（固体力学专业论文）高墩大跨径弯连续刚构桥施工仿真分析及控制.pdf

摘要 随着现代高等级公路与城市立交道路网系统的迅速发展，在立交桥和高架桥中，特别 是西部山岭重丘区，要求桥梁轴线服从路线要求，在平面上呈曲线形，立面上应用高墩， 以提供顺畅的交通线。高墩弯桥的应用不仅大大减小了桥梁与道路连接部分线路的长度， 很好地适应桥址受地形地物限制的需要，降低了整个工程的造价；还大大改善了道路系统 的整体运输性能，因而有着广阔的前景。目前，我国在大跨径桥梁建设方面与先进国家的 差距还很明显，旋工方法比较落后。特别是弯桥的设计与施工中还存在不少问题，主要是 扭转、平面内变形等方面的分析欠全面，有些机理，如影响桥梁平面内变形的因素等尚需 进一步探讨。大多数的仿真软件多是以平面或者空间梁单元来模拟桥梁，且针对施工过程 的专用性不强。连续刚构的计算分析多年来一直停留在平面分析上，即使做空间分析也是 局部做，如零号块空间分析、锚下局部应力分析等，极少做全结构仿真分析。对于直连续 刚构桥结构计算，平面分析加局部空间分析设计上基本够用，但对于弯连续刚构，尚有欠 缺。目前已建成的一些大跨径连续刚构桥中出现了裂缝，结构整体效应分析不够肯定是原 因之一。本文在总结现有软件的基础上，用实体单元来模拟桥梁施工过程，分析了各种施 工状态下有限元的表达式，用桥梁三维预应力分析系统( b r i d g e k f ) 对一弯连续刚构试验 挢进行全结构仿真分析，改变所建模型的平曲线半径、墩高，进行计算，充分考虑不同桥 梁的受力变形特性，得出了比较普遍适用的结论。 近几年，由于悬臂施工法的广泛应用，大跨径曲线桥的施工监控方法也需进一步研究 和积累经验。目前，对施工控制理论研究的还不够，控制手段落后，影响因素研究不透， 预测和判断精度不高，还未建立起一套完善的施工控制系统。特别是对高墩大跨径弯连续 刚构桥的施工控制研究较少，一些近年来新出现的控制方法如灰色度理论、多元线性回归 等在实际应用中不多，控制理论落后。本文回顾了大跨径连续刚构桥的施工控制方法，详 述了预应力混凝土连续刚构桥施工控制的影响因素，在试验桥的施工控制中做了一些新的 尝试，如提出对上部箱梁设置径向预拱度、扭转预拱度，对高墩设置侧移预拱度的设想： 用灰色系统理论、二元线性回归方法编制了f o r t r a n 语言计算程序并应用于试验桥的施工控 制，取得了较好的效果。 关键词：弯连续刚构桥，施工仿真，施工控制，有限单元法，实体单元，悬臂施工法 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a f f i ci nc h i n a ，t oc l o v e r l e a fj u n c t i o na n dt r e s t l e ，e s p e c i a l l y m o u n t a i nr o a di nw e s t c h i n a ，t h ea x i so f b r i d g eh a st oi sc o n s i s t e n tw i t ht h er o a dt og i v es m o o t h t r a f f i c s oi ti sn e c e s s a r yt oc o n s t r u c th i 曲p i e rc u r v e b r i d g e t h ea p p l i c a t i o nt oh i g hp i e rc u r v e b r i d g ec a nr e d u c et h el e n g t ho f t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nb r i d g ea n dr o a d ，i sw e l lo b e yt h en e e do f b r i d g ea d d r e s sb e i n gl i m i t e db yt e r r a i na n dt h eo b j e c to ng r o u n da n dc u tt h ec o m p l e t ep r o j e c t c o s t ，m o r e o v e r , i ti sh e l p f u lt oi m p r o v et h et r a n s p o r t a t i o nc a p a b i l i t yo ft h ew h o l eh i g h w a y s y s t e m s ot h e r e i sa g o o df u t u r e n o wt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc h i n aa n do t h e rd e v e l o p e d c o u n t r i e si sn o t a b l ei nt h ec o n s t m c f i o no f l o n gs p a nb r i d g e s t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d i