（工程力学专业论文）预应力混凝土系杆拱桥施工阶段稳定性分析.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 桥梁工程施工力学是近年来发展起来的与工程实践密切相关的新兴力学学科。本文 通过对桥梁工程施工力学和一般力学在几何组成、强度、剐度和稳定性等方面的比较分 析，较为系统地阐述了施工过程中暂态结构与成桥状态结构的同异性，进而强调了施工 力学在桥梁施工组织设计和施工过程控制中的重要性。 结合旌工力学的思想，本文对系杆拱桥在施工阶段张拉吊杆过程中的稳定性问题进 行了重点研究。 借鉴于成桥结构理论，研究了影响施工阶段暂态拱肋稳定性的各种因素；建议了施 工状态下平面内和平面外的稳定性计算公式，详细分析了吊杆非保向力、主拱舫侧倾角、 临时横撑、支架的支承条件、施工荷载、系梁预应力等因素对施工阶段暂态拱肋稳定性 的影响等问题。 结合国内外相关的研究方法，对某预应力混凝土系杆拱桥施工阶段的稳定性能进行 了理论研究和有限元程序分析，着重分析了影响系杆拱桥( 主要是简支下承式系杆拱桥) 施工阶段稳定性的各种参数，如吊杆的非保向力和支架的支承条件、临时横撑( 风撑) 、 侧倾角、施工荷载、系梁预应力等，得出了一些对桥梁工程，特别是系杆拱桥的施工与 设计颇为有益的结论。并对应进一步研究的相关性课题提出了建议和意见。希望通过本 文的研究工作。能为系杆拱桥施工阶段稳定性，乃至施工力学学科的研究积累一定的理 论基础和实践经验。 关键词：施工力学；拱桥稳定性；吊杆；接触分析；暂态结构 m 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o nm e c h a n i c so ft h eb r i d g ee n g i n e e r i n gi san e ws u r p l u sm e c h a n i c a l s u b j e c tt h a ti sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r sa n dc l o s e l yr e l a t e dt ot h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e s t h e p a p e rc o m p a r e dt h ec o n s t r u c t i o nm e c h a n i c sa n dt h eg e n e r a lm e c h a n i c so ft h eb r i d g e e n g i n e e r i n gh at h ew a yo ft h eg e o m e t r yc o m p o s i t i o n ，t h ei n t e n s i t y , t h er i g i d i t ya n dt h e s t a b i l i t y t h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so ft h ew o r k i n ga n dc o n s t r u c t i o nt r a n s i e n ts t r u c t u r e a l es y s t e m a t i c a l l ye x p a n d e di na l ld i r e c t i o n s t h es i g n i f i c a n c eo ft h ec o n s t r u c t i o nm e c h a u i e s w a ss t r e s s e di nt h eo r g a n i z a t i o nd e s i g no f t h ec o n s t r u c t i o no f t h eb r i d g ee n g i n e e r i n ga n dt h e c o n t r o lo f t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ei d e ao f t h ec o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s ，t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c h e dt h e s t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so f t h et i e d - a r c hb r i d g ei nt h ec o u r s eo f t h es t r e t c h i n gs u s p e n d e ru n d e r t h ec o n s t r u c t i o ns t a g e a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e ro ft h ei m p a c t i n gs