（交通运输工程专业论文）psp乳化沥青在透层中的应用研究.pdf

s t u d y o nc a b l ef o r c e so p t i m i z a t i o na n d m o n i t o r i n g f o rt i e d - a r c hb r i d g e s ad i s s e r t a t i o ns ub m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y g e m i n g s u p e r v i s e db y p r o f q i a nz h e n d o n g a n d s e n i o re n g i n e e rl i nm e i t r a n s p o r t a t i o nc o l l e g e s o u t h e a s tu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 9 一 一 2 一 3 一 川5 一ii r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：j 鞋日期：2 里丝唑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 繇雄翩虢嗨 论文题目 作者姓名 导师姓名 学校名称 刚粱刚拱系杆拱桥吊杆初 戈铭 钱振东教授，林梅高工 东南大学 对于系杆拱桥而言，桥面荷载通 肋，因此吊杆是系杆拱桥联系梁拱结 个桥梁的正常运营。对于刚性系杆刚 吊杆的初始索力和成桥状态时的内力 响。 以南京市1 2 3 省道双牌石至狸桥段固城大桥主桥为工程背景，在对目前系杆拱桥的 施工控制技术、吊杆索力优化技术和索力测试技术进行大量研究的基础上，对刚梁刚拱 柔性吊杆组合结构中吊杆初始张力的优化方法进行了探讨，通过引入关于初始索力的目 标函数和影响矩阵，将刚性支撑连续梁法、零位移法和最小弯曲能量法用于固城大桥吊 杆初始张拉力研究，提出带约束的最小弯曲能量法在保证组合结构的内力合理分配的同 时，能够兼顾控制结构的变形，使结构最终能够达到合理的成桥状态，优化效果最好。 讨论了目前在索力测试方面应用比较广泛的振动频率法的基本原理，并利用能量法 的概念，引入不同边界条件下吊杆的形状函数，分析吊杆索力、固有频率和刚度之间的 关系，结合不同的边界条件推导出相应的索力计算公式，在固城大桥主桥施工监控中进 行了实际应用和分析比较，结果表明一端固支一端铰支的边界条件与实桥状态最为接 近。 关键词：系杆拱桥钢管混凝土索力优化监测技术 f o rt i e da r c hb r i d g e ，w e i g h to fb r i d g ed e c ka n db e a ma n dv e h i c l e si sr e s i s t e db ys u s p e n d e r s ， a n dt h e nt h o s ef o r c e sw i l lp a s st oa r c hr i b s i ti st h es u s p e n d e rt h a tl i n k sb e a ma n da r c h s t r u c t u r e t h u sw h e t h e rs u s p e n d e rc o u l dw o r kw e l lw i l la f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o ns t a t u so f t h ee n t i r eb r i d g e f o rr i g i d - f r a m e - a n d - b e a mt i e da r c hb r i d g e ，i tg e n e r a l l ya d o p t sf l e x i b l e c a b l e sa ss u s p e n d e r s ，a c c o r d i n g l y , t h ei n i t i a lc a b l ef o r c e sa n dt h ei n t e m a lf o r c e so fb r i d g e c o m p o n e n t sa f t e rc o m p l e t i o no fc o n s t r u c t i o nw i l li n f l u e n c et h eg e o m e t r yo fa r c hr i b sa s w e l la si n t e m a lf o r c ed i s t r i b u t i o