其它节点产生的弯矩。如果位移量大，就会严重影响荷载对结构产生的 效应：再加上轴向力与弯矩相互作用的影响，使得大跨度斜拉桥的几何非线性 分析显得比较复杂。而且随着斜拉桥跨度的增大，其几何非线性的影响也会更 加突出。因此，对斜拉桥进行几何非线性分析是必要的 5 a 2 】。 1 3 2 工程背景 华北地区某斜拉桥为5 5m + 1 2 5m + 5 5m 双塔双空间索面p c 斜拉桥，采用 塔墩固结，主梁连续半飘浮体系。索塔横桥向呈“h ”形，高5 2 7m ：主梁为 双主肋断面，梁高1 7m ，肋宽2m ，桥面宽2 8 9m ；斜拉索采用c d 7 高强低松 弛镀锌平行钢丝拉索，呈扇形布置，梁上索距6 3m ，共3 6 根。 1 4 本论文的主要研究内容 本文结合华北地区某斜拉桥的具体情况，在现有研究基础上对斜拉桥的合理 施工状态确定问题及非线性行为对斜拉桥结构受力的影响以及合理成桥状态进 行研究探讨： ( 1 ) 阐述桥梁现代施工控制理论和施工控制方法以及几何非线性效应对斜 拉桥结构计算的影响，利用大型通用有限元计算软件a n s y s 对该桥进行施工过 程的结构模拟分析计算。 ( 2 ) 结合工程实例对混凝土斜拉桥施工中合理成桥与合理施工状态确定问题 进行研究。通过对确定合理施工状态的计算方法的分析比较，提出以正装优化 法来确定施工过程中各阶段合理索力和立模标高的方法，并将此思路在有限元 数值模拟中实现，通过将计算结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。 第二二章斜拉桥施f ：控制内容与方法 第二章斜拉桥施工控制内容与方法 2 1斜拉桥施工控制的内容 2 1 1 几何( 变形) 控制 不论采用什么施工方法，桥梁结构在施工过程中总要产生变形( 挠曲) ，并且 结构的变形将受到诸多因素的影响，极易使桥梁结构在施工过程中的实际位置 ( 立面标高、平面位置) 状态偏离预期状态，使桥梁难以顺利合拢，或成桥线形形 状与设计要求不符，所以必须对桥梁实施控制，使其结构在施工中的实际位置 状态与预期状态之间的误差在容许范围和成桥线形状态符合设计要求。 与桥梁工程质量的优劣需用其质量检验评定标准来检验一样，施工控制的 结果也需有一定的标准，即误差容许值来评判。桥梁施工控制中的几何控制总 目标就是达到设计的几何状态要求，最终结果的误差容许值与桥梁的规模、跨 径大小、技术难度等有关，目前还没有统一规定，需根据具体桥梁的施工控制 需要具体确定。同时，为保证几何控制总目标的实现，每道工序的几何控制误 差允许范围也需事先研究、确定出来。 2 1 2 应力控制 桥梁结构在施工过程中以及在成桥状态的受力情况是否与设计相符合是施 工控制要明确的重要问题。通常通过结构应力的监测来了解实际应力状态，若 发现实际应力状态与理论( 计算) 应力状态的差别超限就要进行原因查找和调控， 使之在允许范围内变化。结构应力控制的好坏不像变形控制那样易于发现，若 应力控制不利将会给结构造成危害，严重者将发生结构破坏( 国内某斜拉桥在合 拢前的破坏就是一个例子) ，所以，它比变形控制显得更加重要。必须对结构应 力实施严格监控。