t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb u i l t b r i d g ee n g i n e e r i n g ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f t h es t a b i l i t yo f t h et r a n s i e n t a r c hr i bi nt h ec o u r s eo f c o n s t r u c t i o na n da d v i s e dt h ec o m p u t a t i o nf o r m u l a t i o no f t h ep o r t r a i t a n dt r a n s v e r s ed i r e c t i o nu n d e rt h ec o n s t r u c t i o ns t a g e i nt h et h e o r y , t h ep a p e ra n a l y z e dt h a t t h ef o r c e so ft h es u s p e n d e rt h a tc o u l d n tp r o t e c tt h ed i r e c t o r , t h es i d e - t i p p i n gc o r n e ro ft h e m a i na r c hr i b s ，t h et e m p o r a r yw a l e ，t h ec o u r s eo ft h eb a t c hs t r e t c h i n gs u s p e n d e r ，t h eb e a r i n g c o n d i t i o n so ft h eb r a c k e t ，t h ec o n s t r u c t i o nl o a d s ，t h ep r e s t r e s so fc o l l a rb e a ma n ds oo n i m p a c t e do nt h es t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i co f t h et r a n s i e n ta r c hr i bi nt h e c o u r $ eo f c o n s t r u c t i o n b a s e do ns u m m a r i z i n gt h ec o r r e l a t i v er e s e a r c h e sh o m ea n da b r o a d , t h ep a p e rc a r r i e d o u tt h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o na n dt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n a l y z eo nt h es t a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c so fap r e s t r e s s e dc o n c r e t et i e d - a r c hb r i d g ee n g i n e e r i n gu n d e rt h ec o n s t r u c t i o n a n dt h ep a p e rp u te m p h a s i su p o ni n v e s t i g a t i n gt h ev a r i o u si n f l u e n c ep a r a m e t e r so nt h e s t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so ff l e d - a r c hb r i d g e sf e s p e c i a l l ys i m p l ys u p p o r t e do n e s ) ，s u c h 船t h e f o r c e so ft h es u s p e n d e rt h a tc a n n o tp r o t e c tt h ed i r e c t o ra n dt h eb e a r i n gc o n d i t i o n s ，t h e t e m p o r m 3 tb r a c e ( t h ew i n db r a c i n g ) ，t h ec o u r s eo ft h es t r e t c h i n gs u s p e n d e r , t h es i d e t i p p i n g c o r n e r t h ep r e s t r e s so f c o l l a rb e a ma n ds oo ni m p a c to nt h ec o n s t r u c t i o ns t a g e s a c c o r d i n gt o t h