（土木工程专业论文）连续刚构桥施工中的结构分析及其控制.pdf

摘要 随着科学技术和交通事业的发展，预应力砼连续刚构桥以其旌工简便、造价 经济、受力合理、行车舒适等独特优势在近年来得到了迅速崛起。但由于它出现 较晚，其理论和经验还不十分完善，在修建过程中也存在一些技术上的问题。 本文从施工监控的角度对连续刚构桥进行了研究，对于其结构计算理论、标 高监控、合拢工艺、竖向接缝等问题做了较细致探讨，并提出一些切实可行的操 作方法和建议。 关键词：连续刚构桥；结构计算理论；施工监控；合拢；竖向接缝 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dt r a f f i ce n t e r p r i s e ，t h ec o n t i n u o u s r i c df r a m eb r i d g eh a sb e e ng r o w i n gu pr a p i d l yi nt h er e c e n ty e a r sw i t hi t su n i q u e p r e d o m i n a n c eo fh a n d yc o n s t r u c t i o n ，e c o n o m i c a lc o s t ，r e a s o n a b l ei n t e r n a lf o r c ea n d c o m f o r t a b l et r a v e l l i n g b u tt h et h e o r i e sa n de x p e r i e n c ei ni ta r en o tv e r yp e r f e c t b e c a u s eo f i t ss h o r ta p p e a r a n c e t h e r ea r es t i l ls e v e r a lq u e s t i o n si nt h ec o n s t r u c t i o n t h ew r i t e rh a sb e e ne n g a g e di nr e s e a r c hf r o mc o n s t r u c t i o ns u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 t h e p a p e rm a i n l yi n c l u d e sc a l c u l a t i o nt h e o r yo fs t r u c t u r e ，s u p e r v i s o r yc o n t r o lo fe l e v a t i o n ， t e c h n o l o g yo fc l o s u r e ，v e r t i c a ls e a l i lp r o b l e m ，a n ds oo n a tt h es a n l et i m e ，s o m e f e a s i b l eo p e r a t i n gm e t h o d sa n da d v i c ea r eb r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e ：c a l c u l a t i o nt h e o r yo fs t r u c t u r e ； s u p e r v i s o r yc o n t r o lo f e l e v a t i o n ；t e c h n o l o g yo f c l o s u r e ； v e r t i c a ls e a mp r o b l e m 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 第一章绪论 1 1 论文的主题和选题的范围 1 1 1 连续刚构桥的产生 ( 1 ) 1 9 世纪中期以前，各种桥梁均采用有支架的施工法。有支架施工是在桥跨 位置架设支架，在支架上拼装钢梁或浇筑砼主梁，整个施工过程主梁处于无应力状态。 对桥梁的主梁来说，有支架施工是最简单、最可靠的施工方法，但随着科学技术的发 展，桥梁跨度不断增大，尤其对跨越大江、大河和深沟的桥梁，若仍用有支架的施工 方法，将变得非常困难，甚至是不可能的。1 9 世纪中期，随着钢铁工业的发展和设计 水平的提高，美欧等国修建了一些悬臂钢桁梁，悬臂桁梁的出现不仅解决了当时设计 上的难题，在施工中，悬臂桁梁的施工应力与营运应力的一致，给悬臂旖工即无支架 施工方法提供了有力的依据。2 0 世纪7 0 年代，随着预应力砼工艺的完善，尤其是后 张学会于1 9 7 6 年的成立，使用于桥梁上的预应力砼工艺更加成熟。德国工程师率先 采用挂篮悬臂浇筑砼，修建预应力砼连续梁桥，为至今仍采用的悬臂浇筑砼连续梁、 t 型刚构、连续刚构、斜拉桥等无支架施工方法奠定了基础“1 。 在砼桥的施工中引入刚桥自架设体系的施工方法，即将桥梁的上部结构分节段或 分层来支撑，逐步完成全桥的施工，也就是无支架而靠自身结构进行施工，人们称之 为自架设体系施工法。它的广泛采用，使得砼桥梁( 如t 型刚构、大跨度钢筋砼拱桥、 顸应力砼斜拉桥) 的修建以及桥梁的跨径都得到了较大的发展。3 。 ( 2 ) 随着高速交通的迅速发展，有时不但要求桥梁有较大的跨越能力，同时还 要使行车平顺舒适，因此简支梁和多伸缩缝的t 型刚构不能很好地满足要求，这使得 大跨径连续梁得到了迅速发展。悬臂施工时，墩梁临时固结，合拢后墩梁处改设支座， 转换体系而成连续梁。连续梁除两端外其它无伸缩缝，有利于行车，但需要墩梁临时 固结和体系转换，这在跨度较大时给施工带来很大的不便和困难；同时需设大吨位盆 式支座，费用高，养护工作量大。 因此可以说，建筑材料性能、施工水平( 尤其是自架设体系的产生) 以及设计计 算手段的提高，使修建大跨度预应力砼连续刚构桥成为可能；而高速交通的发展，使 修建大跨度预应力砼连续刚构桥具有独特的优越性。于是连续刚构桥应运而生。 连续刚构是将t 形刚构粗厚桥墩减薄，形成柔性桥墩，使墩梁固结、主梁连续形 成连续一刚构桥，它是t 形刚构与连续梁结合的一种新型体系。1 。 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 1 1 _ 2 连续刚构桥的优点 1 、连续刚构桥的施工一般也都采取自架设的方法，其特点是梁体连续、墩梁固 结和双薄壁桥墩，既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，有保持了t 型剐构不 设支座、不需体系转换的优点，方便施工，且有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚 度，能满足大跨径桥梁的受力要求。m ， 2 、柔性桥墩可以适应结构由预加力、混凝土收缩徐变和温度变化所引起的纵向 位移，为减小水平位移在墩中产生的弯矩，连续刚构桥常采用水平抗推刚度较小的高 墩和双薄壁墩。当跨越山沟、河谷地形时，可采用单薄壁柔性高墩连续刚构体系；当 跨径较大而墩的高度不高时，为增加墩的柔性，常采用双薄壁墩，此外，双薄壁墩还 具有削减墩顶负弯矩峰值的作用”3 。 3 、连续刚构桥梁内的内力分布更加合理，合理选择墩的刚度，能够有效的减少 主梁内的弯矩，有利于增大跨径。同连续梁比较，在活载作用下，连续刚构的正弯矩 比连续粱的小，两者负弯矩较接近；在恒载作用下，两者的弯矩也比较接近。墩梁固 结节省了大型支座的昂贵费用，减少了墩及基础的工程量，并改善了结构在水平荷载 ( 例如地震荷载) 作用下的受力性能，既各柔性墩按刚度比分配水平力。目前，最大 跨径已达3 0 l m 。1 ( 挪威s t o l m a 桥，跨径布置为9 4 m + 3 0 1 m + 7 2 m ) 。 4 、跨径在2 0 0 m 一3 0 0 m 范围内，连续梁桥在跨越能力方面( 目前国内外跨径超过 2 0 0 m 的连续梁寥寥无几) 、拱桥在施工简易方面以及斜拉桥和吊桥在经济指标方面都 明显不如连续刚构桥。而因此，尽管其起步较晚，但近年来( 尤其是近十年) 却得到 了较快的发展，在主跨2 0 0 m 3 0 0 m 范围内几乎被连续刚构所垄断。可以说，连续刚 构桥的出现，不仅丰富了桥梁家族的成员，也是科技进步的体现“1 。 5 、连续刚构桥的上部结构形式有利于悬臂施工，悬臂施工适合于梁的上翼缘承 受拉应力的桥梁形式，因为悬臂施工的受力与桥梁建成后受力较接近”。一般采用平 衡悬臂浇筑施工，如图卜i - i ”1 。 图l l l 值得一提的是，连续刚构桥的薄壁墩是柔性的，因此必须采取防撞措施。广州洛 溪大桥在通航孔的双薄壁墩设防撞围堰，虎门大桥辅航道桥设置了防撞岛等等。 2 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 1 1 3 连续刚构桥施工控制的重要性 悬臂施工中桥墩和梁固结，施工中桥墩要承受不对称弯矩，由两个相邻的桥墩同 时向两侧分段进行，直到跨中合拢，各节段用预应力紧密连成整体。其施工特点是桥 下不需要搭设支架，对在深水、大跨、通航、峡谷、高墩的条件下建桥是最优的施工 方案，因此悬臂施工法是连续刚构桥的最佳施工方法。悬臂浇筑是在桥墩两侧逐段对 称浇筑混凝土，待砼达到一定强度后张拉预应力筋，移动机具模板 挂蓝 继续浇筑下 一节段。 桥梁施工控制的目的就是确保施工过程中结构的可靠度和安全性，保证桥梁成桥 桥面线形及受力状态符合设计要求。 悬臂旋工属于典型的自架设施工方法。由于连续刚构桥在施工过程中的己成结构 ( 悬臂节段) 状态是无法事后调整的，所以，施工控制主要采用预测控制法。连续刚 构桥旅工控制主要体现在施工控制模拟结构分析、施工监测、施工误差分析以及后续 施工状态预测几个方面。 连续刚构桥的施工一般采用悬臂浇筑法，分阶段逐步完成的。施工控制中的结构 计算方法不仅能对整个施工过程进行描述，反映整个施工过程中结构的受力行为，而 且还能确定结构各个阶段的理想状态，为施工提供中间目标状态。 因此说，为了保证连续刚构桥的顺利合拢及施工和运营时的安全，施工监控的方 法和手段，是非常重要的。 本文着重针对连续刚构桥悬臂浇筑施工监控中的结构计算方法、标高的监控、施 工中关键部位即合拢段和竖向接缝问题进行了深入的研究。 1 2 对本论文研究主要范围内已有文献的评述 1 2 ，1 悬臂施工法推动了连续刚构桥的发展 1 9 5 3 年原联邦德国建成的沃伦姆斯桥( w o r m s ) ，主跨1 1 4 2 m ，施工时引进了现 在标志着钢桥传统施工方法的悬臂施工法，这种创造性的引进，基本解决了施工中的 难题，而且更重要的是发展了预应力混凝土结构的一种新体系t 形刚构，并对其他 体系桥梁产生了深远影响。