挑战杯青春在沃作品设计计算书《钢管混凝土拱桥建造监控检测模拟仿真系统》

1、湖北省第十届挑战杯大学生课外科技制作钢管混凝土桥梁建造监测监控模拟系统设计及实验说明书申报者：延法河 指导教师：李永信1、摘要92、概述92.1、系统的总体布局92.2、系统的应用前景展望123、下沉式钢管混凝土模型设计133.1、塔架/扣架133.1.1、设计方案的提出133.1.2、塔架扣架一体化设计相关技术143.1.3、塔架扣架塔强度分析143.1.4、塔架扣架塔稳定性分析153.1.5、塔架扣架塔应力监测153.1.6、塔架/扣架塔顶位移控制163.2、主桥上部结构与构造173.2.1、主桥拱肋设计173.2.1.1 、合理拱轴线的选定173.2.1.2、三次样条插值数学函数173.

2、2.1.3、用三次样条插值函数确定合理拱轴线的方法183.2.1.4、三次样条插值函数逐步逼近合理拱轴线203.2.1.5 、用三次样条插值函数计算出的本桥合理拱轴线的坐标213.3、钢管混凝土结构设计223.3.1 、钢管混凝土基本性能介绍223.3.2 、钢管混凝土结构设计233.4、横向联结系243.4.1、桥面系243.4.2 、吊杆设计243.4.3、横梁的设计253.5、下部结构与构造263.5.1 、基础设计263.6、桥台拱脚的设计273.7水陆两用桥梁探测吊篮283.7.1、技术领域283.7.2、技术背景283.7.3 、主要功能293.7.4、具体实施方案313.8、吊装

3、系统313.8.1、概况323.8.2、缆索吊机的组成323.8.2.1、承重缆索（主索、天索）323.8.2.2、起重索333.8.2.3、牵引索333.8.2.4、塔架（索塔）333.8.2.5、锚碇（地锚、地垅）343.8.2.6、扣索（天扣、通扣）343.8.2.7 、扣索（塔扣、墩扣）353.8.3、吊装方法及要点353.8.4、吊索363.8.4.1、设计原理及计算363.8.4.1.1、缆索方案选择363.8.4.1.2、缆索吊机计算373.8.4.1.2.1、主索计算373.8.4.1.2.2、起重索计算393.8.4.1.2.3、牵引索计算403.8.4.1.2.4、结索计算

4、413.8.4.1.2.5、缆风索力计算413.8.4.1.2.6 、支柱基础反力433.8.4.1.2.7 、重力式锚碇稳定性验算433.8.4.1.2.3 、缆索设备检查及检查方法443.8.4.2、吊施工观测463.8.4.2.1、主索垂度观测463.8.4.2.2 、塔顶及锚碇位移观测463.8.4.2.3 、拱肋中线观测463.8.4.2.4 、拱肋高程观测463.8.4.3 、设置缆风时注意的问题473.8.4.4、拱肋合拢后，松索过程中必须注意事项484、模型上所开展的实验484.1、应变测量484.1.1、实验分析484.1.2、传感器的选择与防护494.1.3、灵敏系数和温度

5、补偿504.1.4、导线电阻值修正504.1.5、高低温长期应变监测规514.1.5.1、技术领域514.1.5.2、技术背景514.1.5.3 、主要功能524.1.5.4、具体实施方案534.2 、拱肋线形监测与控制554.2.1、线形测量554.2.1.1、监测方法564.2.1.2、钢管拱肋的线形监测574.2.1.2.1、拱轴线的监测574.2.1.2.2、拱肋标高的监测584.2.1.3、线形监测的精度估计594.2.1.3.1、拱轴线监测精度估计604.2.2、线型控制604.2.2.1 扣索伸长量与拱肋位移604.2.2.2、扣索动态调整法634.3、扣索索力监测654.3.1

