（道路与铁道工程专业论文）云阳长江公路大桥施工控制仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 斜拉桥属高次超静定结构，施工过程与成桥状态具有相关性，施工难度 较大。对于分段悬臂施工的p c 斜拉桥，施工过程中由于受温差、收缩、 徐变等因素影响，以及由于混凝土强度较低使成桥后内力和线形可调范围较 小，因此对施工过程的严格控制是实现设计成桥状态的保证。本文以云阳长 江公路大桥为背景，就斜拉桥施工控制仿真计算、主梁分段悬臂浇筑过程控 制等问题进行了初步探讨。 首先，本文在总结、分析斜拉桥施工控制研究现状的基础上，对斜拉桥 施工控制的关键问题进行了探讨。斜拉桥旌工控制首要问题是在明确施工控 制的内容、原则、选择控制方法的基础上，对全桥进行仿真计算，以仿真计 算结果作为施工控制的理论轨迹。因此，本文对斜拉桥施工控制的内容和原 则进行了分析，从控制论的角度对斜拉桥施：1 ：控制的开环控制法、闭环控制 法、自适应控制法进行了总结，对斜拉桥施工控制仿真方法( 正装法、倒拆 法、正装迭代法、无应力状态法) 进行了详细的探讨，并讨论了各种方法需 要进一步解决的问题。 其次，采用结构大师( v s e s ) 对云阳长江公路大轿用正装法进行了施工 控制仿真计算。介绍了结构大师的功能与使用方法，第一次把结构大师 ( v s e s ) 用于斜拉桥施工控制仿真计算；对斜拉桥结构构件的模拟方法做了 总结，对施工工况的划分进行了分析，尝试采用梁单元模拟斜拉索，并取得 了较好的效果；同时对施工控制仿真计算结果进行了详细分析，总结出了斜 拉桥施工控制正装计算各种参数的变化规律和影响因素，对类似的斜拉桥施 工控制具有重要参考价值。 最后，对斜拉桥施工控制措施、目标等作了初步探讨，并对施工控制监 测结果与仿真计算结果进行了对比分析。对施工控制参数误差产生的原因、 造成的影响、参数预测以及施工控制各项指标应达到的精度等做了初步分 析；并对斜拉桥施工控制的关键问题( 立模标高的确定和调整、斜拉索初始 索力的确定和调整) 进行初步的探讨。旌工控制各项参数实测值与理论计算 值较吻合、精度较高，说明采用结构大师( 7 s e s ) 用正装法对斜拉桥进行施 工控制仿真计算，在斜拉索模拟为梁单元的情况卜，能够取得较高的控制精 武汉理工大学硕士学位论文 度。 在斜拉桥施工控制过程中，建立科学、合理、实用的施工控制体系，是 确保施工安全和最终达到设计成桥状态的关键。 关键词：斜拉桥，施工控制，结构大师，仿真，正装法 i l 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 sa ni n d e t e r m i n a t es t r u c t u r ew i t h h i g hd e g r e e s ， a n dt h ed e s i g no b j e c t i v eh a sr e l a t i v i t yw i t ht h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n ，a n di ti s h a r dt oc o n s t r u c tt h i sb r i d g e f o rt h es e g m e n t a l c o n s t r u c t i o np c c a b l e s t a y e d b r i d g e ，d i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e ，s h r i n k a g ea n dc r e e ps o p h i s t i c a t e d l ya f f e c tt h e c o u r s eo fi t sc o n s t r u c t i o n a f t e rc l o s u r e ，w i t ht h e s t r e n g t h o fc o n c r e t e ，t h e a d j u s t a b l er a n g eo fi n t e r n a l f o r c ea n d c o n f i g u r a t i o ni s n a r r o w s o r i g o r o u s c o n t r o lo fc o n s t r u c t i o ni st h eg u a r a n t e eo f a c h i e v i n gd e s i g no b j e c t i v e b a s i n go n y u n y a n gc h a n g j i a n gb r i d g e ，t h e i m i t a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o lo f c a b l e - s t a y e db r i d g e ，a n d c o n t r o lo ft h ec o u r s eo fc a n t i l e v e rc a s t i n gc o n c r e t ew