ss t i l lb e h i n d h a n d ，e s p e c i a l l yt ot h ec u r v eb r i d g e t h e a n a l y s i st od i s t o r t i o na n d s t r a i ni np l a n ei s n o tc o m p l e t e s o m em e c h a n i s m ，f o re x a m p l e ，t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c t i n gs t r a i ni np l a n ei si n n e e do ft od i s c u s sf u r t h e r m a n yo fs i m u l a t i o ns o f t w a r em a k eu s eo f2 - do r3 - db e a me l e m e n tt o m o d e lb r i d g e s ，a n df e wo ft h e ma r es p e c i a lt ot h ec o u r s eo fb r i d g ec o n s t r u c t i o n i nt h ep a s tf e w y e a r s ，t h ec a l c u l a t i o nt ot h ec o n t i n u o u sr i g i db r i d g e sh a sb e e nl a y i n gi np l a n a ra n a l y s i s ，e v e ni f o n l yd o i n ga l o c a l a n a l y s i s ，f o re x a m p l e ，t on o 0b l o c ko rt h el o c a ls t r e s su n d e ra n c h o r i ti s e n o u g ht ot h es t r a i g h tc o n t i n u o u sr i g i db r i d g e s ，b u tn o te n o u g ht ot h ec u r v ec o n t i n u o u sr i g i d b r i d g e s a tp r e s e n t ，af e wo fc r a c k sa p p e a ri ns o m ec o n t i n u o u sr i g i db r i d g e sw h i c hh a v eb e e n c o n s t r u c t e d ，a n do n eo ft h er e a s o n sm u s tb et h ei n s u f f i c i e n ta n a l y s i st ot h ew h o l es t r u c t u r e b a s e do nc u r r e n tc o m m e r c i a ls o f t w a r e ，t h i st h e s i sb r i n g sf o r t ht h em e t h o dt h a ts o l i de l e m e n ti s u s e dt om o d e lb r i d g e ，a n da n a l y z e sf o r m u l a t e sw h i c ha r eu s e dt om o d e lc o n s t r u c t i o nc o u r s ei n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d aw h o l et e s tb r i d g ei sa n a l y z e dw i t hb r i d g et h r e ed i m e n s i o n a lp r e s t r e s s a n a l y s i ss y s t e m ( b r i d g e k f ) i nc o u r s eo ft h i s ，t h eh o r i z o n t a lc u r v er a d i u s ，p i e rh e i g h to ft h e b r i d g em o d e l a r ec h a n g e dt os t u d yt h em e c h a n i c sa n ds t r a i nc h a r a c t e r i s t i co ft h ed i f f e r e n t b r i d g e s ， a n dan u m b e ro fc o n c l u s i o n sa r ed r a w nw h i c hc a nb cu s e di nm a n ys i d e so f b r i d g ec o n s t r u c t i o n a n d d e s i g n i nt h ep a s tf e wy e