（工程力学专业论文）拱段吊装过程中的索力优化及拱肋稳定性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着拱桥跨径的逐渐增大，在拱桥理论、设计、施工、运营等方面仍有许 多问题需要研究。天池特大桥是目前我国国内最大跨径的采用缆索吊装、扣挂 施工技术的箱型拱桥，其单拱肋共有1 7 个安装节段。本文以该大桥缆索吊装旌 工项目为依托，研究了拱肋吊装过程中拱段接头的抗弯刚度损失和扣索索力优 化问题，并对吊装施工全过程的拱肋稳定性进行了分析，具有重要的理论和工 程实际意义 对于使用环氧树脂处理拱段接头的吊装施工项目，吊装落位过程对时间的 要求很高。由于拱段预制时的尺寸误差及前一拱段的安装误差，使得拱段标高 控制点的目标位置事先并不确定。因此，吊装时拱段的标高调整是一个动态的 过程。通过研究，本文给出动态调整标高的原理和方法，并编写出计算程序。 吊装时利用计算机辅助计算，有效地解决了要求实测结果快速通报的问题。 基于施工现场拱肋高程测量结果，利用神经网络方法对拱段接头的抗弯刚 度进行了刚度降低识别，得出了刚度降低识别结果。采用各种不同的建模方式， 分析了接头抗弯刚度损失对索力、拱肋挠度和内力的影响，明确了拱段接头的 合理简化模式。在此基础上，论述了吊装施工过程中扣索索力与拱肋内力、拱 轴线形的关系，讨论了结构几何非线性求解的方法与步骤。 索力优化可以确定各拱段吊装时的初始扣索索力，并且只需一次初始张拉 扣索，而后不再调索，即可达到成拱线形与内力的控制目标。避免或减少了因 多次张拉扣索、调整线形而引起的施工困难，加快了施工进度，消除了因多次 调索而可能出现的安全隐患。基于a n s y s 的a p d l 语言参数化编程仿真拱肋施 工全过程，首先采用单步法( s i n g l er u n ) 法对扣索索力的初始设计进行求解，获 得初始设计值；然后采用子问题法( s u b - p r o b l e m ) 法进行优化，求出一个最优解； 再以最优解为基础，用一阶法( f i r s t - o r d e r ) 法进一步优化：最后采用扫描法 ( s w e e p ) 扫描出扣索初始索力的最优解。 保证拱肋稳定是施工全过程和运营安全的必要条件。本文研究并确定了拱 肋在吊装施工过程中的稳定性主要影响因素，从拱段接头抗弯刚度入手，针对 三种拱段接头模型，计算了拱肋在拱段吊装成拱过程中的稳定系数，分析了稳 定因素对不同接头模型的稳定性的影响。 关键词：拱桥；动态控制；参数识别；索力优化；稳定性分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r es t i l l m a n yq u e s t i o n sn e e d i n gr e s e a r c h i n g i n t h e o r y , d e s i g n i n g ， c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i n ga sa u g m e n t i n go ft h ea r c h e db r i d g e t h em a i nb r i d g eo f t i a n c h ib r i d g ei sc u r r e n t l yt h el o n g e s ts p a nb r i d g eo fi t sk i n di nc h i n a , w h o s em a i n a r c hr i n g sw e r ec o n s t r u c t e db yt h ep r e c a s t i n g ，l i f t i n ga n de r e c t i o nm e t h o d sa n dt h e s i n g l ea r c hr i bc o m m o n17e n t r i e si n s t a l l a t i o nn o d e i nt h i sp a p e r , t h ec o n s t r u c t i o n d e s i g no ft h ec a b l el i f t i n ga n de r e c t i o nf o rt h eb r i d g ea i d e db ys t a yc a b l es u s p e n s i o n s y s t e mi sp r e s e n t e d i t i sp r o v i d e dw i t hi m p o r t a n tr o l et e d i o u st h e o r yo fs l l r l s e n g i n e e r i n gc l i n i c a ls i g n i f i c a n c e t ol i f t i n gc o n s t r u c t i o np r o j e c t su s i n ge p o x yp r o c e s s i n gt h ej o i n to fa r c h e s s e c t i o n , h o i s t i n gt e c h n