（道路与铁道工程专业论文）斜拉桥施工控制三维模型分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 斜拉桥是高次超静定结构，结构的内力和线型与施工中结构体系和荷载的 变化密切相关。随着科技的发展，斜拉桥跨度不断增大，结构更加轻巧，其施 工难度随之加大，施工周期变长，导致桥体施工中必然经历寒暑易节的影响以 及地震、风和其他施工荷载的激励。因此，在施工中选择合适的监控系统对其 结构进行控制与工程成功与否至关重要，而对结构进行静力和动力验算则是施 工控制中的核心工作。 本文首先研究了现有施工控制方法的特点，提出了一套斜拉桥专业化监控 系统。同时阐述了斜拉桥施工状态结构分析中采用三维模型进行模拟分析的必 要性，以及各个构件的等效模拟方法，并介绍了三维空间模型中不同簏工工况 下使用节点等效荷载的方法。 以三峡库区第一座高低塔斜拉桥( 云阳长江公路大桥) 为背景，分别建立 空间模型和平面模型，进行了静力计算，并从变形、内力、应力和索力等方面 分析了同一工况下各个节段和某个节段在不同工况下的变化规律，以及两种模 型计算结果之间的差别，为在实际工程中采用适宜的模型进行分析提供了参考。 同时鉴于静力分析中，目照温差对结构的影响一直困扰人们的现状，文中提出 了在实际施工中应根据实际情况采用不同方法计算结构温度场的观点，并给出 了计算公式，同时通过空间模型对最大悬臂状态下的主梁温度影响进行了计算， 并与实测数据进行了对比分析，验证了此方法的可靠性。 同时，研究了斜拉桥动力特性的整体特点和用有限元数值分析法对斜拉桥 进行动力分析的内容和难点。建立云阳长江公路大桥三维空间动力分析模型， 对不同施工状态下的结构进行了动力特性分析，根据其振型和频率，研究了其 设计方面的优点以及优化该类型桥梁的思路。通过对几种模型计算结果的对比 分析，探讨了该桥在不同施工状态下结构振动的特点，以及在不同激励下的响 应。并且，将分析结果推演到成桥状态不同结构体系、不同构件桥梁的动力特 性的差异，以期为同类型的桥梁提供借鉴和参考。 关键词：斜拉桥，空间模型，静力，动力特性，对比分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec a b l e s t a y e db r i d g ei sas t r u c t u r ew i t hh i g hd e g r e e s ，o fw h i c h i n t e r n a if o r o ea n dc o n f i g u r a t i o na r ec l o s e dt ot h es t r u c t u r a lf o r m a n d l o a d w i t ht h ed e v e l o p i n go fs c i e n c e ，t h es p a no fc a b l e - s t a y e db r i d g ei s l o n g e ra n dl o n g e r ，a n dt h es t r u c t u r e i s l i g h t e ra n dh a n d y b u tt h e c o n s t r u c t i o nw i l lb e a rc o l d ，h e a ta n ds a m et y p i c a ld y n a m i cm a t e r ，s u c h a ss e i s m i cr e s p o n s e ，w i n di n d u c e dv i b r a t i o na n do t h e rl o a di nt h e p e r i o do fc o n s t r u c t i o n t h u s ，i ta t t a c h e si m p o r t a n c et oc h o o s i n ga p r o f e s s i o n a lc o n s t r u c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h es t a t i cc a l c u l a t i o na n d d y n a m i cc a l c u l a t i o ni st h ec o r eo ft h ec o n s t r u c t i o nc o n t r 0 1 i nt h i st h e s i s ，o nt h eb a s i co fs t u d y i n gd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l m e t h o d so fc o n s t r u c t i o nc o n t r o l ，e s t a b l i s hap r o f e s s i o n a lc o n s t r u c t i o n c o n t r o ls y s t e mo fc a b l e s t a y e db r i d g e e x p a t i a t et h en e c e ss i t yf o r a d o p t