a r s ，t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do fc a n t i l e v e rh a sb e e nw i d e l yt a k e n s ot h e l o n g s p a nc u r v eb r i d g ec o n s t r u c t i o nc o n t r o lt e c h n i q u e sa r ee x p e c t e dt os t u d ya n da c c u m u l a t e e x p e r i e n c ef u r t h e r a tp r e s e n t ，t h es t u d y t ot h et h e o r yo fc o n s t r u c t i o nc o n t r o li sn o te n o u g h ，a n d m e t h o df a l l s b e h i n d i n f l u e n c i n gf a c t o r sh a v en o tb e e ns t u d i e di n t e n s i v e l y , a n dc o n s t r u c t i o n d a t u mc a n n o tb ef o r e c a s t e da n dj u d g e da c c u r a t e l yy e t as e to fc o m p l e t ec o n s t r u c t i o nc o n t r o l s y s t e mh a sn o tb e e nf o u n d e d ，e s p e c i a l l yt ot h eh i g h - p i e rl o n g s p a nc u r v ec o n t i n u o u sr i g i df r a m e b r i d g e t h i sp a p e rl o o k sb a c kl o n g - s p a nc o n t i n u o u sr i g i d l a m 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 t h o d s ，e x p a t i a t e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sd u r i n gp r e s t r e s s e dc o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g e c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ，a n dm a k e ss o m en e w a t t e m p ta tt h et e s tb r i d g e ，f o re x a m p l e ，s e t t i n gr a d i a l a n dd i s t o r t i o nc a m b e rt ot h es u p e r s t r u c t u r e ，i n s t a l l i n gs w i n gc a m b e rt ot h ep i e r g r e ys y s t e m m e t h o da n dd u a l i t yl i n e a rr e g r e s s i o n ，w h i c ha r ef o r m e dc a l c u l a t i n gp r o g r a m sw i t hf o r t r a n l a n g u a g e ，a r ea p p l i e d i nt h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o lo ft h et e s tb r i d g e k e y w o r d s ：c u r v ec o n t i n u o u sd g i df r a m e b r i d g e ，c o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o n ，c o n s t r u c t i o n ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，b r i c ke l e m e n t ，c a n t i l e v e rc o n s t r u c t i o n 第一章绪论 1 1 预应力混凝土弯连续刚构桥的发展简介1 1 - 3 , 7 1 大跨径预应力连续刚构桥由于其具有大跨、高墩的能力，且施工中省料、省工、省时。 近年来，在大跨径的梁式桥中，这种桥型已获得愈来愈广泛的重视。世界上第一座自架设 体系的预应力混凝土刚构桥，是前德国于1 9 5 3 年建成的沃尔姆斯大桥，跨度为 1 0 1 6 5 m + 1 1 4 2 m + 1 0 4 2 m 的带铰t 型刚构。