i cp r o c e s s e sn e e d st i m e i nv i r t u eo ft e d i o u sd i m e n s i o n a le r r o r o fa r c hs e g m e n t s p r e f a b r i c a t i o n a n da r c hs e g m e n t st e d i o u sm o u n t i n ge r r o r f o r w a r d , a r c hs e g m e n tm a r kh e i g h ti su n c e r t a i n t y s op i l l a rh o i s t i n g e l e v a t i o n a d j u s t m e n ta r c hs e g m e n t si sd y n a m i c a lp r o c e d u r e t h i sp a p e rg i v e so u tp r i n c i p l ea n d m e t h o do fd y n a m i ca d j u s t i n gl e v e la n dc o m p i l ep r o g r a m h o i s t i n gb yc o m p u t e r a s s i s t a n tc a l c u l a t i o nc a ns o l v ep r o b r e mo fo v e r s e er e q u i r e m e n t sm e a s u r e dr e s u l t sf a s t b u l l e t i ne f f e c t i v e l y i tm a k e sd a m a g ed e t e c t i o nt ob e n d i n gr i g i do fa r c hs e g m e n tj o i n tu s i n gn e u r e a l n e t w o r k m e t h o dw h i c hb a s e sh e i g hs u r v e yr e s u l t so fa r c hr i bu n d e rc o n s t r u c t i o n i t a d o p t sk i n d so fd i f f e r e n tm o d e l i n gm o d ea n da n a l y s i sf l e x u r a ls t i f f n e s sa n dc a b l e t e n s i o no ft h ej o i n t i td i s c u s s e st h ec o n n e c t i o no fc a b l ef o r c ea n dr i bi n n e rf o r c eo f l i f t i n g c o n s t r u c t i o np r o c e s s e s ，a n dd i s c u s s e sg e o m e t r i c a la n dn o n l i n e a rs o l v i n g m e t h o d c a b l ef o r c eo p t i m i z a t i o nc a nc o n f i r ma p i e c ea r c h e ss e c t i o nh o i s t i n gt e c h n i ct e n s e i n s c u l p t a t et h ei n i t i a lc a b l ef o r c ea l s om e r e l yr e q u i r ep r i m a r yt h ei n i t i a lt e n s i o n i n g a v o i d i n g o rd e c r e a s i n ga d j u s t m e n tl i n e a rw h e r e a sa r o u s i n go fc o n s t r u c t i o n b a s e do n a n s y so fa p d ll i n g u i s t i cp a r a m e t e rp r o g r a m m i n gs i m u l a t i o n , t h ew h o l ep r o c e s so f a r c hr i bc o n s t r u c t i o nw h o l ep r o c e s sa d o p t ss i n g l e s t e pm e t h o dt o s o l v eo r i g i n a l d e s i g no fc a b l ef o r c eo r i g i n a ld e s i g na n da c q u i r et h e i n i t i a lf 璐t l y ；a n da d o p t s s u b - p r o b l e mp r o c e e dt oo p t