n t a k i n gt h eg u c h e n gb r i d g ei nt h er o u t i n eo fs h u a n g p a i s h it ol i q i a op a r to fn o 1 2 3 p r o v i n c i a lh i g h w a yi nn a n j i n ga st h eb a c k g r o u n d t h i sp a p e r , w i t he x t e n s i v es t u d yo f b 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 o l o g ya n dc a b l ef o r c eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sa n dc a b l e f o r c et e s t i n gt e c h n i q u e s 。d i s c u s s e st h em e t h o do fi n i t i a lc a b l ef o r c eo p t i m i z a t i o no f r i g i d a r c h a n d - b e a ms t r u c t u r e s m o r e o v e r , t h r o u g ha p p l y i n gt h er i g i ds u p p o r tc o n t i n u o u s b e a mm e t h o d ，d i s p l a c e m e n tm e t h o da n dt h em i n i m u mz e r o b e n d i n ge n e r g ym e t h o df o rt h e s t u d yo fc a b l ef o r c eo fg u c h e n gb r i d g e a n db yi n t r o d u c i n gt h ei n i t i a lc a b l ef o r c e so nt h e o b i e c t i v ef u n c t i o na n dt h ei n f l u e n c em a t r i x ，t h ep a p e rd e v e l o p sac o n s t r a i n e dm i n i m u m b e n d i n ge n e r g ym e t h o dw h i c hc a ne n s u r i n gt h er a t i o n a la l l o c a t i o no ff i n a lc a b l ef o r c e sa n d c a l lt a k ei n t oa c c o u n tt h ed e f o r m a t i o no fc o n t r o ls t r u c t u r e s ，s ot h a tt h es t r u c t u r ew i l l u l t i m a t e l ya c h i e v ear e a s o n a b l es t a t u s ，n l ew i d e l y u s e dv i b r a t i o nf r e q u e n c ym e t h o df o rc a b l ef o r c et e s t i n gi sd i s c u s s e d ，a n dt h e r e l a t i o n sb e t w e e nc a b l ef o r c e ，b a s i cf r e q u e n c ya n dr i g i d i t ya r ea n a l y z e db yu s i n gt h e c o n c e p to fe n e r g ym e t h o da n db yi n t r o d u c i n gs u s p e n d e rs h a p ef u n c t i o n su n d e rv a r i o u s c o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，a c c o r d i n g l y , d i f f e r e n tc a b l ef o r c ef o r m u l aa r ed e r i v e df o rd i f f e r e n t b o u n d a r yc o n d i t i o n s t