e r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t ，b a s i n g o nt h ea c h i e v e m e n t so ft h ef o r m e r e x p o r t s ，t h e s i x t y - f o u r - - d o l l a rq u e s t i o no fc o n s t r u c t i o nc o n t r o l o fc a b l e s t a y e d b r i d g e w e r e d i s c u s s e da n d a n a l y z e d t h ec h i e fp r o b l e m o ft h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o lo f c a b l e s t a y e db r i d g ei sm a k i n gc e r t a i nt h ec o n t e n t ，p r i n c i p l e ，a n dm e a s u r e a t t h es a m et i m ei m i t a t et h eb r i d g e ，a n dt a k et h ei m i t a t i o nr e s u l ta st h e o r yt r a c ko f t h ec o n s t r u c t i o nc o n t r 0 1 s o ，t h ec o n t e n ta n d p r i n c i p l eo f c o n s t r u c t i o nc o n t r o lo f c a b l e - s t a y e db r i d g e w e r ed i s c u s s e da n d a n a l y z e d ，a n d f r o mt h e p o i n t o f c y b e r n e t i c st h eo p e n i n gl o o pc o n t r o l ，c l o s e dl o o pc o n t r o l ，a n da d a p t i v ec o n t r o l w e r es u m m a r i z e d f o r w a r d c a l c u l a t i o nm e t h o da n db a c k - r u n n i n gm e t h o da n d f o r w a r d i t e r a t i v e c a l c u l a t i o nm e t h o da n dn o s t r e s sm e t h o da r em e t h o d s ，w h i c h a r eu s e da tt h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o lo f c a b l e s t a y e db r i d g e t h e s em e t h o d sw e r e a n a l y z e da n dd i s c u s s e da n ds o m ep r o b l e m st h a ts h o u l db er e s o l v e di nt h ef u t u r e w e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r s e c o n d ，v i s u a ls t r u c t u r e e x p e r ts y s t e m ( v s e s ) w a su s e di n f o r w a r d c a l c u l a t i o no fc o n s t r u c t i o nc o n t r o lo f y u n y a n gc h a n g j i a n gb r i d g e + l h e f u n c t i o na n dm e t h o do fv i s u a ls t r u c t u r ee x p e r ts y s t e m ( v s e s ) w e r ei n t r o d u c e d p a r t i c u l a r l y f o rt h ef i r s tt i m ev i s u a ls t r u c t u r ee x p e r ts y s t e m ( v s e s ) w a s u s e d f o rc 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 nc o n t r 0 1i m i t a t i o n t h ei m i t a t e dm e a s u r eo f i i i 武汉理工大学硕士学位论文 s t r u c t u r e c o m p o n e n