i m i z e ；t h e no p t i m i z e sw i t hf i r s t - o r d e rb a s e do no p t i m a l n 武汉理工大学硕士学位论文 s o l u t i o n ；e v e n t u a l l ya d o p t ss w e e pm e t h o ds w e e p i n go u to p t i m u ms o l u t o no f c a b l e s t a y e db e g i n n i n gf o r c e e n s u r i n ga r hr i bs t a b i l i t yi sn e c e s s a r yc o n d i t i o nu n d e rc o n s t r u c t i o np r o c e s s t h i s t e x ts t u d ym e d i u mo fs t a b i l i t yo fm a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r sa th o i s t i n gc o n s t r u c t i o n p r o c e s s ，f r o ma r c hs e g m e n tj o i n tb e n d i n gr i g i d i t y , c a l c u l a t es t a b i l i t yc o e f f i c i e n ta t a r c hs e g m e n th o i s t i n ga r c h i n gp r o c e s si na l l u s i o nt ot h r e es p e c i e sa r c hs e g m e n t j o i n t m o d e l ，a n da n a l y z es t a b i l i z a t i o nf a c t o r st h a td i f f e r e n tf r o mj o i n tm o d e l s k e y w o r d s ：a r c hb r i d g e ：d y b a 面cc o n t r o l ；p a r a m e t e ri d e n f i c a t i o n ：c a b l ef o r c e o p t i m i z a t i o m ；s t a b i l i t ya n a l y s i s h i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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：童垒i 星日期：竺：查：5 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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：童丝逛导师签名：】嗵日 期：兰竺堡呈 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 混凝土拱桥发展状况 中国拱桥最早出现在公元3 0 9 年。隋朝的赵州桥是中国古代拱桥的扛鼎之 作，中国人直到1 9 5 9 年建造成功湖南黄虎港桥才超越赵州桥3 7 0 2 米的跨度， 赵州桥那种“船从碧玉环中过，人在苍龙背上行”的境界，成为了人们阅读中 的永久追想。到新中国成立后，由于钢材的缺乏，石头、混凝土又成为中国人 进行桥梁建设的重要材料。即使在文革时期，拱桥的靓丽身姿仍不住地显露出 来：江苏桥工们创新出双曲拱桥；在成昆铁路建设中，石拱桥成为崇山峻岭中 形态格外优美的形象；1 9 7 2 年一群中国人靠原始的施工手段，建造出了当时世 界之最，跨径1 1 6 米的石拱桥一重庆丰都九溪沟大桥。中国人对拱桥有着特 殊的智慧和喜爱，能够使用各种材料设计、建造各种形态的拱桥。1 9 8 9 年应用 中国独特的转体技术，建成了主跨2 0 0 米的钢筋混凝土箱形拱桥一重庆涪陵 乌江大桥，它标志着对传统拱桥技术的重大突破。1 9 9 7 年建成的重庆万县长江 大桥，跨度达到了4 2 0 米，是世界最大跨度的上承式钢筋混凝土拱桥；1 9 9 5 年 贵州江界河大桥以3 3 0 米的跨径雄居世界钢筋混凝土桁架拱桥的榜首；2 0 0 0 年 问世的广州丫髻沙珠江大桥，以3 6 0 米的“步伐 一跃珠江，摘取了中国中承 式钢管混凝土系杆拱桥的桂冠。市场经济的魔手催发了中国人极大的智慧，令 当今世界各国的桥梁专家瞩目中国。前不久在上海国际桥梁研讨会参观卢浦大 桥时，各国桥梁精英纷纷前来观摩，从桥梁这一“视角”，折射出中国经济的 活力红火似虹。中国现已有2 8 万多座公路桥梁和4 万多座铁路桥梁雄跨、飞峙 于神州大地的江河、山岭，不仅是连接交通的要冲，而且许多成为了江河山岳 的新景观。 拱是桥梁最基本的结构形式之一，已经过了2 5 0 0 多年的发展。工程师的创 造性劳动、社会的进步、材料与新技术的发明与应用使用拱桥技术得以不断发 展。