（土木工程专业论文）大跨度矮塔斜拉桥的施工控制方法研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工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。 签名：兰选茏日期： 2 q ! q ：q 量 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 乡玖荔。v 。 翩虢同柙。嗍硎矿以 目录 摘要 斜拉桥为高次超静定结构，在施工过程中其结构体系将不断发生变化。为保 证成桥线形和内力最大程度地满足设计和规范要求，并保证桥梁施工过程中结构 的安全，必须采取合理的方法对桥梁施工过程进行监控。 本文以峪道河大桥为工程背景，对预应力混凝土矮塔斜拉桥施工控制有限元 模型的建立与修正、施工过程中的索力、标高、应力控制等问题进行了探讨，主 要研究工作与成果如下： ( 1 ) 建立了峪道河大桥的施工控制有限元模型，结合施工中的实测数据， 运用最小二乘法进行了参数的误差识别，并对模型进行了修正。修正后的有限元 模型能够较好地模拟施工过程，与桥梁结构实测反应符合较好； ( 2 ) 针对平行钢绞线斜拉索的张拉特点，提出了不同施工阶段钢绞线张拉 过程中的索力计算公式，结合等值张拉法消除了施工过程中温度变化对钢绞线张 拉力的影响，并提出了桥梁施工和运营过程中的索力控制方法。工程实践结果表 明，该索力控制方法能够实现索力均匀的目标，且具有较高的精度； ( 3 ) 对混凝土斜拉桥施工过程中的三种线形进行了阐述，并详细说明了主 梁立模标高的确定方法，分析了影响主梁线形的各种因素。各施工阶段的实测结 果表明主梁线形控制误差较小，满足施工控制的要求。 ( 4 ) 结合峪道河大桥的结构和施工特点，经施工控制计算分析确定了施工 过程中应力测点布置方案。实测结果表明，峪道河大桥的应力实测值与理论计算 值是基本吻合的，大桥在施工过程中始终处在安全的状态。 关键词：矮塔斜拉桥；施工控制；模型修正、索力控制；标高控制；应力监测 i i a b s t r u c t a b s t r u c t t h ec a b l e - s t a y e db r i d g ei ss t a t i c a l l yi n d e t e r m i n a t es t r u c t u r e ，t h es t r u c t u r a l s y s t e mw i l lv a r i e sc o n t i n u o u s l yi nt h ec o n s t r u c t i o n w em u s ta d o p tr i g h tm e t h o dt o m o n i t o rt h eb r i d g es t r u c t u r ei nt h ew h o l ec o n s t r u c t i o ns ot h a tt h el i n es h a p ea n d i n t e r n a lf o r c eo ft h eb r i d g ec a l lm e e tt h er e q u i r e m e n to fd e s i g na n db r i d g e s p e c i f i c a t i o n se v e n t u a l l y m o r e o v e r , w ec a ne n s u r e t h eb r i d g ei ss a f e i nt h e c o n s t r u c t i o n s e t t i n gt l l ey ud a oh eb r i d g e 举ab a c k g r o u n d ，t h ea r t i c l em a k eas t u d yo n e s t a b l i s h m e n to ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o fp r e s t r e s s e d c o n c r e t ee x t r a d o s c a b l e - s t a y e db r i d g ec o n s t r u c t i o n 、t h ec a b l et e n s i o nc o n t r o l l i n g 、e l e v a t i o nc o n t r o l l i n g a n ds t r e s sc o n t r o l l i n g t h ef o l l o w i n gf i r et h em a i nr e s e a r c ha n dw o r kr e s u l t s