6、、基本原理654.3.2、扣索内办测量中的有关问题674.3.2.1、激励方式的选取674.3.2.2、传感器安装位置的确定684.3.2.3、弯曲刚度的影响684.3.2.4、附加质量的影响694.3.2.5、温度的影响704.4、成桥静动载试验704.4.1、概述704.4.2、实验任务714.4.3、实验内容及加载工况724.4.3.1、静载实验734.4.3.1.1、位移测试734.4.3.1.2、应力测试734.4.3.2、成桥动载实验784.4.3.2.1、行车实验794.4.3.2.2、跳车实验804.4.3.2.3、制动实验804.4.3.2.4、脉动实验804.5、钢管凝土密

7、实度检测814.5.1、基本理论814.5.2、管内混凝土检测技术824.5.2.1、首波声时法834.5.2.2、波形识别法844.5.2.3、首波频率法844.5.2.4、脉冲声响法844.5.3、钢管混凝土识别854.5.3.1、钢管混凝土中的士传播特性854.5.3.2、混凝土缺陷类型识别85钢管混凝土桥梁建造监测监控模拟系统设计及实验说明书113 工程中在钢管混凝土拱桥建造过程中，首先是钢管拱的吊装过程监测监控，包括塔架承载能力、塔顶偏移量、索子垂度、钢管拱轴线、标高及线型等，扣锁及地锚承载能力，保证钢管拱顺利合拢，钢管拱合拢之后，是钢管混凝土灌注，钢管拱的密实度检测。该监测监控模拟

8、仿真系统将此类桥梁建造整个试验过程，3关键字：监测监控 塔扣合一 模拟 32、概述33、下沉式钢管混凝土模型设计73.3、下部结构与构造213.4、吊装系统263.4.1、概况264、模型上所开展的实验434.1、应变测量434.2 、拱肋线形监测与控制504.2.1、线形测量504.3、扣索索力监测594.4、城桥静动载试验654.5、钢管凝土密实度检测751、摘要 工程中在钢管混凝土拱桥建造过程中，首先是钢管拱的吊装过程监测监控，包括塔架承载能力、塔顶偏移量、索子垂度、钢管拱轴线、标高及线型等，扣锁及地锚承载能力，保证钢管拱顺利合拢，钢管拱合拢之后，是钢管混凝土灌注，钢管拱的密实度检测。该

9、监测监控模拟仿真系统将此类桥梁建造整个试验过程，通过简化，采用模拟仿真的形式搬进课堂，便可以开出多种综合型及研究型的实验。应用模拟系统软件，可以进行桥梁建造过程的模拟、钢管拱吊装过程的应力模拟、塔架位移模拟、混凝土灌注过程的模拟、成桥试验的模拟、自爬吊篮的模拟等。可以演示监测监控的全过程,安装到每一部分时的各部位的应力情况。由于监测监控关系到工程建设项目的成败，所以，对保证工程质量有重大意义。关键字：监测监控 塔扣合一 模拟 2、概述 2.1、系统的总体布局桥梁建造过程中监测监控模拟系统简称“监控模拟系统”。本系统由塔架扣架合为一体的塔架系、钢管混凝土主拱、桥面系、吊杆系、动力及加载系统、传感

10、器系统、探伤系统、高低温超微应变测量系统、水路两用自爬式桥梁探测吊蓝等组成。该模拟系统中的实验平台中承式钢管混凝土拱桥模型全长1.5米，桥面宽30cm，净长为1.05米。根据查新报告，目前尚无同类系统的研究。其示意图见图11。图1-1 系统的总体布局 该桥主拱采用双肋变截面桁架无铰拱，拱轴线是以悬链线为基础的三次样条曲线，矢高0.21m米，矢跨比1/5，分5段制作安装，每段焊接而成。拱肋吊杆为9对，4钢筋固定。吊杆间的间距为 0.125 米，桥面为厚1mm的钢板搁在由10mm20mm型钢焊接而成的骨架上。钢管拱的加工制作采用一次加工成形的办法（钢管拱采用不锈钢管制作）缆索吊装系统主索系上、下两