桥梁技术的每一步都应建立在前人的思想与实践基础上，根据当代材料、 分析手段和施工技术的可能性进行探索与创新。土木工程的进步，除了科学知 识与经验外，技术人员的创造性也是非常重要的。 武汉理工大学硕士学位论文 拱桥按拱肋分为圬工拱桥、混凝土拱桥、钢拱桥及钢一混凝土组合拱桥。 受自重和经济性制约，圬工拱桥难以向大跨径前进。随着钢材制造技术的进步， 出现了高强轻质合金钢，钢材的进步使钢桥建造技术不断发展和完善。但从经 济角度考虑，在现代大跨径拱桥中，钢筋混凝土拱桥与钢一混凝土组合拱桥是 最有竞争力的两种桥型。据统计世界大跨径钢筋混凝土拱桥的信息如表1 - 1 。 表1 - 1 世界大跨径钢筋混凝土拱桥 序号桥名国家年代跨径( m )结构型式 1 万州长江大桥 中国1 9 9 74 2 0 上承式钢骨混凝土箱拱 2 克尔克一桥克罗地区 1 9 8 03 9 0 上承式混凝土箱拱 3 贵州江界河大桥 中国1 9 9 53 3 0上承式混凝土桁式组合拱桥 4 广西邕宁邕江大桥中国1 9 9 6 3 1 2 中承式钢骨混凝土拱桥 5 格莱兹维尔桥澳大利亚 1 9 6 43 0 5 混凝土拱桥 6 友谊桥巴西 1 9 6 42 9 0 混凝土拱桥 7 勃劳克兰斯桥 南非1 9 8 32 7 2 混凝土拱桥 8 阿拉比达桥葡萄牙 1 9 6 32 7 0 混凝土拱桥 9 桑多桥 瑞典1 9 4 32 6 4混凝土拱桥 1 0 沙托布里扬桥法国1 9 9 1 2 6 1 混凝土拱桥 1 1高松大桥日本2 0 0 02 6 0混凝土拱桥 1 2 希贝尼克桥克罗地区1 9 9 8 2 4 6 混凝土拱桥 1 3 b a r e l a a g 印度印西亚 1 9 9 82 4 5 混凝土拱桥 1 4 克尔克二桥克罗地区 1 9 8 02 4 4 混凝土拱桥 1 5 重庆巫山长江大桥中国2 0 0 4 4 6 0 钢管混凝土拱桥 大跨度拱桥的结构特点有：1 其受力特点是承重结构为主拱，拱桥的支撑 处不仅产生竖向反力，还产生水平推力，从而使主拱圈受压为主。2 拱桥的主 要优缺点，1 ) 优点：跨越能力大，稳定性好，耐久性好，养护、维修费用少，外 形美观。2 ) 拱桥是有推力的结构，而且自重较大，因而水平推力也较大，增加 了下部结构的工程量，对地基强度要求很高：由于水平推力较大，在连续多孔 的大、中桥中，为防止一孔破坏而影响到全桥的安全，需要采取单向推力墩， 增加了造价；上承式拱桥的建筑高度较高。拱桥的特点决定了它在大跨径桥梁 2 武汉理工大学硕士学位论文 中的发展空间。 随着桥梁建筑设计、施工技术的发展，拱桥的缺点正在得到改善和克服， 2 0 0 一- 6 0 0 m 范围内，拱桥仍然式悬索桥和斜拉桥的竞争对手。我国钢筋混凝土拱 桥的发展趋势：拱圈轻型化，长大化以及施工方法多样化。 大跨度拱桥施工方法与其他拱桥的旄工方法有许多相似之处，然而由于其 构件自重相对较轻，因此大跨度拱桥具有更大的优越性。大跨度拱桥的施工方 法主要有悬臂施工法、缆索吊挂施工法、整体顶推法、转体施工法、大段吊装 法及组合的施工方法。 悬臂施工是大跨度拱桥的主要的施工方法，根据施工中临时辅助设施与拱 圈组成的受力结构的不同，又可分为自由悬臂拼装、斜拉悬臂法、悬臂桁架法 等。实际上在这一方法中，悬臂半拱仍需要辅助结构，一般采用拉索拉住上弦 使拼装过程中半拱能以悬臂曲梁承受拱圈的自重，只不过这种辅助结构( 如拉 索) 与斜拉悬臂法相比非常小，因而称之为自由悬臂拼装。狱门桥、悉尼港桥 等就采用了这一方法。在采用自由悬臂旋工法时，还可以通过使用独立的临时 支撑，来减小自由悬臂长度，贝永桥就采用了这种方法。斜拉悬臂施工法是大跨 度拱桥中广泛使用的旅工方法，它先在两边架设施工塔架，用拉索拉住悬臂的 拱肋。主拱肋分节段施工，节段间接头用拉索扣挂于塔架上。塔架的平衡由背 索来维持，背索或拉在地锚上或拉在边跨上。施工时逐渐地向拱顶悬拼拱肋节 段，直至全桥合拢。美国e a d s 桥是最早采用这种旄工方法的桥梁。该桥不仅因 首次把钢材应用于桥梁中而在桥梁史上闻名，更因为它是第一座采用斜拉悬臂 法施工的桥梁而载入桥梁史册。它所开创的斜拉悬臂施工法不仅在拱桥中得到 广泛的应用，而且也很快地推广到其他桥梁之中。美国新河谷桥也采用了斜拉 悬臂法进行旌工。同时，斜拉悬臂施工中可以先架设主拱，也可以同时架设主 拱和拱上建筑。美国与加拿大交界处的彩虹桥的施工就采用了后者。 我国在建的广州新光大桥采用的是大段吊装方法。新光大桥主桥长7 8 2 m ， 宽3 2 m ，主跨度4 2 8 m ，边跨度1 7 7 5 m 。主桥预应力混凝土三角形刚架采用支架 施工，然后将上承式的钢桁架分为三个大段，利益水中两个支架进行整体提升。 有的桥梁根据具体情况选择悬臂拼装法于其他方法相结合的施工方法，称 之为组合施工法。委内瑞拉首都加拉加斯( c a r a c a s ) 附近的三座姐妹桥施工时 采用了悬臂拼装于缆索吊装的组合旌工法。德国的阿贝尔市修建了一座跨越铁 路线的钢拱桥，由于施工过程中不能中断交通，支架旌工等方法不能采用，因 3 武汉理工大学硕士学位论文 而采用整体顶推法施工。 缆索吊挂施工法是指每段钢拱肋吊装后，将其按先后顺序悬挂在承重主索 上直至合拢的一种施工方法，如瑞典的a s k e r o f j o r d 桥，在施工过程中采用了 这一方法。