由于施工中采用了悬臂施工的新工艺，其最大 优点是施工时可不设支架，对于跨越深水、深谷、大河、急流的大跨度桥梁，施工十分有 利，可大大缩短工期和降低造价。使得刚构桥的结构性能和施工特点达到高度的协调统一， 为混凝土桥梁向跨度长大化、施工机械化、装配化等方面的发展开辟了新的途径。预应力 混凝土刚构桥克服了用普通钢筋混凝土修建的刚构桥结构性能和施工工艺的弱点，因而在 实践中广泛采用。 预应力刚构桥的发展一般可分作两个阶段，即早期( 2 0 世纪5 0 年代初至6 0 年代中) 与现代( 2 0 世纪7 0 年代以来) 。早期有代表性的桥梁是西德的科布伦茨桥、莫塞尔桥、本 道夫桥和英国的麦德威桥等。现代有代表性的桥梁是日本的滨名大桥、浦户大桥等。在施 工方法上，预应力刚构桥多采用悬臂浇筑法施工，用两套挂篮分段浇筑，从墩顶向两侧平 行推进，墩顶段采用现浇。后来发展到悬臂拼装，或部分预制部分现浇。目前，在世界各 地预应力刚构桥的施工中仍采用以上方法。 1 9 世纪8 0 年代以后，特别是9 0 年代以来，随着高速公路交通的迅速发展，要求行车 平顺舒适，连续梁桥得到了迅速的发展。在1 9 世纪5 0 年代之前，预应力混凝土连续梁虽 是常被采用的一种体系，但它的跨径均在百米以下。其主要原因是当时主要采用满堂支架 施工，费工费时，限制了它的发展。5 0 年代后，预应力混凝土桥梁应用悬臂施工方法后， 加速了它的发展步伐。结构的悬臂体系和悬臂施工方法相结合产生了t 型刚构，然而，这 种结构，由于中间带铰，加之对混凝士徐变、收缩变形估计不足，又因温度影响等因素使 结构在铰处形成明显折线变形状态，对行车不利。于是，预应力混凝土连续刚构桥应运而 生，近年来得到较快的发展。 连续刚构桥的结构特点是：结构整体性能好、抗震能力强、抗扭潜力大，桥体简洁明 快、维护方便。梁体连续、梁墩固结，既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保 持了t 型刚构桥不设支座_ 西需转换体系的优点，便于悬臂施工，且顺桥向具有很大的抗 1 高墩大跨径弯连续刚构桥施工仿真分析及控制 弯刚度和横向抗扭刚度，能满足特大跨径桥梁的受力要求。但是，由于墩梁固结，对温度 变化及混凝土收缩、徐变及施工误差等因素比较敏感，对施工工艺的要求较高。 随着高强预应力钢材、高强混凝土、大吨位张拉锚固体系的应用与发展，设计手段的 计算机化及施工水平的提高，我国大跨度预应力混凝土连续刚构桥得到了迅速发展。先后 修建了洛溪大桥( 主跨1 8 0 r e ) 、黄石长江公路大桥( 主跨2 4 5 m ) 、虎门大桥辅航道桥( 主 跨2 7 0 m ) 、南昆铁路清水河大桥( 单线主跨1 2 8 m ) 等大跨度连续刚构桥。 高速公路和城市快速路( 统称为高速道路) 是交通运输现代化的主要标志之一。随着 现代高等级公路与城市立交道路网系统的迅速发展，在立交桥和高架桥中，特别是西部山 岭重丘区，要求桥梁轴线服从路线要求，在平面上呈曲线形，以提供顺畅的交通线。弯桥 的应用不仅大大减小了桥梁与道路连接部分线路的长度，很好地适应桥址受地形地物限制 地需要，降低了整个工程的造价；还大大改善了道路系统的整体运输性能，使道路桥梁系 统整体线条平顺流畅、明快大方、意境生动，给人以美的享受，因而有着广阔的前景。 弯桥指的是平面线形呈某种曲线状的桥梁。弯桥按其平面形状分为扇形弯桥( 图l l a ) 和斜交弯桥( 图1 1 b 、c ) ；按曲线形状分为圆曲线桥、缓和曲线桥及由两种不同曲线组合 而成的桥。弯桥按静力体系可分为简支弯桥、连续弯桥、连续曲线刚构桥、曲线斜拉桥( 属 忿 a ) 屎 b ) 图1 1 曲线桥粱的基本形式 组合体系曲线桥) 等；按建造材料可分为钢筋混凝土弯桥、预应力混凝土弯桥、钢与混凝 土组合的弯桥( c o m p o s i t e g i r d e rb r i d g e ) 及钢弯桥；按主要承载结构的断面形式可分为弯 板桥、弯t 梁桥、弯i 梁桥和弯箱梁桥。本文将主要讨论扇形弯连续刚构桥，主要承载结 构的断面形式为弯箱梁。 1 2 大跨径预应力混凝土连续刚构桥的悬臂施工概述1 5 ，6 】 对于大跨簪的桥梁，为了在建设中不中断通航，不设造价昂贵的河道支架，在混凝土 河海大学硕士学位论文 桥施工中引入了自架设体系的施工方法，即将桥梁上部结构分节段或分层进行施工，后期 节段或后层是靠已浇节段或已浇层来支撑，逐步完成全桥的施工，也就是无支架而靠自身 结构进行施工，人们称之为自架设体系施工法。而对于大跨径预应力混凝土连续刚构桥最 常用的自架设体系施工法是悬臂施工法。悬臂施工法是从桥墩开始对称地、不断悬出接长 的施工方法。悬臂施工法一般分为悬臂浇筑法和悬臂拼装法。悬臂浇筑是在桥墩两侧对称 逐段就地浇筑混凝土，待混凝土达到一定强度后，张拉预应力筋，移动机具、模板继续施 工。悬臂拼装法则是将预制节段块件，从桥墩两侧依次对称安装节段，张拉预应力筋，使 悬臂不断接长，直至合拢。 1 2 1 悬臂浇筑法施工 预应力混凝土连续刚构桥采用悬臂浇筑法施工时，其施工程序大体要经过以下几个步 骤： a 在桥墩处搭设临时支架( 或扇形支架) ，在支架上现浇少数梁段作为拼装挂篮的场地； b 拼装挂篮，在挂篮上悬臂浇筑其余各梁段，逐段推进； c 边孔靠近岸边梁段，在支架上浇筑。 