f i r s t l y , e s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ey ud a oh eb r i d g e , a p p l yl e a s t s q u a r em e t h o dt oi d e n t i f yt h ep a r a m e t e r e r r o rb yc o m b i n i n gw i t ht h em e a s u r e dd a t ai n c o n s t r u c t i o na n dm o d i f yt h em o d e l t h em o d e lm o d i f i e dc a nw e l ls i m u l a t et h er e a l c o n s t r u c t i o n ，a n dt h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e d r e s p o n s e s e c o n d l y , i na l l u s i o nt o t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep a r a l l e ls t r a n ds t a y e d c a b l e c o n s t r u c t i o n ，t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gc a b l et e n s i o ni nd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o ns t a g e i sp r o p o s e d o nm eb a s i s ，t h ee f f e c to fv a r i a t i o n so ft e m p e r a t u r eo nt h ei n i t i a lt e n s i o n b ee l i m i n a t e dw i t ht h em e t h o do ft e n s i o n i n gc a b l e se q u i v a l e n t l yt o g e t h e r , a n da m e t h o du s e dt oc o n t r o lt h ec a b l et e n s i o ni nt h ep r o c e s s e so fc o n s t r u c t i o na n d p e r f o r m i n gt h ef u n c t i o ni sp r o p o s e d t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c es h o w st h a tt h eu n i f o r m c a b l et e n s i o nc o u l db eo b t a i n e db yu s i n gt h em e t h o da n dt h er e s u l t sh a sh i g hp r e c i s i o n t h i r d l y , t h r e ek i n d so fs t r u c t u r a la l i g n m e n to fc o n c r e t ec a b l e s t a y e db r i d g ei n c o n s t r u c t i o na n dt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ei n i t i a l i z eh e i g h t so fg i r d e r s i s e l a b o r a t e d ，t h ei n f l u e n c ef a c t o ro fa l i g n m e n to fg i r d e r sa l s oa r ea n a l y z e di nd e t a i l m e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l i g n m e n te r r o ri sv e r ys m a l la n dm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f c o n s t r u c t i o nc o n t r 0 1 f i n a l l y , c