拱的每段从岸上运到驳船上，再运到指定的位置，然后通过悬索吊 起。拱顶先安装，然后再向两拱座对称地进行安装。缆索吊装施工特点：主索 跨度布置依据桥型布置的不同有三跨式和多跨式( 主跨分为单跨式和多跨式) 。 主索横向布置依据主拱肋宽度不同有固定式和可横移式。其中固定式又分为单 组主索和双组主索或多组主索。主索按长度可分为可调式和不可调式。起重系 统分为单点吊、两点吊和抬吊。牵引系统分为直接牵引、循环牵引和辅助牵引。 稳定缆索系统则为初安装调试到位后的固定系统。近几年，缆索吊装施工法在 7 0 年代由原交通部公路规划设计院设计、西安筑路机械厂生产的“公路缆索架 桥设备一的基础上有了新的发展，施工工艺比以往更加灵活多交。 随着拱桥结构跨度的增大，主拱旌工分节段相应增多，吊装重量相应增大， 同时，主拱矢高的增高，吊在高度亦相应很高( 尤其是中承式和下承式拱桥) 。 因此，对于缆索吊装施工法来说，施工给缆索系统( 包括主索塔架即“塔架 和扣塔塔架即“扣架 ) 的强度、刚度及稳定性提出了越来越高的要求。过去为 了增加主拱合拢前各安装节段的稳定性和拱轴线形调控的方便，保证整个主拱 吊装过程中的安全可靠性，工程施工中通常将“塔架 与“扣架”分开布置， 使缆索系统独立工作。显然布置两组塔架结构，大大增加了设备的投入和工程 量，加大工程的造价，延长了施工工期：同时给施工监控增加了观测点和仪器 的投入，增家了施工控制的工程量；此外还往往受到地形条件的限制，使塔架 和地锚难于布置( 因拱桥拱座通常坐落于地形陡峭的斜坡处) 。因此，将塔架、 扣塔和拱座处的交界墩合为一体作为整体结构，设计交界墩、塔架和扣架一体 化的施工技术，具有极大的必要性和紧迫性。 目前我国采用缆索吊装、斜拉挂扣法施工的最大跨度是2 0 0 7 年建成的福建 省宁德市天池特大桥( 主跨2 2 8 m ) ，采用支架法施工的最大跨度是1 9 8 2 年建成 的四川攀枝花市宝鼎大桥( 主跨1 7 0 m ) ，采用转体法旅工的最大跨度是1 9 9 0 年 建成重庆乌江大桥( 主跨2 0 0 m ) 。这个时期，国外混凝土拱桥最大跨度已达3 9 0 m ( 前南斯拉夫克尔克桥，1 9 8 0 年建成) 。1 9 9 0 年宜宾南门金沙江大桥首先采用 劲性骨架，建成了主跨2 4 0 m 的中承式钢骨架混凝土拱桥，接着广西邕宁邕江大 桥改进了工艺( 钢骨采用钢管混凝土) 使这种旌工方法又跨上了一个新台阶， 4 武汉理工大学硕士学位论文 于1 9 9 6 年建成主跨3 1 2 m 的中承式钢骨混凝土拱桥，1 9 9 7 年建成的重庆万县长 江大桥( 主跨4 2 0 m ) 为世界最大跨度和规模的混凝土拱桥。与此同时，贵州江 界河大桥建成了世界最大跨度混凝土桁架拱桥( 主跨3 3 0 m ) 。 1 2 索力优化技术的发展状况 早在1 4 世纪，即出现黄金分割法和分数法的一维搜索法的基本思想，到本 世纪5 0 年代才从数学上完成严格证明。本世纪5 0 年代提出线性规划和梯度法， 6 0 年代出现多维非线性约束规划的罚函数法。6 0 - 7 0 年代，各种优化方法的提 出达到一个高峰，并在理论上有重大突破，还出现了一批商品化的优化方法软 件，对推动应用起了很大作用。进入8 0 年代，原来留下的难题和应用中提出的 新需求取得重要进展。我国第一本“最优化计算方法程序汇编 于1 9 8 3 年出版； 在“六五一和“七五规划中相继研制了0 p b l 优化方法程序库：专门处理混 合离散规划的程序和专著也已出版。此外还有一些散见在有关著作和期刊中的 方法程序。所有这些，对发展我国机械、交通、建筑等优化设计应用所必须的 优化方法程序已具备良好的条件。 目前c a d 主要限于分析计算和绘图功能，是设计后期的重要工作。如何构 思设计本身，向设计的前沿渗透，是c a d 的发展方向之一。作为设计过程来说， 当设计方案和原理初步形成，采用优化设计可以在确定结构参数过程中评价方 案的优劣和技术性能的满足程度，是解决设计本身向设计前沿的一个桥梁或过 渡。c a d 应向图示化、集成化、标准化和智能化发展，逐步达到设计自动化。作 为c a d 资源之一的优化设计和模型库，也应与此相应发展。 随着大跨径拱桥建设的发展，由于现代拱桥具备以下特点：( 1 ) 建材多样 化；结构形式多样化；施工方法多样化、现代化；( 2 ) 设计理论日趋完善，计 算方法日益精确；( 3 ) 跨越能力大。拱桥是目前公路上常用的一种桥梁形式， 特别是混凝土拱桥和钢筋混凝土拱桥在我国公路桥梁中得到了广泛的应用。而 我国的卢浦大桥成为“世界第一拱修，跨径已达到5 5 0 m ，随着拱桥跨径的不断增 加，拱肋的架设控制技术已成为制约旌工的关键。 无支架缆索吊装斜拉扣挂法是目前大跨径混凝土拱桥一种普遍采用的施工 方法。合理确定扣索索力是混凝土拱桥无支架缆索吊装施工中一项非常重要的 工作。节段吊装过程中扣索索力的大小直接关系到节段标高的控制和扣索数目 5 武汉理工大学硕士学位论文 的确定，并与扣点位置、塔高、塔中心距拱脚截面中心的水平距离( 以下简称 塔距) 等因素密切相关，索力计算已成为施工单位和施工控制的一项重要内容。 传统的缆索吊装扣挂拱箱索力计算方法，采用力矩平衡原理进行手工计算，计 算繁琐而且计算精度低。