t a n dt h e p a r t i t i o n o ft h e s e g m e n t o fc o n s t r u c t i o nw e r e a n a l y z e da n dd i s c u s s e d g r i r d e re e l lw a su s e dt oi m i t a t et h ec a b l ec e l l a n dt h e e f f e c ti sp r e f e r a b l e t h er e s u l to ft h ei m i t a t i o nw a sl a b o r e d ，a n dt h ec h a n g er u l e a n d i n f l u e n c i n g f a c t o ro fa l lt h e p a r a m e t e r i nf o r w a r d c a l c u l a t i o nf o r c 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 la r es u m m a r i z e d ，w h i c hh a s h i g h r e f e r e n c ev a l u ef o rs i m i l a rc a b l e s t a y e db r i d g e f i n a l l y ，t h e c o n s t r u c t i o nc o n t r o l s y s t e m o f c a b l e s t a y e db r i d g e w a s d i s c u s s e dp r i m a r i l y ，a n dt h em e t r i c a lr e s u l ta n di m i t a t e dr e s u rw e r ea n a l y z e d c o n t r a s t i v e l y t h e r e a s o na n di n f l u e n c eo fp a r a m e t e rs e r r o ra n dp a r a m e t e r f o r e c a s ta n dt h ep r e c i s i o nt h a tt h ep a r a m e t e rse r r o rs h o u l db ea c h i e v e m e n tw e r e d i s c u s s e dp r i m a r i l y t h ek e y p o i n to f c o n s t r u c t i o nc o n t r o lo f c a b l e s t a y e db r i d g e i sh o wt od e f i n ea n da d j u s tt h ee l e v a t i o no ff o r m w o r ka n dh o wt oa d j u s tt h e s t r e s so ft h ec a b l e ，w h i c hw e r ed i s c u s s e dp r i m a r i l yi nt h i sp a p e r t h em e t r i c a l p a r a m e t e r a n di m i t a t e d p a r a m e t e r o fc o n s t r u c t i o nc o n t r o li sc o i n c i d e d i m i t a t i o n a lp r e c i s i o ni s g o o d ，w h i c hd e m o n s t r a t et h a tv i s u a l s t r u c t u r ee x p e r t s y s t e m ( v s e s ) c a n b eu s e dt oi m i t a t ec 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 nc o n t r o l ， u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tf o r w a r d c a l c u l a t i o ni su s e da n dg i r d e rc e l li s u s e dt o i m i t a t et h ec a b l ec e l l ，w h i c hi sc a p a b l eo fa c q u i r eb e t t e rc o n t r o lp r e c i s i o n s e t t i n gu p as c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ea n du s e f u lc o n s t r u c t i o n c o n t r o l s y s t e m i st