i n g3 - ds p a c em o d a li na n a l y s i so fc a b l e s t a y e db r i d g ec a l c u l a t i o n o nc o n s t r u c t i o nc o n t r o ls t a t e a n di n t r o d u c et h em e t h o d so fd u m m y m e m b e ra n dh o wt ou s en o d ed u m m yl o a di nd i f f e r e n tm e d a l s t a k i n g t h e e x a m p l e o f y u n y a n gc h a n g j i a n g r i v e r b r i d g e ， e s t a b l i s ha3 - ds p a c e m o d a l ，c o m p u t e a n da n a l y z et h e v a r i e t y r e g u l a t i o nf r o md e f o r m a t i o ni n n e rf o r c e ，s t r e s s ，a n dc a b l et e n s i o n t h e n t h ed i s t i n c tb e t w e e nt h es o l u t i o n so ft h et w om o d e l si sd is c u s s e d b e c a u s et e m p e r a t u r ee f f e c t st h a ta r i s ei nb r i d g e sa l w a y sp e r p l e xu s i ns t a t i ca n a l y s i s ，i ti sa d v i s a b l et oc h o o s ea p p r o p r i a t em e t h o d sa t d i f f e r e n tt i m e i nt h i sp a p e r ，t h et e m p e r a t u r ee f f e c t s o nt h el o n g e s t c a n t i l e v e rp r i m a r yb e a ma r ec o m p u t e d i nt h es a m et i m e ，d a t af r o m s u r v e y i n g a n dc a l c u l a t i o na r em a d ec o m p a r i s o np a r t i c u l a r l y ，w h a t v e r i f i e st h er e l i a b i l i t yo ft h i sm e t h o d t h r e e d i m e n s i o n a ld y n a m i cm o d a li sa l s os e tu pa f t e re x p a t i a t i n g t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc a b l e - s t a y e db r i d g e s ，a n dt h ec o n t e n t s o fa n a l y s i sw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d c a l c u l a t e t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r i d g et h a tu n d e rd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n c a s e ， l l 武汉理工大学硕士学位论文 a n a l y z ei t s v i b r a t i o nd i s p e r s i o na n dr e s p o n s ew h e ns o m el o a da f f e c t ， d i s c u s si t sa d v a n t a g e sa n da p p r o p r i a t ew a y st oo p t i m i z et h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s m o r e o v e r ，t h e s ec o n c l u s i o n sc a nb ed e d u c e dt oa n a l y z e t h ed i s t i n c to fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i csb e t w e e nb r i d g e so fd i f f e r e n t s t r u c t u r a lf o r m sa n dm e m b