e a n a l y s i so ft h ee x a m p l e t h ep a p e rc 锄e t os o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n so nt h e c o n s t r u c t i o na n dd e s i g no ft h ee n g i n e e r i n ga n do f f e r e ds o m ep r o p o s a l sa b o u tt h ef u r t h e r s t u d i e so nt h ec o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s ，t h ep a p e rh o p e st h a tt h ec o n c l u s i o n sd r e wi nt h ep a p e r c a l la c c u m u l a t es o m et h e o r e t i c a lb a s s e sa n d p r a c t i c a le x p e r i e n c e s f o r t h e s t a b i l i t y i v 郑卅l 大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c so f f i e d a r c hb r i d g e su n d e rt h ec o n s t r u c t i o ns t a g e sa n dt h ef u r t h e r s t u d i e so f t h e c o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s ；a r c hb r i d g es t a b i l i t y ；s u s p e n d e r ； c o n t a c ta n a l y s i s ；t r a n s i e n ts t r u c t u r e v 郑州大学硕士学位论文 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等违 反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法 律后果，特此郑重声明。 学位论文储c ：孪8 芝镧 2 0 0 5 年4 月2 0 日 h 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 土木工程施工力学研究的提出与应用 随着国民经济建设的蓬勃发展，各类工程建设规模日益扩大，重大工程项目，包括高 耸建筑、大跨度建筑、地下建筑、深大基础、高坝、海洋工程等日益增多，它们的共同 特点是施工规模大、范围广、周期长、过程复杂。在土木工程建设规模迅速发展的同时， 建筑施工中事故不断增多，严重影响人民生命财产安全及工程建设速度。据不完全统计， 全国建筑工程发生倒塌事故而死亡三人以上的，1 9 9 1 年仅1 3 起，而1 9 9 2 年达3 1 起，1 9 9 3 年4 7 起，1 9 9 4 年近6 0 起，在1 9 9 5 年上半年，仅上海地区就发生事故2 5 起，死亡3 0 人。 据全国近十年3 5 7 起倒塌事故统计，有7 8 是在施工中发生的，而追究其原因，其中由于 设计中未考虑施工过程中诸多因素或对施工过程中复杂与突发情况未进行应有受力分 析，占到相当比例。 工程与科学技术的发展，在2 0 世纪已基本解决了工程结构物本身分析的有关方法与 技术，并相对成熟。众所周知，这种分析多是以设计( 使用) 荷载下的，具有标准材料 强度的，设计图纸上的完整( 竣工后) 结构为研究对象的。随着工程规模的日益扩大以 及旌工过程的日趋复杂，对( 不断变化的) 施工荷载作用下，( 几何形状和物理特性均不 断变化的) 不完整结构的力学分析已愈来愈为人们所重视，并逐渐形成为与工程建设密 切相关的新的工程力学学科分支施工力学。 施工力学是力学学科与土木工程等工程学科结合的产物，涉及到工程力学及结构工程 等诸多学科，属于基础科学与工程科学的交叉学科。施工力学研究在理论上是前沿性的， 在应用上是与国民经济密切相关的，是工程技术发展亟待解决的一个重要研究方向，虽 然其理论研究和工程应用均尚在起步阶段，但可以预期，其必将会对我国的工程建设与 发展产生广泛、深远的影响。 1 1 2 施工力学在桥梁工程中的重大作用 常规意义的桥梁结构分析，包括桥梁结构静力学、桥梁结构动力学、桥梁土力学和 桥梁水力学等，均是以完整的桥梁结构为研究对象的。只有准确，熟练地掌握这些知识， 才能更灵活、无误地解决桥梁建设中遇到的力学问题【l 】。 桥梁结构，特别是较大规模的桥梁结构，具有施工工期长，施工过程复杂的特点。 在施工过程中，新装配或浇注的结构支撑在下部结构上，结构攘体的抗力尚未形成，材 料的刚度和强度处于不断的变化中，并负载着大量的临时设施和负荷，这样一种由未完 成部分及支撑系统组成的暂态结构，可能是危险的。