h e k e yp o i n t o fa s s u r i n gt h a tt h e c a b l e s t a y e db r i d g e w i l lb e c o n s t r u c t e ds a f e l ya n ds m o o t h l y ， k e yw o r d s ：c 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 ，v i s u a ls t r u c t u r ee x p e r t s y s t e m ，i m i t a t e ，f o r w a r d c a l c u l a t i o nm e t h o d 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 斜拉桥概述 第1 章引言 1 1 1 斜拉桥的发展历史与趋势 1 斜拉桥的发展历史 从1 7 世纪初人们就曾尝试建造简单的斜拉桥，但终因受当时科技发展 水平的限制，缺乏高强度的承重材料和计算复杂超静定结构的能力，往往建 成后不久就发生很大变形和破坏，未能得到发展。直到2 0 世纪5 0 年代斜拉 桥在世界范围内的应用才有突破性进展，9 0 年代得到迅速发展，目前其跨径 已达到以前悬索桥适用的特大跨径范围。 世界上第一座现代斜拉桥一一瑞典斯特罗姆海峡钢斜拉桥( s t r o e m s u n d ) 于1 9 5 5 年建成，其跨径组成为7 4 7 m + 1 8 3 0 m + 7 4 7 m ，主梁由两片梁板组成， 斜拉索为辐射形布置，门形框架塔。 吐界上第一座混凝土斜拉桥一一委内瑞拉的马拉开波桥于1 9 6 2 年建成， 主跨跨径达到2 3 5 m ，主梁为带挂孔的悬臂体系。 1 9 6 7 年德国波恩建成的弗瑞德里西一埃伯特桥成为密索体系的典范，主 跨2 8 0 m ，单索面。其成功的避免了疏索体系斜拉桥主梁重且配筋多的缺点， 使得锚固点的集中力减小，易于悬臂施工。 t 9 9 1 年建成的s k a r n s u n d e t 桥，跨径为5 3 0 m ，采用预应力混凝土主粱， 是当时世界上跨径最大的混凝土斜拉桥。 1 9 9 5 年法国建成跨径为8 5 6 m 的诺曼底桥，为采用钢制中孔和钢筋混凝 士边孔的混合结构。四年后修建的与此结构相似的日本多多罗桥跨径达到 8 9 0 m 。诺曼底桥和多多罗桥标志着斜拉桥进入当时悬索桥独占鳌头的特大跨 径领域。 国外具有代表性的斜拉桥见表卜1 。 我国历史上第一座斜拉桥建成于1 9 7 5 年，位于四川省云阳县境内，跨 径为7 6 m ，钢筋混凝土斜拉桥。 标志着我国的剁拉桥设计与建造技术己进入世界领先水平的杨浦大桥 于1 9 9 3 年建成，主跨6 0 3 m ，双塔双索面扇形布索的叠合梁斜拉桥，为当时 武汉理：i = 大学硕士学位论文 表卜1国外部分具有代表性的斜拉桥一览表 完成年 序号桥名国家主跨( m )备注 份 1s t r o e m s u n d 瑞典 1 8 31 9 5 5 世界纪录 2 杜塞尔多夫北桥德国 2 5 01 9 5 9 世界纪录 3科隆s e v e r i n 桥德国3 0 21 9 5 9世界纪录 4杜塞尔多夫k n i e 桥 德国 3 2 01 9 6 9 世界纪录 5d u is b u r g n e u e n k a m p 桥德国3 5 01 9 7 0 世界纪录 6s a i n t n a z a i r e 桥法国4 0 41 9 7 5 世界纪录 7l u n b西坍牙4 4 0】9 8 4 世界纪录 8名古屋名港西桥日本4 0 51 9 8 4 9安娜西斯敲 加拿大 4 6 51 9 8 6 世界纪录 1 0 生口桥f | 本 d 9 01 9 9 1 1 i8 k a m s u n d e t挪威5 3 01 9 9 l f i ：界纪录 1 2 伊丽莎白女王二桥英国 4 5 01 9 9 l 1 3诺曼底桥法国8 5 61 9 9 4 世界纪录 14n o r m a n d y 桥法国 8 5 61 9 9 5 1 5s e v e r n 二桥 英国4 5 61 9 9 6 1 6名港中央桥日本5 9 01 9 9 6 1 7 多多罗桥日本 8 9 01 9 9 9 世界纪录 世界上最大跨径的斜拉桥。 截止到目前，我国已建和在建跨径大于2 0 0 m 的各种类型斜拉桥已超过 5 0 座，跨径大于4 0 0 m 的斜拉桥已超过2 0 座，这表明我国的斜拉桥建设水 平己处于世界斜拉桥建设的领先位置。 我国具有代表性的斜拉桥见表卜2 。 2 斜拉桥的发展趋势 斜拉桥是由加劲梁构成的桥面体系受压，由钢索构成的支承体系受拉的 一种由索、塔和梁组成的组合体系桥梁结构，同时斜拉桥是一种高次超静定 结构。 