于是人们探索了最优化计算方法【1 1 1 2 1 ，为斜拉扣挂扣索 索力的确定提供了新思路。 目前索力优化的方法可归结为三类：指定受力状态的索力优化，无约束的索 力优化和有约束的索力优化【3 l ，均适用于斜拉扣索的索力优化。指定受力状态优 化方法的代表是刚性支承连续粱法。这种方法将斜拉桥主梁在恒载作用下弯矩 呈刚性支承连续梁状态作为优化目标。利用扣索索力的竖向分力与刚性支点反 力相等的条件确定最优索力。但是，通过施工来实施这种内力状态是困难的。 成桥后必须设法消除由中间合拢段及二期恒载引起的正弯矩效应。这就要通过 反复调索来实现，对密索体系较难控制。 索力无约束优化法有弯曲能量最小法【4 】和内力平衡法 s l 。弯曲能量最小法是 用结构的弯曲应变能作为目标函数。内力平衡法是以结构内力为研究对象，按 照“内力平衡”的原则得到合理的扣索索力。基本原理是设计恰当或合理的扣 索张拉力，以使结构各控制截面在恒载和活载的共同作用下，上翼缘的最大应 力和材料允许应力之比等于下翼缘的最大应力和材料允许应力之比，从而达到 截面上下缘材料均被充分利用，截面受力均匀。典型的索力有约束优化法为用 索量最小法。这种方法用斜拉桥索的用量( 张拉力乘以索长) 作为目标函数，用 关心截面内力、位移期望值范围作为约束条件。运用这种方法，必须确定合理 的约束方程，否则容易引出错误结果。 在斜拉索索力优化的算法中，国内外学者应用了如最小二乘法【5 j 、影响矩阵 法、凝聚函数法【7 】等多种方法求解实际问题。人们借助各种软件利用影响矩阵法 进行扣索力优化，基于m a t l a b 优化工具箱【8 1 9 1 ，以结构内力和线形为控制条件， 提出一种实用的优化方法。为考虑大跨径斜拉桥中非线性因素的影响，有学者 应用一阶分析方法进行大跨径斜拉桥的索力优化，来克服上述方法中仅能进行 线性叠加的缺点1 1 0 1 。 目前通常采用“零弯矩法修【ll l 来进行斜拉扣索索力的求解：将拱肋各节段 的接头视为铰接，采用节点力系平衡原理【1 2 】，逐段递推求解索力。按照这种方 法求出的索力精度较低，如直接用它来进行施工控制，得到的拱肋线形与设计 偏差较大，而且有可能使结构的内力超出安全范围。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 拱桥结构稳定分析的理论及研究现状 对于拱桥结构体系稳定分析的理论，首先是从理想完善结构出发的第一类 稳定理论，随后逐渐发展到有初始缺陷的非完善结构的第二类稳定分析理论。 对于拱桥的面内弹性屈曲，自从l e v y ( 1 8 8 4 ) 在圆环弹性平衡方程的基础上导出 了均匀受压圆环的屈曲临界荷载的一百多年来，拱的稳定理论取得了很大进展。 d i n n i k ( 1 9 5 5 ) 1 3 】等人引进了有效屈曲长度概念，对不同边界条件和拱轴线形状 提出了拱平面屈曲计算的简化方法。w a l t e r j a u s t i n ( 1 9 7 1 ) 【1 4 j 对拱的平面屈曲问 题作了个较为详细的总结。经过学者大量的研究，拱的平面屈曲理论逐步走 向实际应用。对于拱桥的面外弹性屈曲，最早始于t i m o s h e n k o ( 1 9 1 0 ) 对圆弧形 弹性薄条在纯弯矩作用下的侧向屈曲研究，他在s a i n t v e n a n ( 1 8 8 4 ) 曲杆小变形 理论的基础上，得到侧倾屈曲的临界弯矩解。t i m o s h e n k o ( 1 9 2 3 ) 又用解析法求 得了径向均匀荷载作用下圆弧拱的面外屈曲问题，并研究了荷载方向指向圆弧 中心的非保向力效应对提高拱侧向稳定性的作用，同时用能量法对这一结果进 行了论证。项海帆和钱莲萍( 1 9 8 7 ) 1 5 1 1 6 】利用能量原理提出了一套用于拱桥横 向稳定性计算的简易计算方法。向中富( 1 9 9 5 ) 【l7 】随后采用能量原理的方法提出 了中承式拱桥在使用阶段横向整体失稳临界荷载的实用计算式，并分析了行车 道梁立面位置对其稳定性的影响。该方法只能对圆弧拱受径向荷载的情形进行 分析，对于抛物线拱和悬链线拱则要进行试算。李国豪( 1 9 9 2 ) 【is j 指出圆弧拱在 小矢跨情况下与抛物线拱有较好的近似性，并研究比较了圆弧拱与抛物线拱和 悬链线拱的稳定有效长度。尽管如此，圆弧拱研究所作的受径向荷载的假设与 大多数拱受竖向荷载的实情有较大差异，致使其应用受到了限制。 目前单拱肋的面内外弹性稳定分析方法已经很成熟，但对于复杂体系的拱 桥，由于吊杆和桥面结构的影响，其侧倾稳定荷载没有解析解，必须采用数值 方法计算。早期拱的屈曲研究都针对无初始缺陷的理想弹性结构进行。由于受 计算手段限制，所建立的分析理论和实用计算方法都包含了许多假设和近似， 给出的结果多为各种内力扩大系数或计算图表，不能全面反映拱桥结构屈曲过 程和真实稳定承载力，因而在实用上对拱的稳定验算取较大安全系数以弥补理 论上的不足。随着计算机的应用，基于非线性分析的拱桥极限稳定理论得到了 发展。几何非线性分析表明，按弹性稳定理论得到的拱的稳定临界荷载偏大，偏 于不安全；应用结构几何非线性和材料非线性本构理论进行拱的极限稳定分析， 7 武汉理工大学硕士学位论文 并通过有限元方法予以实现，是拱桥稳定承载力研究的趋势。 