如何使结构分析的结果更能真实地 郑州大学硕士学位论文 反映桥梁结构的实际力学性态，以保证设计的安全和经济，是近几年剐发展起来的- - i 新兴学科时变力学所要解决的问题之一。时变力学以几何、物理、边界特性及结构 环境随时间变化的时变结构体系为研究对象，研究随时间变化的结构体系的力学现象与 规律。施工力学正是时变力学在工程施工过程中的一种力学表现，在桥梁工程中，我们 不妨称之为桥梁工程施工力学 2 1 。 可见，基于相同的基本力学原理的旌工力学与经典力学，其主要的不同之处在于分 析对象的几何、边界及物理条件是随时间的改变而变化的，相应的结构刚度、质量、阻 尼以及荷载均是时间的函数。本文从结构的几何构造、强度、刚度和稳定性等方面对施 工力学和一般力学进行了较为系统的比较分析，其对正确理解施工力学的含义，合理进 行施工方案设计以及提高结构建造全过程的可靠性，均具有一定的参考意义。 1 1 3 拱桥施工阶段稳定性研究的重要意义 稳定性分析是工程力学的一个重要分支，也是施工力学主要的研究内容之一。因失 稳而造成的工程事故，在现代工程史上不乏其例。1 9 9 0 年，大连某工程会议室的屋盖因 超载和受压腹杆的侧向支撑无效而屈曲，造成瞬间的屋顶塌落，与会人员伤亡惨重；1 9 0 7 年，加拿大魁北克一座大桥在施工中突然坍塌，9 0 0 0 吨钢结构全部坠入河中，桥上施工 人员有7 5 人遇难。稳定破坏一般没有明显的征兆，带有很大的突然性，因此，在结构设 计和工程施工中均应该把稳定性问题作为一个主要的课题。 拱桥是一种重要的桥梁结构形式，我国是拱桥的国度，始建于公元6 0 6 年的、彪炳 史册的河北赵州桥就充分地显示了中华民族的聪明才智。在国外，拱桥的应用也很广泛。 在地质和地形有利的条件下，拱桥常因经济、美观和刚度较大的优点而中选。拱桥作为 压弯结构，其极限承载能力必然涉及到稳定问题。拱的稳定问题从失稳空间形态上可分 为面内失稳和面外失稳，从失稳性质上可分为第一类稳定和第二类稳定问题。 大跨度拱桥在施工过程中的稳定性问题尤为突出，一则由于结构，特别是大跨度拱 尚未竣工，桥跨结构体系不断转换，整体承载能力尚未达到设计水平，未完成拱还承受 着各种复杂的临时负荷；二则在较为长期的施工过程中，突加灾害性荷载，如自然灾害 ( 风暴、海浪、雨雪、地震等) 、突发事件( 撞击、塌落、断裂等) 与环境灾害( 开挖、 打桩、沉降等) 等因素发生的概率增大 3 1 。因此，施工过程中结构行为必须采用施工力 学的方法加以分析，以确保结构和施工的安全性和可靠性。 1 2 土木工程施工力学的研究现状 1 2 1 结构工程施工力学研究现状 1 王光远院士在文献 4 中介绍了时变结构力学问题，并提出了施工力学的概念。他 建议将时变结构力学分为三大领域： 郑州大学硕士学位论文 1 ) 快速时变结构力学，主要研究由于结构本身的急剧变化而引起的剧烈振动的力学 分析和控制； 2 ) 慢速时变结构力学，主要研究施工力学等问题，将结构的若干最不利工作状态冻 结，在每个状态中按时不变结构分析； 3 ) 超慢速时变结构力学，主要研究结构整个服役期间的变化及其安全度问题，即研 究结构的时变动力可靠度及时变服役可靠度的计算及评估的方法，以及结构维修方案的 优化。 王光远院士详细阐述了施工力学，即所谓的慢速时变结构力学的一般性分析方法。 当结构随时间缓慢变化时，可以采用离散性的时间冻结的近似处理，把它当作一序列时 不变结构进行静力或动力分析。也就是要研究它工作过程中最不利的若干状态，在每个 状态中不考虑结构的变化来分析该状态中结构的强度、刚度和稳定性。王院士同时指出， 时间冻结法有三类最重要的决策问题： 1 ) 根据历史经验、现场调查、结构特点和建造过程，决定需要进行力学分析的最不 利的工作状态； 2 ) 决定各个最不利工作状态的荷载组合。结构施工期间遇到特大自然灾害的概率很 小，可以不考虑地震作用，只考虑常遇风压，适当考虑洪水的影响；考虑临时性施工荷 载以及施工中可能发生的撞击荷载等。 3 ) 决定在结构强度、刚度和稳定性校核中的安全系数。根据可变结构的工作环境， 工作状态的维持时间，超常荷载发生的可能性，结构的重要性等综合决定之。 2 曹志远教授在文献 5 中对施工力学及其时变力学的基本课题和特征以及研究基 础与方法作了较为系统地阐述，并结合工程实践说明了本方向研究的重要性与发展前景。 文中作者把土木工程施工力学的基本课题归纳为： 1 ) 在施工载荷作用下，时变结构内力重分配与时空最大值确定； 2 ) 施工中不完整结构受环境、突发、灾害性载荷的安全度分析； 3 ) 材料刚性、强度特性随时间变异的结构分析及其对结构设计影响； 4 ) 施工过程中不同时段非稳定粘性应力场时效叠加效应； 5 ) 大体积混凝土结构浇筑过程中。不定常温度场与热应力场传播与体积变异耦合效 应； 6 ) 结构与工程介质非线性特性引起施工路径效应； 7 ) 地下与地基工程开挖过程中，地应力扰动与地面沉降规律研究； 8 ) 施工过程对已建构筑物影响、危害及防治的机理与定量研究； 9 ) 施工流程与方式的优化： 1 0 ) 旧构筑物拆迁过程的受力分析与施工原则。 同时作者又指出施工力学和竣工结构次性力学分析的差异可分为以下三种情况： 郑州大学硕士学位论文 一是“时效”。