随着高强钢材( 钢筋) 、钢铰线、高标号混凝土的出现，以及斜拉桥的 设计理论的逐步完善和计算机技术的应用，斜拉桥旄工工艺、施工方法和蓝 武汉理： 大学硕士学位论文 表卜2我国部分具有代表性的斜拉桥一览表 序号桥名省份主跨( m )完成年份备注 1云阳桥四j i i7 61 9 7 5我国第一座 2红水河铁路斜拉桥 广西 9 61 9 8 0 3柳港大桥上海2 8 01 9 8 2 4 济南黄河公路桥 山东2 2 01 9 8 2 5济南黄河大桥山东2 2 01 9 8 2 6石门大桥重庆2 3 01 9 8 8 7南浦大桥上海4 2 31 9 9 1 当时世界e 最人 8 杨浦大桥 上海6 0 31 9 9 3 跨径的斜拉桥 9 重庆长 ：j - - ：桥重庆 4 4 41 9 9 5 l o青州闽江火桥福建6 0 51 9 9 6 1 1徐浦大桥上海5 9 01 9 9 6 1 2汀九大桥 香港 4 7 51 9 9 7 1 3汲水门大桥 香港4 3 01 9 9 7 1 4芜湖艮江犬桥 安徽 3 1 2 2 0 0 0 1 5 白沙洲火桥湖北 6 1 8 2 0 0 0 1 6南京长江二桥 江苏 6 2 82 0 0 l 1 7 大佛寺长江桥重庆 4 5 0 2 0 0 1 1 8荆沙长江大桥 湖北 5 0 0 2 0 0 2 1 9 安庆大桥安徽 5 l o 2 0 0 3 2 0舟山桃天门大桥 浙江 5 8 02 0 0 3 2 l 润扬眭江大桥北叉桥江苏 4 0 6 在建 2 2苏通长江大桥 江苏1 0 8 8在建 工控制逐步得到完善和改进，其跨越能力越来越大，同时斜拉桥结构新颖、 造型上和构造上富于变化，从而使其成为现代桥梁工程中发展最快、最具有 竞争力的桥型之一。 1 1 2 斜拉桥的特点 1 斜拉桥的受力的点 武汉理j 【：火学硕士学位论文 斜拉桥与其它梁式桥相比，施工方法及施工阶段受力具有以下特点： 斜拉桥利用斜拉索作为梁跨的弹性中间支承，降低了梁跨的截面弯矩， 减轻了梁重，从而提高了桥梁的跨越能力。但斜拉桥的主梁高跨比较小，梁 体十分纤细，当采用移动吊机或挂篮进行悬臂旌工时，由于吊机、挂篮自重 大，斜拉桥的主梁抗弯能力相对较小，而可能会导致梁、塔、索由施工内力 控制设计。 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， 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，施工阶段索力以外荷载形式作用在主梁和桥塔一卜， 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“。全桥合龙后进行索力调整，一方面可以调整恒载 内力，另一方面可消除由于混凝土收缩及大部分徐变产生的附加内力。 旌工阶段的结构内力、位移具有继承性。随着施工阶段的推进，结构形 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 是后一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( 主 梁线形和截而内力) 。 施工阶段的非线性效应影响大。与成桥状态相比，施工过程中结构体系 转换前一直为悬臂状态，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。 此外，斜拉索的水平分力对主梁产生轴向预压力的作用可以增强主粱的 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，挠度也相应的减小，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人，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。 2 斜拉桥的结构分析特点 对于中、小跨径的斜拉桥可将整个结构视为弹性平面体系进行结构分 析，其中斜拉素弹性模量可按e a r n s t 公式取有效弹性模量。对于跨度较大的 武汉理工大学硕士学位论文 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( 如0 号梁段临时固结处的局部应力) 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 力和线形的施工张拉力和预拱度计算问题等【4 】 ”。 对于大跨度斜拉桥旌工中还应考虑地震和风的影晌，对施工过程中最危 险的状态进行抗震抗风的验算。 3 斜拉桥的施工及施工控制特点 斜拉桥的施工方法，从斜拉索张拉次数的不同可分为一次张拉法和多次 张拉法，从悬臂现浇挂篮的支承方式不同可分为前支点挂篮旆工和后支点挂 篮施工等。斜拉桥的主梁施工方法，一般可采用支架现浇法、支架拼装法、 顶推法、悬臂现浇法、悬臂拼装法。在实际工程中，对混凝土斜拉桥以悬臂 现浇法居多，而对结合粱斜拉桥和钢斜拉桥多采用悬臂拼装法。 斜拉桥施工的目标为桥梁的最终成桥状态( 几何线形和截面内力) ，达 到设计的理想状态。斜拉桥是一种高次超静定结构，所采用的施工方法和安 装顺序与成桥后的主粱线形和结构恒载内力有着密切的联系1 。 斜拉桥主梁较柔、抗弯能力较差，施工时可充分发挥斜拉索的作用，采 用前支点挂篮分段悬臂施工。 斜拉桥分段悬臂施工中，施工阶段的结构状态与成桥状态可能会有很大 的差异。在不同的施工阶段，斜拉桥结构体系和荷载状态在不断变化几何 线形和截面内力也随着不断发生变化，因此需要对斜拉桥的每一施工阶段都 进行监控，确保斜拉桥在施工过程中结构的几何线形和截面内力始终处于安 全的范围之内，使成桥后主梁的线形符合预先的期望，结构本身又处于最优 的受力状态。