1 4 本文的研究的意义 随着我国公路建设的蓬勃发展，大跨度桥梁建设进入了前所未有的高潮时 期。大型桥梁结构的多样化、施工技术难度大、施工工艺复杂、影响因素多， 桥梁结构的施工安全已经成为人们普遍关注的问题。为了保证大型拱桥在缆索 吊装施工过程中的受力安全、控制合理拱轴线以及拱肋稳定性，必须开展大跨 径拱桥拱肋吊装过程中索力优化技术及稳定性问题的研究。 近年来，拱桥跨径不断增大，无支架拱肋吊装施工技术被广泛采用。目前大 跨度拱桥缆索吊装施工方法，一般是由一孔桥的两端向中间对称进行施工，张 拉扣索时将索力一次张拉到位，直至最后一节拱肋构件吊装到位合拢，撤除扣 索，结构由悬臂状态经体系转化为稳定安全的无铰拱体系。在成拱过程中，扣 索索力的大小直接影响到拱肋的受力、拱轴线的形状。所以扣索索力计算成为 拱肋吊装施工控制的一个重要内容。在成拱的过程中，在某个特定的状态下， 扣索索力必须“恰到好处，使某种反映受力的状况达到最优目标，另外，拱肋 在成拱过程中的稳定性控制也是不容忽视的。i l 川 由于拱桥自身的受力特点，拱肋一旦合拢，拱肋的线形就难以调整，拱肋线 形基本决定了成桥后桥梁结构的受力状态，因此合理的成拱状态是拱桥保证结 构安全和运营质量的根本因素。 总之，为了保证钢筋混凝土箱形拱的受力状态及成拱线形最大限度接近设 计期望值，减少施工过程中索力调整的次数，保证施工的顺利完成，需要对成 拱过程中扣索索力进行优化，并对拱肋的稳定性进行研究。 1 5 本文的主要研究工作 通过理论分析、建模动态仿真分析及旌工过程扣索索力的优化设计，结合现 场监测数据，找到一种扣索索力优化的行之有效的方法，来确定最优解，确保 吊装过程中扣索一次张拉到位和施工安全。通过对施工过程中拱肋稳定性问题 研究，确保吊装施工中拱肋的结构稳定性。 结合天池特大桥旌工监测监控项目，本课题进行以下内容的研究： 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 通过计算机编程计算，提高吊装施工动态调整控制点目标偏差的速度， 解决由于使用环氧树脂处理拱段接头所受到的时间限制问题。对于工程实际意 义重大。 2 ) 针对拱段接头各种不同的建模处理方式，基于现场高程测试结果利用神 经网络方法对接头抗弯刚度进行刚度降低识别，并计算其对索力、拱肋挠度和 内力的影响，明确拱段接头的合理简化方式，论述施工过程中扣索索力与拱肋 内力及拱轴线形的关系。 3 ) 扣索索力优化方法和在设计预拱拱轴线下的扣索索力的最优解。基于 a n s y s 的a p d l 语言参数化编程计算，对不同目标函数、不同优化方法进行优 化比较，确定索力的最优解。 4 ) 研究确定拱肋在吊装施工过程中的稳定影响因素，计算拱肋成拱过程中 的稳定系数，分析稳定因素对不同模型稳定性的影响。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章夭池特大桥工程项目及施工工艺简介 2 1 工程概述 该特大桥位于我国南方某省，是省道上的一座特大桥，桥长4 0 5 4 m ，桥宽 1 0 o m ，桥高度1 4 2 o m ，如图2 1 所示。桥起点桩号k 4 3 + 4 7 4 5 3 ，终点桩号 k 4 3 + 8 7 9 9 3 。桥型布置为：5 x 2 0 m 预应力空心板+ lx 2 2 8 2 m 钢筋混凝土箱型拱 ( 净跨2 0 7 2 m ) + 3 x 2 0 m 预应力空心板。主拱圈横截面为单箱三室箱型截面， 两边室采用节段预制、缆索吊装工艺施工，中室采用现浇施工，预制拱段截面 高3 m ，宽2 8 m ，拱段长9 1 m - - - 1 5 9 m ，单个边室拱肋共分1 7 个吊装节段( 含1 个合拢段) ，最大吊装节段重1 1 8 t 。主拱圈施工步骤为：先吊装合拢下游边室拱 肋，再吊装合拢上游边室拱肋，最后现浇中室拱肋。该特大桥跨越山区深谷， 岸坡陡峻，是目前我国国内采用缆索吊装、斜拉扣挂施工的最大跨度箱型拱桥， 施工技术难度大、工艺复杂。 2 2 工程设计变更 图2 1 天池特大桥平面图 原设计方案为：1 1 6 3 米预应力空心板+ 2 x 3 5 预应力t 梁+ lx 2 2 8 2 米钢 筋混凝土箱型拱( 主拱净跨2 0 5 0 米) + 2 x 3 5 米预应力t 梁( 全桥桥长4 0 5 9 米) ，其中主孔采用三箱制作顶底板平竖转结合的有平衡重转动闭口薄壁网板箱 的工艺施工。 现设计方案为：5 x 2 0 米预应力空心板+ 1x 2 2 8 2 米钢筋混凝土箱型拱( 主 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 拱净跨2 0 4 9 5 9 米+ 3 2 0 米预应力空心板( 全桥桥长4 0 5 4 米) ，其中主孔采用 单箱三室节段预制、缆索吊装的工艺施工。 2 3 主要技术标准 公路等级：山岭重丘区二级公路，行车速度4 0 k m h 。设计荷载：公路一级。 桥面宽度：籼0 米+ 2 x 0 5 米防撞栏。桥面横坡：2 0 。设计洪水频率： i 0 0 年遇。地震基本烈度：度，按度构造设防。通航等级：v 级之间， 通航净空b x h 8 0 x 8 米。