悬臂浇筑的梁段通常为3 4 m 一段，每一梁段均在挂篮上浇筑，待混凝土达到一定强 度后，张拉预应力筋，移动机具、模板继续旌工。挂篮支承在已浇筑和张拉的梁段上，可 沿顺桥向移动。 为确保挂篮稳定，通常是在挂篮后端压重或将挂篮临时锚固在前面已张拉的梁段上。 轻型挂篮是目前悬臂施工中应用最普遍的一种，轻型挂篮重一般约为最重梁段的一半。同 时，出现了以模板代替挂篮的方法，即视模板为挂篮的一部分，目的是用以减轻挂篮的自 重。国内多采用轻型挂篮，箱梁内模则采用滑模施工，这就大大节约了模板，并确保了混 凝土的浇筑质量。 每一浇筑梁段的施工程序大致分为以下几个阶段： a 向前移动挂篮： b 安装模板，普通钢筋及三向预应力管道； c 浇筑混凝土并养生； d 穿束并张拉纵、横、竖三向预应力； e 预应力管道内灌浆。 在正常情况下，每一浇筑段的施工周期一般为6 7 天。为了加快施工进度，可采取 高墩大跨径弯连续刚构桥施工仿真分析及控制 若干辅助措施，如利用多套挂篮施工；在混凝土中掺加早强剂和采用蒸汽养生等方法。 1 2 2 悬臂拼装法施工 人们在实践中发现，影响悬臂施工进度最主要的因素是混凝土新浇筑梁段的强度增长 速度缓慢，尤其在气温较低的地区施工，问题更加突出。于是，在六十年代，法国首先出 现了悬臂拼装法施工，这就大大加快了施工进度。 所谓悬臂拼装法施工，就是将原来悬臂浇筑各梁段事先预制好，然后逐段拼装起来再 施加预应力，预制梁段的长度视悬臂拼装机具的起重能力而定。 悬臂拼装法施工的关键在于预制梁段彼此闻接头的处理，早先的做法是采用现浇混凝 土接头的方法( 简称湿接头) ，即在梁段间预留一个现浇段、待拼装就位后再现浇混凝土， 混凝土达到要求强度后施加预应力。近年来，逐渐开始采用环氧树脂接头的方法( 简称干 接头) ，就是在接头两侧的梁段截面上，预先涂上环氧树脂粘合剂，然后等到拼装就位后， 再施加预应力。 悬臂施工法不需要大量施工支架和临时设备，不影响桥下通航、通车，施工不受季节、 河道水位的影响，并能在大跨径桥上采用，因此得到了广泛的使用。据日本预应力混凝土 工业协会关于预应力混凝土长大桥梁的调查研究报告一文指出，从1 9 5 2 年1 9 7 2 年的 2 0 年中，修建l o o m 以上跨径的桥梁有5 6 座，1 9 7 2 年后建造的跨径在l o o m 以上的桥梁有 近2 0 0 座用悬臂浇筑法旌工的有1 6 8 座( 包括我国的7 座桥) ，占8 0 以上，用悬臂拼 装法施工的有1 3 座，占7 左右。上述统计资料充分说明悬臂法施工的推广应用，大大加 快了桥梁向大跨、高难度发展的步伐。同时也可看出，最后1 0 年建造大跨桥梁的数量是 前2 0 年的近四倍，悬臂浇筑施工方法适合大跨桥梁的施工，如阿根廷的巴拉奎( p a r a g u a y r i v e r ) 桥的主孔跨径2 7 0 m ，澳大利亚的给脱威桥，主跨2 6 0 m ，美国休斯敦桥，总长3 1 8 5 m ， 主跨3 1 1 4 + 2 2 9 + 1 1 4 ，是当时美国最长的一座预应力混凝土连续梁桥，我国的沙洋桥，主 跨1 1l m ，均采用悬臂浇筑施工。此外，在悬臂浇筑施工的1 6 8 座桥中，预应力混凝土连续 梁桥有近1 0 0 座，占6 0 左右，由此可以看出悬臂施工方法在大跨径连续梁桥中的广泛应 用。 1 3 大跨径混凝土弯连续刚构桥施工仿真及控制的意义1 2 ，4 随着交通事业的发展，急需修建更多大跨度桥梁以跨越长江、大河和海湾，必须采用 自架设体系施工方法，这种方法氐彳：用必然给桥梁带来较为复杂的内力和位移变化。为了 4 河坶大掌坝士芋位论又 保证桥梁施工质量和桥梁施工安全，桥梁施工控制是必不可少的。 大跨径桥梁的施工均采用分阶段逐步完成的施工方法，结构的最终形成，必须经历一 个漫长而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，是桥梁结构施工控制中最基本的内容。桥梁结构施工控制的目的就是确保施 工过程中结构的安全，保证桥梁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，必须对桥梁施工过程中每个阶段的受力状态和变形情况进行预测和监控。因此， 必须通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，使其最终的成桥线形和受力 状态满足设计要求。桥梁施工仿真不仅能对整个施工过程进行描述，反映整个施工过程中 结构的受力行为，而且还能确定结构的各个阶段的理想状态，为施工提供中间目标状态。 理论分析与仿真计算是桥梁施工控制中的重要环节，它和监测结果互相补充，指导施 工的顺利进行。例如，在预应力混凝土张拉前进行计算，可以给出必要的报警线，以便当 张拉过度或者张拉不足时，及时在现场中止张拉旋工，避免施工事故和损失；而且还可以 通过施工前的计算，了解结构的受力状况，以合理布置传感器，为更合理准确的获得关键 部位的监测数据作好准备。 1 4 混凝土弯连续刚构桥施工仿真及施工控制的发展现状f 7 1 5 l 近年来随着我国交通事业的飞速发展，弯桥结构出现的越来越多。