对应力控制的项目和程度还没有明确的规定，需根据实际情 况确定，通常包括 5 , 4 9 1 ： ( 1 ) 结构在自重下的应力( 实际应力与设计应力相差宜控制在士5 ) ； ( 2 ) 结构在施工荷载下的应力( 实际应力与设计应力相差宜控制在士5 ) ； 第二章斜拉桥施工控制内容与方法 ( 3 ) 结构预加应力除对张拉实施双控( 油表控制和伸长量控制，伸长量误差 允许在士6 以内) 外，还必须考虑管道摩阻影响( 对于后张结构) ： ( 4 ) 斜拉桥拉索张力，允许偏差宜为士5 ； ( 5 ) 悬索桥主缆吊杆拉力、中下承式拱桥吊杆拉力，允许偏差宜控制在士5 ； ( 6 ) 温度应力，特别是大体积基础、墩柱等； ( 7 ) 其他应力，如基础变位、风荷载、雪荷载等引起的结构应力； ( 8 ) 施工中用到的对桥梁施工安全有直接影响的支架、挂篮、缆索吊装系统 等的应力在安全范围内。 2 1 3 稳定控制 桥梁结构的稳定性关系到桥梁结构的安全，它与桥梁的强度有着同等的甚 至更重要的意义。 世界上曾经有过不少桥梁在施工过程中由于失稳而导致全桥破坏的例子， 最典型的为加拿大的魁北克( q u e b e c ) 桥。该桥在南侧锚锭桁架快要架完时，由于 悬臂端下弦杆的腹板屈曲而发生突然崩塌坠落【4 9 1 。我国四川卅i 河大桥也因悬臂 体系的主梁在吊装主跨中段时承受过大的轴力而失稳破坏。因此，桥梁施工过 程中不仅要严格控制变形和应力，而且要严格地控制施工各阶段结构构件的局 部和整体稳定【6 】。 目前，桥梁的稳定性己引起人们的重视，但主要注重于桥梁造成后的稳定 计算。对施工过程中可能出现的失稳现象还没有可靠的监测手段，尤其是随着 桥梁跨径的增长，受动荷载或突发情况的影响，还没有快速反应系统，所以， 很难保证桥梁施工安全。为此，应建立一套完整的稳定监控系统。目前主要通 过稳定分析计算( 稳定安全系数) ，并结合结构应力、变形情况来综合评定、控制 其稳定性。 桥梁的稳定安全系数是衡量结构安全的重要指标，但现行规范中尚未详细 列出不同材料的不同结构在不同工况下的最小稳定系数。对此，有待今后完善。 施工中，除桥梁结构本身的稳定性必须得到控制外，施工过程中所用的支架、 挂篮、缆索吊装系统等施工设施的各项稳定系数也应满足要求。 2 1 4 安全控制 第二章斜拉桥施： = 控制内容与方法 桥梁施工过程中安全控制是桥梁施工控制的重要内容，只有保证了施工过 程中的安全，才谈得上其他控制与桥梁的建成。其实，桥梁施工安全控制是上 述变形控制、应力控制、稳定控制的综合体现，上述各项得到了控制，安全也 就得到了控制( 由于桥梁施工质量问题引起的安全问题除外) 。由于结构形式不 同，直接影响施工安全的因素也不一样，在施工控制中需根据实际情况，确定 其安全控制重点。 2 2 斜拉桥施工控制方法 桥梁施工控制的主要任务是桥梁施工过程的安全控制和桥梁结构线形与内 力状态控制。 随着桥梁结构形式、施工特点及具体控制内容的不同，其施工控制方法也 不相同。总的来说，桥梁施工控制可分为事后控制法、预测控制法、自适应控 制法、最大宽容度法等。 事后调整控制法是指在施工中，当已成结构状态与设计要求不符时，即可 通过一定手段对其进行调整，使之达到要求。这种方法仅适用于那些结构内力 与线形能够调整的情况，斜拉桥就可算是一种。事后调整根据具体情况又可分 为两种： ( 1 ) 在施工过程中每个施工阶段( 或节段) 完成后，当发现结构状态与设计不符 时，即可通过调整斜拉索力来调整结构状态，然后继续施工，直到施工完成。 这种方法工作量很大，并且索力调整本身也比较麻烦，调整效果也不一定好。 ( 2 ) 在桥梁结构形成后，检查结构状态，如果与设计不符，则可对斜拉索力 进行一次性调整。这种方法从理论上讲也是可行的，但其实施较困难。 因对施工过程中的结构内力状态不清楚，容易出现安全事故，且最终的线 形往往难以达到理想状态。