e r s ，o fw h i c hm a yp r o v i d er e f e r e n c ei n b r i d g e so ft h es a m es t r u c t u r e k e yw o r d s ：c a b l e s t a y e db r i d g e ；3 一ds p a c em o d a l ；s t a t i c ；d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ：c o m p a r i s o na n a l y s i s 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 斜拉桥的特点 1 1 1 斜拉桥结构的受力特点 斜拉桥之所以能够飞速发展，是因为它具有独特的优势。斜拉索作为梁跨 的弹性中间支承，可以有效降低梁跨的截面弯矩，减轻梁重，从而提高了桥梁 的跨越能力。但是，斜拉桥的主梁高跨比较小，粱体十分纤细，当采用移动吊 机或挂篮进行悬臂施工时，由于吊机和挂篮自重很大，斜拉桥的主粱抗弯能力 相对较小，则可能会导致梁、塔、索由施工内力控制设计。 另外，斜拉桥的主梁线形、截面内力具有可调控性。其它梁式桥在设计中， 一旦结构尺寸、材料、施工方法等确定下来，结构恒载内力随之确定，无法人 为调整。但对斜拉桥而言，当施工阶段索力以外荷载形式作用在主梁和桥塔上 时，它是一种“主动受力”结构，因此，可通过调整斜拉索的索力来达到调整 结构内力和线形的目的。全桥合龙后进行的索力调整，还可以调整恒载内力， 消除由于混凝土收缩及大部分徐变产生的附加内力。 斜拉桥的水平分力对主梁产生轴向预压力的作用可以增强主梁的抗裂性 能，节约高强钢材的用量。斜拉桥中主梁的弯矩是由斜拉索拉力和荷载分别对 连续梁产生的弯矩叠加而成的。由于斜拉索拉力的方向与荷载相反，所以主梁 的弯矩就显著减小，挠度也相应的减少，梁体的受力情况得到改善。与悬索桥 相比，由于最外侧的斜拉索与索塔的夹角较大，斜拉索的水平分力对塔顶位移 有很大的制约作用，因而斜拉桥结构刚度较大，跨中挠度、塔顶位移较小。同 时由于斜拉索的长度不同，因而其自振频率各异，可防止梁体内出现大幅共振。 施工阶段的结构内力、位移具有继承性。随着施工阶段的推进，结构型式、 约束条件、荷载形式等不断变化，前一施工阶段的主梁线形与截面内力是后 施工阶段计算分析的基础，前期结构的施工情况影响后期结构的内力状态、力 学性能。因此，施工方案的任何改变，都将直接影响成桥状态。 此外，施工阶段的非线性效应影响也比较大。与成桥状态相比，施工过程 中结构体系转换前一真为悬臂状态，整体刚度相对较低。施工过程中斜拉索应 力水平较低，尤其是采用拉索多次张拉施工时，前几次张拉时斜拉索应力水平 很低，此时结构非线性行为更为明显。 茎坚里三奎堂堡主堂垡丝壅 1 1 2 斜拉桥结构的分析特征 对于中、小跨径的斜拉桥，特别是对称布置的斜拉桥，可将整个结构视为 弹性平面体系进行结构分析，其中斜拉索弹性模量可按e a r n s t 公式取有效弹性 模量。对于跨度较大的斜拉桥，由于构件变形较大，须采用有限变形理论进行 结构分析，以考虑结构非线性。 对施工过程中的某些特殊问题进行分析研究时，需根据实际结构体系、荷 载情况和施工方法选择相应的空间结构模型进行具体的计算分析。 斜拉桥总体分析中，除了考虑温度变化、混凝土收缩徐变、边界条件、预 应力张拉、体系转换以及非线性外，还要考虑具有垂度效应的斜拉索弹性模量 修正问题、索力可变的成桥状态优化问题、分段施工问题、达到成桥状态内力 和线型的施工张拉力和预拱度计算问题等。 对于大跨度斜拉桥施工中还应考虑地震和风的影响，对施工过程中最危险 的状态进行抗震抗风的验算“。 1 2 本课题的研究目的和意义 斜拉桥属高次超静定结构，未来斜拉桥会向着大跨径、更轻巧、更纤细的 方向发展，其施工难度会更大，斜拉桥的施工控制是保证斜拉桥成功修建的必 要条件之一，是斜拉桥建造过程中的一项关键的技术工作“”。现在，国内外有 关施工控制的方法有很多，但每种方法各有其不同的适用范围和局限性，因此， 对这些方法进行详细的分析归纳，从而建立一套具有针对性、高效的专业化、 智能化斜拉桥施工控制分析系统必将会给今后的斜拉桥施工带来一定的参考价 值。 在斜拉桥施工控制中，最关键的环节就是按照施工工序进行静力模拟计算。 现代桥梁的宽度大、横截面形式多样，桥梁结构的受力状况复杂，其空间效应 表现明显，平面分析的结果已很难反应桥梁的实际受力情况，再加上双向甚至 三向预应力的使用，使得结构受力状况更加复杂，必须进行空间分析才能考虑 这些复杂因素。不论是斜拉桥的结构型式还是实际受力状况，采用平面模型都 难以准确地模拟。为了保证桥梁结构的安全，有必要对已设计好的结构进行空 间分析，以校核设计，确保桥梁施工和使用的安全。而对于实际工程来说，如 果结构本身对称性较强。出于方便和经济等各种因素来考虑，平面模型又经常 被采用，所以在施工控制计算中同时采用空间模型和平面模型对结构进行对比 武汉理工大学硕士学位论文 分析，研究二者的计算结果数据对实际施工过程的影响便至关重要。 在目前所实行的桥梁设计中温度影响只是其中很微小的一部分，对温度效 应的考虑主要在桥梁设置伸缩缝、桥梁整体的温度均匀变化以及截面的顶部与 底部之间的温度线性梯度变化，而且世界各国对温度荷载的规定不一。