而t 形刚构因其独有的优点一经问世便得到了长足的应用 和发展。1 9 6 4 年联邦德国又建成了主跨为2 0 8 m 的本道夫( b e n d o r f ) 桥，不仅再一次 成功地显示出悬臂施工法的优越性，而且在结构上又有新的创新，薄型的主墩与上部 连续梁固结，形成了带铰的连续刚构体系。8 0 年代后，世界各国建造了多座不带铰的 连续刚构体系，并发展了刚构体系的另一种形式连续刚构一连续体系 7 】。 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 国外修建大跨连续刚构桥的历史相对稍早一些。1 9 8 2 年，美国的修斯敦( h o u s t o n ) 运河桥跨径为1 1 4 + 2 2 8 6 + 1 1 4 m ，主梁为双室箱型断面，刚性桥墩，这算跨径较大肘 间较早的一座。1 9 8 5 年，澳大利亚建成的门道桥( g a t e w a y ) ，跨径为1 4 5 + 2 6 0 + 1 4 5 m ， 采用了双薄壁墩身、单室箱型主梁和5 0 4 高强砼。该桥保持世界第一达1 2 年之久，是 一座里程碑式的建筑，从此，连续刚构桥的得到了蓬勃发展。 连续刚构桥跨越能力大，受力合理，结构整体性能好，桥面连续行车舒适，造型 简单，旋工又相对简单，其投资比斜拉桥、悬索桥同等跨度条件下要低，在高墩结构 中也比一直以为最便宜的简支梁桥同等条件下投资偏低或相同，是一种极有发展前景 的新型桥梁结构形式，我国1 9 8 8 年建成第一座跨径为1 8 0 m 的大跨径预应力混凝土连 续刚构桥广东洛溪大桥，从此连续刚构桥在我国得到了广泛的应用和大量的推 广。自1 9 9 5 年以来建成的主跨超过2 0 0 r n 的连续刚构桥有黄石长江大桥、虎门大桥辅 航道桥、江津长江大桥、重庆高家花园嘉陵江大桥、四川泸州长江二桥、广东南澳跨 海大桥、四川马鞍石嘉陵江大桥、重庆黄花园大桥等。特别是虎门大桥辅航道桥是我 国连续刚构桥中最重要的一座特大桥梁( 主跨2 7 0 m ) ，建成时为该桥型跨径世界之最。 但这个记录保持不到两年，就被挪威的r a f ts e n d e t ( 拉脱圣德桥主跨2 9 8 m ) 所代替。 但虎门大桥无论是设计、施工、科研上均取得了重要成果，为我国修建3 0 0 m 跨径以 六的连续刚构桥做好了充分的技术准备旧。 连续刚构桥是一种极有生命力的桥梁结构形式，不仅己成为大跨度预应力混凝土 桥梁的首选桥型，而且连续刚构桥还具有下列发展趋势【l 。 ( 1 ) 跨径可进一步增大 我国正处于修建连续刚构桥的热潮之中，跨径2 8 0 m 的奉节长江大桥正在建设， 珠海跨伶仃洋的特大桥己提出了跨径3 1 8 m 跨横门车航道的连续刚构方案，可以预计， 跨径3 0 0 m 以上的连续刚构桥在不久的将来必然会在中国出现。 ( 2 ) 上部结构不断轻型化 桥梁上部结构的轻型化，可以减轻上部结构的自重，减少材料用量，也可以降低 对挂篮的要求，从而降低工程造价。由于采用大吨位锚具、高强混凝土和轻质混凝土， 上部结构不断轻型化，这也是连续刚构桥的发展方向。 ( 3 ) 简化预应力束类型 我国预应力混凝土连续刚构桥设计中，已有相当多的桥梁取消了弯起束和连续 束，用竖向预应力和纵向预应力承担主拉应力，极大地方便了施工，不仅简化了预应 力结构体系，而且受到旋工单位的欢迎。 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 ( 4 ) 取消边跨合拢段落地支架 设计采用合适的边跨与主跨比，在导梁上直接合拢边跨，或与引桥的悬臂相连接 实现边跨合拢段的现浇，在高墩的条件下取消边跨合拢段的落地支架，除带来一定的 经济效益外，还可方便施工。 ( 5 ) 上部结构连续长度增长 为了适应高速行车的需要，将行车舒适性提高到重要位置，国外产生了“少用和 不用伸缩缝是最好伸缩缝”的新观点，于是国外桥梁设计中最大限度增加上部结构的 连续长度。我国的桥梁设计者也注意到这一发展趋势，连续刚构桥从洛溪大桥上部结 构连续长度4 8 0 m 发展到黄花园大桥1 0 2 4 m ，使上部结构的连续长度增加了近2 2 倍。 如果设计中再考虑一些技术措施，预计在条件允许时连续刚构桥可发展到 1 2 0 0 1 5 0 0 m 的连续长度。东明黄河大桥设计中采用刚构一连续梁体系，在墩高仅 9 1 m 的条件下，其上部结构连续长度达9 9 0 m 。按照这种体系，在连续梁部分采用滑 动支座情况下，则上部结构连续长度将不会受到限制。 2 1 2 2 旋工监测和控制的发展 系统地实施桥梁施工控制的历史并不长。最早较系统地把工程控制论应用到桥梁 施工管理中的是日本。桥梁施工控制技术在国外得到了广泛重视。2 0 世纪8 0 年代初， 日本修建日夜野预应力混凝土连续梁桥时，就建立了施工控制所需的应力、挠度等参 数的观测系统，并应用计算机对所测参数进行现场处理，然后将处理后的实测参数送 回控制室进行结构计算分析，最后将分析结果返回到现场进行施工控制。上述方法也 是国外传统的施工监控方法。 我国虽在2 0 世纪5 0 年代就已注意到施工中结构内力和变形的调控( 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，然而其发展较迅速。