o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r ea n dc o n s t r u c t i o n ，s t r e s s t e s tp o i n ta r r a n g e m e n tp r o g r a mi sf o r m u l a t e do nt h eb a s i so fc o n s t r u c t i o nc o n t r o l c a l c u l a t i o n m e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h e o r e t i c a ls t r e s sa n da c t u a l s t r e s sa r e b a s i c a l l ya c c o r d a n t t h eb r i d g ei ss a f ea l lt h et i m e 1 1 1 k e yw o r d s ：e x t r a d o sc a b l e - s t a y e db r i d g e ；c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ；u p d a t em o d e l ；t h e c a b l et e n s i o nc o n t r o l ；t h ee l e v a t i o nc o n t r o l ；s t r e s sc o n t r o l i v 目录 目录 摘要1 a b s t r u c t i i i 第l 章绪论1 1 1 斜拉桥施工控制的意义1 1 2 混凝土矮塔斜拉桥的发展状况1 1 3 桥梁施工控制研究的发展现状及发展趋势6 1 4 本文的主要研究内容- 7 1 5 本课题来源及工程背景7 第2 章矮塔斜拉桥施工控制理论9 2 1 桥梁施工控制方法9 2 2 桥梁结构分析方法11 2 2 1 正装分析法1 1 2 2 2 倒拆分析法1 1 2 2 3 无应力状态法1 2 2 3 桥梁施工控制的总体思路12 2 4 桥梁施工控制的总体原则1 2 2 5 本章小结1 4 第3 章峪道河大桥施工过程中的模型修正15 3 1 模型修正的概念1 5 3 2 有限元模型的建立15 3 3 参数敏感性分析1 6 3 3 1 弹性模量误差分析1 7 3 3 2 梁段自重误差分析2 0 3 3 3 边界条件误差分析2 l 3 4 模型修正2 2 3 4 1 最小二乘法基本原理2 2 3 4 2 峪道河大桥的模型修正2 4 3 5 本章小结2 7 第4 章矮塔斜拉桥施工过程中的索力控制2 9 4 1 大跨度混凝土斜拉桥的施工方法概述2 9 4 2 平行钢绞线斜拉索施工方法2 9 4 3 平行钢绞线斜拉索施工过程中的索力控制方法3 0 4 3 1 悬臂施工阶段的斜拉索张拉力计算公式3 0 v 4 3 2 全桥合拢后的斜拉索张拉力计算公式3 2 4 3 3 斜拉索施工期间温度变化对钢绞线张拉力的影响3 3 4 3 4 索力测量方法3 4 4 4 工程应用3 4 4 4 1 初张拉完成后单根钢绞线的拉力3 5 4 a 2 初张拉完成后各工况下的总索力一。一，。3 6 4 5 本章小结3 7 第5 章矮塔斜拉桥施工过程中的线形控制3 9 5 1 矮塔斜拉桥施工过程中的线形3 9 5 2 矮塔斜拉桥施工过程中的线形控制分析4 0 5 3 矮塔斜拉桥施工过程中的主梁线形控制4 l 5 4 本章小结4 5 第6 章矮塔斜拉桥施工过程中的应力监测4 7 6 1 应力监测方法4 7 6 2 应力监测位置4 7 6 3 应力监测结果5 0 6 4 本章小结5 5 结论与展望5 7 参考文献9 攻读学位期间发表的学术论文6 3 致谢。6 5 v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 斜拉桥施工控制的意义 斜拉桥作为一种由索、塔和梁组成的组合体系桥梁结构，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。斜拉桥是 一个完整的复杂系统，在这个系统中，如何将设计意图完整地实现受到许多复杂 的因素影响( 如施工方法与设备、施工材料、日照和温度影响等因素) ，从设计 理论到施工工艺的过程调整就显得非常重要。大跨度斜拉桥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，在此过程中出现的各种偏差具有累积性，如不加以有效 地控制与调整，随着施工的进行，大桥的实际状态必将严重偏离设计状态，从而 造成严重后果。如美国的p k 桥跨度3 0 0 m ，合拢时梁端高程相差1 7 c m ；法国的 b r o t o n e 桥跨度3 2 0 m ，用压重的方法才使大桥强制合拢，严重影响了成桥的内力 与线形【1 1 。 