尽管我国在理论和 应用方面都取得了令人满意的成果，但是与先进国家相比仍有差距，旌工方法还主要以现 浇为主，其他施工方法及大跨径曲线桥的施工监控方法尚需进一步研究和积累经验。此外， 国内部分曲线桥的设计和施工中还存在不少问题，主要是扭转、平面内变形等方面的分析 欠全面，支承等设计细节问题考虑不周，有些机理，如影响桥梁平面内变形的因素等尚需 进一步探讨。由于设计中存在的不足，导致在桥梁建设以及使用中发生多次弯梁桥主梁横 向侧移j 扭曲变形、支座脱空、固结墩开裂等事故。连续刚构的计算分析多年来一直停留 在平面分析上，即使做空问分析也是局部做，如零号块空间分析、锚下局部应力分析等， 极少做全结构仿真分析。对于直连续刚构桥结构计算，平面分析加局部空间分析设计上基 本够用，但对于弯连续刚构，特别是预应力计算，竖向预应力不能和纵向预应力整体计算， 一直是缺陷。目前已建成的一些大跨径连续刚构桥中出现了裂缝，别的原因姑且不论，结 构整体预应力效应分析不够肯定是原因之一。 空间三向预应力计算一直是实际桥梁结构计算中回避的问题，因为若按手工计算过于 5 高墩大跨径弯连续剐构桥施工仿真分析及控制 复杂，按现有程序又不能很好实现，在弯桥预应力计算中，由于线性变换定理、次弯矩分 析法、吻合束定理等，均不适用，使得弯梁桥预应力在设计理论上出现空白，因而弯梁桥 中预应力钢束位置试算、调整失去了理论上的指导。只有通过有限元分析，才能准确把握 预应力在弯桥结构中的作用。 桥梁施工仿真是伴随着有限元技术和计算机软硬件的发展而逐渐兴起并逐步完善的， 早期的仿真软件只是利用计算机进行模拟计算，而没有前后模型处理功能。近年来，由于 桥梁事业的发展，图形化操作系统的出现，强大的硬件平台的支持，桥梁仿真计算向可视 化、综合化方向发展。同时计算内容也进入了三维空间应力计算、非线性计算、计算一制 图一体化阶段。桥梁仿真程序有以下几个新特点：规模大；功能多：图形化的用户界面和 计算结果可视化输出。目前国内桥梁施工仿真所使用的软件主要有桥梁博士( d r b r i d g e ) 、 m i d a s c i v i l 、a n s l l f s 和g q j s 等。 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司开发的大型通用有限元分析软件，它有非常完善的前后处 理和强大的计算分析能力，它融结构、热、流体、声学分析计算于一体，已广泛用于核工 业、铁道、航空航天、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、造船等工业生产及科学研 究领域。目前，a n s y s 在桥梁结构空间计算分析中应用较多，a n s y s 的单元生死用于桥梁 结构分析中就可以模拟桥梁施工过程，单元生的功能相当于架设桥梁构件，单元死的功能 相当于拆除桥梁构件。另外，a n s y s 还具有编程功能。这就使得多种桥型方案的设计分析 可模拟成为简单而省力的过程，与传统的常规建模方法相比，使用程序建模可以获得快捷、 准确而方便的计算方法和计算结果。 但是由于a n s y s 是通用软件，它不直接提供针对桥梁的专门建模工具和考虑收缩徐变、 预应力损失等施工状态的分析能力，所以更多的只是使用它进行静动力分析。a n s y s 在分 析钢筋混凝土时，钢筋位置不能任意放置，要想用其分析复杂的桥梁施工必须进行二次开 发，否则使用起来效率太低。m i d a s c i v i l 是隶属于韩国顶尖建设公司浦项制铁开发公司 ( p o s e c ) 的分支机构m i d a si t 开发的通用土木工程分析与设计系统。它不仅可以分析板 式、梁式、刚架桥、暗渠等一般形式的土木结构，还可以对预应力箱型桥梁、悬索桥、斜 拉桥做施工阶段分析，而且还提供了桥梁建模助手功能，内置多种标准截面供用户选择。 m i d a s c i v i l 是比较理想的用于桥梁施工的仿真软件，但m i d a s c i v i l 软件在弯桥分析建 模能力上不是很强。桥梁博士软件是以同济大学周宗泽教授为首开发的国内颇有影响力的 桥梁结构设计软件。它除了能够进行桥梁的设计计算外，还面向施工实际情况，提供模拟 复杂施工操作的手段：模拟分次浇筑断面带来的影响；模拟施工中采用的临时支架和挂篮 河海大学硕士学位论文 设备等( 尤其是对于挂篮的安装、前移等操作，系统采用子结构模拟，形象直观简洁) ； 能对施工过程的任意阶段进行分析，是施工仿真的有利工具。桥梁博士在前后图形处理方 面不十分完善，特别是在三维图形的显示处理能力方面。g q j s 是由交通部公路科学研究所 研制的公路桥梁结构设计计算系统，该系统适用于任意可作为平面杆系处理的桥梁结构， 如：预应力混凝土梁桥、拱桥、斜拉桥以及各种框架结构等；能按大块吊装、悬臂浇筑、 逐段顶推、支架现浇等多种施工方法对大跨径桥梁结构施工进行全过程分析，并可进行设 计活载自动加载等综合分析，但g q j s 毕竟也是平面杆系程序。 现在的大部分桥梁计算分析软件都是以平面和空间梁单元或者空间粱格单元分析为 主，而利用实体模型的比较少。实体模型能够比较真实的反映实际结构，能够考虑结构的 整体受力效应，得到的结果更为精确，而且实体模型在建模时已经考虑了细部结构，可以 直接进行细部受力状态分析，而梁模型在建模时只考虑了主要的受力构件，无法反映细部 的受力状况，所以必须重新建模进行局部分析。