进入8 0 年代以后，践着计算机在 桥梁工程中应用的普及和深入，桥梁工作者开始用计算机辅助桥梁旌工，i 9 8 2 年建成 的上海柳港大桥( 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 进行了主粱挠度和索塔水平位移的施工控制。柳港大桥的控制成功，引起了桥梁界对 桥梁施工监控技术研究的高潮。8 0 年代后期，对斜拉桥施工监控技术进行了全面研究， 已初步形成系统。该系统主要依靠现场微机用理想的施工倒退分析程序和考虑徐变收 缩影响的控制分析程序提供每一施工阶段的理想状态计算控制值，在现场将理想状态 计算控制值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的优化调整 等方法，实现施工作业与控制之间的良性循环，最后达到对主梁挠度和拉索索力实施 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 双控的目的。紧接着又对悬索桥、拱桥、连续刚构桥等的施工控制技术展开了研究与 实践，并取得了较好成果。 如上所述，由于国外在桥梁施工控制技术方面的研究和应用起步较早，众多发达 国家已将施工控制纳入常规施工管理工作中，控制方法已从人工测量、分析与预报， 发展到自动监控、分析预报、调整的计算机自动控制，并已形成了较完善的桥梁施工 控制系统。即便如此，国外对桥梁施工控制技术的研究还在继续，这是由于影响桥梁 施工的因素太多、太复杂，同时，不断涌现的、新型的、规模( 跨径) 更大的桥梁工 程也对桥梁施工控制提出了更高的要求。国内在桥梁施工控制技术方面的研究与应用 起步较晚，在2 0 世纪8 0 年代以后，虽在桥梁施工中己注意到结构应力调整和预拱度 的设置，但并未将系统控制概念引人。在以后的研究中，主要集中在斜拉桥上，在9 0 年代中后期，对桥梁施工控制的研究才逐渐在其他桥梁上展开和应用。比较起来，我 国在该领域还有差距，主要表现在对桥梁旎工控制的理论与实践研究还不够、监测手 段落后、对影响施工控制的因素研究不透、预测和判断精度不高、还未建立起一套完 善的施工控制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，研制更 加合理、实用的控制软件以及更加方便、精确的监测设备，建立完善的桥梁施工控制 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 。 1 2 3 现有施工监控方法简介 特大跨径桥梁的施工工艺复杂繁琐，影响因素多，技术要求高，施工中经常会遇 到某些意料之外的问题。为了确保大桥施工的安全和顺利，保证成桥线型和内力满足 设计要求，必须对特大桥梁的施工进行严格监控，及时处理各种误差。 施工监控方法主要分两部分：结构分析方法和参数调整方法。 ( 1 ) 结构分析方法 结构分析方法是指理论模型的建立及其计算方法，它包括结构在各个阶段内力和 挠度的计算、各施工阶段控制参数的计算等。结构计算是桥梁监控的理论依据，目前 主要有：正算法、倒拆法、无应力状态法。 正算法 正算法又称正装计算法，它是按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和 受力分析的计算方法，也是应用较多的计算方法。正算法采用与施工相同的顺序，依 次计算各施工阶段架设时结构的施工内力和位移。然后根据一定的计算原则，选择相 应的计算参数作为未知变量，通过求解方程而获得相应的控制参数。只要计算参数选 择得当，结构按正算法所控制参数和顺序施工完毕时，理论上的恒载内力和主梁线型 6 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 应与预定的理想状态基本吻合。 倒拆法 倒拆法又称倒装计算法，它是按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结 构行为分析的计算方法。它由成桥状态( 即理想的恒载状态) 出发，按照与实际施工 步骤相反的顺序，进行逐步倒退计算而获得各施工阶段的控制参数。结构据此按正装 顺序施工完毕时，理论上其恒载内力和线型便可达到预定的理想状态。倒拆法是斜拉 桥施工计算中广泛采用的一种方法，1 9 5 8 年在t h e o d o n n e n s s 斜拉桥的施工设计中被 首次提出。 无应力状态法 无应力状态法有时也称零弯矩应力法，它是运用构件或单元的无应力长度和曲率 保持不变的原理来进行结构状态分析的。桥梁结构无应力状态只是一个数学目标，通 过它将桥梁结构安装的中间状态和终结状态之间联系起来，为分析桥梁结构各种受力 状态提供了一种有效的方法。无应力状态法较多应用在悬索桥上。 ( 2 ) 参数调整方法 在桥梁的实际施工中，理论模型与实际结构可能要存在某些偏差，例如，某施工 阶段桥梁理论模型所计算的内力、挠度或标高等指标可能与真实结构相对应指标存在 一些偏差。为确保大桥的质量，必须将这种偏差控制在容许范围内；否则，就应该对 理论模型中的参数进行修正并对后续施工进行相应的调整。参数调整的方法很多，现 介绍几个比较常用的方法： 参数识别与调整法 这个方法是根据施工中结构的实测值对主要设计参数进行估计，然后将被修正过 的设计参数反馈到控制计算中去，重新给出施工中的理论期望值，以消除理论值于实 际值不一致中的主要部分。参数识别与调整法是最常采用的施工监控方法之一，宁波 市甬江斜拉桥的施工监控即采用此法。 