由于斜拉桥的结构特殊性，斜拉桥的施工过程中有着多变的体系转换，在斜 拉桥的施工过程中对桥梁结构进行监控、调整、预报需要一个完善的体系来进行， 这就需要一个相对独立的过程施工控制过程。一般来说，施工控制就是对桥 梁施工过程中结构的变形、受力和稳定性进行监控，在施工之前对斜拉桥的每一 施工工况进行详尽的计算分析和复核，从理论上保证结构在施工及运营阶段的安 全。还要在施工过程中，对结构的实际反应进行跟踪监测，根据监测结果对施工 过程中的控制参数进行相应调整和预报，保证桥梁施工质量和结构安全，使施工 过程中的结构状态始终处在最优状态，保证成桥状态的线形与内力符合设计、规 范的要求【2 1 。 1 2 混凝土矮塔斜拉桥的发展状况 随着桥梁技术的发展，桥梁结构的两大发展趋势是十分明显的，其一是结构 尺寸越来越轻薄，其二是在梁桥、拱桥、索式桥等基本桥型之间组合，发展成为 一种组合体系。组合体系桥梁极大地丰富了桥梁造趔。其中矮塔斜拉桥就是介于 斜拉桥和连续梁( 刚构) 之间的一种组合体系桥型【3 】。由于其结构新颖，良好的经 济性，近十多年来发展较快、应用较多，受到广泛的关注。 普遍认为，由c h r i s t i a nm e n n 设计的建于1 9 8 0 年的甘特( g a n t e r ) 大桥( 如 图1 1 ) 是斜拉连续( 刚构) 体系桥的先驱，其混凝土箱形梁由预应力混凝土斜拉 板“悬挂”在非常矮的塔上，这种板可以看成是一种刚性的斜拉索，该桥的出现形 北京i ：业人学t 学硕卜学位论文 成了斜拉桥的一个分支板拉桥。甘特大桥之后，又有墨西哥的帕帕加约 ( p a p a g a y o ) 大桥、美国得克萨斯州的巴顿河( b a r t o nc r e e k ) 大桥及葡萄牙的 索科雷多斯( s o c o r r i d o s ) 大桥等相继建成【4 1 。这类桥梁的建成为其后的矮塔斜拉 桥的出现奠定了基础。 酷1 - i 甘特大桥 f i g1 - 1t h eg a n t c rb r i d g e 1 9 8 8 年法国工程师j a c g u e sm a t h i v a t 在设计位于法国西南的阿勒特达雷 ( a r r s td a n 6 ) 高架桥的比较方案时，首次明确提出了矮塔斜拉桥的方案。并将其 方案命名为“e x t r a - d o s e dp cb r i d g e ，直译为“超剂量预应力混凝土桥梁”。他的主 要设计构思为：跨度为l o o m 的预应力混凝土箱梁和较低的索塔固结，斜拉索不 是锚固在索塔上，而是穿过设置在索塔上的索鞍而锚固于主梁。从外形上来说该 方案与斜拉桥相似，但从受力特性方面来说，斜拉索则与预应力混凝土体外索很 相似。虽然这个方案没有实施，但影响却是深远的【5 1 。 对这种桥型的称呼尚未统一。除了上面的称呼外，日本工程界一直称其为 ( 工夕叉卜乡f 戈f 橘) ；在美国，这种桥有称为“e x t r a - d o s e dp cb r i d g e 的，也有称 为“e x t r a - d o s e dc a b l e s t a y e db r i d g e ；在我国台湾，最初将这种结构称为“外置预应 力桥”。国内的称呼一直存在争论，学者严国敏将其称为“部分斜拉桥”其含义是； 在结构性能上，斜拉索仅仅分担部分荷载，还有相当部分的荷载由梁的受弯、受 剪来承受，其受力特性介于斜拉桥和连续梁之间。王伯惠、顾安邦、徐君兰等学 者认为应该称为“矮塔斜拉桥”【6 】。 日本在1 9 9 4 年建成的小田园港桥【7 - 8 】应是世界上第一座矮塔斜拉桥，此后此 种桥型在日本得到了广泛应用。继小用园港桥之后，日本铁路新干线上的屋代南 桥、屋代北桥、冲原桥、木曾川桥、新唐柜大桥等相继建成，桥梁跨度从初期的 1 1 2 m ( 小田园港桥) 发展至2 7 5 m ( 木曾川桥) ，桥宽从1 3 m 发展到3 3 m 。使日 本成为建造矮塔斜拉桥最多的国家。此外，由于矮塔斜拉桥的突出特点与优越性， 此种桥型在多个国家得到了广泛推广与应用，如韩国的k e o n g - a nb r i d g e 和 2 第1 苹绪论 p y u n g y e 0 2g y ob r i d g e ，老挝的巴色桥9 1 。部分矮塔斜拉桥如图1 2 图1 - 5 所示。 图1 2 小田园港桥 f i g1 - 2o d a w a r ab l u e w a yb r i d g e 图1 - 3 木曾川桥 f i g1 - 3k i s ob r i d g e 图l _ 4 土狩大桥图1 - 5 森尼伯格桥 f i g1 - 4h u n t i n gl a n db r i d g e f i g1 - 5s u n n i b e r gb r i d g e 目前，矮塔斜拉桥在各国得到广泛应用，结构体系与最初相比也丰富了很多， 主梁不仅可以采用预应力混凝土结构，也可以采用钢结构( 如中国的芜湖长江大 桥) ，以及钢与混凝土的组合结构( 如波形钢腹板梁及结合梁) ；既可以采用刚性梁， 也可以采用柔性梁，如瑞士的森尼伯格桥【l o l 。