特别是在分析大跨径高墩弯桥方面实体模 型的优势就更加明显。 交通部公路科学研究所开发的三维桥梁预应力分析( b r i d g e k f ) 系统是一个有限元综 合分析系统。它的核心单元采用空间8 节点实体单元，可以有效地模拟各种复杂结构，如 空心板、t 梁、箱梁及横隔板、加腋部分，如三叉结构、锚碇等。b r i d g e k f 系统的特点是 专业性强，尤其是结构预应力分析，如预应力与结构耦合作用机理，比现有程序、系统的 处理方法更接近于实际情况。应该说，结构三向预应力分析是b r i d g e k f 系统的主要特点， 是其主要创新之处。此外，实体单元分阶段计算预应力也是b r i d g e k f 系统的特色。 桥梁施工技术包含旌工设计计算、施工方法、手段与工艺、施工控制等内容。以往， 在桥梁施工技术中并未突破施工控制的内容，甚至没有提到“施工控制”。施工控制在施 工技术中未被重视的原因是由于过去所建桥梁一般跨径不大，规模较小，影响因素少等， 因为施工控制不力而产生的不良后果也就不明显，从而使人们忽视了它的重要性。 事实上，旄工控制是施工技术的重要组成部分，并始终贯穿于桥梁施工中。任何桥梁 施工，特别是大跨径桥梁的施工，都是一个系统工程。在该系统中，设计图只是目标，而 在自开工到竣工整个为实现设计目标而必须经历的过程中，要受到许许多多的确定和不确 定的因素( 误差) 的影响，包括设计计算、桥用材料性能、施工精度、荷载、大气温度等 诸多方面在理想状态和实际状态之间存在的差异，施工中如何从各种受误差影响而失真的 参数中找出相对真实之值，对施工状态进行实时识别( 监测) 、调整( 纠偏) 、预测，对设 计目标的实现是至关重要的。 7 高墩大跨径弯连续刚构桥施工仿真分析及控制 2 0 世纪9 0 年代以后，人们才逐渐从理论与实践中认识到桥梁控制的重要性，特别对于 采用自架设体系施工的大跨度桥梁是必不可少的，但对施工控制理论研究的还不够，控制 手段落后，影响因素研究不透，预测和判断精度不高，还未建立起一套完善的施工控制系 统。特别是对高墩大跨径弯连续刚构桥的施工控制研究较少，一些近年来新出现的控制方 法如灰色度理论、多元线性回归等在实际应用中不多，控制理论落后。 1 5 本文研究的主要内容 本论文选题依据交通部公路科学研究所承担的交通部西部科技项目：高墩大跨径桥梁 设计及施工方法研究，本文研究的课题是该大课题的子课题。本论文设计一高墩弯连续刚 构试验桥并利用交通部公路科学研究所研制的三维桥梁预应力分析系统( b r i d g e k f ) 对不 同的弯连续刚构桥进行施工仿真分析；把灰色系统理论及二元线性回归方法形成程序，进 行施工控制。 a 综合考虑影响桥梁设计的多种因素，进行高墩弯连续刚构试验桥的设计。 b 用桥梁三维预应力分析系统( b r i d g e k f ) 对试验桥进行结构仿真分析。改变所建模 型的平曲线半径，进行计算仿真，研究曲率对大跨径预应力弯连续刚构桥内力、变形的影 响，找出一些有规律性的东西，以便在实际中指导设计、施工。 c 在试验桥的悬臂拼装过程中，进行施工控制，利用多种方法进行对比，特别是灰色 系统理论及二元线性回归的控制效果研究。 第二章施工过程仿真中的有限单元法 有限单元法是解决复杂空间结构问题的强有力的数值分析方法，在结构分析和仿真计 算中有着极大的应用价值。自6 0 年代诞生以来，经过几十年的快速发展，其理论和方法 已十分成熟。现己被广泛应用到工程设计和计算中，它能方便地处理各种复杂的边界条件 和荷载条件，能解决各类材料非线性和几何非线性问题，能解决具有复杂介质特性的问题 和模拟实际施工过程。本章主要讨论了桥梁三维预应力分析的有限单元法，即利用空间8 结点实体单元来模拟桥梁施工过程受力状况的基本表达式。 2 1 钢筋混凝土有限元模型【1 6 2 0 】 钢筋混凝土有限元模型有分离式、组合式和整体式三种。分离式模型是将钢筋和混凝 土作为不同单元处理，钢筋因其形状相对细长而用杆单元模拟，这种模型的主要缺点是钢 筋杆单元必须在混凝土单元边界上，给单元划分带来了一定的限制。在三维坐标下，要使 钢筋通过混凝土单元边界则更困难，而且钢筋保护层相对较薄，要划分比较合理的网格必 须用较多的单元，从而加大了计算工作量。因此，三维情况下一般不使用分离式模型。组 合式模型通常忽略钢筋与混凝土之间的粘结滑移，它分别计算钢筋与混凝土对单元劲度矩 阵的贡献，从而得到组合单元的刚度矩阵。三维情况下常用的组合式模型是由z i e n k i e w i c z 提出的含钢筋膜的模型，这种模型将元中的钢筋折算成“等效薄膜”，并假定薄膜只能承 担轴向拉力，不能承担横向剪切力与弯矩，因薄膜较薄，所以又忽略了垂直于薄膜中面的 变形。在该模型的基本公式中，等效钢筋薄膜在局部坐标下的坐标必须有一个是常数，这 就要求钢筋必须平行于混凝土单元的一个面。 因而，这种模型的单元网格划分就必须考虑钢筋的位置，并对单元的形状及其走向做 出调整，这给网格划分带来了困难。另一种组合式模型称为埋置组合式模型，它将钢筋看 成埋置在混凝土单元中的杆件。