若材料具有粘性或结构具有非定常热传导或需要考虑结构质量的惯性， 则这些含有时间因素的问题将和几何、物性、边界的时变发生耦联，产生施工力学的“时 效”性，则同一结构，不同施工过程，其最终力学状态不问，施工力学的分析结果和结 构一次性分析结果也不同； 二是“路效”。若材料具有非线性或考虑几何非线性，边界非线性( 接触) ，则这些问 题含有的路径因素将和几何、物性、边界时变发生耦联，产生施工力学的“路效”性， 则同一结构，不同施工过程，其最终力学状态不同，施工力学分析结果和结构一次性分 析结果也不同； 第三种情况，即不考虑以上诸因素，只是计入几何或物性或边界时变，而材料是线 弹性的，则不存在“时效”和“路效”性，施工力学的分析过程只要不断改变参数，进 行多次常规分析( 各次间不再耦联) ，其简单组合形成施工过程力学状态时空分布，来作 为设计参考。则同一结构，不同施工过程，其最终力学状态是一样的。施工力学分析仅 仅增加了施工过程不同阶段的分析计算。 在该文中，曹志远教授得出了以下几个重要结论： 1 ) 工程旋工过程受力分析即旅工力学分析是重大工程设计计算的个重要组成部 分。土木工程设计计算，应该包括设计图纸上整体结构分析和施工过程分析两大部分， 才能保障工程的安全与可靠； 2 ) 施工力学分析过程中，最大值或最终状态与现有常规的整体结构一次性分析( 非 施工力学法) 结果有较大差别，有的可达1 3 倍，应引起工程界足够关注； 3 ) 若旅工材料具有明显粘性、非线性特性或施工中具有热效应，则需要采用专门的 施工力学方法加以分析；若施工中只有几何域或材料特性变化( 而无上述几种特性) ，则 只要按施工中不同阶段参数作多次常规分析组合即可； 4 ) 若施工材料具有明显粘性、非线性特性或施工中具有热效应，则竣工结构( 工程) 的力学状态和施工流程有关，因此可以用施工力学方法，进行施工流程优化，以便在建 成同样工程要求下，达到最佳设计效果( 如最少结构内力、最低地基沉降、最小环境影响 等) ； 5 ) 土木工程施工分析的共同力学基础是时交力学，其中包括线弹性、粘弹性、非线 性、热弹性及物性时变力学。为解决土木工程施工力学分析，应重点研究时变力学数值 方法及其通用程序，以提供施工分析计算实用手段； 6 ) 土木工程施工力学分析应按不同工程类型特点分别加以研究，如结构工程、地基 工程、地下工程、大坝工程、桥梁工程、海洋工程等。不同工程部门应采取措施，集中 一定人力、物力进行研究，以建立一套本部门施工设计计算方法、程序与规范。系统的 施工力学研究，将会在工程界产生广泛与长远的影响。 曹志远教授的这篇文章对土木工程施工力学的研究指明了方向。 - 4 郑州大学硕士学位论文 3 姚金星在文献 6 中提到施工过程的监控对于新结构的质量、安全和使用寿命起着 关键性的作用。例如，混凝土凝固时阃与其强度的关系及拆模时阃的合理选择对房屋质 量的影响问题；迭合构件两次浇捣前后应力变化与承载能力随时间变化的规律以及房屋 修建过程中结构的物理时变与几何时变的问题。文章同时指出实验方法是研究时变力学 的最好方法。对研究对象进行实验模拟，观察对象、参数的时间相关性，总结出相应的 理论或经验公式；或者是进行时变过程的计算机模拟，采用逐次积分、分区耦合、重分 析等方法寻求相应的数值解。 4 范志良在文献 7 中把现代工程结构施工中一系歹问题需要用计算结构力学方法 求鳃的这一类问题统称为结构施工力学阕题。作者认为工程结构建造过程中所处的状态 往往比其建造之后的正常使用状态危险，并指出设计部门在房屋建筑的结构设计中，通 常不考虑施工方法和施工过程产生的最危险情况。而建筑部门在按照图纸施工时，则较 多地按照工地现有的条件安排施工，一般少有计算，或仅仅进彳亍经验性复核。对设计者 而言，旌工时越保险越好，而对施工人员来讲，施工进度加快可以赢得更高的利润。这 种对施工力学分析的忽视，往往是事故发生的重要因素之一。 5 李瑞礼，曹志远在文献 8 中指出通常高层结构设计是以建造好结构在使用荷载下 的计算模型为依据，这是同结构在实际施工过程产生的力学状态有差异的。作者采用超 级有限元一有限元耦合法对某高层结构进行施工模拟分析，按照施工顺序及施工时的实际 情况进行力学分析，对保证结构建造全过程的可靠性和安全性，指导选用合理的施工方 案，具有一定的理论意义和现实意义。作者在文中也提到拆房作为建房的逆过程，也是 施工力学的一部分。通过一工程实例分析，作者得出了一些有意义的结论： 1 ) 用超级有限元一有限元耦合法来模拟高层结构的施工过程是非常有效的和切实可 行的。同时由于在超级有限元中采用等参元位移模式，使本方法可以应用于任意外形的 建筑结构，并可推广到剪力墙、框一筒等复杂结构中。 2 ) 考虑施工过程的方法和常规方法所计算的内力分布是不同的。且这种差异随着结 构高度的增加而加剧。这可能因为随着施工过程向前推进，结构中内力不断进行重分配， 相互之间约束作用减弱两产生。与常规方法结构分析比较，相对刚度较小框架构件，其 内力值普遍地偏小，而相对刚度较大的构件，则内力值偏大，甚至在某些位置上的内力 改变了方向。因此，对于高层建筑结构，采用常规的结构分析，结构中部分构件的结果 可能是偏于不安全的。因此，对于高层结构中的施工因素应给予足够的重视和适当的考 虑。 3 ) 混凝土刚度与强度随浇筑龄期的增长而变化，在施工过程中形成了由不同刚度、 强度，并不断变化的构件组合的结构体系，其内力将随着时间的推移不断发生内力重分 配，直至稳定。 