各国部分矮塔斜拉桥建造情况如表 1 1 所示。 表1 - 1 国外矮塔斜拉桥 t a b l e1 - 1a b r o a de x t r a d o sc a b l e s t a y e db r i d g e 序 塔高拉索布置形通车 号 桥名 跨径布置( m ) 索塔 ( m )式 时间 1 日本小田吲港桥7 3 3 + 1 2 2 3 + 7 3 31 0 7双塔扇形双索面1 9 9 4 2 日本屋代南桥 6 4 2 + 1 0 5 0 + 1 0 5 o + 6 4 21 2 o 二塔扇形双索面 1 9 9 5 3 日本屋代北桥 5 4 3 + 9 0 o + 5 4 31 0 o 舣塔扇形双索面 1 9 9 5 4 日本冲原桥 6 5 4 + l8 0 o + 7 6 41 6 o 双塔 扇形双索面1 9 9 7 5 日本蟹泽桥 9 9 3 + l8 0 o + 9 9 32 2 1 双塔扇形舣索面 1 9 9 8 日本西新唐柜大 67 4 1 + 1 4 0 0 + 6 9 11 2 0双塔扇形双索面1 9 9 8 桥 北京工业大学t 学硕上学位论文 序塔高拉索布置形通车 号 桥名 跨径布置( m ) 索塔 ( m ) 式时问 日本东新唐柜大 76 6 1 + 1 2 0 o + 7 2 11 2 o 双塔扇形双索面 1 9 9 8 桥 瑞士森尼伯格大 5 9 o + 1 2 8 o + 1 4 0 o + 1 3 4 o + 8 四塔平行双索面 1 9 9 8 桥 6 5 菲律宾第二曼达 9 1 1 1 5 + 1 8 5 o + l i l v 51 9 9 9 麦克坦大桥 1 0 日本三谷川二桥 5 7 9 + 9 2 91 2 8 独塔扇形单索面 1 9 9 9 1 1 日本新川高架桥 5 1 4 + 5 8 49 9 独塔扇形单索面 1 9 9 9 t 2 日本士狩大桥 9 4 o + 3 1 4 0 0 + 9 4 01 0 0四塔 平行单索面 2 0 0 0 日本m a t a k i m a 1 31 0 9 3 + 8 9 32 6 4 独塔扇形双索面 2 0 0 0 桥 1 4 日本雪浞3 号桥 7 0 3 + 7 1 0 + 3 4 49 o 双塔扇形双索面 2 0 0 0 1 5 日本佐敷大桥 6 0 8 + i0 5 0 + 6 0 81 2 3双塔扇形双索面2 0 0 0 日本摺上大坝附 1 68 4 21 6 5独塔 扇形双索面 2 0 0 0 属一号桥 1 7 日本中池桥 6 0 6 + 6 0 61 1 8 独塔扇形双索面 2 0 0 0 7 0 0 + 9 1 2 0 o + 1 2 3 o + 1 4 3 + 1 8 老挝巴色桥 1 5 0 双塔扇形双索面 2 0 0 0 9 1 5 + 3 4 5 1 9日本长者桥2 9 2 2双塔扇形双索面2 0 0 l 2 0 日本都田川桥 1 3 3 o + 1 3 3 02 0 0 独塔扇形三索面 2 0 0 l 2 1 日本保津桥 7 6 o + l0 0 o + 7 6 o1 0 o 双塔扇形双索面 2 0 0 1 2 2日本木曾川桥1 6 0 o + 3 * 2 7 5 o + 1 6 0 03 0 0四塔扇形单索面2 0 0 1 2 3 日本揖斐川桥 1 5 4 伊卜4 2 7 1 5 + 1 5 7 03 0 。o 五塔扇形单索面 2 0 0 l 帕劳群岛 2 4k o r o r - b a b e l d a o b8 2 o + 2 4 7 o + 8 2 o2 7 0双塔扇形双索面2 0 0 2 新桥 2 5 日本深浦大桥 6 2 1 + 9 0 o 十6 6 + 4 5 o + 2 9 18 5 双塔扇形双索面 2 0 0 2 2 6日本指久保桥 l1 4 o + 1 1 4 0 2 2 o独塔扇形双索面2 0 0 2 3 8 5 + 4 5 o + 9 0 o + 1 3 0 o + 2 7 日本新川大桥 1 3 o 四塔扇形单索面 2 0 0 2 8 0 5 2 8 日本日见桥9 1 7 5 + 1 8 0 0 + 9 1 7 5独塔扇形二索面 2 9 日本粟东桥 1 4 0 o + 1 7 0 o + 1 5 5 o + 1 6 0 o3 1 o独塔 扇形舣索面 2 0 0 5 3 0 日本新民两桥 8 8 5 + 1 2 2 3 + 8 1 21 6 5 双塔扇形单索面 韩国k e o n g - a n 3 17 