所以，事后调整不是一个好的控制方法，特别是对 于上述( 2 ) 只能算是一个“补救措施”。 预测控制法是指在全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工所要达到 的目标后，对结构的每一个施工阶段( 节段) 形成前后的状态进行预测，使施工沿 着预定状态进行。由于预测状态与实际状态间免不了有误差存在，某种误差对 施工目标的影响则在后续施工状态的预测予以考虑，依次循环，直到施工完成 和获得与设计相符合的结构状态。这种方法适用于所有桥梁，而对于那些己成 第二章斜拉桥施i ：控制内容与方法 结构的状态具有不可调整性的桥梁施工控制必须采用此法。如悬臂施工的预应 力混凝土连续刚构桥，其己成节段的状态( 内力、标高) 是无法调整的，只能对待 施工的节段预测状态进行改变。可见，预测控制法是桥梁施工控制的主要方法。 预测控制以现代控制理论为理论基础，其预测方法常见的有卡尔曼( k a l m a n ) 滤 波法、灰色理论法等1 7 , 8 j 。 自适应控制法也称为参数识别修正法。它是指在控制开始时，控制系统的 某些设计参数与实际情况不完全相符，系统不能按设计要求得到符合实际的输 出结果，但是，在系统的运行过程中，通过系统识别或参数估计，不断的修正 参数，使设计输出与实际输出相符，从而实际问题得到控制【”。 还有一种方法是在设计时给予主梁标高和内力最大的宽容度，即误差的容 许值。如香港某斜拉桥主梁线形设计的宽容度达1 5c m ( 悬臂长为2 1 5m ) ，当 然对于每一节段的误差也有限制。这种做法减少了控制的难度，但会产生其他 问题，如斜拉索的制作长度问题等。对于现有支架施工中的支架安全控制则主 要通过对支架应力、变形进行跟踪监测，并将其监测值与相应的计算值比较， 判断是否在安全范围内，若有异常出现，则暂停施工，查找原因，确保施工 安全。 2 3 斜拉桥施工过程模拟分析方法 2 3 1正装计算法及需考虑的问题 人们对结构静力分析的一般认识是对整个结构施工结束状态作单工况或多 工况的受力分析和变位计算。但是，对于桥梁结构，单作这样的分析是不够的。 尤其是大跨径桥梁结构，都有一个分阶段施工过程，结构的某些荷载如自重重 力、施工荷载、预应力等是在施工过程中逐级施加的，每一施工阶段都可能伴 随着徐变发生、边界约束增减、预应力张拉和体系转换等，后期结构的力学性 能与前期结构的施工情况有着密切联系。换言之，施工方案的改变，将直接影 响成桥结构的受力状态。在确定了施工方案的情况下，如何分析各施工阶段及 成桥结构的受力特性及变形是施工设计中的首要任务。 为了计算出桥梁结构成桥后的受力状态，只有根据实际结构配筋情况和施 工方案设计逐步逐阶段地进行计算，最终才能得到成桥结构的受力状态。这种 第二章斜拉桥施j ：控制 ；j ! i 容与方法 计算方法的特点是：随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束、荷载形式在 不断地改变。前期结构将发生徐变，其几何位置也在改变，因而，前一阶段结 构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。我们将这种按施工阶段前后次序进 行的结构分析方法称为正装计算法”，也称为前进分析法。 