在施工 控制中，由于温差影响，特别是不均匀温差的影响，结构会有较大变形和温度 应力，而不同的温度梯度模式得到的温度影响值相差甚大，甚至可能出现异号， 如果温度梯度模式选用不当，即使增大温度设计值，也不能保证结构的抗裂性“1 。 本文根据对现有温度影响计算的方法的研究，总结了在施工中快速计算温度影 响的方法，并利用空间模型进行了模拟计算，同时和相同情况下的温度对实际 结构的影响进行了对比分析，验证了该方法的有效性。 斜拉桥结构的振动是影响其使用与安全的重要因素之一。在人类社会高速 发展的今天，随着交通运输业的迅速发展，桥梁结构形式日趋多样化、轻型化 和大型化，因而大跨度桥梁的结构振动研究就成了普遍关注的问题。而现代斜 拉桥的施工周期一般很长，所以对施工阶段进行结构的自振特性模拟分析，同 样已成为当代桥梁工作者的主要任务之一。并且，全桥合龙后的施工状态和成 桥后的状态非常接近，在各个不同工况下对结构进行动力特性对比分析，不仅 可以为施工状态下安全性提供科学依据，同时可以推广到成桥状态下不同型式 的桥梁的动力特性对比研究，对促进桥梁设计理论的完善与发展，具有很重要 的现实意义和应用价值。 同时，本文所采用的工程背景为长江三峡库区第一座高低塔斜拉桥，对其 进行三维模型静力和动力方面的对比分析，可以为同类桥梁提供很高的参考价 值。 1 3 斜拉桥结构分析的发展及现状 1 3 1 斜拉桥空间分析的现状 桥梁结构分析是桥梁施工监控的一个关键环节，它经历了从平面计算到空 间计算、从线性计算到非线性计算、从静力计算到动力计算、从局部分析到全 桥整体分析的发展过程。近2 0 多年来，随着计算机和有限元技术的发展，出现 了一大批优秀的商品化有限元软件，如a n s y s 、a l g o r 、g q j s 和桥梁通等， 桥梁结构分析随之也取得了较大的发展。之后许多人也分别在不同层次上对桥 梁结构进行了空间分析，弥补了平面分析的不足，为结构设计提供了可靠的依 武汉理工大学硕士学位论文 据和经验。 从有限元理论来看，现已能用空间模型对桥梁结构进行比较细致的分析。 但由于桥梁结构的庞大及结构形式的复杂性，目前对斜拉桥进行全桥真正的三 维空间分析的例子并不多，所采用的软件基本上都是一些通用的商业软件，这 些商业软件都难以较好的模拟预应力效应。就大跨度斜拉桥而言，一般要对结 构进行三个层次的分析，即全桥结构的整体分析、主要构件的结构分析、复杂 细部和局部构造的结构分析。对于斜拉桥索塔，目前不仅有整体的空间分析， 还有用空间模型对施工过程进行了较详细的模拟，但对索塔在主梁施工阶段或 成桥后的受力状况没能进行分析。其次就对斜拉桥进行有限元分析这方面而言， 对复杂细节及局部构造的空间模拟分析研究得较多，但其边界条件较难以准确 确定，容易使计算结果失真。大部分斜拉桥都采用悬臂法施工，施工过程中的 应力状况往往控制结构的初始内力。目前很少有对大跨度斜拉桥施工过程中的 各种工况进行空间模拟分析，对p c 斜拉桥中预应力筋柬也没有一个很好的处理 方法。 利用有限元法分析结构有很多种离散模型，常用的有空间梁单元法”1 、板壳 元法“1 、三维实体法“1 、梁格法“1 和实体退化单元法“1 等。 ( 1 ) 空间梁单元法 空间梁单元法利用一维空间梁单元对结构进行离散。这种方法的特点是能 直接给出计算截面的内力和变形。按照结构受载后截面是否保持平截面，可区 分为自由扭转理论和翘曲扭转理论两种。 空间梁单元法按自由扭转理论分析的基本假定为： 横截面尺寸与跨度相比很小，即可将实际结构视作位于剪切中心上的弹 性梁元； 平截面假定，即变形前的平截面变形后仍保持平截面； 刚性截面假定，即变形后梁截面周边形状不变( 无畸变) ； 截面剪切中心线与梁截面形心轴线相重合。 翘曲扭转理论则考虑了受载后横截面发生了翘曲，增加了截面双力矩阵和 翘曲扭矩两项内力。 对于混凝土桥梁结构，理论计算和试验均证明，截面翘曲引起的正应力与 按自由扭转理论算得应力值相比很小，通常误差不超过5 1 0 ，一般按自由扭 转理论进行分析便可以满足设计要求。但对于钢箱梁，则必须考虑用翘曲扭转 进行梁单元的离散。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 板壳元法 有限元法是把原型的连续体分割成许多细小的单元，在称为节点的离散点 处连续起来分析复杂结构的方法。结构划分为简单单元的基本原理可以应用到 所有形状的复杂结构上，理论上讲，它可以分析任何复杂形状的结构。钢筋混 凝土桥梁通常做成空间箱形结构，采用板、壳单元进行离散，当板壳单元相当 细密时，可以包括桥粱结构的各种受力行为，如弯曲变形、扭转变形和局部变 形。由理论计算和试验可知，用板、壳单元法与空间梁单元法相比，变位基本 一致。 虽然板壳元法是分析桥梁上部结构最通用的种方法，但在实际应用时， 它需要整理大量的输入、输出数据，容易出错，对计算结果进行正确评价及对 结构受力行为进行解释都非常困难，无法给出与现行设计规范有直接联系的内 力结果，不便于工程技术人员使用。另外，板壳元法对有些结构也不是十分有 效，如对混凝土箱梁桥，一般用板壳元法模拟结构顶、底板误差不大，而横梁 尺寸一般比顶、底板大得多，用板壳元法模拟其受力，误差较大。