0 o + 1 3 0 o + 7 0 0 1 6 3 双塔扇形双索面 b r i d g e 韩国 3 2p y u n g - y e 0 2c , y o6 5 0 + 1 2 0 o + 6 5 0双塔扇形双索面 2 0 0 5 b r i d g e 4 第1 章绪论 序塔高 拉索布置形 通乍 号 桥名 跨径布置( m ) 索塔 ( m ) 式 时间 韩国g u m g a 3 38 5 4 + 5 1 2 5 0 + 8 5 3 8 9 五塔扇形双索面 g r a n d b r i d g e 美国n e w p e a r l 3 4h a r b o rm e m o r i a l7 5 9 + 1 5 7 o + 7 5 92 2 6 在建 b r i d g e 注：本表数据参考文献1 1 4 1 我国矮塔斜拉桥建造起步稍晚，但是发展速度较快。我国第一座真正意义上 的矮塔斜拉桥应是2 0 0 1 年建成的福建漳州战备槲1 1 1 2 1 ，它是一座公路与城市道 路上的3 跨连续预应力混凝土箱梁矮塔斜拉桥。此后，又有多座矮塔斜拉桥相继 建成，如厦门同安银湖大桥【1 3 l 、兰州小西湖黄河大桥、江苏常澄高速常州运河桥 等。随着国内这几座矮塔斜拉桥的修建，这种桥型己引起了桥梁工作者的重视， 这几座矮塔斜拉桥在建造过程中所进行的科研，积累的设计、施工与管理经验， 都为这种桥型在我国的进一步发展奠定了良好的基础。我国矮塔斜拉桥建造情况 如表1 2 所示。 表l - 2 国内矮塔斜拉桥 t a b l e1 - 2d o m e s t i ce x t r a d o sc a b l e s t a y e db r i d g e 序塔高拉索布置形通车 号 桥名跨径布置( 1 1 1 )索塔 ( m ) 式时间 1 芜湖长江大桥 1 8 0 o + 3 1 2 o + 1 8 0 03 3 2 双塔扇形双索面 2 0 0 0 福建漳州战备大 28 0 8 + l3 2 0 + 8 0 81 6 5 双塔扇形双索面 2 0 0 1 桥 福建同安银湖大 38 0 o + 8 0 o3 0 3 独塔竖琴单索面 2 0 0 3 桥 甘肃兰州小西湖 48 1 2 + 1 3 6 0 + 8 1 21 7 0 双塔扇形单索面 2 0 0 3 黄河大桥 江苏常澄高速常 57 0 2 + l2 0 0 + 7 0 23 1 o双塔 竖琴单索面 2 0 0 3 州运河桥 6 澳门澳凼三桥 l1 0 8 + 1 8 0 o + l l o 0双塔扇形双索面2 0 0 4 7 山两汾河桥 2 8 双塔单索面 2 0 0 4 8 荷麻溪特人桥 1 2 5 + 2 3 0 + 1 2 5 5 0双塔扇形单索面在建 北京市五环路垂i 94 5 o + 6 5 o + 9 5 0 + 4 0 05 2四塔扇形单索面在建 景山南站高架桥 安徽五河淮河大 1 02 0 0 8 桥( 改建) 庆淄路惠青黄河 1 11 3 3 o + 2 2 0 o + 1 3 3 o 独塔 2 0 0 6 公路人桥 5 北京工业大学t 学顾十学位论文 序 桥名 跨径布置( m ) 塔高 索塔 拉索布置形通车 号 ( m ) 式时间 1 2福建神州浦上桥7 2 0 + 2 11 0 o + 7 2 o2 7 o 二塔单索面 宿迁市开发区大 1 38 0 o + 1 4 0 o + 8 0 o 2 0 0 5 道京杭运河大桥 平项山市湛河一 1 4 8 8 0 + 7 2 o2 2 7单塔单索面2 0 0 5 桥 广。西柳州市三门 1 0 0 o + 1 6 0 o + 1 0 0 0 1 52 1 o 双塔双索面 2 0 0 6 江大桥 开封黄河公路2 1 63 6 0 七塔双索面 2 0 0 7 桥 广西 ! j p n 静兰桥 1 75 6 0 + 5 * 9 4 3 + 5 61 4 6 六塔单索面 2 0 0 8 ( 改建) 安康七里沟汉江 1 87 5 0 + 1 2 5 o + 7 5 o 双塔单索面 大桥 3 0 o + 6 0 o + 1 2 0 o + 6 0 o + 1 9北京峪道河大桥 双塔扇形双索面2 0 1 0 3 0 o 1 3 桥梁施工控制研究的发展现状及发展趋势 系统地实施桥梁施工控制的历史并不长，最早较系统地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 年代初，日本修建“日夜野”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。到8 0 年代后期，日本 在建设c h i c h b y 斜拉桥和y o k o h a m a 海湾斜拉桥时，成功地利用计算机联网传输 技术建立了一个用于斜拉索索力调整的自动监控系统，实现了施工过程中实测参 数与设计值的快速验证比较，对保证施工安全和精度，加快施工进度起了决定性 作用【1 4 - 15 1 。 