2 3 1 1 正装计算法的特点 ( 1 ) 桥梁结构在正装计算之前，必须制定详细的施工方案，只有按照施工方 案中确定的施工加载顺序进行结构分析，才能得到结构中间阶段或最终成桥阶 段的实际变形和受力状态： ( 2 ) 在结构分析之初，要确定结构最初实际状态，即以符合设计要求的实际 施工结果( 如跨径、标高等) 倒退到旌工的第一阶段作为结构正装计算分析的初 始状态； ( 3 ) 本阶段的结构分析必须以前一阶段的计算结果为基础，前一阶段结构位 移是本阶段确定结构轴线的基础，以前各施工阶段结构受力状态是本阶段结构 时差、材料非线性计算的基础； ( 4 ) 对于混凝土徐变、收缩等时差效应在各施工阶段中逐步计入； ( 5 ) 在施工分析过程中严格计入结构几何非线性效应，本阶段结束时的结构 受力状态用本阶段荷载作用下结构受力与以前各阶段结构受力平衡而求得。 正装计算分析不仅可以为成桥结构的受力提供较为精确的结果，为结构强 度、刚度验算提供依据，而且可以为施工阶段理想状态的确定，为完成桥梁结 构施工控制奠定基础】。 2 3 1 2 正装计算法中结构几何非线性问题 几何非线性即大位移问题。在大多数大位移问题中，结构内部的应变是微 小的。事实上，只有在材料出现塑性变形时或在结构上应用较少的类似于橡胶 那样的材料才会遇到大应变问题。对于大跨径桥梁中使用的钢材，在设计荷载 作用下不会出现很大的应变，因此，大跨度桥梁的几何非线形性问题属于大位 移小应变问题，而材料的应力应变关系是线性的。 当荷载作用在桥梁结构的某结点上，该结点将会发生位移，荷载也随之移 动，这种位移不仅改变了荷载相对于与该结点相连接的杆件的作用方向，而且 改变了荷载对结构上其它结点产生的弯矩。如果位移量大，就会严重地影响荷 载对结构产生的效应，所以考虑几何非线性的影响对于大跨度桥梁结构分析是 第二章斜拉桥施工控制内容与方法 十分必要的。 对于大跨度桥梁结构要求获得非线性方程的直接代数解是十分困难的，甚 至是不可能的。目前常用增量法、迭代法和混合法求近似数值解。 2 3 1 3 正装计算法中混凝土材料非线性问题 在桥梁( 特别是大跨度桥梁) 中，钢筋混凝土结构无论是钢筋还是混凝土， 都存在材料非线性问题，它包括在短时间荷载作用下混凝土的开裂以及混凝土、 钢筋、粘结力和集料嵌锁的非线性应力、应变关系，在精确的理论分析中应当 予以考虑 1 4 , 4 5 , 4 9 】。 ( 1 ) 材料非线性问题的一般解法包括：割线法( 也叫直线迭代法或变刚度法) 、 切线刚度法( 牛顿一莱布逊( n e w t o n - - r a p h s o n ) 法) 和初始刚度法( 改进的牛顿一 莱布逊法) 。 ( 2 ) 对于短时间荷载的考虑：如果某单元在压缩状态时其应力一应变( o e ) 关系为非线性，而在拉伸状态下只有很低的开裂破坏应力，其应力应变关系为 线性。 2 3 1 4 正装计算法中混凝土收缩、徐变问题 在桥梁施工过程中，由于混凝土龄期短，其徐变、收缩影响较大，必须加 以分析和控制。 混凝土徐变、收缩受很多因素影响，由于被这些因素影响的徐变、收缩值 在实验上的统计结果最少也有1 5 2 0 的变异，而且试验的构件、试验环境往 往与实际结构物相距甚远，故准确性较低。混凝土徐变、收缩机理比较复杂， 在本质上取决于其内部的物理化学变化过程。目前提出的理论有：力学变形理 论：认为混凝土的徐变是由于持续荷载作用在水泥浆的毛细结构上，使水泥浆与 周围介质建立新的气压平衡产生的；塑性理论：认为混凝土的徐变是由于晶 格滑动产生的；粘性流理论：认为水泥是一种高度粘性材料。持续荷载作用的 粘性流动产生徐变。此外，还有内力平衡理论，微裂缝理论【l4 1 。 收缩现象主要包括两个过程：一是干燥过程中的水分蒸发；二是碳化过程中 的体积变化。