而且，由于 桥梁结构施工过程复杂，又承受汽车或列车等活载作用，用此法求各种工况下 的最不利情况，计算工作量巨大，在应用上受到很大限制。 ( 3 ) 三维实体元法 桥梁结构分析过程中，对受力复杂部位有时需要知道结构的局部应力状态， 如桥梁结构承台、斜拉桥塔柱及主梁锚固区段、系杆拱桥拱梁连接节点、悬臂 梁桥梁端牛腿等。对此类结构的局部分析可以从蹩体结构中取出隔离体，按整 体分析得到的隔离体截面内力或位移条件作为隔离体边界条件，采用三维实体 元进行子结构分析。实体元可以采用四面体或六面体单元。 但是，从整体结构中取出隔离体进行局部分析时。隔离体的大小、内力、 位移边界条件等因素对分析结果影响很大。 ( 4 ) 梁格法 梁格分析法是用计算机分析桥梁上部结构比较实用有效的空间分析方法之 一，它具有基本概念清晰、易于理解和使用等特点。梁格法是将结构原型模拟 成便于计算机分析的等效梁格，通过对等效梁格的分析，得到结构原型的力学 性能和内力情况。由于梁格法能够较好地模拟原结构的空间受力性能，便于计 算机分析，因此被广泛用于各类桥梁的分析中。这种方法不仅适用于板式、梁 板式及箱梁截面的上部结构，而且对分析弯、斜梁桥特别有效。由于采用了纵 向梁格和横向梁格，因此特别适合宽梁桥，纵向梁格代表结构纵向内力，横向 武汉理工大学硕士学位论文 粱格代表结构横向内力，等效梁格的选取将直接影响到计算结果的精度和可靠 性。因梁格法较其他分析方法在实际应用上更为有效，故一般采用梁格法进行 分析，作为结构设计的整体控制。 ( 5 ) 实体退化单元 由于使用位移法基于经典板壳理论构造协调的板壳单元存在一定的困难， 板壳单元的构造一直是有限元领域中研究得最多的问题，出现了各种各样的板 壳单元。虽然基于板壳理论得到的板壳单元种类繁多，且仍层出不穷，然而由 于对简洁明了的等参单元的偏爱，人们一直希望把板壳结构当作一种特殊的块 体结构，采用三维实体单元或类似于三维实体单元的等参单元进行分析。浙江 大学徐兴教授对这类单元进行了细致的研究，通过引入相应的板壳假定，得到 一系列适用于薄板壳、中厚板壳、膜、梁结构分析的实体退化单元。 1 3 2 动力分析的研究现状 斜拉桥以其超强的跨越能力和出色的自身优点使其日益向大跨度方向迈 进，目前跨度已经发展到1 0 0 0 m 左右。随着跨度的增大，有很多问题便随之而 来。斜拉桥与其它一般梁式桥在结构体系、材料受力性能等方面都有明显的差 异，其抗风、抗震性能以及车振性能等均有其自身的特点。这就使斜拉桥的动 力分析成为人们关注的一个焦点。斜拉桥动力学特性的研究为桥梁的抗震设计、 抗风设计以及车辆振动分析等方面的内容提供了理论基础。动力学分析能更真 实地揭示斜拉桥的桥跨结构在汽车车辆荷载作用下的受力与变形状况，并能够 描述桥跨结构在地震作用和风荷载作用下的结构响应“。此外，斜拉桥的动力分 析还可以应用于桥梁的动力检测之中，并为现代桥梁健康检测提供更好的检测 与评估方法。 在斜拉桥几十年的发展历程中，国内外桥梁专家们对斜拉桥动力特性方面 的研究主要针对斜拉桥的抗震和抗风两方面，而对斜拉桥结构的自振特性研究 相对用的精力并不多。早在1 9 8 2 年f l e m i n g 和e a e n e s e l i 就曾经采用线性和 非线性的分析方法对斜拉桥结构进行了地震响应分析，并得出对跨度2 0 0m 左 右的斜拉桥的地震反应分析结果非常接近的结果。而王克海等人则利用有限位 移理论，考虑斜拉索的垂度、桥塔和主梁的大位移引起的结构几何非线性，研 究了大跨度斜拉桥在自重和拉索的初张力作用下的平面和空间静力、动力分析 方法。可见，在不同时期，科学工作者们都在通过自己的不同方式推动着斜拉 桥动力学方面的发展。 目前，斜拉桥的设计理论、计算机技术的应用、结构稳定试验和减振控制、 有限元分析和施工质量的控制、检测技术飞速发展，特别是正交异性板流线型 扁平薄壁钢箱梁制造工艺更是日趋成熟。但与上述较成熟的理论相比，斜拉桥 武汉理工大学硕士学位论文 的动力特性分析和动力响应分析方面仍然是比较落后的。目前，斜拉桥正不断 的向大跨度、轻型化方向发展，对其在动荷载作用下的动力响应研究便显得十 分迫切。 桥梁结构的动力学特性主要包括桥跨结构的自振频率、振型、阻尼比以及 在车辆、风、地震等动荷载作用下的动力响应等”1 。斜拉桥的动力特性分析是研 究斜拉桥动力行为的基础，其自振特性决定其动力反应特性，分析斜拉桥自振 特性意义十分重大。 1 4 本文研究的主要内容 斜拉桥的出现为世界桥梁的发展注入了新的活力。斜拉桥作为一种由索、 塔和梁组成的组合结构体系桥梁结构，以其跨越能力大、结构新颖等优势而成 为现代桥梁工程中发展最快、最具竞争力的桥型之一。 本文结合云阳长江大桥工程实践，首先对目前斜拉桥的施工控制方法进行 了探讨与研究，然后利用空间梁单元法建立空间模型，对该桥分别进行了静力 和动力模拟分析，并对相应数据进行了归纳对比分析。主要有以下几方面内容： ( 1 ) 对现有混凝土斜拉桥施工控制的方法从不同角度进行分析研究，寻求 更加合理的控制思路和施工控制计算方法； ( 2 ) 利用由武汉理工大学自主开发的“v s e s ”可视化有限元软件系统对云 阳长江大桥进行模拟分析计算，介绍其建模特点，为今后工程中的施工控制等 仿真分析提供参考； ( 3 ) 对施工阶段进行空间静力分析，并通过对空间静力分析和平面静力分 析的结果进行数据对比分析： ( 4 ) 利用云阳长江大桥空间有限元模型，对结构进行施工阶段动力特性分 析，分析其振动特性的特点，以及其振型与其结构特点的关系； ( 5 ) 对各种施工状态下及成桥状态的云阳长江大桥的自振特性进行对比分 析，研究成桥状态斜拉桥体系对动力特性的影响； ( 6 ) 结合施工中实际测量数据，利用计算的方法对环境温差对斜拉桥的影 响进行了分析，探讨一种更为合理的施工中温度效应影响的计算方法，为以后 的施工提供一定的参考。