自适应参数识别调整法 自适应参数识别调整法就是在人工参数识别调整方法的基础上，运用自动控制的 理论，通过建立适当的、确定的数学模型，对参数进行自动识别、最优控制和最优估 计。自适应参数识别调整法即所谓的智能控制。 最小二乘法 最s y - 乘法是由数学王子k f g a u s s 创始于1 7 9 5 年。此法认为“未知量的最可 能值是这样一个值，它使得实践值与计算值的差的平方乘以精度后所求得的和最小”。 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 最小二乘法是理论体系和计算方法比较完善的传统的优化方法，在桥梁施工监控中主 要用于设计参数的识另u 和修正。我们在2 0 世纪8 0 年代后期将其应用于斜拉桥的施工 控制并取得成功。 卡耳漫( k a l m a n ) 滤波法 卡耳漫( k a l m a l l ) 滤波是美国学者k a i m a n r e 于1 9 6 0 年提出的，他将状态空 间的概念引入达随机估计理论中来，把信号过程视为在自噪音作用下一个线性系统的 输出，这种输入输出关系用状态方程来描述。在我国，上海市政设计院的林元培先生 首次将它应用于柳港大桥( 斜拉桥) 索力的监控和调整过程中，重庆交通学院的顾安 邦教授也率先将它应用于黄花园大桥( 连续刚构桥) 的施工监控中，都取得了成功。 回归分析法 回归分析也是进行数据处理的常用方法。通过给定的误差模式对系统已有数据进 行回归分析计算，找出系统的最佳拟合方程，从而预测系统未来的发展变化。回归分 析包括一元线性回归、一元非线性回归、多元线性回归，其理论和计算也比较完善。 灰色系统理论法 灰色系统理论就是以灰关联空间为基础的分析体系，它以现有信息或原始数列为 基础，通过灰过程及灰生成对原始数列进行数据加工处理，建立灰微分方程即灰模型 ( g m 模型) 为主体的模型体系，来预测系统未来发展变化的一种预测控制方法。“少 数据建模”是灰色系统理论的重要特点。此法由我国的邓聚龙教授于1 9 8 2 年首先提 出。 综上所述，随着连续刚构桥实践资料的积累、理论研究的不断深入，连续刚构桥 无论在设计理论、箍工工艺还是在工程监控方面总体上都逐渐趋于完善，然而其中一 些局部问题还有待于进一步认识和深入讨论。例如：在结构计算分析上以前大多采用 正算法与倒拆法联合应用，计算复杂繁琐且存在一定的理论缺陷；有关合拢理论的报 导也较少，有些施工人员甚至部分设计人员工作中有些盲从；对悬臂施工中各节段间 的竖向接缝问题认识不足，等等。 1 3 本文所要解决的问题 ( 1 ) 结构分析方法是指理论模型的建立及其计算方法，它包括结构在各个阶段 内力和挠度的计算、各施工阶段控制参数的计算等。结构计算是桥梁监控的理论依据， 目前主要有：正算法、倒拆法、无应力状态法。通过对各种计算方法的讨论，对连续 刚构桥而言，提出了简单而又能满足精度要求的使用计算方法。 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 ( 2 ) 为了确保连续刚构桥顺利合拢和成桥线形，悬臂浇筑施工中各个节段的标 高控制非常重要，运用参数识别与调整的方法，对施工中各节段的标高进行控制，分 析其影响因素并提出简单实用的有效调整办法。 ( 3 ) 合拢质量往往是大桥建设成败的关键所在，合拢段是成桥的关键部位，合 拢的完成实现了由施工时的t 构变成连续刚构体系的转换。因此有必要详细地对合拢 工艺的理论依据和注意事项进行讨论。对合拢区段的构造型式、力学机理及旌工措施 也进行深入的研究。 ( 4 ) 接缝质量及型式也是影响连续刚构桥后期挠度的重要因素，因此本文分析 了影响接缝质量的原因，对悬臂浇筑施工中节段与节段间竖向接缝的力学性能、接缝 质量对桥梁挠度的影响做了模拟性研究。 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 第二章施工监控中的结构分析方法 2 1 前言 本章所讨论的施工监控结构分析方法是指理论模型的建立及其结构计算的方法。 大跨度桥梁的施工均采用分节段逐步完成的施工方法，结构的最终形成，必须经 历一个漫长而又复杂的施工过程以及结构体系转换过程，施工过程中每个阶段的变形 计算和受力分析，是桥梁结构旋工控制中最基本的内容和直接依据。桥梁结构旌工控 制的目的就是保证施工过程中结构的安全，保证桥梁成桥线型及受力状态基本符合设 计要求。为此，我们必须对桥梁施工过程中每个阶段的受力状态和变形情况进行预测 和监控。因此必须通过合理的计算方法和理论分析来确定桥梁结构施工过程中在受力 和变形方面的理想状态，以便控制施工过程中每个阶段的结构行为，使其最终的成桥 线型和受力状态满足设计要求。从这个意义上讲，旎工控制中的结构计算方法不仅能 对整个施工过程进行描述，反映整个施工过程中结构的受力行为，而且还能确定结构 各个阶段的理想状态，为施工提供中间目标状态。 现阶段施工控制中桥梁结构的计算方法主要包括：正装分析法、倒装分析法和无 应力状态计算法。 在大跨度桥梁结构的施工控制中，虽然正装计算法、倒装计算法和无应力状态计 算法都能用于各种形式的桥梁结构分析，但是，由于不同形式的桥梁结构所采用的施 工方法不同，因而这三种计算方法对于不同形式的桥梁结构分析是有所侧重的。同时 三种计算方法也有其各自的特点。 