由于干燥总是从混凝土表面开始，因此，收缩实际是不均匀的。 混凝土的徐变、收缩机理虽然未完全搞清楚，但从徐变的性状上看，可以 用流变模型来分析研究。目前提出的流变模型有马克韦尔、开尔芬以及 b u g e r s ，h a n s e n ，f l i i g g e ，c o w a n ，r o l l ，p o w e r s ，n e n i l l e ，b j u g g a n 等等模型。这 3 一 第二章斜拉桥施【控制内容与方法 些模型都能在本质上体现能量守恒、能量转化的基本原理，并能解释诸如可复 徐变与不可复徐变等徐变的基变成分。c e b f i p1 9 7 8 是目前以流变模型为基础 建立的最复杂的徐变实用模型。徐变分为可恢复的延滞弹性徐变及不可恢复的 徐变，不可恢复的徐变又进一步分为初始塑性徐变和后塑性徐变。c e b f i p1 9 7 8 也是目前运用较广的徐变模型，除欧洲各国外，中国公路桥规完全采用，日本 桥规也部分采用。新近提出的c e b f i p l 9 9 0 徐变模型与c e b f i p l 9 7 8 不同，做 了大量的简化。它首先认为在线性徐变范围内( a o 4 f ) 叠加原理有效，徐变系 数随时间的变化采用简单的公式表达，而在温度对徐变的影响及非线性徐变方 面作了较大的改进和补充。 混凝土徐变、收缩的计算理论就是要确定在结构的寿命中，某一时间考虑 徐变、收缩后的应变、应力、拱度等状态。要达到这个目的，就必须把常荷载 作用下的徐变试验结果用到变应力作用下的结构构件的分析中去。目前所采用 的徐变、收缩计算方法主要有：有效模量法，老化理论( 徐变率) 法，弹性徐变理 论( 叠加法) ，弹性老化理论( 滚动率法) 及继续效流动理论，分项叠加法，扩展 d i s i n g e r 法等等。其中大部分建立在线性徐变条件( 应力o 0 4 f ) 下，并服从 b o l t z m a n 叠加原理i l ”。 2 3 2 倒装计算法 正装计算法可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析，但由于 分析中结构节点坐标的迁移，最终结构线形不可能完全满足设计线形要求。 实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要，线形误差将造成桥 梁结构的合拢困难，影响桥梁建成后的美观和营运质量。为了使竣工后的结构 保持设计线形，在施工过程中用设置预拱度的方法来实现。而对于分段施工的 连续梁桥、斜拉桥、悬索桥等复杂结构，一般要给出各个施工阶段结构物控制 点的标高( 预抛高) ，以便最终使结构物满足设计要求。这个问题用正装计算法 难以解决。而倒装计算法可以解决这一问题。它的基本思想是，假设t - - t o 时刻内 力分布满足正装计算t o 时刻的结果，线形满足设计要求，在此初始状态下，按 照正装分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次卸除一个施工段对剩余结构 的影响，在一个阶段内分析得出的结构位移、内力状态便是该阶段结构施工的 理想状态。 第二章斜拉桥施i i ：控制内容与方法 所谓结构施工的理想状态，就是在施工各阶段结构应有的位置和受力状态。 每个阶段的施工理想状态都将控制着全桥最终的形状和受力特性。按施工顺序 进行倒拆分析 1 2 , 1 3 。 2 3 2 1 注意事项 ( 1 ) 倒装计算时的初始状态必须由正装