h ea p p l i c a t i o ni nt h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o l o fg u c h e n gb r i d g e i l l u s t r a t e st h a t t h ec a l c u l a t e dv a l u eu n d e rt h eb o u n d a r yc o n d i t i o no fo n e e n d - h i n g e da n d a n o t h e r - e n d r i g i d l y c o n n e c t e di sm o s tc l o s et oa c t u a ls t a t u s k e y w o r d s ：t i e d - a r c hb r i d g e ，c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b e ，c a b l ef o r c e ，o p t i m i z a t i o n ， m o n i t o r i n g i i 目录 目录 摘! 耍 a b s t r a c t 。 目录 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 钢管混凝土系杆拱桥的发展概况 1 1 2 钢管混凝土系杆拱桥的构造 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 系杆拱桥施工控制研究现状 1 2 2 吊杆张拉力控制研究现状 1 2 3 柔性吊杆索力测试研究现状 1 2 4 吊杆索力研究的意义 1 3 本文的工程背景及主要研究内容 1 3 1 工程背景 1 3 2 本文的主要研究内容 第二章吊杆初始张拉力的目标函数优化 2 1 引言 2 2 确定成桥索力的传统方法 2 2 1 按成桥目标不同的分类 2 2 2 按实现成桥目标所用的方法分类 2 3 目标函数法基本原理和索力调整模型 2 3 1 目标函数法优化理论概述 2 3 2 吊杆内力调整的影响矩阵和约束方程 2 4 目标函数优化模型的建立和求解原理： 2 4 1 刚性支撑连续梁法 2 4 2 零位移法 2 4 3 最小弯曲能量法 2 4 4 目标函数的解法原理 2 5 固城大桥算例分析 2 5 1 刚性支撑连续梁法求解 2 5 2 零位移法求解 2 5 3 最小弯曲能量法 2 6 本章小结 第三章吊杆索力监测方法研究及应用 3 1 引言 3 2 常见的索力测试方法简介 3 2 1 千斤项油压表读数法。 3 2 2 压力传感器读数法 3 2 3 振动频率法 i i i 东南大学工程硕士学位论文 3 2 4 波动法3 5 3 2 5 磁通量法3 5 3 2 6 索力测试方法的比较3 5 3 3 振动频率法基本原理3 6 3 4 应用能量法推导吊杆索力计算公式3 8 3 4 1 能量法的基本思路3 8 3 4 2 吊杆形状函数的确定3 9 3 4 3 索力计算公式的推导4 0 3 5 固城大桥算例分析4 1 3 5 1 索力标准值检测方法的选择4 1 3 5 2 计算参数的选取4 2 3 5 3 不同边界条件对索力计算的影响分析4 2 3 6 本章小结4 3 第四章固城大桥主桥施工监控4 4 4 1 系杆拱桥施工监控概述4 4 4 1 1 施工监控的目的和原则4 4 4 1 2 施工监控的主要内容4 4 4 1 3 施工监控的方法和步骤4 4 4 2 固城大桥主桥施工监控的实施4 5 4 2 1 施工监控的依据4 5 4 - 2 - 2 施工监控的内容4 5 4 2 3 施工监控的策略4 6 4 2 4 变形、变位与环境温度监测方案4 7 4 2 5 拱肋、系梁、横梁及吊杆的监测方案4 8 4 3 固城大桥主桥施工监控成果分析5 0 4 3 1 系梁变形监测结果5 0 4 3 2 系梁应力监测结果5 0 4 3 4 索力实测结果与理论值的对比5 l 4 4 本章小结5 2 第五章总结与展望。5 3 5 1 全文总结5 3 5 2 进一步研究设想5 3 参考文献5 4 作者简介5 6 后记5 7 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 钢管混凝土系杆拱桥的发展概况 拱桥作为桥梁的一种结构形式，历史悠久，在世界桥梁发展史上具有重要意义。在 古代，由于材料的限制，大多采用石料修建拱桥，世界上现存最早的石拱桥为古罗马帝 国的遗迹。在我国，最早的石拱桥文献纪录可以上溯到公元前2 8 2 年，而进入到隋唐、 宋元以后，随着社会经济、文化、技术水平的发展，桥梁建设也取得了辉煌的成就，其 中以建成于隋代大业年间的河北赵县安济桥( 即赵州桥) 为最，该桥跨径3 7 4 米，矢高 7 2 3 米，宽约9 米，是目前存世跨径最大的古代石拱桥，足以彪炳史册。 