2 2 现有的结构计算方法简述 2 2 1 正装计算法( 简称正算法) 正装计算法按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析，它能较 好地拟合桥梁结构的实际旌工历程，能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状 态，这不仅可以用来指导桥梁的设计和施工，而且为桥梁的施工控制提供了依据。同 时在正装计算中能较好地考虑一些与桥梁结构形成历程有关的因素，如结构的非线性 问题和砼的收缩徐变闯题。正因为如此，正装计算法在桥梁的计算分析中占有重要位 置，对于各种形式的大跨度桥梁，要想了解桥梁结构在各个阶段的位移和受力状态， 都必须首先进行正装计算。 连续剐构桥施工中的结构分析及其控制 2 2 2 倒装计算法( 简称倒拆法) 倒装计算法是按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为分析的。 倒装计算的目的就是要获得桥梁结构在各蘑工阶段理想的安装位置( 主要指标高) 和 理想的受力状态。众所周知，一座大跨度桥梁的设计图，只给出了桥梁结构最终成桥 状态的设计线型和设计标高，但是桥粱结构施工中间各状态的标高并没有明确给出， 要想得到桥梁结构施工初始状态和麓工中间各阶段的理想状态，就要从设计图中给出 的最终成桥状态开始，逐步地倒拆计算来得到旃工各阶段中间的理想状态和初始状 态。只有按照桥梁倒装计算出来的桥梁结构各阶段中间状态( 主要指标高) 去指导施 工，才能便桥梁的成桥状态符合设计要求。当然，在桥梁结构的施工控制中，除了控 制结构的标高和线型之外，同样要控制结构的受力状态，它与线型控制同样重要。正 因为倒装计算有这些特点，所以它能适用于各种桥型的安装计算，尤其适用于以悬臂 旌工为主的大跨度连续粱桥、刚构桥和斜拉桥。当然，这是相对于无应力状态法而言 的。 2 2 3 无应力状态计算法 无应力状态法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础，将桥梁结构 的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来，这种方法特别适用于大跨度拱桥和悬 索桥的旌工控制。由于大跨度拱桥的主要承重结构主拱圈和悬索桥的主要承重结构 一主缆索大都在预制厂或工厂制作成型后，在现场进行安装的，而在工厂加工时，这 些结构基本上处于无应力状态，并且在安装时，它们的长度一般难以调整，即使可调， 也只能局部微调。因而如何确定主拱圈的加工长度是大跨度拱桥施工控制的关键。同 理，确定主缆索的加工长度是悬索桥施工控制的关键。 2 3 倒拆法与正算法的本质及其优缺点 由于篇幅有限，本章主要介绍和比较在连续刚构桥的结构计算中应用较多的倒拆 法和正算法。 2 3 1 倒拆法的本质及其优缺点 一、倒拆法的本质 实质上，侄9 拆法是以成桥的应力和线型作为麓工控制直接依据的，即首先保证竣 工成桥时桥梁的应力和线型满足设计要求以便能够使之正常运营。然后由此反向推算 各施工阶段的控制参数，以确保桥梁在该参数控制下的施工在成桥竣工时能够达到倒 拆初始状态( 即设计要求) 。可以这样认为：倒拆法就是由“合理的结果”( 即设计的 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 成桥状态) 去“顺藤摸瓜”，来反推“合理的过程”( 即，与设计的成桥状态相对应的 各施工阶段的恰当控制参数) 。 二、倒拆法的优点 - - - m mmmm-_-mm-m-m-m-m_-mm - - mm-_-_-m-m-m_m- 根据理想的成桥状态( 即理想的恒载状态) 反推各施工阶段合理的控制参数， 使得我们的监控计算分析工作概念明确、理由充分、方向性强。从理论上说：只要我 们拟定好成桥状态就可以反推出与之相对应的各施工状态。倒拆法示意如图2 ，3 ，i ： 。 倒拆前初始状态( 理想状态) i f 。 i i 一“ 一 盈 ：_ ? = t 2 = ：= = 一一一一：- ，2 2 1 ，= 1 广= = 。= 一 i i 倒拆( 虚线表示此前状态) i i j il u 一扎 + 一一= 2 = = h 十r 。一一 = = = - = - _ 一一 _ | 继续倒拆( 虚线表示此前状态) | 【 卫 拈 卫 继续倒拆 图23 1 _-mnmmum-m-m-n-m-m-mm-n-m-mmm-mm-m 三、倒拆法的缺点 此处所讨论的倒拆法的缺点，是指倒拆法单独应用时的缺点，关于它与正算法联 合应用的问题，将在本章2 5 节中进行论述。 倒拆法自其产生之日起就伴随着两个最为棘手的问题：砼收缩徐变的计算问题和 初始状态的确定问题。 ( 1 ) 砼收缩徐变的计算问题。“”3 众所周知，对于特大跨径桥梁砼收缩徐变的影响是必须加以考虑和重视的，否则 计算结果将发生较大偏差。但是砼的收缩徐变与结构的形成历程有关，其计算只能按 时间顺序正向进行。而倒拆法只是倒拆结构，不能倒拆( 即“倒退”) 时间，因此原 则上倒拆法无法正常进行砼收缩徐变的计算。 