施工控制的关键是建立一套科学合理的控制体系及其相应的组 织机构和管理程序。 1 2 斜拉桥施工控制的研究进展 日本是第一个较系统的把工程控制论应用到斜拉桥施工管理中的国家。 武汉理工大学硕十学位论文 2 0 世纪8 0 年代后期日本在修建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， 成功的建立了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、施工精度和加快施工进度起了 决定性作用。此后日本又研制了一个斜拉桥施工双控系统，此系统可以在现 场完成自动测试、分析和控制全过程，并可进行设计值敏感分析和实际结构 行为预朝0 7 8 1 1 9 。 我国在1 9 5 7 年建成的武汉长江大桥旋工过程中对应力、标高进行了调 整，体现了桥梁施工控制的思想。进入2 0 世纪8 0 年代以后，随着计算机的 发展，桥梁工程师开始用计算机辅助桥梁施工，并在1 9 8 2 年建成的上海柳 州大桥施工中首次根据现代工程控制的基本思想，成功的进行了主梁挠度和 索塔位移的旖工控制。从此掀起了施工控制的高潮，到了8 0 年代后期斜拉 桥施工监控技术已进入全面研究，并初步形成控制系统。 工程控制论的发展轨迹为，开环控制卜闭环控制卜自适应控制，桥 梁工程控制理论的发展也经历了这三个阶段“”“1 ” 。 开环控制方法又称为确定性控制方法，在施工过程中的控制作用是单向 向前的。在施工前，根据理想的成桥状态求得每个施工阶段的主梁标高与拉 索索力等施工参数。在施工过程中，并不根据结构的反应来改变这些施工参 数。因此它没有控制误差和修正误差的功能。 闭环控制即反馈控制，又称为随机性控制。它要求对施工状态与理想状 态之间的误差按某种性能最优的原则及时进行调整，使得产生误差后的结构 状态达到设计所确定的结构最优状态，由误差反馈计算确定调整的措施和控 制量的大小。该方法并没有分析误差产生的原因，只是被动的采取调整措施 减小已经造成的结构状态误差对成桥状态的影响。对斜拉桥而言，施工控制 的主要手段是调整新增梁段的斜拉索初始张拉力和主梁预拱度。 自适应控制又称自组织控制，该方法是目前屉好的斜拉桥施工控制方 法。它是在反馈控制的基础上，加上一个误差识别过程。在重复性很强的分 段悬臂施工中，将可能引起结构状态误差的参数作为未知变量，在每个施工 阶段进行实时识别。然后将识别到的参数用于下一个施工阶段。如此循环一 直到模型的输出结果与实测结果相一致i l 。 参数识别法是一种自适应控制方法，运用该方法的前提是正确分析误差 产生的原因，并能够逐步减小理论模型和实际结构之间的误差，从而更好地 控制施工状态。但是该方法在尽可能减小修正环境因素和量测误差影响的前 提下，将实际结果和设计状态不一致的原因都考虑为计算参数的误差，存在 不合理因素5 】2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 因此，今后斜拉桥施工控制的发展，应研制理论上更加合理、实用的旋 工控制软件以及更加方便、精确的监测设备，将现代控制论、专家系统的最 新科研成果引进斜拉桥施工控制，建立完善的斜拉桥施工控制系统和组织管 理系统。从而使斜拉桥的旖工控制实现科学化、自动化和智能化。 1 3 本文的主要研究内容 由于斜拉桥结构体系及施工过程均较复杂，影响成桥结构内力和主梁线 形的因素很多，对斜拉桥的施工过程进行控制是保证斜拉桥达到设计成桥状 态的关键。本文结合云阳长江公路大桥旆工控制实践，对整个桥梁的施工过 程进行施工控制仿真分析，并对斜拉桥的施工控制体系进行初步探讨。归纳 起来，主要有以下几方面内容： 1 结合云阳长江公路大桥的施工控制实践，尝试把武汉理工大学开发的 有限元计算软件一结构大师( v s e s ) 应用于斜拉桥旌工控制仿真计算，为 今后工程界在桥梁施工控制仿真计算中选用计算软件提供参考。 2 对斜拉桥施工控制中的几个关键问题进行总结研究。斜拉桥施工控制 仿真目前常用的方法有正装法、倒拆法、正装迭代法和无应力状态法等。本 文对这几种方法的优缺点进行详细总结和分析，并讨论各种方法需要进一步 解决的问题。 3 以云阳长江公路大桥为背景，详细总结和分析斜拉桥分段悬臂施工仿 真计算结构构件的有限元模拟方法，并结合有限元计算软件一一结构大师 ( v s e s ) 的特点作进一步的探讨。同时在斜拉桥施工控制仿真计算中尝试采 用梁单元模拟斜拉索。 4 用结构大师( v s e s ) 对云阳长江公路大桥进行施工控制仿真计算，并 对计算结果进行详细的分析，总结出斜拉桥施工控制相关参数的变化规律， 为类似的斜拉桥施工控制提供重要的参考价值。 5 结合云阳长江公路大桥施工控制实践，对斜拉桥施工控制的内容、原 则、方法以及设计参数误差的识别及其影响、预测、旌工监测等内容进行总 结分析，在此基础上，对斜拉桥施工控制的关键问题( 立模标高的确定和调 整、斜拉索初始索力确定和调整) 进行初步探讨。 