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章施工控制模拟与空间分析原理 斜拉桥是高次超静定结构，由于施工中结构体系和荷载情况不断变化，使 得结构内力和变形也随之不断变化。所以应在施工中每一阶段的各个工况进行 计算分析，求得斜拉索的张力、主梁挠度、塔顶偏移、结构内力和应力，并在 施工中加以有效控制，才能保证斜拉桥施工过程中结构的受力状态和变形始终处 于最优状态。随着科学的发展，斜拉桥跨度的增大，结构更加轻巧，而施工难 度更大，这就使施工控制变得更为重要。全程跟踪监控可以保证施工过程中结 构安全和成桥线型平顺。监控的对象主要是主梁标高、斜拉桥索力、塔柱偏移 和结构应力，以及混凝土收缩徐变和温度变化引起的标高变化，严格控制合拢 时间和进行必要的技术处理，保证合拢段工程质量和成桥状态内力符合要求。 2 1 施工控制方法与施工控制模拟 2 1 1 施工控制方法研究 目前，斜拉桥的施工控制和误差分析方法主要有开环控制法、反馈控制法、 自适应控制法、参数识别法、灰色预测控制系统、卡尔曼滤波法、最佳成桥状 态法和斜拉桥施工控制精度系统等。“。 开环控制法是在设计中估计结构恒载和活载，由此计算出结构的预拱度， 在施工过程中按这个预拱度来施工，施工完成后的结构基本上达到设计要求的 线型和内力。但这对各部件的制作和安装的精度要求很高。 反馈控制法就是通过施工控制量的实测数据，进行计算，得出调整量，纠 正偏差。 自适应控制法即根据施工中实测到的结构反应，修正计算模型中的参数值， 使计算模型与实际结构磨合一段时间后自动适应结构的物理力学规律。 参数识别法是在斜拉桥施工过程中根据实测主梁挠度、结构内力、塔柱偏 移和斜拉索索力等信息运用最小二乘法识别和修改设计采用的参数，对结构进 行实时分析，对原有设计值进行校核和调整。然而，这种方法将各种误差完全 归咎于设计参数取值的变异性，夸大了参数识别的重要性。 卡尔曼滤波法是从被噪声污染的信号中提取真实的信号，估计出系统的真 实状态，然后用估计出来的状态变量，按确定性的控制规律对系统迸行控制。 武汉理工大学硕士学位论文 而卡尔曼滤波法主要是一个索力调整方法，且系统模型确定不准确时，容易出 现发散现象。 灰色预测控制是以灰色动态模型作为预测模型，并及时进行模型的反馈校 正，且始终保持模型的结构不变。然而，灰色预测控制系统将混凝土的收缩徐 变视为一种干扰不予考虑，但实际上混凝土斜拉桥的混凝土收缩徐变应被视为 一种主要荷载效应。 最佳成桥状态法定义了最佳设计成桥状态、最佳施工阶段和最佳成桥状态 三个重要概念，其实质是通过索力调整的手段使每一施工阶段成为最佳旌工阶 段。从而最终实现最佳成桥状态。 日本研制的施工精度控制法“”是首先确定误差范围，对需要控制的因素进 行高精度的量测，把量测结果输入计算机进行分析、温度修正，然后确定是否 要进行索力调整，并对下一施工阶段进行预测。 由上可见，施工监控和误差分析方法各存利弊，在实际工程当中应根据实 际情况，采用恰当适用的施工监控和误差分析方法，以使工程顺利竣工且线形 平顺，并符合索力和结构内力成桥最佳状态。目前，国外也有许多先进的施工 监控和误差分析方法，但我国在此领域与国外还有较大差距，如对桥梁施工控 制的理论与实践的研究还不够，对影响施工控制的因素研究不透，监测监控手 段落后，预测和判断精度不高，还未建立起一套完整实用的施工控制技术系统 和组织管理系统等等。 笔者根据对已有方法的研究和工程实践，总结了一套斜拉桥施工控制模式 ( 如图2 1 ) ，在实践中得到了较好的效果，具体程序如下： ( 1 ) 当施工方法确定后，按照设计图、规范或以往工程经验确定各种计算 参数，根据恒载和非线性影响等模拟各个施工工况，进行有限元分析，并考虑 预拱度、实际挂篮刚度、收缩徐变等等，建立设计期望值数据库，且预报第一 节段标高、索力和应力等各项指标的期望值。 ( 2 ) 按照上述期望的指标值，进行施工，测量主梁各点标高、塔柱水平偏 移、索力和应力等观测变量。然后根据测量时桥体的实际温度，对实测值进行 由于季节变化引起的均匀温差影响的修正。如果风荷载较大，应将风振荷载影 响分解为静风响应和抖振响应，对实测值进行修正。 ( 3 ) 将修正过的实测值与计算值进行比较，如在误差范围内，继续旌工 并预报下一工况的各个期望指标值。 ( 4 ) 检查测量仪器是否正常、数据是否正确( 虽然钡9 量前应定期对仪器进 行校核、校正) 。 ( 5 ) 检查临时施工荷载、架设和垫片等的偏差，并进行分析比较。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 设定桥梁线型控制条件，并通过调整模板高度进行误差修正。即模板 高度的确定除考虑预抬高度( 预拱度+ 累计挠度+ 其它增量) 、弹性变形、收缩徐 变、模板磨耗外，还应考虑温度修正和误差修正的调整量。 