11、组4mm 钢筋构成，跨度为 1.3米，三跨布置。全桥安装工程均由缆索吊装完成，采用缆索吊装系统和斜拉扣定塔架扣架一体化技术施工，其塔架为缆索吊装系统和斜拉扣定系统共同使用，这是本系统施工的一个重要特色。采用简易挂蓝与猴子爬竿法拼装。斜拉扣索系统的扣索采用8 4mm钢筋与微调锁紧与张拉装置，通过张拉扣索即可实现拱轴线标高的调控。稳定缆风系统系8 4mm 钢筋构成纵桥向稳定缆风、8 4mm钢筋构成塔架横桥的稳定缆风。塔架扣架一体化后，采用可调试稳定风缆控制塔顶水平位移十分理想，安装过程中出现的最大塔顶位移在可控制范围之内.本桥采用 4mm 钢筋作钢管拱的横向稳定缆风。本系统所模拟的大桥安装过程属于

12、风险较大、技术含量较高的施工体系，因此在实际施工中必须配备监测监控等技术力量以确保大桥的施工安全和施工质量。桥梁监测监控模拟系统主要对缆索扣索系统在施工状态下的索力、塔架在施工状态下控制截面的应力、温度及风力等环境因素对施工体系的影响、拱轴线形控制、钢管拱肋及管内混凝土在各控制截面处的、钢管混凝土密实度、各关键受力部位的有限元计算分析等项目进行了监测监控。本桥的索力测试采用了国内最先进的频谱分析技术及传感器测量技术，速度快、精度高。根据扣索的安装特点，在数据处理方面采用专业技术软件对其进行分析计算。计算出每根扣索的索力和安全储备。索力的测量快速准确，为现场施工随时提供可靠的索力数据以确保施工的

13、安全。该桥钢管运用了经济可靠的塔扣合一吊装技术，悬链线钢管拱线形及采用了应变长期监测规及应力自校仪进行监测监控模拟实验。钢管拱、塔架的应力均采用传感器及动静态应变仪进行测量，所得数据采用专用软件进行分析处理、计算、出表图。由于拱轴线的调整每次均使用神经网络作过拟合和预控处理等科学计算，将安装偏差控制在最小范围之内，因此完全保证了全拱合拢后的线形控制在设计允许范围内。大跨度钢管混凝土拱桥缆索吊装塔架扣架一体化施工技术研究是以拱桥修建缆索吊装斜拉扣定法为基础，结合本桥施工特点研究采用的一项切实可行的优化施工方案，该方案合理地利用了塔架自身刚度，节省了设备投入，既经济又科学合理。该施工技术标志着我国

14、大跨高塔缆索吊装施工技术又有新的提高与发展，为同类型桥梁的施工提供了有益的经验。该技术不仅在保证该桥主拱安全顺利合拢方面发挥了重要作用，同时也为我国钢管混凝土拱桥的发展做出了一定的贡献。2.2、系统的应用前景展望本模拟系统结构新颖，测试手段先进, 所研制开发的传感器、测试仪器先进。索力的测量，采用了先进的频谱分析技术，其速度快，精度高。运用本装置可以开出几十个综合、设计、研究型实验。在该装置上可以培养出熟练的监测监控人员，是一件科技含量高且比较实用的创新产品。在本系统上可以整个桥梁的建造过程模拟仿真，可以为学生的桥梁实习提供一个实习基地。应用模拟系统软件，可以进行桥梁建造过程的模拟、钢管拱吊装

15、过程的应力模拟、塔架位移模拟、混凝土灌注过程的模拟、成桥试验的模拟、自爬吊篮的模拟等。可以演示监测监控的全过程,安装到每一部分时的各部位的应力情况。各部位的安装次序。应用硬件，可以让学生自己动手进行各个环节的实际操作，可以在比较短的时间完成整个桥梁的安装过程。本系统可以在高校（桥梁研究单位、桥梁施工单位）的桥梁模拟实验中进行应用，以提高学生的动手能力（桥梁研究单位的科研水平、桥梁施工单位的安全施工的可靠性）。3、下沉式钢管混凝土模型设计3.1、塔架/扣架 3.1.1、设计方案的提出大跨度钢管混凝土拱桥的建设，目前主要采用缆索吊装斜拉扣定施工法。随着拱桥结构跨径的增大(主拱截面几何尺寸变大)，缆