作者在文中采用了较严格的数值方法来模拟施工过程对高层建筑结构分析的影响程 郑州大学硕士学位论文 度，这对施工力学的研究是一次积极的尝试。在文献 9 中李瑞礼，曹志远又得出结论用 超级有限元一有限元耦合法对钢筋混凝土结构进行施工过程模拟也是有效和可行的。 6 在文献 1 0 中王文达，韩林海根据钢管混凝土结构的施工特点，探讨了施工力学 在钢管混凝土结构中的应用，并且通过文中的简单算例指出，若材料在施工过程中只具 有几何或材料特性变化，则只需按旋工中不同阶段参数作多次常规分析的组合即可；若 施工材料具有明显粘性、非线性特性或旌工中具有热效应等其他效应。则还需要采用专 门的施工力学方法加以分析，并且施工期间结构的受力状态和施工工艺流程有关，因此 应依据施工力学分析结果进行施工流程优化，以便在满足同等要求的前提下，使得结构 在施工期处于最小内力状态。 7 邓志恒等在文献 i 1 中：建立了在不同施工方案下预应力框架考虑施工过程的分 析模型，对各种旖工方案下预应力框架进行算例分析并进行比较，分析结果表明，预应 力框架结构在不同的施工方案下考虑施工过程分析，其结果出现定的差别，施工时应 根据实际情况选择施工方案。该文明确指出需要根据旌工力学的知识进行旖工方案的选 择。 8 卓新，董石麟在文献 1 2 中提出的施工阶段内力与变位叠加法，对传统有限元法 作了改进，使计算结果符合空间结构施工的实际工况，同时该计算方法还能全过程跟踪 分析结构在施工各阶段以及施工完毕时的内力、节点变位和支座反力。并且以一座采用 移动支架法施工的柱面网壳为例，通过数据比较说明了常规设计方法误差存在的程度和 原因，指出了空间结构设计考虑施工方法及其过程的重要性。 9 用整体吊装法进行钢结构大型屋盖安装时，如果吊装工艺选得不合理，有些杆件中 的应力会超过设计极限。徐志洪，李寿奖在文献 1 3 中通过空间杆系有限元计算分析， 讨论了某大跨度钢结构拱架吊装过程中着吊点对拱架中杆件内力分布的影响，从力学的 角度提出吊装施工工艺的合理建议。这体现了施工力学在钢结构施工过程中的重要作用。 1 0 苏静丽，晏兴威，高兑现在文献 1 4 中根据框一剪结构建造的实际情况，采用逐步 加载模型分析结构在重力荷载作用下受力变形特征，克服了常规一次性加载所产生的结 构局部受力被过分高估的不足。其结果对施工方案的制定和合理结构杆件的设计具有实 际意义。本文体现了施工力学在框一剪结构建造过程中的实际应用及重要作用。 1 i 高振锋在文献 1 5 1 6 中针对土木工程施工时间长、工艺复杂、施工过程工序对 结构内力存在一定的影响这一情况，首次提出根据施工不同阶段定义结构形态。并从力 学的角度分析施工过程存在残余应力和残余变形的必然性，指出了施工工序的不同时期 残余应力和变形的差异，明确了施工力学研究内容及方法，进一步提出对特殊结构进行 施工控制的必要性，并根据大量土木工程实践，提出了解决问题的方法和途径。在这两 篇文章中作者重点介绍了施工力学的一个重要方面：施工控制。 1 2 2 桥梁工程施工力学研究现状 郑州大学硕士学位论文 通过检索文献发现专门进行桥梁工程施工力学研究，或者明确提出桥梁施工力学的 文章不多。但也有一些文章涉足了这方面的研究工作。 1 马智永，黄新河，刘海龙在文献 1 7 中对旆工力学相对于一般工程力学的差异性进 行了探讨分析；对公路桥涵施工技术规范条文中力学原理的具体体现进行了举例分 析。说明了力学原理在桥梁施工中的重要性。 2 陈渊召，程国政在文献 1 8 中指出在桥梁工程逐孔施工过程中，体系将发生由简支 梁状态到连续梁状态，由悬臂梁到连续梁，由少跨连续梁逐孔延伸到所要求的体系三种 转换，同时结构计算图式和内力也将发生变化。施工阶段的内力计算不仅需要考虑逐段 施工粱的自重，预加应力，模板支架的支点压力，以及混凝土的收缩、徐变；同时还应 考虑施工程序，施工中的支座位移、支座偏差和预拱度等的影响。作者强调指出桥梁施 工阶段的力学状态和施工程序是密切相关的。 3 澳门某学校建筑的大跨度行人天桥在混凝土施工过程中出现的不正常挠度，导致天 桥底模板支撑发生失稳压弯破坏严重事故。王世平，王全风“”的研究结果表明：事件的 发生并非直接由外来荷载的扰动所至，而是由于不同浇灌龄期混凝土强度、刚度的发展， 引致桥体发生内力重分布所造成的。这种内力重分布使得天桥墙体底部某些模板支撑的 反力增大，致使设置数量不足的天桥底模支撵发生了屈曲破坏。文章指出，这种施工暂 态结构的内力随着时间推移，不断有内力重分配的现象产生，这些变化在事前不易被察 觉，加之施工单位原本没有设置足够数量的支撑，所以微小的诱因便使模板支撑系统出 现局部的失稳【2 0 1 。 4 宗周红，韩艳，赵人达在文献 2 1 中指出钢一混凝土组合梁桥的受力性能受到混凝 土桥面板时间效应的影响，会改变此类结构的耐久性。文章就组合桥中混凝土板横向开 裂问题进行了详细的研究，分析结果表明：混凝土水化作用以及浇注顺序对混凝土板中拉 应力有很大的影响，这表明对大多数典型桥梁，混凝土板是在施工阶段达到最危险的拉 应力状态的。 5 石现峰，李建中，苏木标在文献 2 2 中根据预应力混凝土曲线梁桥分阶段施工时的 施工过程及特点，综合考虑施工过程中各种因素( 包括新梁段的浇筑、预应力筋的张拉、 混凝土的收缩徐变及结构体系转换等) 的影响，采用空间曲梁有限元结合步进法进行预应 力混凝土曲线梁桥各个施工阶段的力学行为分析，并编制了相应的分析软件，可以跟踪 模拟曲桥结构从施工到成桥以及成桥后任一时刻的内力和变形，达到工程控制的目的。 