石拱桥因自重大、跨越能力有限和施工不便等原因，随着工程材料的不断发展，逐 步退出历史舞台，取而代之的是由钢铁、混凝土或钢混凝土组合材料修建的现代拱桥。 进入2 0 世纪以来，随着工程技术的长足进步和悬臂浇注、转体施工、劲性钢骨架、钢 管拱架和预应力技术的采用，一种新的桥梁结构体系梁拱组合体系桥梁被提出并逐 渐广泛应用。 梁拱组合体系桥梁将主要承受弯矩的纵梁和主要承受压力的拱肋组合起来共同承 担荷载作用，使得梁与拱在受力方面的优点得以充分发挥，表现出优良的工程技术指标 和优美的外观造型，兼得了简支梁桥结构轻盈、无外部水平推力、适合于软弱地质条件 和拱桥较大跨越能力的优点，使得梁拱组合体系桥梁在5 0 - - 2 0 0 米跨径范围内具备了较 大的竞争优势。 系杆拱桥主要由系杆( 纵梁) 、拱肋、吊杆、桥面系统和下部构造等组成，通常可 以根据拱肋与系杆的相对刚度的大小不同，把系杆拱桥分为柔性系杆刚性拱( i 系i 拱 1 0 ) 和刚性系杆刚性拱( 0 1 i 系i 拱 1 0 ) 三种类型【。 无论是上述哪种形式，均有如下的共同优点，即拱产生的推力由系杆承担，结构外部静 定，墩台不承受水平推力，故可以建造在松软的地基上。随着高强度钢索的应用和预应 力技术的发展，可以用钢索制造吊杆，而承受拉伸和弯曲变形的系杆则采用预应力混凝 土梁，可显著减轻结构自重，降低造价，并便于桥面系与系杆的连接。 最早的系杆拱桥始建于欧洲，是钢系杆拱桥，后来又陆续修建了一批混凝土系杆拱 桥。上世纪初，德国于1 9 1 0 年修建了跨径4 8 米的钢筋混凝土系杆拱桥( s t a r z e r 桥) ， 瑞士于1 9 1 2 年修建了跨径3 0 6 米的钢筋混凝土系杆拱桥( g i e z e n e n 桥) 。后来，西德 等欧洲国家以及日本、美国都先后修建了一批有代表性的大跨径系杆拱桥，如西德于 1 9 6 3 年建成的f e h m a m s u n d 桥，是一座公铁两用桥，采用了倾斜拱面网状吊杆形式 ( n i e l s e n 体系) ，跨径达到了2 4 8 4 米；又如美国于1 9 7 3 年在俄勒冈州w i l l a m e t t e 河 建成的f r e m o n t 桥，该桥把中承式系杆拱桥的跨径纪录提高到3 8 2 6 米。 我国系杆拱桥的发展始于上世纪五十年代，走的是一条适合国情、以预应力混凝土 材料为主的道路。自1 9 5 6 年兰州新城黄河上第一座装配式预应力混凝土系杆拱桥建设 落成以来，我国已经修建了大量的系杆拱桥。短短几十年，系杆拱桥跨度从最初的几十 米发展到现在的几百米，施工方法也发展出满堂支架施工、缆索拼装吊装施工、整体吊 装施工等多种技术手段，拱肋材料由以前较为单一的钢筋混凝土或预应力混凝土结构发 东南大学工程硕士学位论文 展到现在的钢结构拱和钢管混凝土拱。特别是最近二十年，随着桥梁工程实践的增多， 计算理论和计算手段的更新和改进，钢管混凝土、钢材作为拱肋材料在设计和施工中的 成功应用，为系杆拱桥新一轮的发展奠定了基础。 钢拱系杆拱桥拱肋采用箱型或桁架式，发挥了钢材良好的材料特性，其结构自重轻， 拱肋整体性好，截面抗扭刚度大，横向整体性和稳定性好，在大跨径桥梁结构中表现出 较强的适用性。在钢拱桥方面，国外发展的比较早，澳大利亚早在1 9 3 2 年就建成了跨 度为5 0 3 m 的公路铁路两用的钢桁架拱桥悉尼大桥，我国在2 0 世纪6 0 年代末也建 成了一批钢拱桥，当时最大跨径的钢拱桥是四川攀枝花大桥( 主跨1 8 0 m ) ，然而限于 材料供应方面的原因，未能得到进一步发展。最近一段时期，由于钢材力学性能、设计 水平及产量的提高，我国逐步修建了许多钢拱桥，而且在桥梁规模和跨度都有不断增大 的趋势，2 0 0 3 年6 月2 8 日建成通车的上海卢浦大桥主跨达5 5 0 米，采用全焊接工艺的 钢结构拱肋，主拱截面尺寸达9 m x 5 m ；目前，世界最大跨度的钢桁架拱桥当属2 0 0 9 年 4 月2 9 日建成通车的重庆朝天门大桥，其主跨达到5 5 2 米，位居世界第一。 图1 - 1 上海卢浦大桥( 主跨5 5 0 米)图l _ 2 重庆朝天门长江大桥( 主跨5 5 2 米) 钢管混凝土( c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e ，简称汀) 最早应用于建筑工程，18 9 7 年美国人j o h nl a t r y 在圆形钢管中填充混凝土用作房屋建筑的承重柱并申请专利以来， 钢管混凝土在土木工程领域的应用己超过百年历史。