国外在桥梁施工控制技术方面的研究和应用起步较早，众多发达国家已将施 工控制纳入常规施工管理工作中，控制方法己从最初的人工测量、分析与预报， 发展到自动监控、分析预报、调整的计算机自动控制，并己形成了较完善的桥梁 旌工控制系统。 与国外相比，我国在桥梁施工控制方面相对落后，方法技术不成熟。虽然国 内在2 0 世纪5 0 年代建设武汉长江大桥时就已注意到施工中结构内力和变形的调 控，但在现代桥梁施工控制技术方面的研究相对较晚。进入8 0 年代后，施工控 制中引入了计算机辅助控制，其得到了较快发展。在1 9 8 2 年建设主跨2 0 0 m 的 上海柳港大桥时，首次根据现代工程控制的基本思想，有效地进行了主梁挠度和 6 第1 苹绪论 索塔水平位移的施工控制。到了8 0 年代后期，斜拉桥施工监控技术己经有了全 面的研究，逐渐形成了系统。该系统主要依靠现场微机用理想的施工倒退分析程 序和考虑徐变、收缩影响的控制分析程序提供每一旌工阶段的理想状态控制参数 值，在现场将理想状态控制参数值与实测值进行比较，确保在施工过程中桥梁结 构的内力和变形始终处于容许的安全范围内，确保成桥后的线形与内力符合设计 与规范要求。 由于影响桥梁施工的因素太多、太复杂，同时新型桥梁不断涌现，桥梁跨径 不断增大等也对桥梁施工控制提出了更高的要求，所以国外对桥梁施工控制技术 的研究还在继续。 比较起来，我国在桥梁施工控制领域还有差距，主要表现在桥梁施工控制 监测手段落后，理论与实践研究还不够，对影响施工控制的因素研究还不透彻、 预测和判断精度不够高，未建立起一套完善的施工控制技术系统和组织管理系 统。因此，对施工控制理论进行深入研究，研制更加合理和科学的控制软件，提 高监测精度和自动化程度，建立和完善一套施工控制系统将是今后的主要任务。 尤其是对大型桥梁工程，其结构复杂，规模巨大，还应建立桥梁专家系统，形成 智能控制系统，提高工程控制的科学性、可靠性和可操作性，这是桥梁施工控制 的发展方向 1 4 本文的主要研究内容 由于大跨度矮塔斜拉桥施工控制涉及内容很多，本文只选择其中的几个主要 问题进行研究与讨论： ( 1 ) 讨论了施工控制的基本理论与实用方法； ( 2 ) 建立了峪道河大桥施工控制的有限元模型，并结合现场实测数据进行 了参数误差识别，对大桥的模型进行了修正； ( 3 ) 介绍了平行钢绞线斜拉索的施工工艺，通过对平行钢绞线斜拉索挂索 及张拉过程的研究，建立了钢绞线张拉过程的力学模型，并推导了钢绞线的张拉 力计算公式，在此基础上提出了大桥施工和运营过程中的索力测量方法； ( 4 ) 为保证成桥后桥梁的线形满足设计及规范要求，比较了矮塔斜拉桥施 工过程中的几种线形，并对施工过程中影响主梁线形的几个因素进行了分析，给 出了主梁立模标高的确定方法； ( 5 ) 结合峪道河大桥结构和施工特点，经施工控制计算分析确定了大桥施 工过程中应力测点布置方案，并对影响应力监测的各种因素进行了分析。 1 5 本课题来源及工程背景 本课题以峪道河大桥为工程背景，对大跨度矮塔斜拉桥施工控制的几个问题 7 北京工业大学工学硕士学位论文 进行有意义的探讨。 峪道河大桥位于国道1 1 1 改建工程k 6 + 3 4 7 米处，桥全长6 0 6 8 米，主桥为 3 0 + 6 0 + 1 2 0 + 6 0 + 3 0 米预应力混凝土矮塔斜拉桥，桥宽1 2 5 米，横向布置为1 5 米 ( 防撞墩) + 9 5 米( 行车道) + 1 5 米( 防撞墩) = 12 5 米。桥梁设计荷载：公路i 级。 主跨两侧采用墩、塔、梁固结体系，主梁全部采用预应力混凝土1 - r 型梁， c 5 0 混凝土浇筑，梁高为1 8 米；主梁在7 墩、1 0 墩和主跨中处设3 处合龙段。 以主塔为中心的两侧主梁采用悬臂浇筑方式形成，两侧3 0 米辅助跨采用满堂红 支架方法浇筑。斜拉索采用双索面扇形布置，采用防腐性能优越的o v m 2 5 0 a t - 6 1 环氧涂层钢绞线斜拉索体系。峪道河大桥的整体布置如图1 6 所示，大桥主塔侧面 图如图1 7 所示。 i _ r 。 l _ 咖q 彰么怒惑彰荔剖陵惑印摒口，= ，：+ _ 7 ：_ ：，：， i 卫 坠一一 、丘丑面通 r 1 j 图l - 6 峪道河大桥整体布置图 f i g1 - 6g e n e r a ll a y o u to f m ey ud a oh eb r i d g e 图l _ 7 峪道河大桥主塔侧面布置图 f i g1 - 7t h ep r o f i l eo f m a i nt o w e ro f n l ey ud a oh e b r i d g e 8 第2 章矮塔斜拉桥施工控制理论 第2 章矮塔斜拉桥施工控制理论 2 1 桥梁施工控制方法 控制理论作为一门技术科学，经历了其产生和发展过程。