误 差 分 析 系 统 蚕1 萎l 实际几何截面，砼方量偏差分析 + 修正实测值2 一一一一一一一一一一一一一一 i 葬磊 tf 疆崽 材料特性等设计参数敏感度分析 | 工 t 确定计算值修正值 一曼：囊鼙晷葚超童j i 二三一一一一+ 丫i 设计 索力最佳调整值 目望值 1 一1 一一一一一一i i ij i i _ r n 设计值 。 一l ! ! 二一1 二二一一一 数据库 根据目标值调整索另j 并预报期望各指标值l 变换 1 0 计算与测试系统 预剥分析系统 武汉理工大学硕士学位论文 圈2 一l施工监控与误差分析模式 ( 7 ) 翔不能遴过模叛调节渚豫误差，癍考虑黼照等不筠匀温藏影响鞠结构 实际几何截面参数。以及越否有趣方等现浆，并对实测值进行再次修正。因为 l 蠡予工期豹器因，不韪绝辩镙 蒌每次测量都控铡套凌震；嚣叁手麓方凌象豹存 在，随着懋臂增长，塔根处主梁负弯矩大大增大，生梁标商误差将进一步增大。 ( 8 ) 对薰薮修燕的实测值与计舞期望馕进 亍比较，如投允谗误差范围之内， 则继续施工，并预报各个期望值指标。 ( 9 ) 对有限元计算分析中所使用的混凝土以及斜拉索的容重和弹性模爨等 参数进行敏感往分耩，荠确定毒幸算馕数据簿的嫠歪德。 ( 1 0 ) 挺修垂l 篷戆实溅篷与学茏过獒诗舞壤遴嚣努掺魄较，麴寒控刳在基 准值内，重新执行步骤( 9 ) 。 ( 1 1 ) 掇据毅计葵馕数据库，褥到结槐残存谈差，势转算成豢力最毽调整 值。 ( 1 2 ) 根据新的索力饿计算结构将来的应力，与结构允许应力进行比较， 若不符合要求，重渐确定索力最佳调整谴，矗至满足要求为丘。 ( 1 3 ) 根据目标值调整索力，并预报下一工况指标值。 ( 1 4 壤搀上述颧摄篷滋霉亍下一节段旗王，蒡德繇送孬( 2 ) ( 1 3 ) 懿控毒 与颧测分析。 ( 1 5 ) 菠结穆足傣参数、专毒辩特性参数等有误蓑，应焱避行至少2 3 个节 段的旌工与循环分丰厅后，变换计算模型，并更新设计期望俊数据库，确定新的 设计期望僵。 率系统模式应与计算机联网，都笔记零电脑与现场益控和误差分析相缩舍， 这样可以使数据收集和数据分析更加迅速，处理更加及时a 2 1 2 施工控制模拟计算方法 籍拉耩藏工控铡模攒分褥鬻弱豹方法蠢：歪装算法“、倒拆法“、杰装送我 法和无应力状态法h ”。 ( 1 ) 爱装算法： 所谓正装算法，也称为前进分析，就怒按照斜拉桥施工阶段前后次序，模 拟计算出各施工阶段的控铡参数，以擐导撩工的正常进展，来达到设计的成桥 状态。这种模拟计算方法的特点是：随着施工阶段的推进，结构形式、边界约 束条件、赞载形式在不断地改变。因此，前一阶段结构状态是本次施工阶段结 武汉理工大学硕士学位论文 构分析的基础。 正装计算分析，既可以确定成桥状态的结构内力状态，为结构强度、刚度 验算提供依据；又可以计入施工误差和进行控制调整，从而确定各个施工阶段 实时状态下的结构实际内力和变形，为施工阶段理想状态的确定，提供依据。 利用正装算法进行斜拉桥模拟计算时。只要计算参数选取正确，按照所获 得的施工控制参数和确定的施工顺序进行施工和控制，施工结束后，理论上斜 拉桥的成桥状态与设计的理想状态基本吻合。这种方法在施工控制计算中经常 采用的一些计算原则有： 刚性支承连续梁法 在斜拉桥施工的整个过程中，通过多次调索，使主梁在恒载状态下的内力 与刚性支承连续梁的内力趋于一致。 零弯矩法 首先设计索力的垂直分力与安装梁段预制构件的重力相等，然后通过在主 梁内旖加纵向预应力使得拼装面上的弯矩为零。这样，相邻梁段的主梁便不传 递剪力和弯矩，而只传递轴力，理论上后安装的梁段对已拼装的主梁不产生新 的位移，新安装的梁段也没有挠度。 三点( 或四点) 法 这种方法是利用斜拉索的索力设计，使主梁悬臂端的标高在施工过程中一 直保持为成桥状态的标高，在其后的三( 或四) 个节点的主梁通过施加预应力 来消除部分主梁和桥面板出现的拉应力。 内力平衡法 内力平衡法是假设主梁截面特性、活载内力和恒载内力为已知数，以此来 确定斜拉索初张力这个未知数，以使主梁各控制截面在恒载和活载共同作用下， 主粱上缘的最大应力与材料容许应力之比等于下缘的最大应力与材料容许应力 之比。 ( 2 ) 倒拆法 倒拆法是指从斜拉桥的成桥状态出发，按与实际悬臂施工相反的顺序，进 行逐步倒退计算而求出与备施工阶段相关的控制参数。然后，在按正装顺序悬 臂施工时，用此控制参数控制各施工阶段主梁标高和拉索索力，即可达到设计 的理想结构状态。 利用倒拆法计算时的初始应力状态即为施工完成时的结构状态。这一状态 的获得是从r ：0 0 时的理想结构状态( 设计状态) 开始，叠加上带相反符号的同 一体系的时差收缩和徐变变形及内力而得到的。一般情况下结构的线形应取设 计线形。 戴汉理工大学硕士学位论文 倒退分析的必黉条件题拆除构件应满足零内力条件，只有实现了零内力控 制，倒拆法计算才可能逼远精确鳃。零内力控制包括藤个方蕊，方面被拆卸 部分的构 串，在不计横向受力的条件下，萁内部各截面处瀚内力成为零；弱一 方面，剩余结构新拆断面外侧的内力也必须为零，而内侧的应力与该截面上锚 露黥颈应力筋有关。然蔼，由手j 线性结擒分撬不满足叠黧原理，霭镯装法计 算的基础就是叠加原理。所以，直接按倒裟计算法的结果进行正装旌工，桥梁 缕梭烽镳裹预定懿藏携状态。