钢管混凝土是将混凝土填入薄壁钢 管内而形成的一种组合结构材料，它一方面借助内填的混凝土来增强钢管的稳定性；另 一方面借助钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核 心混凝土具有更高的抗压强度和变形能力。同时，外钢管往往可替代模板，便于施工。 通常在相同的承载力的条件下，钢管混凝土结构有较好的经济效益。因而，钢管混凝土 结构以其强度高、塑性好、造型美观等优点受到了高度重视。 钢管混凝土拱桥由钢管混凝土拱肋、立柱或吊杆、横撑、行车道系和下部构造等组 成，钢管混凝土拱肋是主要的承重结构。它的施工特点是先架设成空钢管拱，在此基础 上浇注拱肋混凝土，安装吊杆、桥道系，浇注桥面铺装，从而形成钢管混凝土拱桥。与 钢筋混凝土拱桥相比，钢管混凝土的采用同时解决了拱桥材料高强化和拱圈施工轻型化 两大问题，促进了拱桥向更大跨度的发展。 2 0 世纪3 0 年代苏联曾用钢管混凝土建造了一座跨径l o l m 的公路拱桥和一座跨径 1 4 0 m 的铁路拱桥。我国从1 9 5 9 年开始进行钢混凝土组合结构研究，并成功地应用于 地铁、冶金、造船、电力部门厂房建筑等各个工程领域。1 9 9 1 年4 月，我国建成第一座 钢管混凝土拱桥四川旺苍大桥，此后钢管混凝土拱桥在我国得到迅猛的发展，至今 已建和在建的钢管混凝土拱桥已有百余座，如天津开发区彩虹桥，采用了简支式三联拱 2 第一章绪论 的结构形式，跨径为3 x 1 6 0 米；2 0 0 5 年1 月8 日正式建成通车的重庆巫山长江公路大 桥，为中承式钢管拱桥，主跨跨径4 9 2 米，居同类型桥梁世界第一，并创下组合跨径、 每节段绳索吊装重量、吊塔距离、拱圈管道直径和吊装高度5 个世界第一；2 0 0 7 年1 0 月2 9 日建成通车的重庆菜园坝长江大桥，采用中承式无推力钢管混凝土系杆拱桥，主 跨跨径4 2 0 米，钢结构总重达1 8 0 0 0 余吨，是集钢管拱、钢箱梁、钢桁梁各种新型桥梁 结构形式和科技成果于一身的现代化桥梁，这一大批钢混凝土组合结构桥梁的建成， 标志着我国钢管混凝土拱桥综合技术走向世界前列。下表中列出了我国修建的部分代表 性钢管混凝土系杆拱桥。 图l - 3 巫山长江公路大桥( 主跨4 8 2 米)图1 4 重庆菜园坝长江大桥( 主跨4 2 0 米) 表1 - 1 我国修建的部分代表性钢管混凝土系杆拱桥一览表i ”l 序号名称 结构形式 跨径拱圈截面形式建成时间 1 浙江义乌篁园桥下承式系杆拱 8 0 横圆端形 1 9 9 5 2 浙江义乌宾王桥下承式系杆拱 8 0 横向并列双圆 1 9 9 7 3 天津彩虹桥下承式系杆拱 1 6 0 哑铃形 1 9 9 8 4 四川旺苍东河大桥下承式系杆拱 1 1 5 哑铃形 1 9 9 0 5 河南安阳文峰路立交桥下承式系杆拱 1 3 5 混合桁式 1 9 9 5 6 广州解放大桥下承式系杆拱 8 0 哑铃形 1 9 9 7 7 广东南海佛陈大桥下承式系杆拱 1 1 2 8 哑铃形 1 9 9 4 8 浙江绍兴柯大桥下承式系杆拱 9 2 哑铃形 1 9 9 3 9 深圳北站大桥下承式系杆拱 1 5 0 四肢桁式 2 0 0 0 1 0 浙江新安江望江大桥中承式系杆拱 1 2 0 哑铃形 1 9 9 3 1 1 福州解放大桥中承式系杆拱 8 0 哑铃形 1 9 9 6 1 2 江西景德镇瓷都大桥中承式系杆拱 1 5 0 哑铃形 1 9 9 7 1 3 黑龙江依兰牡丹江大桥中承式系杆拱 1 0 0 三肢桁式 1 9 9 7 1 4 三峡下牢溪大桥上承式系杆拱 1 6 0 高变度哑铃形 1 9 9 6 1 5浙江诸暨西施桥 中承式系杆拱 6 4竖圆端形1 9 9 6 1 6广东南海三山西大桥 中承式系杆拱 2 0 0横哑铃形桁式 1 9 9 5 1 7广州丫髻沙大桥中承式系杆拱3 6 0六肢桁式变高度 2 0 0 0 1 8杭少i 1 钱塘江四桥上、中、下承式系杆拱1 9 0 、8 5四肢桁式 2 0 0 4 1 9 巫山长江公路大桥中承式系杆拱 4 9 2 钢管拱桁架 2 0 0 5 2 0 重庆菜园坝大桥中承式系杆拱 4 2 0 组合箱型 2 0 0 7 东南大学工程硕士学位论文 1 1 2 钢管混凝土系杆拱桥的构造 钢筋混凝土系杆拱桥主要由上部构造( 桥跨结构) 和下部构造( 墩台) 两大部分组 成，拱肋与系杆构成组合体系共同受力，桥面荷载由吊杆( 立柱) 传递给拱肋承担，系 杆则承受平衡拱肋水平力的拉力。 1 、拱肋 拱肋是钢管混凝土拱桥中的主要承重构件，承受较大的轴向压力，而且在活载作用 下还要承受一部分弯矩。一般而言，拱肋所受的弯矩较小，轴力相对较大，从受力特性 看，属于以受压为主的偏心受压构件。 钢管混凝土拱肋的结构形式一般有单圆管型、哑铃型及桁架型等。单圆管施工简便， 抗扭性能较好，抗轴向力性能由于紧箍力作用显现出优越性，但其抗弯效果偏低，所以 主要适用于跨径不大( 一般不大于8 0 米) 的城市桥梁中。