现在，对于倒拆法中砼收缩徐变计算一般都采用迭代法来解决，具体步骤如下： 1 ) 假定何拆前的成桥获态( 郎初始状态) 各参数( 包括应力、挠度、标高等) 为x 掣( i = l ，2 ，3 ) ，第一轮倒拆( 也称倒退分析) 时不计砼的收缩徐变，求得第k ( k = i ，2 ，3 ) 个施工阶段的各参数为_ = c 印( i ：l ，2 ，3 ) ； 2 ) 以第k 个旌工阶段的x p ( i = l ，2 ，3 ) 为参数，按正常施工顺序计算( 也称前 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 进分析，包括砼收缩徐变的计算) 至成桥状态，得到此刻的各参数为工( i = l ，2 ，3 ) ； 3 ) 比较x ，0 1 1 ( i = l ，2 ，3 ) 和z 叩( i = l ，2 ，3 ) ； 如果血o = ix 一x 眇，( i = l ，2 ，3 ) i ， ，则步骤( 1 ) 中求得的 工( i = l ，2 ，3 ) 即可作为实际施工时采用的控制参数。这里厶o = l 【x 一x o ，”， ( i = l ，2 ，3 ) f ，表示工一x 掣的p 范数，即： j x o ( 1 r - g o p = f 工? 1 ) 一工? ，( i = 1 ，2 ，3 ) 9 i p ； ( 2 3 1 ) 其中p 取1 ，2 ，一三个值比较常见： f # “7 一z ? l 。= x ? 0 7 一工? 徊，( i = l ，2 ，3 ) ； ( 2 3 2 ) x ，”。- x ? j ：= lz ? o ”一工? ，( i = l ，2 ，3 ) i2 “2 ； ( 2 3 3 ) j ? “7 一r i 。= m a x fx ? 0 7 一工? ，( i = l ，2 ，3 ) f ； ( 2 ，3 4 为事先给定的误差容许值。 但是事实上，由于我们在倒拆计算时没有考虑砼收缩徐变而在正装时却计算了它 的影响、因此一次试算一般都不会满足容许精度 的要求。 如果x o = lx ? “一z ? ，( i = 1 ，2 ，3 ) li ， ，贝0 步骤( 1 ) 中 求得的x 印( i = l ，2 ，3 ) 就不能直接作为实际施工时采用的控制参数。因为它将使桥 梁竣工时偏离事先拟定的理想状态，违背了倒拆法的初衷。因此我们需要对 ( i = l ，2 ，3 ) 进行适当的调整，步骤如下：令z ? 啦) = x + ( x p x ) ；以x ? 0 1 代 替步骤( 2 ) 中的x 掣进行第二次正装计算求出z 掣。( i = l ，2 ，3 ) ；重复步骤( 3 ) 至 迭代结束。 虽然上述迭代方法已经大量应用于实践当中，但仍然存在两个问题：其一是计算 繁琐。不仅每个施工阶段都要迭代，而且一个施工阶段一般都要迭代几次才能满足精 度要求，计算工作量较大。其二有时迭代存在运算发散( 即不闭合) 问题，说明此法 在理论上还存在一些值得研究的地方。 ( 2 ) 初始状态的确定问题 如果说砼收缩徐变的计算仅仅是繁琐而已的话，那么初始状态的确定才是倒拆法 中最关键、最棘手的问题。这里的所谓初始状态包括初始标高状态和初始应力状态， 现分述如下： 1 ) 初始标高的确定 在施工监控中，倒拆法初始标高一般都取用设计方提供的成桥竣工标高。由于倒 拆法进行倒退分析之前所拟定的初始状态( 即“理想恒载状态”) 恰恰就是竣工成桥 状态，刚好符合倒拆法的初衷。因此这种做法概念明确、操作简单，不存在任何异议， 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 故不赘述。 2 ) 初始应力的确定 我们似乎也可以采用与确定初始标高相类似的方法，以成桥竣工时的应力作为倒 拆法的初始应力，概念上不存在任何问题，但实际操作中并不如此简单： 其一、假如你是设计方而无竣工应力资料( 因为设计之初不可能有竣工应力资料) 如何运用倒拆法进行设计，如何确定倒拆初始应力? 一般情况下，设计者是根据经验 和已有资料来确定倒拆初始应力的。在此我们仅以连续刚构桥为例加以论述。众所周 知，成桥状态的应力直接与施工方法有关，无论是采用应力叠加还是内力叠加都如此。 如果抛开施工方法而随意确定一个成桥状态的应力( 尽管其成桥状态可以非常理想) ， 那么倒拆时每一个施工阶段必然对应一个确定的施工状态应力，这就存在如下两个问 题： a ) 现有施工工艺和水平能否使某些最不利的施工阶段应力在施工时满足相应阶 段的倒拆值? 这种情况是经常存在的，并不能因成桥状态合理就说施工阶段应力也合 理。很多时候，桥梁尤其是特大跨径桥梁，其最不利受力往往发生在施工阶段，如节 段施工的拱桥和连续刚构桥等，最不利受力一般发生在合拢前，而竣工后桥梁已自成 体系，受力反而有所改善。因此，如果篪工应力不能满足要求，那就要修改最初拟定 的初始应力而重新进行倒拆。况且初始应力如何修改? 修改哪一部分? 修改多少? 这 些都不是那么简单的。 b ) 即使不存在最不利应力不能满足的问题，但要使每个施工阶段都满足相应的 倒拆值，就必然会使各施工阶段的控制参数( 如预应力束张拉吨位) 参差不齐，从而 使旖工变得十分复杂，这也正是设计方和施工方都忌讳的事情。 其二、假如你是监控方但没有设计方提供的设计竣工应力资料( 当然有其它设计 资料，否则无法监控) 怎么办? 因为一般情况下，监控方首先要对设计资料进行复核 ( 因为现在设计监理制度还不完善) ，而复核的关键就是与设计方校对施工期间和成 桥竣工时的应力，因此上述情况是可能出现的。 其三、监控方有设计方提供的详细施工和竣工资料但如何运用? 即如何建立一个 计算模型使之应力恰好符合倒拆法的初始状态一理想恒载状态? 对于斜拉桥和吊桥， 我们或许可以暂不考虑施工过程直接建立成桥模型，通过调整斜拉索或吊杆及主索来 改善内力从而达到设计要求的理想恒载内力的要求。