另乡 ，因袭濑凝稳锌豹收续、绘交与结构浆黟 成历程有密切关系，而倒减计算的顺序是缩构形成历程的逆过程，所以倒装计 算缀难计算混凝士收绩、徐变影响。 ( 3 ) 藏装迭代法 所谓正装迭代法是指在斜拉桥的设计中，通常先要确定一个合爆成桥状态， 蒸簿撮据撩定翡施王工痔确定各合壤施工状态。合疆成耩状态是捺籀拉轿在涟 工完成后，在所有慨载作用下，受力满足巢种理想状态。黼合理成桥状态的确 定逶鬻霹鼓不考虑戆工 童纛，只援攥液援状态鲍受力圈式寒诗羹。合理藏王状 态怒指按拟定的施工工序施工成桥盾达到岔理成拼状态的备施工状态，圭臻控 制参数为斜拉索张披索力j 羹主梁立攘标寒。一旦施工工序确定好飚，合理熬工 状态理论上是睢一臼勺。合理施工状态的确定通常有倒拆法、正装一例拆迭 弋法和 无威力状态控制法。这些方法都不同程度上存在不闭合问题，即根据所得到的 施工状态控潮参数邋行正装计算辩，与会醺成撬状杰不一致。 确定斜拉桥合蠼施工状态的正装迭代法，运用最t 、- - 乘法原理，根据合理 藏耱状态。逶遵正装迭代诗算，求逡各麓z 状态戆张挺索力秘立模彝塞，克骚 了倒拆法的一些弊端，有效地解决了结构的非线性问题。 ( 4 ) 燹应力状态法 将一崖已建成的斜拉桥结构解体，结构中各构件或者单元的最应力长度和 睦攀是一个确定的德，在桥梁结构施工中绒建成感，在任何受力状态下，备构 件躐单元豹无斑力长度和曲率恒定不变，只是梅 牛或荦元鹩有应力长度稻馥率 不相同而已。用构件或单元的无应力长度和曲率保持不变的原理进行结构状态 分疆装方法l 强无癜力状态法。秃癍力状态诗算法霹戳确定褥粱缝梅蓬王各藏 工阶段的理想状态。 2 2 斜拉桥有限元数值分析方法 2 2 1有限元数值分析方法篙介 有限元法楚萎卡年代零出袋懿处理困髂力学阉题鹁融数毽方法。瑗在在 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 各个领域已被广泛采用，有限元分析技术的应用极大地推动了土木工程的发展。 在2 0 世纪4 0 年代以前，虽然已提出了变分法、差分法、松弛法等计算方 法，但它们只能用于分析形状简单的结构，对于实际工程中很复杂的结构，事 实上很难进行比较精确的分析。当时在设计上往往只进行一些近似的分析，然 后依靠设计者的经验、已建工程的类比、模型试验和适当加大安全系数等办法 来保证工程的安全。当电子计算机出现以后，人们首先想到利用计算机求解杆 件结构力学中的力法和变位法的基本方程，形成了力法和矩阵位移法。5 0 年代 中期，才正式提出了有限元法的概念，把连续介质离散成一组单元，使无限自 由度问题转化成有限自由度问题，再用计算机求解。这一方法可用以分析形状 十分复杂的结构，所以它一出现就受到人们的普遍重视，很快扩展到固体力学 的各个分支，又从固体力学扩展到流体力学、热传导学、电磁学等各个领域。 当有限元法开始在桥梁结构分析中广泛应用后，它便带来了桥梁技术的重 大变革，并直接导致了密索体系斜拉桥的出现，使采用悬臂旌工法施工建造结 构复杂的桥梁成为现实。现在，基本上可以对桥梁结构进行真正的三维分析， 能较好地掌握桥梁的静动力特性，从而可保证桥梁结构的安全性和降低桥梁造 价。但由于桥梁结构复杂庞大、计算机的容量及速度有限，大跨桥梁的三维分 析的难度依然相当大。 综上所述，有限单元数值分析法的优点“”1 是其他数值计算方法无可比拟 的： 首先，可以分析形状十分复杂的、非均质的各种实际的工程结构： 第二，有限元数值方法可以在计算中模拟各种复杂的材料本构关系、荷载 和条件，例如可以模拟岩体中的渗流和初始地应力场、混凝土的不均匀温度场 等，这些因素在物理模型中是难以模拟的； 第三，可以进行结构的动力学方面的各种分析； 第四，随着有限元数值分析法前处理和后处理的发展，它可以进行大量方 案的比较分析，并迅速用图表的形式给出计算结果，从而有利于对工程方案进 行优化。 2 2 2 有限元数值分析的基本过程 利用有限元数值分析进行计算法的基本过程与其它分析方法不同，它一般 分为： ( 1 ) 结构离散化： 即把需要分析的结构物分割为有限个单元体，在单元体上指定节点，相邻 的单元体通过节点相互连接起来构成一个整体，同时使相邻单元的有关参数具 武汉理工大学硕士学位论文 蠢一定懿连续拣。秀离散所形蔽魏萃元憨数瓣多少，迄囊接影翡诗算辩阕霸诗 算结果的精度。 ( 2 ) 位移弱数的选撵： 把结构离散化之后，便对各类单元进行特性分析。为了能用节点位移来表 水单元体的位移、应变和应力，必须假设位移懿坐标的神函数，称之位移模 式、位移涵数或播僮函数。然届，搬攥所选定的位移模式就可戳导出嗣节点佼 移表示单元内任点位移的关系式，即驴 = f 舱 8 ，( 其中厂) 为单元内任一点 瓣位移弼阵，防l 为形交数矩阵，骼扩表示单元兹麓点餐移弼阵) 。位移模式一般 情况下选用多项式来进行，其项数应等于单元的自由度数，其阶次应包含常数 磺和线蠼顼，这襻才能缳涯单元之闻的连续蛙。这裁是说奏浆攀元法书采用豹 楚分块近似，只滞要对一个单元选择一个近似位移函数8 ，保证单元之间位移的 连续牲就可以了，不必考虑边界条件。褥在经典的近似法如里兹法中，需要选 取一个醋数来近似描述熬个求解区域中的位移，阏时还簧满足边界条 串。可觅， 有限元数值分析法的分块近似要比经典近似法中的选取一个连续函数要简单得 多，特剃是奁簿辑复杂氕褥形状域柩拳孚