16、索吊装的重量相应增力口；同时，大跨度拱桥主拱矢高一般较大，主拱的吊装高度亦很高(尤其是中承式和下承式拱桥)。因此，对于缆索系统(包括主索塔架)和扣索系统(包括扣索塔架)的强度、刚度及稳定性的要求越来越高。为了增加大桥合拢前期主拱拱肋节段的稳定性和拱轴线形调控的方便，确保整个主拱吊装过程中的安全性，工程施工中通常将主索塔架(简称”塔架”)和扣索塔架(简称”扣架”)分开布置，使缆索系统与扣索系统独立工作。显然，构造功能基本相同的二组塔架结构，无形中大大增加了设备的投入和工程量，力口大了工程造价，了施工周期。有时还往往受到地形条件的限制，使塔架难于布置或无法布置。将塔架、扣架结构合二为一，作整体性结

17、构设计(简称”吊装塔”)，具有极大的现实意义。塔架扣架一体化设计，正是为了解决上述弊端而提出的科学可行、经济合理的施工方案。3.1.2、塔架扣架一体化设计相关技术 吊装塔是钢管拱吊拼施工的主体结构。塔架主要承受自身重量、索拉力(主索、扣索及风缆)、风载等荷载，其强度与稳定性是否满足设计要求，关系到大桥钢管拱吊拼的施工安全，同时其刚度对主拱线形也有一定的影响。根据群益大桥主拱设计设计原形及施工现场地形特征，设置一高约45厘米的吊装塔， 两塔相距130cm，上端可通过风缆调控塔顶位移。主索设置上下两组，其中心间距为20cm；每组主索由4mm的钢筋构成，最大设计吊重量为0.5t。大桥吊装施工体系见图

18、4-4。大桥吊装施工体系见图4-4 3.1.3、塔架扣架塔强度分析吊装塔采用仿万能杆件拼装成单门柱式桁架结构。两塔柱中心距设计为28.5cm。为了加强横向连接，提高侧向稳定性，沿塔柱方向每隔22.5m设置一横系梁。利用有限单元法对吊装塔进行静力分析。整个塔架上端自由、下端与基础固定，采用杆单元离散。吊装塔最大压力应力均发生在塔架立柱根部。对于这部分荷载而言，塔架结构是安全的。但还应考虑到风载、塔架横向弯曲及其它因素的影响。 3.1.4、塔架扣架塔稳定性分析对于塔架这类高耸建筑物，在强度条件满足时，稳定性分析也十分重要。塔架可视为下端固支，上端铰接，长度系数为0.7 。取吊装塔横截面A对中性轴y

19、的惯性矩Iy=，塔高h，则其回转半径r为:r = (2-2)长细比为:= (2.3)稳定系数约为0.91 3.1.5、塔架扣架塔应力监测扣索拉力和主索系统对塔架的作用力均可通过理论计算和实验测量获得。通过南、北塔架立柱根部（内侧为A1、A2、A3和A4，外侧为B1、B2、B3和B4）的应 变传感器，监测塔架应力，以反应塔架的受力情况。塔架下端与基础固接，而上端可产生较大的横向位移，故整个塔架易发生弯、压组合变形，其根部应力可表示为:= - （24）式中，N，P分别为轴向力和水平横向力，Wy为抗弯截面模量。钢管拱在吊装前进行试吊，由此可分析出立柱由轴向力引起的压应力约为-7.0MPa，由横向弯矩

20、引起的最大压应力值约为-14.0MPa。在不考虑斜杆承载的情况下（各斜杆受力均较小），可计算出塔架由于这部分荷载所承受的轴向压力，横向弯矩。 即塔顶所承受的横向水平力。由分析可知，尽管水平力远远小于轴压力，但由横向水平力引起的弯曲应力在总的应力值中占有较大的份额。这是塔架结构设计中应该注重的问题之一。因此，在吊装过程中，应适时地调整风缆索，控制好塔顶水平位移，避免塔架根部应力过大而屈服破坏。 3.1.6、塔架/扣架塔顶位移控制 由于塔架、扣架一体化设计，增加了吊装塔监控的必要性和难度。塔顶在水平力的作用下将产生较大的横向位移。一方面，水平力使塔架结构发生横向弯曲，在塔架根部产生相应的弯曲应力；