为曲线梁桥的施工控制提供了一种具体的解决方法【2 3 】【州”】。 6 欧阳永金在文献 2 6 中针对一座钢一混凝土组合结构的人行桥，用板壳有限元法计 算了其施工过程中的稳定性，讨论了临时支承沉陷对其稳定性的影响，计算比较了临时 支承沉陷量与其弹性稳定系数之间的关系。并提出采用等代模式，将拱肋的桁式截面等 郑卅l 大学硕士学位论文 代为“箱拱”，结构单元数目可减少一半左右。虽然该方法在计算前需对结构简化，计算 后需对结果进行处理，但如果将这些工作编成小的前后处理程序和sap 、ansys 或通用平面杆系有限元程序等联合使用，便可一劳永逸。 7 赵启林，陈斌，卓家寿在文献 2 7 中讨论了悬索桥施工中的锚碇问题，指出一方面 它直接影响到基础施工中的安全性，另一方面也会影响锚碇成型加载后的变位。施工中 的安全性与变位预测控制是悬索桥能否安全旖工与使用的重要环节。 8 刘钊，孟少平，陆文华，刘伯润在文献 2 8 中针对某钢管混凝土系杆拱桥，分析了 桥梁在施工各阶段的受力特征，并结合系梁的实测应力，对施工过程中的结构安全性进 行了评价，指出：在有支架状态，对吊杆施加一定的初张力，在脱架以后，对减少系梁 跨中弯矩，增加拱肋在竖平面内的刚度均有显著效果。但对最终的拱肋受压和系梁受拉 影响不大，对吊杆本身的内力影响也不显著。 9 袁帅华，颜东煌，李德建在文献 2 9 中分析了温度对主桥的施工过程的影响问题， 认为不对称斜拉桥的日照温差影响比对称结构更大，对于定立模标高和进行拉索最后一 次张拉这种控制关键工序，应尽量回避其影响。 1 0 陈伟，王海良，项海帆在文献 3 0 中分析了大跨度桥梁在施工阶段存在的主要风 振问题及其成因，结合国内外著名大桥施工时采取的具体措施，给出了解决这些问题的 方法。本文指出在大跨度桥梁的施工过程中，必须注意桥梁的空气动力稳定问题，并根 据实际情况采用切实可靠的预防措施，避免在施工过程中发生事故。 11 朱乐东，项海帆在文献 3 1 中指出悬索桥施工阶段全过程动力特性分析是悬索桥 抗风性能研究的一项重要的、必不可少的环节。与斜拉桥不同，在分析悬索桥动力特性 时必须考虑主缆的拉力引起的几何刚度矩阵，而在悬索桥的整个施工工程中，主缆的拉 力和形状变化较大，为此在动力特性分析之前首先需要计算各施工状态主缆形状和拉力。 12 瞿伟廉，秦顺全，张金武，朱安静，宋景忠，项海帆在文献e 3 2 2 ，陈艾荣，项海 帆在文献 3 3 ，张新军，陈艾荣，项海帆在文献 3 4 以及张新军，孙炳楠，孟松兔，项 海帆在文献 3 5 中均对桥梁施工阶段抗风问题进行了各自的阐述。这些文章都对桥梁施 工力学动力学中抗风问题积累了宝贵的研究和实践资料。 1 3 拱桥施工阶段稳定性研究现状 拱桥的施工阶段稳定性是桥梁施工力学的主要内容之一，目前，由于国内桥梁建设 蓬勃发展，有关这方面的研究很多，下面就选有代表性的文献摘录如下： 1 刘钊，李丰群，旌大震在文献 3 6 中指出，刚架式系杆拱桥在施工过程中要经历多 次拼装和张拉，因此，施工过程中的结构稳定性问题常常控制整个设计。文章对大跨度 钢管混凝土系杆拱桥在施工过程中的稳定性进行了有限元分析，探讨了拱肋横撑等因素 对侧向稳定模态和稳定因子的影响。并指出尽管弹性稳定演算能够满足要求，但在旌工 郑州大学硕士学位论文 过程中，拱肋可能会受到偏载、几何缺陷、侧向风载等不利影响，而降低实际拱肋的非 线性承载力。 2 邓成光，翁彦荣，王波在文献 3 7 中研究了邕宁融江大桥特大跨径拱式桥梁的结构 特点，指出大桥的施工过程可分为钢管骨架成拱阶段，浇筑混凝土阶段和安装桥面系阶 段，拱的稳定性是施工的关键。使用通用结构分析程序l i s a 对该桥进行了稳定分析，模 拟了施工全过程，给出了每一旌工步骤的稳定安全系数，以确保大桥的安全施工和顺利 建成。并得出以下重要结论： 1 ) 稳定计算只有在静力分析中保证所有单元的压( 拉) 应力能满足规范的要求才有 意义。局部杆件受压失稳将发生灾难后果；拉应力超过许可值，意味着各环梁单元截面 几何特性计算结果将失去意义，因此，人为增强弯曲刚度也是冒险的。 2 ) 对于大跨度拱式桥梁作稳定分析，应使用全结构的空间计算模型。因为实际发生 的屈曲模态，并不单纯是面内或面外的，而是空间的。计算表明若使用1 4 结构的简化计 算模型仅考虑面内和面外屈曲计算得到的五值，比使用全结构空间计算模型得到的五值偏 高2 0 ，是不安全的。 3 ) 两条拱肋间的横向联系对空间稳定性影响重大。它们起到控制面外侧倾失稳的作 用，拱顶处的横联作用大于拱脚处。x 撑k 撑还起到控制面内失稳。临时横撑不可不设。 4 ) 施工中两条拱肋间的临时横联与拱肋的连接形式对稳定安全系数影响很大。刚接 与铰接的计算结果几乎差2 3 倍。 5 ) 施工中严格遵守结构荷载的对称性。 3 赵雷，张金平，彭俊生。杜正国在文献 3 8 中讨论了大跨度钢筋混凝土拱桥施工 阶段稳定性分析中考虑几何非线性和材料非线性的实现方法。通过跨度为4 2 0 米的万县 长江大桥1 i o 模型试验，表明所提出的非线性分析方法可以较好地反映结构稳定行为。 