哑铃型截面类似于工字型截 面，较单圆管截面抗弯刚度大，典型项目有无锡市华清大桥( 图1 5 ) ，采用哑铃型钢 管混凝土提篮拱肋，主跨达1 4 8 米，是我国第一座下承式哑铃型侧倾系杆提篮拱桥；目 前国内己建成的哑铃型钢管混凝土系杆拱桥中以天津彩虹桥跨径最大，跨度达到1 6 0 米， 拱肋由两根口1 5 0 0 m m 、壁厚1 6 m m 的钢管和缀板组成高3 7 5 米的哑铃型截面。相对于 上述两种形式而言，桁式拱肋能够采用较小的钢管直径取得较大的纵横向抗弯刚度，能 充分发挥材料的力学特性，对跨径超过1 0 0 米的钢管混凝土拱桥，桁式拱肋是合适的截 面形式，如巫山长江公路大桥( 图1 3 ) 、广州丫髻沙大桥( 图1 6 ) 、杭州钱塘江四桥 等都采用了桁式拱肋。 图1 - 5 无锡华清大桥( 哑铃型拱肋) 主跨跨径1 4 8 m 图1 - 6 广州丫髻沙大桥( 桁式拱肋) 主跨跨径3 6 0 m 2 、拱的横向联系 当拱肋横向稳定性不足时，需设置横向联结系，即横撑和端横梁。 横撑设置于多片拱肋之间，可以提高拱肋的横向稳定性，同时改变纵向失稳波形。 上承式钢管混凝土拱桥由于可采用多肋结构，其横向联系的布置也相对容易，通常布置 成等间距的横撑，相对而言，中、下承式钢管混凝土拱桥拱肋横向联系的布置受到行车 空间的限制只能布置于拱项附近，一般采用一字型或k 型撑，具体布置与桥宽、跨径、 荷载等因素有关。中、下承式钢管混凝土拱桥横撑结构可采用单根钢管、两根钢管或多 根钢管组成的桁式。从美观角度而言，应尽量采用较少的横撑，通过分析，一些钢管混 凝土拱桥取消了横撑。 第一章绪论 端横梁也属于横向联结系的一部分，而且同时承受行车道板传递的荷载。端横梁最 重要的作用是将两片拱肋系统联结成一体，使之不产生横桥向的相对位移，同时对顺桥 向的拱肋相对位移也起较大的约束作用。所以端横梁也是钢管混凝土拱桥的重要构件。 3 、吊杆和立柱 吊杆是将行车道板的荷载传递给拱肋的构件，分为刚性吊杆和柔性吊杆。 刚性吊杆一般采用预应力、部分预应力或普通钢筋混凝土制成，自身有较大的抗弯 刚度，除了承担轴向拉力外，还须抵抗上下节点处的局部弯曲。为了减小刚性吊杆承受 的弯矩，顺桥向的尺寸一般设计得小些。而横桥向的尺寸为了增强拱肋的稳定性，则设 计的大些。近年来新建的系杆拱桥较少采用刚性吊杆。 表1 - 2 国内部分中，下承式系杆拱桥的吊杆形式一览表i 抽1 名称结构形式跨径( m )吊杆材料 吊杆防护形式吊杆锚具 广州丫髻沙大三跨连续自锚中承式 9 1 0 7 m m 镀锌高强o v m l z m 冷铸镦 桥钢管混凝士拱 7 6 + 3 6 0 + 7 6 度低松弛钢丝束 头锚 广西邕宁邕江 中承式钢筋砼拱 3 1 2 2 1 7 0 5 m m 平行钢外套钢管、内灌 o v m 挤压扁锚 大桥 绞线水泥砂浆 四川宜宾南门 中承式劲性钢骨砼拱 2 4 0 2 1 7 巾5 m m 钢绞线 外套钢管、内灌 x m - 2 1 星形夹片 金沙江大桥水泥砂浆 锚 广西梧州桂江 1 3 5 0 5 m m 镀锌低双层黑色p e 防o v m d s 5 1 3 5 镦 三桥( 鸳江大中承式钢管砼系杆拱 4 0 + 1 7 5 + 4 0 桥) 松弛预应力钢丝护头锚 9 1 0 7 m m 镀锌低松高密度聚乙烯 天津彩虹桥下承式钢管砼系杆拱 1 6 8镦头锚 弛预应力钢丝双层防护 福建石潭溪大 中承式钢管砼拱 1 6 5 m s s 7 3 m m 丝挤包护层 镦头锚 桥 广东深圳北站 下承式钢管砼系杆拱 1 5 0 2 根6 1 0 7 m m 平行 热挤聚乙烯护 冷铸镦头锚 桥 钢丝索套 成都青龙场立 下承式钢管砼系杆拱 1 3 2 1 9 ( 1 2 ) 7 0 5 m m y m 锚、特殊锚具 交桥钢绞线 预应力高强钢丝热挤聚乙烯护 蜀河汉江大桥中承式钢管砼拱桥 2 1 2 0 冷铸镦头锚 p e s 5 1 0 9 成品索套 广东荷塘西江三跨下承式钢筋砼系 1 1 0西5 m m 高强钢丝 外套钢管、内灌 镦头锚 大桥杆拱水泥砂浆 广东肇庆大旺热挤聚乙烯护 大桥 中承式钢筋砼拱 1 0 8 7 3 0 7 m m 平行钢丝镦头锚 套 中下承式钢管混凝土拱桥多采用柔性吊杆，吊杆材料有圆钢筋、高强钢丝和钢绞线。 柔性吊杆的工作环境与斜拉桥的斜拉索类似，要求有较高的承载能力和稳定的高弹性模 量( 低松弛) 、良好的耐疲劳和抗腐蚀能力，并且应易于施工。常用的斜拉索有平行钢 丝索、平行钢绞线索、单股钢绞缆和封闭钢缆。锚具主要有墩头锚、冷铸锚和夹片锚。 斜拉索索体一般采用q ) 5 m m 函7 m m 高强钢丝组成半平行钢丝索( 也称扭绞型平行钢丝 索) 。钢管混凝土拱桥的吊杆也多采用斜拉索的构造。