6 在对云阳长江公路大桥施工控制方法措施初步探讨的基础上，对施工 控制相关参数仿真计算值与实测值进行对比分析，对施工控制参数误差产生 的原因、造成的影响、参数预测以及施工控制各项指标应达到的精度等作初 步分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章斜拉桥施工控制关键问题 2 1 斜拉桥施工控制的内容与原则 2 1 1 斜拉桥施工控制的必要性 斜拉桥属于高次超静定结构，施工过程具有如下的特点： 1 所采用的施工方法和安装程序，与成桥后的主梁线形和结构恒载内力 有着密切关系。 2 在施工阶段，随着斜拉桥结构体系和荷载状态的不断变化，结构内力 和线形亦随之不断变化。 因此，在斜拉桥施工开始前应对斜拉桥的每一施工阶段、每一。施工工况 进行仿真计算和分析，求得主梁立模标高、斜拉索张拉力、塔项偏移、主梁 和主塔的应力应变等施工控制参数，确定施工顺序和施工方法。 在施工过程中，结构实际的控制参数不可避免的与理论计算值之间存在 误差。这就需要采用一定的方法对施工控制参数进行调整，确保斜拉桥在施 工过程中结构的受力状态和变形处在安全的范围内、成桥后主梁的线形符合 设计要求、结构本身又处在最优的受力状态。 2 1 2 斜拉桥施工控制的内容 斜拉桥施工控制的任务就是对桥梁施工过程实施控制，确保在施工过程 中桥梁结构的内力和变形始终处于安全范围内，确保成桥状态，即成桥线形 与截面内力符合设计要求。 斜拉桥施工控制中的主要工作由两部分组成：一部分是，根据选定的施 工方案对施工的每一阶段进行仿真计算，得到施工控制参数的理论计算值， 形成施工控制文件；另一部分是，对斜拉桥施工过程中结构状态的实测值与 理论值之间的误差，采用一定的方法进行调整。 斜拉桥施工控制工作的具体内容从总体上来分析，可概括为以下几个方 面： 武汉理工大学硕士学位论文 1 几何( 线形) 控制 桥梁结构在施工过程中要产生变形( 挠曲) ，并且结构的变形受到诸多 因素的影h 虬极易使桥梁结构在施工过程中的实际状态偏离预期状态，严重 的将使桥梁难以顺利合龙，所以必须对桥梁施工实施控制，使其结构在施工 中的实际状念与预期状态之间的误差在设计容许范围之内。 施工控制的结果用误差容许值来评判。桥梁施工控制中的几何( 线形) 控制总目标就是达到设计的几何状态要求。最终结果的误差容许值与桥梁的 规模、跨径大小、技术难度等有关，目前还没有统一规定，需根据具体桥梁 的施工控制需要具体确定。同时，为保证几何控制总目标的实现，每道工序 的几何控制误差允许范围也需事先研究、确定。 斜拉桥由梁、塔、索三大部分构成，因此几何线形控制的重点也就在于 这三大部分的控制”“。 主梁的标高直接影响到桥梁的线形，因此在施工过程中应严格控制主梁 标高。根据结构本身的特性与施工方法的不同，在施工过程中可采取不同的 方法。如果主梁的刚度较小，索力的变化对主梁悬臂端的标高变化影响较大， 施工中应以控制主梁高程为主。如果主梁的刚度较大，索力的变化对主梁悬 臂端的标高变化影响较小，施工中应以控制斜拉索张拉力为主，主粱标高控 制为辅，主粱线形主要通过立模标高控制。 主塔在施工过程中和成桥状态，承受斜拉索传递的竖向分力( 大小基本 等于梁体重量) 和水平分力( 索塔两侧的梁体因自重等荷载不可能绝对相等、 同利两侧斜拉索张拉力也不一定对称，从而将产生一定的水平推力) 。在不 平衡荷载和大气温差及日照的影响下，均会使主塔产生三个方向不同程度的 变形。主塔的几何线形控制主要包括，主塔本身在施工过程中每阶段施工高 程、偏位的控制，主梁施工过程中塔的变形控制( 顺桥向、横桥向) 、塔自 身的沉降控制。 索是剁拉桥的主要承重结构。索的几何控制主要包括梁端锚蚓点、塔端 锚固点以及索导管位置的准确定位。斜拉索锚固点的准确定位是斜拉索空问 位置符合设计要求的关键；而索导管的准确定位是成桥后准确放置防震橡胶 垫圈的关键。 混凝土斜拉桥施工控制，如果斜拉索张拉完毕后，两端测点标高与控制 小组预报标高的相对误差超过设计允许值，施工控制小组需研究调整方案， 确定下一步的调整措施。如果发生其它异常情况影响到标高和索力的控制， 应由施工控制小组分析研究，提出调整措施。 9 武汉理工大学硕士学位论文 混凝土斜拉桥施工控制误差限值如表2 1 所示。 表2 一l混凝土斜拉桥施工控制误差限值 主梁愚臂现误差限值主梁悬臂拼误差限值误差限值 索塔 浇施工 ( 1 1 1 1 1 1 )装施工( m m )( m m ) 轴线偏位 l o 轴线偏位 1 0 轴线偏位 1 0 丰h 2 5 0 0 且 合龙高差3 合龙高蔗1 0倾斜度 牛3 0 施工及成桥 l 5 0 0 0拼接高程 3 0塔顶高程1 0 后主梁标高 立模标高 5 注：h 为桥面以上塔顶的高度，i 为跨径 挂篮定位 - l - _ t 0 2 应力控制 桥梁结构在施工过程中以及在成桥状态的截面应力情况应符合设计要 求。一般情况下通过结构应力监测柬了解实际截面应力状态，若实际截面应 力状态与理论截面应力状态之间的误差超过允许范围就要分析原因进行调 控，使之处在允许范围内。结构应力控制的好坏，直接影响到结构的安全。 所以必须对结构应力进行严格监控。根据工程实际情况，应力控制的项目通 常包括： ( 1 ) 结构在自重作用下实际应力与设计应力相差宜控制在5 。 ( 2 ) 结构在施工荷载下的实际应力与设计应力相差宣控制5 。 ( 3 ) 结构预加应力除对张拉实旌双控( 张拉力和伸长量控制，伸长量误 差允许在6 以内) 外，对于后张结构还必须考虑管道摩阻影响。 ( 4 ) 斜拉桥拉索张力与设计值的误差一般应控制在5 以内。 ( 5 ) 在每一施工阶段中斜拉索张拉力与理论预报值的相对误差应控制 在2 以内。 ( 6 ) 温度应力、施工应力在安全范围内。 ( 7 ) 其它应力，如基础沉降、风、雪荷载等引起的结构应力。 就混凝土斜拉桥而言应力控制的重点是，在施工过程中主梁和主塔的控 制截面的应力控制。 。 在主粱节段施工过程中，主梁的内力随着各个施工工况的进行在不断的 变化。同时，索力的微小变化也将显著地影响主梁内力的变化。因此，主梁 应力的控制对于结构的安全可靠是至关重要的。 武汉理工大学硕士学位论文 旌工应力测试断面，原则上选择施工阶段的最大舐、负弯矩截面，成桥 状态的最大正、负弯矩截面以及设计考虑的其它控制截面。对于混凝土主梁， 主要是测试截面的法向应力。其中边主粱结构应在主梁上、一卜边缘处布设测 点：箱梁截面应在顶板和底板布设测点，以及剪力最大部位设置测点。 主塔的应力控制主要包括两个阶段，第一阶段是主塔自身浇筑阶段。在 这个过程中，塔身只承受施工荷载以及自重，结构受力明确。所以测试结果 在与理论值的对比分析中，可以掌握混凝土收缩、徐变以及受温度影响的一 些变化规律，此规律对桥梁后续施工控制具有重要参考价值。 主塔应力控制的第二个阶段是主粱的施工阶段。随着主粱节段的施工， 主塔和主梁的内力在不断的变化，通过对主塔的应力状况进行控制，可避免 主塔顺桥向受到的不平衡力过大，确保主塔结构安全。 3 稳定控制 世界上曾经有过桥梁结构在施工过程中由于失稳而导致全桥破坏的例 子，如加拿大的魁北克桥，该桥在南侧锚碇桁架快要施工完成时，由于悬臂 端下弦杆的腹板屈曲而发生突然崩塌坠落。我国四川州河大桥也因悬臂体系 的主梁在吊装主跨中段时承受过大的轴力而失稳破坏。因此，桥梁施工过程 中不仅要严格控制变形和应力，而且要严格地控制施工各阶段结构构件的局 部和整体稳定。 目前，人们主要注重于桥梁建成后的稳定计算。对施工过程中可能出现 的失稳现象还没有可靠的监钡0 手段，尤其是随着桥梁跨径的增长，对动荷载 或突发情况的影响，还没有快速反应系统，所以应建立一套完整的稳定监控 系统。目前主要通过稳定分析计算( 稳定安全系数) ，并结合结构应力、应 变情况米综合评定、控制其稳定性。 桥梁的稳定安全系数是衡量结构安全的重要指标，但现行规范中尚未详 细列出不同材料的不同结构在不同工况下的最小稳定系数。 施工中，除桥梁结构本身的稳定性必须得到控制外，施工过程中所用的 支架、挂篮、斜拉索吊装系统等施工设施的各项稳定系数也应满足要求。 4 安全控制 在桥梁结构啻赶工中只有保证了施工过程的安全，才能进行其它控制，最 终建成符合设计要求的桥梁结构。桥梁施工安全控制是上述变形控制、应力 控制和稳定控制的综合体现，上述各项得到了控制，安全也就得到了控制( 由 于桥梁施工质量问题引起的安全问题除外) 。由于结构形式刁i 同，直接影响 施工安全的因素也不样，在施工控制中需根据实际情况，确定其安全控制 武汉理工大学硕士学位论文 重点。 2 1 3 斜拉桥施工控制的原则 斜拉桥施工控制的基本原则是：施工过程安全，施工各阶段结构构件局 部和整体稳定，竣工后几何线形、截面内力符合设计要求。 几何线形方面要求：通过预拱度的合理设置，使成桥后主梁的线形( 梁 底标高) 符合设计要求。在施工过程中，控制各工况下塔顶偏移在允许的范 围内。 截面内力方面要求：主要是控制主梁、索塔、索三大构件的内力。通常 情况下索塔的应力容易满足。索力要满足最大索力与最小索力的要求，最大 索力要求即钢丝强度要求，最小索力要求即拉索垂度要求。同时要确定好斜 拉索的初始张拉力( 安装拉索时对其施加的张拉力) 。对于主梁截面内力， 通常起控制作用的是主梁的上、下缘正应力。在恒载已定的情况下，成桥索 力是影响主梁正应力的主要因素。主梁的应力与主梁截面轴力和弯矩有关， 而轴力的影响较小且变化不大，所以弯矩是主梁中超控制作用的因素3 。 调整截面内力的手段：对于主粱和索塔内力( 或应力) 的调整，最直接的 手段是调整索力。由于索力较小的变化就会在主梁中引起较大的内力( 或应 力) 变化，而索力本身又有一定的变化宽容度( 即最大最小索力确定的索力允 许变化范围) ，因此，索力可作为成桥目标中受力的调控手段“”。 调整几何线形的手段：对于主梁线形的调整，调整立模标高是最直接的 手段。将参数误差以及索力调整引起的主梁标高的变化通过立模标高的调整 予以修正。 调整截面内力与调整几何线形分两步完成，即先进行索力调整，目标主 要是梁、塔截面的弯矩符合设计要求。主梁弯矩控制截面可选为各施工梁段 的典型截面( 一般为受拉索锚固点局部应力影响较小处) ，塔的控制截面可只 选塔底以及截面变化处等少数控制位置。主梁标高控制点可选为每一施工梁 段前端点。然后，再根据调整后的索力重新计算，确定各梁段的预拱度“”。 施工控制一般采取双控，主梁施工阶段以控制主梁标高为主，二期恒载 施工后以控制索力为主。在斜拉桥施工的每一个施工过程中，应实时监测， 如果主梁标高或斜拉索索力误差超过允许值，应及时进行原因分析，确保标 高和索力符合设计要求。 斜拉索张拉时，如果主梁的刚度较大，索力的变化对主梁悬臂端的标高 武汉理工大学硕士学位论文 变化影响较小，施工中应以控制