并得出结论： 1 ) 大跨度钢筋混凝土拱桥稳定性分析中，必须同时考虑几何非线性和材料非线性的 影响。 2 ) 模型破坏试验与计算结果的比较表明，拱桥稳定分析时，在施工阶段前期不考虑 局部失稳，施工阶段后期不考虑材料非线性是没有意义的。 3 ) 复杂结构考虑双非线性影响的空间稳定性分析在计算机上实施比较困难，作者建 议的方法，尤其是用不同阶段的等效弹性模量考虑材料非线性的方法，对工程应用是有 实际意义的。 4 颜全胜，骆宁安，韩大建，王卫锋在文献 3 9 中，对主跨3 6 0 m 的钢管混凝土系杆 拱桥施工全过程进行了分析计算，结果表明： 1 ) 考虑结构大位移、杆件内力应力逐次叠加等因素的影响，到拱桥施工完毕，拱肋 内力、应力和位移各项几何非线性影响系数均小于1 0 。 郑州大学硕士学位论文 2 ) 由于各个施工阶段中结构体系变化、荷载大小和作用位置不同，沿钢管拱肋的位 移、内力和应力非线性影响也不相同。考虑几何非线性影响后，最大的位移、轴力和应 力均增大，其中在拱肋上弦拱脚、跨中附近和下弦l 4 附近的拱肋轴力和应力增大，主 拱跨中部位的位移增加；其他部位拱肋的轴力和应力非线性计算结果反而较线性值要小。 3 ) 在所有荷载工况下，拱桥结构的弹性整体稳定安全系数均大于5 0 ；即使考虑拱肋 构件的极限轴力后，结构的承载能力安全系数也超过2 2 。因此，该拱桥在施工阶段的稳 定是安全的。对于钢管混凝土拱桥的稳定安全性分析，文中仅考虑了几何非线性的因素， 要完全确定钢管混凝土拱桥的极限承载力，还必须计入混凝土材料非线性、钢管对混凝 土的套箍效应以及钢材塑性发展等材料非线性因素的影响。 5 谢尚英，钱冬生在文献 4 0 中论述了劲性骨架法施工的特点，用荷载增量法并考 虑几何非线性和材料非线性影响以及施工加载历程，建立了3 种计算模型，对用劲性骨 架法施工的大跨度混凝土拱桥各施工阶段稳定性进行了分析研究，提出各种计算模型的 适用范围。并得出结论：几何非线性和材料非线性是大跨度拱桥的重要特性，且跨度愈 大，几何非线性影响也愈大。 6 罗月静，彭文立，秦荣，谢开仲在文献 4 1 中论述了钢管混凝土拱桥施工中吊装所 采用的千斤顶斜拉扣挂缆索吊装施工法的特点；针对麓工过程，采用非线性分析程序a nsys ，考虑吊装施工过程中结构体系不断变化、荷载不断增加等因素，计算了南宁 那莫太桥拱肋吊装过程中的稳定安全性问题，得出了各施工阶段稳定安全系数；分析比 较了采用两种不同吊装顺序对该大桥结构稳定安全的影响。计算结果为施工提供了重要 的理论指导。并且由于吊装阶段自重及施工荷载较小，材料不可能屈服，故分析时只考 虑几何非线性，不考虑材料非线性。类似地，戴公连，李德建，曾庆元，蒋凌云在文献 4 2 中基于有限变形理论，考虑结构几何非线性，建立了考虑体系转换及初始力影响的 钢管拱桥空间稳定分析方法及设计程序，对深圳市芙蓉大桥连续钢管拱系杆拱桥进行了 施工过程及成桥阶段空间分析，提出了各施工阶段的空间稳定安全系数，探讨了成桥阶 段吊杆、桥面系刚度、拱上横撑、施工误差等因素对稳定性的影响。 7 赵雷在文献 4 3 中按第二类稳定理论，研究了跨度为2 0 8 m 的钢管混凝土中承式拱 龙潭河大桥施工阶段非线性稳定性问题，指出骨架合拢阶段不计入吊装过程的影响 对结构稳定性评估是不利的；骨架安装阶段，从铰结悬臂体系向两铰拱的体系过渡，稳 定安全系数有较大的突变，而从两铰拱向无铰拱的体系转换，稳定安全系数略有增大， 但变化并不显著。因此，拱肋骨架合拢计入安装过程的影响是必要的。 8 张丽萍，吴高峰，虞庐松在文献e 4 4 中指出随着施工技术的发展，拱桥的施工安全 性是大跨度拱桥设计中的一个关键问题采用大型有限元分析程序a nsys 对大跨度 拱桥施工过程中拱架、拱肋的静力及稳定性进行了分析计算，为大跨度拱桥的施工安全 提供了理论依据。并得出结论： 郑州大学硕士学位论文 1 ) 拱架在分段施工过程中应加入斜向扣索。计算表明：在悬臂施工过程中某些杆件 的应力将超过容许应力，出现强度不足或局部失稳破坏。加入斜向扣索后，拱架轩件的 应力会相应降低，变形值减小。 2 ) 在保证杆件强度安全的前提下，拱架在拼装施工过程中的整体稳定性是有保证的； 选用8 肢1 2 0 角钢组成拱架的弦杆在拱肋施工过程中的稳定性满足要求。 9 范金军，邱文亮，张哲在文献 4 5 中分析了某宽跨比较小( 1 2 2 4 ) 的钢管混凝土x 型系杆拱桥，对旌工阶段的稳定性做了详尽的分析。通过分析得出结论：对于宽跨比较 小的钢管混凝土拱桥，稳定性是设计和施工中非常突出的问题。在该桥的整个施工过程 中，采用合理的施工加载程序，使每一道工序都能满足稳定性要求，特别是钢管内泵送 混凝土的过程中，确定了合理、安全的泵送顺序，保证了大桥施工过程中的安全。 1 0 赵雷，h 一之在文献 4 6 中以盐源金河雅砻江大桥1 7 0 m 跨径的钢管砼劲性骨架 在施工过程中的结构计算为研究对象，考虑几何非线性，采用平壳一桁一梁组合结构的空 间有限元分析模型，探讨了拱肋砼浇筑过程对结构内力、变形及稳定性的影响。 1 1 程迸，江见鲸，肖汝诚在文献 4 7 中以上海在建的主跨5 5 0 m 的中承式钢拱桥为例， 采用几何和材料非线性分析法详细分析了大跨度钢拱桥在两个不同施工阶段下的静风稳 定性。结果表明，拱肋最初合拢状态是拱桥旋工过程中最不利的状态。最后，详细