21、另一方面，扣索、风缆和主索系统沿塔架轴向的作用力和塔架的自重又进一步加大了塔架的横向弯曲变形，在塔架根部产生附加的弯曲应力，使结构趋于不稳定。对该吊装塔架而言，水平力P使塔架横向弯曲变形时，轴向力N和塔架自重w共同对塔架根部的作用，约为产生相应弯曲变形的横向水平力P的一半，即相当于1.5P的横向水平力对塔架根部产生的弯曲应力。 在扣索、风缆和主索等的最大组合荷载作用下；考虑到塔架稳定性，塔顶的允许水平位移 。所以，在钢管拱的吊装过程中，为避免塔顶的水平位移过大，必须对塔顶位移跟踪观测，实时调整风缆，将水平位移控制在允许值以内。3.2、主桥上部结构与构造3.2.1、主桥拱肋设计拱肋是拱桥的主要承

22、受载荷结构，因而主拱圈的截面形式，拱轴线的线型，以及拱的材料的选取非常关键。本模型采用四肢式变截面钢管混凝土格构柱结构，主拱拱轴线是以悬链线为基础的三次样条曲线，每片肋拱由422mm的钢管用缀板缀条焊接而成。钢管混凝土作为一种新的组合材料，由于其力学性能非常适合拱式体系的桥梁，所以得到了广泛的应用和迅猛发展。3.2.1.1 、合理拱轴线的选定在拱桥设计中, 合理拱轴线的确定直接影响主拱截面内力的分布与大小。所谓合理轴线，就是当拱的轴线与压力线完全重合时，各截面的弯矩和剪力都为零，只有轴力，各截面上产生均匀分布的正应力，材料能得到充分利用，从力学的观点来看，这是最经济，合理的。因此在某种固定荷载

23、作用下，拱的所有截面的弯矩都为零的轴线.目前拱桥常用的拱轴线型有圆弧线、抛物线和, 以及高次抛物线等。本中承式钢管混凝土拱桥的拱轴线采用的是悬链线三次样条曲线。3.2.1.1.1、三次样条插值数学函数设在节 点 a x0x 1 x nb上, y j =f (x j), m j = f (x j), j = 1, 2, , n, 由三次样条插值理论可构造一个一阶导数连续的分段插值函数S n (x ), S n (x ) 在每个小区间上x k, x k+ 1 上是三次Herm ite 插值函数, 表达为： （2-1）式 (1) 在节点处只有一阶导数连续性, 用于拱轴线的函数 S (x ) , 一般

24、还要求在节点处满足连续性条件: 即S (x j -0) = S (x j + 0) S(xj -0) = S(x j + 0)S(xj -0) = S(x j + 0)j = 1, 2, , n -1 (2-2)除式 (2-2) 外, 根据问题的性质还要求附加下列条件:S(x 0) = m 0, S(x n) = m n (2-3) 或S(x 0) = C0, S (x n) =Cn (2-4) 式中:C0,Cn,为常数，特殊情况是 C0, Cn= 0.满足式 (2-2) 与式 (2-3) 或式(2-2) 与式 (2-4) 的分段插值函数 S n (x ) 称为三次样条插值函数.3.2.1.1

25、.2、用三次样条插值函数确定合理拱轴线的方法在拱桥合理拱轴线设计时,已知的条件有拱桥净桥跨L 、矢跨比、主拱圈截面几何性质。根据合理拱轴线定义还可以得到：拱脚、拱顶处恒载弯矩应等于零, 此时任何类型的拱桥可以视为三铰拱, 由静力平衡条件求得支座水平反力H 0，竖向反力V , 等跨度简支梁弯矩M 0在拱脚处拱轴线应有 （2-5） S(xn)=f拱项处 （2-6） 如果要求1/8跨、1/4跨度处拱截面恒载变矩为零，还有 （2-7） （2-8） （2-9） 式中: L 为拱计算跨径; f 为拱计算矢高。设主拱圈高度为 h0, 截面形心到截下边缘距离为 h1, 则L = L 0 + 2h1sinnf