由于配有墩头锚或冷铸锚的半平 行钢丝索在耐疲劳性能和施工便捷方便优于夹片锚配平行钢丝索，所以得到了更多的应 用。一些厂家还开发了专用于拱桥的吊杆拉索。 对于中承式拱桥的上承部分和上承式的系杆拱桥，立柱也是传递行车道板荷载给拱 肋的传力构件。立柱主要为受压构件，一般采用钢筋混凝土材料。长立柱柔度较大，能 东南大学工程硕士学位论文 通过自身一定的变形适应桥面系与拱肋变形不协调的问题，与拱肋可以采用刚接。短立 柱刚度较大，则可以以混凝土铰与拱肋铰接，即通过削弱立柱与拱肋连接处的截面，使 结构可以产生需要的转动，形成类似铰的作用。表1 2 中列出了国内部分中、下承式系 杆拱桥的吊杆形式。 4 、桥面系 钢管混凝土拱桥的桥面系主要由横梁和行车道板组成。 横梁的作用是将行车道板的荷载传递给吊杆。横梁受力可以简化为简支体系、连续 体系和刚架体系三种情况。对于柔性系杆来说，两排吊杆悬吊的横梁受力表现为简支梁。 对应三排吊杆，则横梁受力表现为连续梁。对于吊杆与刚性系杆和横梁固结的情况，横 梁的受力表现为两端弹性固结的刚架，刚性系梁起弹性固结的作用。 桥面系的行车道板支承在横粱上。由于横梁设置的间距不大，所以行车道板一般采 用板高较低的简支或连续钢筋混凝土板。桥面系布置方式分为横铺桥面板式、纵铺桥面 板式和整体肋板式三种。 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 系杆拱桥施工控制研究现状 桥梁施工监控概念的首次出现要追溯到2 0 世纪5 0 年代，第一座现代斜拉桥 s t r o m s u n d 桥施工时，建造者就如何使索力和标高达到设计要求的问题进行研究。1 9 5 8 年时修建t h e o d o nn e n s s 斜拉桥时，设计者首次提出了采用“倒退分析”的方法计算出各 施工阶段结构的标高和初始索力，这种方法在1 9 7 8 年竣工的美国p k 桥中得到了应用。 我国虽在2 0 世纪5 0 年代就己注意到施工中结构内力和变形的调控，如1 9 5 7 年建 成的武汉长江大桥在施工过程中就做了应力、标高的监控和调整。但在现代桥梁施工控 制技术方面的研究相对起步较晚，目前在国内研究较多的是缆索吊装法和转体施工法的 施工控制、浇注钢管混凝土阶段稳定分析、钢管混凝上密实性质量控制、吊杆张拉施工 控制分析以及钢管外表面防腐涂装工艺等。 钢管混凝土系杆拱桥因材料强度高和跨越能力强，其稳定问题在其实践过程中一直 受到重视。在设计过程中一般均采用有限元通用程序进行侧向弹性一类稳定分析。韩大 建和颜全胜【4 】考虑了几何非线性、吴尚杰【5 】、杨永清【6 】考虑了材料的非线性对钢管混凝 土肋拱进行了侧向稳定性分析。颜全胜、韩大建和骆宁安【4 j 根据颜全胜提出的u l 列式 空间薄壁梁单元，考虑初始变位等缺陷的影响，建立了拱桥面内外线性屈曲和非线性稳 定的计算方法，并分别计算了一座下承式钢管混凝土拱桥在施工的三阶段及成桥后的侧 倾稳定性能。针对近年来对钢管混凝土拱桥设计产生的需要，国内还有许多学者对其稳 定性采用有限元的方法进行了分析研究，例如何维1 7 j 利用有限元法，考虑了结构的几何 非线性，对钢管混凝土提篮拱桥的横向稳定性进行了分析，王宇【8 j 将控制位移法用于钢 管混凝土拱桥的横向几何非线性有限元稳定性分析中，贺拴海等人p j 对钢管混凝土拱肋 的某个截面，分别用容许应力法和极限状态法推导出钢管混凝土构件的极限承载能力， 指出以极限状态法所计算的钢管混凝土拱桥承载力比容许应力法计算的结果大很多，说 明当时在拱桥的验算中以钢管应力控制设计来验算其承载力是偏于保守的。陈宝春、陈 友杰1 1 0 j n 对钢管混凝土拱肋的面内极限承载力进行了全过程的模型试验和双重非线性 有限元分析，分析结果表明，按弹性稳定理论得到的拱的稳定临界荷载偏大，于安全不 利。综上，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，并通过 第一章绪论 有限元方法予以实现，是拱桥稳定承载力研究的趋势。 系杆拱桥的跨径部分在7 0 8 0 m 范围内，就施工成桥技术而言，一般多采用有支架 施工方法。对于跨径超过1 0 0 m 的大跨径系杆拱桥，也采用有支架施工方法。对于特大 跨径系杆拱桥的支架施工实践不多，故国内外相关的工程研究较少。由于在支架上现浇 系杆，系杆接头处平顺难以保证，进而影响到预应力管道的平顺，对系杆预加应力产生 不利的影响。文献【i l 】介绍了丹阳运河大桥( 主跨跨径为7 0 m 的预应力混凝土系杆拱桥) 有支架施工方法及无粘结预应力钢束张拉工艺。现行公路桥涵施工规范( j t j 0 4 l - 2 0 0 0 ) 【1 2 】规定预应力束张拉必须采用“双控”，井且提供了伸长最理论计算方法及实测方法。