c h a n 8 等在1 9 8 7 年提出了二维情况下的埋置组合式模型， 它虽然能在局部坐标下考虑与坐标轴成任意角度的钢筋，但只适用于单元网格是直线形及 直钢筋的情况。整体式模型将钢筋弥散在混凝土单元之中，把钢筋混凝土材料作为等效均 质材料处理。这种模型虽然计算简单，但不能求出钢筋应力的分布，一般只用在大体积混 凝土结构的分析中。 t 桥梁三维预应力分析系统( b r i d f f e k f ) 使用的三维埋置组合式钢筋混凝土有限元模型， 能考虑穿过混凝土单元任意方向的钢筋，且混凝土单元的划分不需要考虑钢筋的具体位 高墩大跨径弯连续刚构桥施工仿真分析及控制 置。因为计算的目的在于了解结构的承载能力和整体反应，所以假定钢筋与混凝土之间是 固结的，没有相对滑移。钢筋的信息可在已形成的混凝土单元坐标信息的基础上，利用钢 筋的起止点坐标连成的线段与混凝土单元求交即可得出。 2 1 1 空间8 结点等参单元 实际单元到母单元( 图2 1 ) 的坐标变换式为： 其中形函数： ( 2 1 ) 图2 18 结点单元 | ，一吉( 1 喃e ) o + 玑洲1 + 骷) ( i 一1 ，8 ) 式中，x 。，y ，毛为结点i 处的整体坐标，氧，叩f ，藓为结点i 处的局部坐标。 单元位移模式为： 一脚 v 2 善毗 w 一i _ 根据几何条件，可将单元内任一点的应变用单元结点位移表示： 矗p - 【口】如r 式中， d 。为单元应变列阵， 舛。为单元位移列阵， b 为应变转换矩阵。 谬】一【b 1 ，b ：，b s 】 【置 一 塑0o o n , o 堂 积 a ) ) a z o o n j o 堂 o n , o 毋 越把 oo o n , o 盟一o n , 由物理方程，单元内任一点的应力可用。二元结点位移表示为 1 0 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) t 儿 置 m m m 。x禽。x白。y白 = 叠 一一 z y z 河海大学硕士学位论文 b p = d 1 【口】p ( 2 6 ) 其中，k p 叫吒，q ，吼，k ，k ，r 。】r 为单元应力列阵，弹性刚度矩阵 d 为： 【d 】t + 2 g a + 2 g aa + 2 g oo0g 0000g 00o00g 式中，九、g 为拉密常数，可表示为： a 。 坐墨 。g ： 墨 ( 1 + 4 ) ( 1 2 p ) 。2 0 + p ) e 为材料弹性模量，“是材料的泊松比。 根据虚功原理，可导出有限单元的单元刚度矩阵 明 i 】；正。陋】r d i b d v f d - ，j = ，陋r 【d 】陋】p p 影叩d 当 式中，1 卅为雅可比行列式 = ( 2 7 ) 2 1 2 钢筋混凝土组合单元 图2 2 ( a ) 为三维等参单元，其中含有一钢筋段a b ；其母单元为立方体，如图2 2 ( b ) 所 示，钢簸杆单元映射到母单元成为一曲线( 杆单元的整体坐标系s 映射成局部坐标系r 。 设杆单元在整体坐标系中的结点坐标为扛) 、 y + ) 、 z ) ，引入3 结点等参单元的插 值函数 甜，可得杆单元上任一点的坐标为 f z = 伽) 仁 yt 升 y ，( 2 8 ) 1 2 = 埘 仁 式中， 甜= 协( r ) 妒：( r ) 屯( r ) ) ， 其中 弛一畴瑟一略把一切舍一喈抄一嵋妙一叻缸瞎缸一嵋缸一叻 高墩太跨径弯连续剐构桥施工仿真分析及控制 f l ( ，) = r2 + r ) 2 j 妒：( r ) 。1 一，2 阪，) _ ( r 2 一r ) 2 黔廖 | ，吁，魁f b ) 母单元 图2 2 等参单元示意图 杆单元上整体坐标系下的微分段为 出2 ：出2 + 咖2 + 出2 故有 d s d r 。( 出咖) 2 + d r ) 2 + ( d z l d r ) 2z j ， 对式2 8 微分可得 f d x d r - 口) l d r = 庐 ) + j d z l d r 一 妒 扛 式中， ) 一 ，+ o 5 2 r ，一0 5 ) 。 r 2 3 ) 陀1 0 ) 设钢筋与混凝土之间无相对滑移，则杆单元上任意一点的应变可由混凝土单元的应变 ，；f 。 r ) e ) 一 丁) f 口】恤 = 曰， 恤)( 2 1 1 ) 【b 】混凝土等参单元的几何矩阵： 讧卜一混凝土等参单元的结点位移列阵； f 吃卜一钢筋单元的几何矩阵，p ，卜= 口) 陋】； 口 应变转换矩阵，仃) 一 f 2 m 2n 2 m m t l n f ) 。 其中，1 、m ，n 上积分点的切线方向余弦，当钢筋为直线时，可以由其参数方程求得 忙三巍 河海大学硕士学位论文 【k ，】= f b ，) e ， b ，m v ( 2 1 2 ) j 口。 设钢筋的截面积为a s ，将d k = a ，d s 代入式2 1 2 ，得 【七，】。俨，r e ；4 丑，) d j ；| = ，徊，r e ，a 。 b ，) j ，出 ( 2 1 3 ) 这样组合单元的刚度矩阵为 昨】= 【k 。】+ 【k ，】( 2 1 4 ) 2 1 3 结点荷载 一般来说，施工过程中作用于结构上的荷载可以分为两种，一种是集中荷载，另一种 是分布荷载，但无论是哪种类型的荷载，为了方便利用有限单元法进行计算，都应该以作 用于结点上的等效荷载来替代，并且这种