26、= f 0 + h1 (1 -co sn) (2-10) 实际设计中, 首先需要确定 L , f , 才能求解H 0, V 0,再由式 (2-5) 求得n.一般根据经验首先假定n一个合理的数值H 0 ，V 0 后 , 再调整n的数值, 用迭代法求出设计使用的n,L , f 值.3.2.1.1.3、三次样条插值函数逐步逼近合理拱轴线在确定合理拱轴线时, 由于拱轴线以跨中对称, 因此只需确定半跨拱轴线, 以跨中截面形心为原点, X 轴水平向左 (或向右) , Y 轴竖直向下, 区间 0,L/2 .设0= x0 x15；安全系数。式中：P起钢丝的破坏力；主索的极限拉断应力。3.4.4.1.2.3、牵

27、引索计算（1）拉力计算 拉力计算时应考虑各滑轮的摩擦力以及各轮之间拉力等因素。总牵引务W=W1+W2+W3式中：W1跑车运动阻力，由下式计算：W2器重索运行阻力，W2=T起（1-m）T起器重索的拉力；其中：Q起吊总重；N 滑轮组上器重索工作线数；1滑传输线组效率，取0.96；2转向滑轮效率，取0.96；m 滑轮组轮数；转向滑轮轮数；K具有不同转轮数的各种轮轴工作系数；器重索所穿过滑车的效率。W3后牵引索的自然张力，,其中：q1牵引索单位长度重量；X1后牵引索的跨度；F 后引索的跨中垂度。一般情况下牵引索拉力可用下式近似计算：牵引索的最大拉力式中：n牵引索穿过的滑车数量（2）牵引索应力，要求：安

28、全系数；安全系数。3.4.4.1.2.4、结索计算结索用于悬挂分索器，使主索、起重索、牵引索不致互相干扰。它仅承受分索器重力及自重。结索挠度应等于或小于主索案卷挠度，还应小于牵引索最大挠度。结索水平拉力为:式中：gm包括分索器和结索的自重力。要求：安全系数n14；安全系数n22。3.4.4.1.2.5、缆风索力计算（1）外侧风缆作用在柱头的纵向力（见“路桥计算手册”）主索水平反力RH；风力P1；结索作用在柱头拉力P2；起重索作用在柱头拉力P3；牵引索作用在柱头拉力P4；综上所述，作用在柱头总纵向力为P=RH+P1+P2+P3+P4外侧风缆共两根，每根风缆拉力为式中：a缆风绳在水平面上的投影与主

29、索的夹角；缆风绳与水平面的夹角。安装时（即当缆风绳未随风力时）维持风缆挠度在1.5%L，即安装拉力为从而得外侧缆风索总拉力：T=T1+T2安全系数n=P总/T3，其中，P总为总破坏力。（2）内侧风缆作用在柱头横向力风力作用在柱头横向力由两个风缆承担：式中：作用在柱头的横向力。内侧风缆安装拉力与外侧风缆相同，即内侧缆风索总拉力为安全系数内侧缆风索安装挠度：3.4.4.1.2.6 、支柱基础反力（1）支柱自重G；（2）主索垂直反力T垂；（3）缆风索垂直分力T垂；（8）结索平衡重及牵引索平衡重W。支柱基础反力为:R=G+R1+T+ W3.4.4.1.2.7 、重力式锚碇稳定性验算重力式锚碇利用其自重来平衡拉力，一般不考虑土压力，如图4-3所示。 图4-3（1）倾覆稳定性验算KM=M稳/M倾1.4式中：M稳稳定力矩，M稳=pb；M倾倾覆力矩，M倾=TL；T拉索拉力。（2）上拔力安全系数KV=P/VT1.4式中：P锚碇自重；VT拉索拉力T的竖直分力，VT=Tsina；（3）抗滑稳定性验算KH=Hf/HT1.4式中：Hf基底摩