尽管调整内力有些复杂，但实践 上是可行的，这也正是倒拆法主要应用于斜拉桥和吊桥的原因。然而对于连续刚构桥， 这种处理就不适合了。假设我们也如斜拉桥那样建立了连续刚构桥的成桥竣工模型， 1 4 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 但模型的应力是绝对不可能直接符合设计要求的。因为这种竣工模型的建立属于一次 落架施工模式，与连续刚构的实际施工工艺一悬臂节段施工相差甚远。正如前面所述， 成桥状态的应力直接与施工方法有关，因此模型成桥应力与设计不可能符合。可是连 续刚构桥又不可能象斜拉桥和吊桥那样，对成桥模型通过大量调整预应力钢绞线来改 善内力从而去符合设计。因为设计方已经对预应力钢绞线的数量和张拉吨位做了严格 控制，即使能够调整，那也是很微小的。也就是说，我们基本上不可能直接建立起符 合倒拆法规则的初始应力模型，更无从谈起倒拆。 然而，正算法却不存在这些问题。 2 3 2 正算法的本质及其优缺点 一、正算法的本质 与倒拆法相反，正算法是以施工应力作为控制直接依据的。即通过调整控制参数 首先保证每个阶段的施工都能安全j f 顷, n 进行，那么施工的最后一个阶段即为成桥竣工 状态，其应力也自然会满足要求。如果感觉不理想，只要稍加调整也就可以了。通俗 点说，正算法就是“从第一步开始，走好每一步，最后到达目标”。应该说，正算法 也是概念明确，道理显然。 二、正算法的优点 与倒拆法相比，正算法有如下明显的优点： ( 1 ) 正算法不存在倒拆法中砼收缩徐变难以计算的问题。因为正算法是按正常 施工顺序进行计算分析的。 ( 2 ) 正算法不存在倒拆法中初始应力的确定问题。因为正算法是“从零开始”。 这对于设计者就非常方便，如果哪一施工阶段的应力没通过，比较容易对其进行调整， 不象倒拆法那样还要重新拟订初始应力。而且倒拆法重新拟订的初始应力对其他施工 阶段应力还有影响，这种“连锁反应”处理起来十分复杂。正算法回避了这些棘手的 问题。 ( 3 ) 正算法可以充分考虑施工工艺和利用设计资料。这对监控者来说非常重要， 它使得设计、施工、监控融为一体。监控方充分利用设计资料和施工工艺计算分析施 工控制参数，使得监控工作更具针对性，现实性、合理性。 三、正算法的缺点 当然，正算法也不是完美无缺，它也有不足之处。初始标高的确定就是其中之一， 这一点在倒拆法中是不存在的。现仍以连续刚构桥为例进行论述： 正算法的桥梁施工标高是以设计标高加预拱度的形式设置的，即 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 h ? = h ；+ f ? g t 2 3 5 1 i 一节点号，表示桥梁标高点的纵桥向位置； 席芦桥梁施工标高( 对于连续刚构桥为立模标高) ； 日? 一桥梁设计标高( 由设计方提供) i ，”桥梁施工预拱度，根据正算挠度资料获得。且有， 厂”= 一f i “ ( 2 3 6 ) f 尸一模型中桥梁后期施工挠度，即由该旌工阶段到竣工过程中该点的理论计算 挠度。 设f “为实际结构后期旌工挠度。正算法认为f “等于f ，因此有： h ? = h ：+ f 七f = h ： 0 2 3 1 ) 即成桥竣工标高恰好为设计标高，这正是我们所希望的。 然而，正算法的应力和挠度计算模型是由设计标高出发的。但为了保证成桥线 型能达到设计标高，实际结构是按施工立模标高而不是按设计标高进行施工的，因此 实际结构的应力和挠度与模型理论计算值有差别，即模型与实际桥梁的状态不一致。 这就必然导致应力和挠度计算及预测的偏差。示意图如图2 32 。 再看式( 2 3 7 ) ，由于z ”是从模型计算中获得的后期挠度反号，而f “是实际 结构后期的挠度，两者并不相等，即 ，”一只“= f ，一只”= f( 2 3 8 ) 因此也就不能保证成桥竣工标高恰好为设计标高了。 这种理论计算模型与实际结构不符是正算法的最突出缺点。 a a 实际结构初始标高( 立模标高) b 一实际结构竣工标高 e 一计算模型初始标高( 设计标高) 哺算模型竣工标高 图23 2 l 实际结构挠度f “ 2 挠度差f ，= f ，一fn d 3 一模型计算挠度p ， 连续刚构桥施工中的结构分析及其控制 2 4 倒拆法与正算法的比较 综上所述，倒拆法和正算法可以说是各有利弊，那么究竟哪个更好一点呢? 笔者 认为：在连续刚构桥的旋工监控中，正算法明显优于倒拆法，因为倒拆法的缺点无法 克服，而正算法的缺点我们是有办法解决的。如前所述，正算法理论计算模型与实际 结构的不符，类似于弹塑性力学中的“小应变大位移”问题，其处理分两种情况论述 如下： 一、如不考虑修正( 因为在变形不大的情况下，结构力学都是这样处理的) ，究 竟能引起多大的内力和变形误差? 我们以龙溪河大桥( 1 4 0 米+ 2 4 0 米+ 1 4 0 米) 为例， 其中跨最后一个悬臂节段浇筑砼引起该点的理论计算挠度为一9 7 毫米( “- ”表示向下) ， 而实际测量的挠度为一1 0 2 毫米，误差仅有5 毫米，约5 ，而桥梁此时的变形最大。 这说明：即使不从理论上考虑这种误差的修正也不会引起太大问题。另外大量实践也 表明：一般情况下，当悬臂结构的倾角在3 。以内变动时，倾角对内力和挠度的影响 非常小，可以忽略不计。对于本桥，最大挠度为9 7 m m ，悬臂长为1 1 1 5 m ，因此悬臂 倾角变化幅度约为a r c t g ( o 0 9 7 1 1 1