控制理论的发展大 体可分为三代【1 6 】：第一代控制理论称为古典控制理论，主要指2 0 世纪6 0 年代以 前逐步发展起来的控制理论。其特点是控制的对象比较简单，控制的参数比较单 一，要求达到的性能指标也不高。它以具有单输入、单输出的单变量系统为主要 研究对象，此类对象多数是线性系统。这类系统的数学模型主要采用传递函数， 系统动态性能主要决定于传递函数所对应的零点与极点的分布情况。系统分析与 综合主要采用频率法，属频域分析的范畴。第二代控制理论称为现代控制理论， 它是2 0 世纪6 0 年代后迅速发展的控制理论。它以多输入、多输出的多变量系统 为主要研究对象。这类系统可能是线性的、非线性的、定常的、时变的。系统的 数学模型主要采用方程，系统的动态性能主要决定于状态方程的解，系统的分析 与综合主要采用状态空间分析法，属时域分析的范畴。第三代控制理论为大系统 理论。主要指2 0 世纪7 0 年代以后发展起来的控制理论，通过电子计算调节工作， 采用多级递阶控制以实现多指标的综合最优化。 现代控制理论是在古典控制理论的基础上发展起来的，而它本身也是不断 向纵深发展，并形成了很多独立的分支。但就最基本的理论和方法而言，大体可 分为如下几种：( 1 ) 线性系统理论；( 2 ) 系统辨识理论；( 3 ) 最优控制；( 4 ) 最 优估计；( 5 ) 自适应控制；( 6 ) 模糊控制；( 7 ) 专家系统控制等。 桥梁施工本身就是一个系统的工程，不论桥梁本身的构造复杂程度、规模 大小、技术难度如何，其施工都具有系统性。桥梁施工的过程就是该系统运行的 过程，施工过程中结构的安全和成桥后的状态是上述系统运行所要达到的目标。 施工过程是个漫长而复杂的过程，期间结构要受到各种因素的干扰和经历结构体 系的转换，要使桥梁成桥内力和线形达到设计与规范的要求，仅通过事后检查是 无法实现的，必须对施工全过程进行有效控制，也就是对桥梁施工这个系统的运 行轨迹进行有效控制，只有这样才能确保控制目标的实现。桥梁施工控制就是以 现代控制理论为基础，为满足现代桥梁建设而逐步发展起来的l 2 j 。 斜拉桥施工控制系统的发展经历了从简单到复杂的过程。从控制思路上一 般可分为三种形式：开环控制，反馈控制和自适应控制【1 7 d 圳。 对于简单桥型的施工，一般只要按照设计估计的预拱度施工，施工完成后 结构的内力与线形基本上就能达到设计要求。这就是一个开环控制过程，因为施 工过程中的控制是单向的，并不需要根据结构的实际反应来改变施工中的预拱 9 北京t 业人学工学硕卜学位论史 度。在对结构的力学特性完全掌握的情况下，且各构件的制造和安装精度很高， 或者构件安装误差影响不大时，这种方法是方便可行的，大部分中小型桥梁的施 工控制都采用这种方法。顺推法和无应力状态法都属于开环控制法，它们都没有 控制误差和修正误差的功能。 反馈控制法是当斜拉桥在施工过程中出现施工状态偏离理想设计状态的情 况时，对施工状态和理想状态之间的误差进行及时调整、纠正，纠正的措施和调 整量的大小由误差反馈计算决定。斜拉桥的主要调控措施是调整斜拉索的初张力 2 0 1 和新增梁段的预拱度。所以反馈控制法是一种闭环控制方法，灰色控制方法就 属于反馈控制法，该方法并不分析误差产生的具体原因，而是将各种误差综合在 一起考虑。 自适应控制法是在闭环反馈控制法的基础上，再加上一个系统参数识别的过 程。当测量得到的实际状态与模型计算结果不符合时，把误差输入到参数识别算 法中进行误差识别，根据识别结果去调整计算模型的参数，使模型的输出结果与 实际测量结果相一致，再用修正后的计算模型重新计算各施工阶段的理想状态， 按上面所述的反馈控制方法对结构进行控制。这样经过几个施工阶段的磨合后， 计算模型将自动适应结构的物理力学规律【2 l 】，在此基础上可以对施工状态进行更 好的控制。自适应控制法的重点在于对影响结构内力和变形的主要参数的识别 上。根据以往的经验，一般只要及时对产生偏差的主要参数进行修正，则实测值 与理论值就会拟合的很理想。该方法目前被认为是最好的斜拉桥施工控制方法。 欹未厂鳓博法。= ， 啼叫有氍元计摊楼外一 误箍分析 施互 壤恕参鼗词节 ： r l k - - ” 搬态 叫控饶 调签 r 1紧黪i 西俐严一 l 。 jk 。 实稠螭裂 陵锯量辘入 l 协硅番彩锄协镗i 。 同 i 绡煨1 i 输出i j l _ _ - _ _ _ - _ - - _ _ l 图2 - 1 自适应控制框图 f i g2 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo fa d a p t i v ec o n t r o l 以上三种控制方法以自适应控制法效果最好，精度最高，特别适用于大跨度 斜拉桥。由于绝大多数斜拉桥均采用悬臂施工方法，主梁在塔根部的相对线刚度 较大，变形较小。因此，在施工控制初