设计风速：按公路桥涵设计通用规范( j t gd 6 0 - 2 0 0 4 ) 和公路桥梁抗风设计规范j t g t d 6 0 - 0 1 2 0 0 4 有关规定办理。 2 4 拱桥施工工艺 根据设计图纸和施工单位提供的施工组织设计文件，天池特大桥主拱施工采 用分段预制拱箱节段，缆索吊装进行悬臂拼装【2 0 l 【2 ，如图2 2 所示，直至上、 下游单肋拱箱合龙，再现浇拱箱中室顶、底板，形成完整的单箱三室整体截面。 引桥、主桥空心板预制，其他墩台及拱上结构采用现浇施工。具体施工程序如 下： 1 ) 5 4 、6 襻交界墩及引桥其他墩台基础施工。 2 ) 完成0 。、9 聋桥台旌工，在已完成的5 襻、6 4 交界墩上进行缆索塔架拼装， 完成缆索、锚索的岩锚施工，并进行张拉力试验，挂索，安装缆索吊机并进行 试吊：缆索吊装系统包括： ( 1 ) 、锚固系统 缆索吊机后锚采用重力式砼锚碇，长8 m ，宽8 m ，高3 5 m ，为增加锚固力， 每个后锚设2 0 根竖向岩锚，单根岩锚设计锚固力为9 0 吨，后锚抗滑移稳定系 数大于1 4 。 岩锚洞深2 0 m ，斜入岩石中，根据计算确定混凝土浇注长度及岩锚的自由 长度，然后浇注混凝土，采用预张拉9 0 t 试验，如图2 3 所示。 ( 2 ) 塔架安装 缆索吊机塔架利用扣索塔架做基础，塔底铰接支承于扣索塔架顶，两岸缆 塔塔顶高程相同，均为2 5 3 9 3 5 m ( 滑道梁项) ，缆索吊机塔架由万能杆件组拼 武汉理j 一火学硕十学位论文 而成，在塔底设6 组铰座、塔顶设两纽鞍座横移滑道粱，由铰座中心至滑道梁 顶面商度为2 0 m 。 缆塔塔顶在吊重过程中最大纵向位移值：右岸1 2 c m ，左岸1 8 c m ；为保证 缆塔塔顶偏位不超过允许值，在缆塔拼好后，通过调整前、后风缆长度，使缆 塔塔顶向边跨预偏：右岸5 c m ，左岸l o c m ；缆索吊机在使用过程中，应经常观 测缆塔塔顶位移，塔顶允许偏位值不大于l o c m 。塔架支撑系统安装在交界墩 上，如图24 所示。 ( 3 ) 缆索系统 大桥缆索吊机跨径布置为：1 2 0 m + 2 2 8 m + 8 5 m ，包括绳索系统、塔架支撑系统、 锚固系统、缆风系统、鞍座横移系统、机械和电气系统。 图2 2 缆索吊装施工图 武汉理i - 大学硕十学位论文 图2 3 预张拉后的岩锚图24塔架系统图 ( 4 ) 缆索系统 大桥缆索吊机跨径斫】置为：1 2 0 m + 2 2 8 m + 8 5 m ，包括绳索系统、塔架支撑系统、 锚固系统、缆风系统、鞍座横移系统、机械和电气系统。 缆风系统包括鞍座缆风系统和塔架缆风系统，鞍座缆风系统安装在塔顶鞍 座上，用以平衡吊重时主索、起重索、牵引索产7 - 的不平衡水平力，并随鞍座 横移。鞍座缆风系统由通风索和后背索组成，采用4 根中4 7 5 m m 钢丝绳( 6 x 3 7 ) ， 后背索初始张力：右岸4 x2 5 t ，左岸4 x2 7 t ，通风缆初始张力4 2 4 t ，单根缆 风绳最大张力3 8 t ，破断力1 1 5 5 t ，破断安全系数k = 3 ；塔架缆风系统由4 根巾 2 6 】j n 钢丝绳及其锚碇组成，分八字形布置，主要用来平衡缆索吊机在安装过程 中的纵、横向水平力，以及在使用过程中作为防止塔架倾覆的安全措施。缆索 主要规格如表2 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 缆索主要规格 项目主索起重索牵引索 型号6 3 7 ( 纤维芯)6 1 9 辔黼6 3 7 ( 獬) 根数一直径( 砌)2 - 4 m 6 0 2 - 2 由2 62 - 1 巾3 2 单位重量( k g m ) 1 2 5 02 4 33 5 4 钢丝直径d ( 衄) 2 81 71 5 截面积( c m 2 ) 1 3 6 62 5 93 9 2 公称抗拉强度( m p a ) 1 6 7 01 6 7 01 6 7 0 钢丝绳换算弹性模量( m p a ) 7 5 6 1 0 47 8 9 1 0 47 5 6 1 0 破断拉力( t ) 1 7 7 f 3 7 25 0 4 该种类安全系数 35 - 一63 5 3 ) 先进行上游拱肋施工，搭设0 聋段现浇支架，进行拱肋0 聋段现浇，进行其 他墩台下部结构旖工。 4 ) 利用缆索吊分别进行拱箱l 。和1 # 节段的吊装，挂1 4 和l 一扣索，浇筑接 缝混凝土；预制、安装临时牛腿支架，如图2 5 所示。利用临时支撑牛腿转换， 缆索吊装至0 4 节段，测量1 # 节段两端的棱镜的数据，调整拱段的侧面位置，采 用4 台y c w l o o b 千斤顶张拉扣索、锚索，调整拱段端头截面的水平位置与铅垂 位置。同步分级张拉，严格控制扣索、锚索张拉力，以避免出现过大的不平衡 水平力，并控制扣索塔架塔顶偏位不大于+ 5 c a 。拱肋调整到位后，焊接钢筋， 支撑模板，浇注混凝土，洒水养护至强度达到9 0 以上，方可进行下一节段的 安装。与此同时合理安排时间，依次完成其它3 个1 襻节段的安装。 5 ) 利用缆索吊分别进行拱箱2 4 和2 一节段的吊装。 为减少安装节段对已经架设的拱肋和5 。、6 4 过渡墩内力的影响，控制扣、锚 索索力的变化，拱段利用缆索提升就位后，将节段扣锚索挂设就位，初张拉扣 索使节段匹配面环氧树脂固化。焊接节段间连