但 己有的技术文献研究表明，这些方法对于预应力束长小于1 0 0m 时是适用的，当预应力 束长度大于1 0 0 m 时，规范给出的k 和u 值都偏小。刘晓明l l3 j 通过研究认为，系杆的长 预应力钢束在施工中必须进行监控，以确定张拉时的预应力损失量，为保证预应力张拉 效果，应当研究长束张拉的具体控制方法，为施工监控提供科学依据。 进入8 0 年代以后，随着计算机在桥梁工程中的应用的普及和深入，桥梁工作者开 始运用计算机辅助桥梁施工。1 9 8 2 年建成的上海泖港大桥( 主跨2 0 0 m 的斜拉桥) 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索塔水平位移的施工控制，引 起了桥梁界对桥梁施工监控技术的研究的高潮。 8 0 年代后期，国内学者和技术人员对斜拉桥的施工监控技术进行了全面研究，并初 步形成系统，在上海南浦大桥和浙江涌江斜拉桥施工中进行了实际的应用。该系统主要 依靠计算机用理想的施工倒退分析程序和考虑混凝土收缩徐变影响的控制分析程序提 供每一施工阶段的理论状态计算控制值，在现场与实测值进行比较分析，并通过对设计 参数的识别和拉索索力实施双控。这一系统在简化施工过程、保证质量、提高效率和缩 短工期方面发挥了重大作用。这些软件在结构分析计算方面，各种算法基本成熟，理想 状态设计及调索计算分析也已完善，但是控制系统研究较少。近来推广的卡尔曼滤波法 对斜拉桥施工过程中的参数进行识别，在此基础上建立了一个施工量测识别 修正预告的自适应控制系统。交通部公路研究所和西安公路交通大学联合开发 了灰色预测控制法，并在虎门悬索桥的施工控制中得到了成功的应用。 在系杆拱桥施工控制方面，已从最简单的开环控制，通过倒装分析来设置拱肋预拱 度向全过程的自适应控制方向发展。有些学者采用了正、倒装交互迭代的方法来求解系 杆拱桥施工过程中的理想设计状态，并运用了最小二乘法对施工控制中的一些参数误差 进行识别修正，其成果在江汉五桥得到了应用。武汉理工大学袁海庆教授【l4 j 针对钢管混 凝土拱桥的施工特点，提出了基于迭代理论的前进算法来模拟其施工过程，并利用 a u t o c a d 的图形技术将整个施工仿真分析过程可视化，从而为施工控制仿真分析提供 了一种有效而快捷的手段。但是所有的研究都是基于钢管混凝土拱桥施工控制的某个方 面，还没有形成完善的施工控制系统。 与国外相比，我国在大跨度桥梁施工监控技术领域还有一定的差距，主要表现在对 桥梁施工控制的理论与实践的研究还不够，监测手段落后，对影响施工控制的因素研究 不透，预测和判断精度还不高，还未建立起一套完善的施工监控技术系统和组织管理系 统。因此，深入研究桥梁施工控制理论，建立完善的桥梁施工监控技术系统和组织管理 系统是今后桥梁建设事业发展迫切需要进行的工作。 1 2 2 吊杆张拉力控制研究现状 系杆拱桥与斜拉桥类似也是三元构件，主要分为拱、梁和吊杆。其中吊杆与斜拉桥 7 东南大学工程硕士学位论文 斜拉索类似，属于可调构件。通过合理设置吊杆张拉力，可对拱肋及行车道梁的受力状 态和线形进行调整和优化。而如何合理确定吊杆在施工过程及成桥状态中的索力，一直 是桥梁工程师们关心的课题。 目前国内对吊杆索力的研究，其基本思想都是借用斜拉桥的合理成桥状态及合理施 工状态确定的方法，主要有刚性支承连续梁法、无约束最小能量法以及内力平衡法等。 具体的研究有： 叶建龙等【1 5 】用刚性支承连续梁法、力的平衡法和刚性吊杆法进行成桥状态吊杆索力 初步计算，认为刚性支承连续梁法会出现某些柔性吊杆受压的情况；内力平衡法计算比 较繁琐：刚性吊杆法则能避免柔性吊杆受压用最优化方法计算成桥及施工阶段的吊杆张 拉力，并对进行实例分析，认为内力较合理。 孙健渊、朱敏等【l6 】采用以能量最小为目标结合结构状态参数约束范围的非线性规划 方法来考虑成型内力优化，以线形偏差最小为目标及附带线性调整约束条件的线性优化 方法来考虑成型线性优化。利用施工期结构状态变量与成桥状态目标的关系，建立了一 种施工期结构状态变量可以直接、正向的与成桥状态目标之间的关系。通过对状态目标 的最优化处理，可以求得不同施工阶段合理的吊杆张拉力。 楚海建【l 。7 】等通过对系杆拱桥吊杆张拉施工过程中吊杆内力相互影响的研究，编写结 构计算程序，以一次张拉施工过程中最大初始张拉力最小为目标，进行全部张拉顺序优 化，选择最优的张拉方案。 虞建成等【l8 】利用力的平衡概念推导出一种以系杆拱桥的系杆为相应刚性支承连续 梁弯矩为目标控制量的吊杆钢束初始张拉力的确定方法，同时考虑了整体结构、系杆内 预应力钢筋和混凝土徐变及收缩作用，得出较为合理的理想内力状态。如何在每一施工 阶段或在确定的某一状态下张拉吊杆预应力钢束又是一项较为重要的工作，文献中采用 常用的倒退分析法解决吊杆分阶段张拉的施工控制程序，能较为准确地使系杆达到期望 的内力