發(fā)布時間：2014-09-30 20:16

【摘要】 新世紀加快了鐵路建設(shè)的步伐,這對鐵路橋梁建設(shè)提出了更高的要求。鋼桁梁斜拉橋以其合理的受力特點,不俗的跨越能力,得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。鋼桁梁斜拉橋桿件較多,目標要求值高,施工及控制過程極其復(fù)雜,因此必須對整個橋梁的施工過程進行嚴格的控制。論文在學(xué)習(xí)和總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上,以貴廣鐵路北江特大橋為工程背景,對鐵路鋼桁梁斜拉橋的施工控制進行了研究。首先,介紹了斜拉橋和鋼桁梁斜拉橋的發(fā)展現(xiàn)狀以及鐵路斜拉橋的特點,接著對斜拉橋施工控制的重要性、任務(wù)和內(nèi)容、原則和方法、影響斜拉橋施工控制的因素和施工控制計算的方法進行了深入的研究。其次,針對正在施工中的北江特大橋,應(yīng)用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Civil建立計算模型,對整個施工過程進行計算分析。研究了各個結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)的影響,得出較敏感的結(jié)構(gòu)參數(shù),并根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果利用卡爾曼濾波法進行參數(shù)識別。再次,對關(guān)鍵的施工階段進行了分析,通過實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對比,分析了誤差產(chǎn)生的原因,提出改進的措施和方法。最后,對北江特大橋的各個施工階段進行穩(wěn)定分析,得到了結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài),并驗證橋梁穩(wěn)定性是否滿足要求。 更多還原

第1章緒論

1.1斜拉橋的發(fā)展概況
斜拉橋的支承體系由受拉的鋼索組成，橋面體系由受壓的加勁梁構(gòu)成。早在幾個世紀之前斜拉橋的雛形就己出現(xiàn)過。在很早的時候，爪哇和老捉就己有原始的竹制斜拉橋，這種斜拉橋剛出現(xiàn)時是斜吊在樹上，到后來慢慢發(fā)展成在竹柱上斜吊。用繩索斜拉的工作天橋曾出現(xiàn)在古埃及的海船上。1617年，意大利人設(shè)計了一種近似于斜拉橋和懸索橋的混合結(jié)構(gòu)，它是用眼桿鐵鏈吊拉的橋梁，斜鏈的松她垂度非常明顯。由于技術(shù)和材料的限制，在后來的300余年中，斜拉橋的發(fā)展非常緩慢。此外，早期，幾座斜拉橋出現(xiàn)了倒塌。所以在后來相當長一段時期，斜拉橋的發(fā)展曾處于停滯的境地。
1938年，基辛格首先認識到斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)越性，并大力提倡。他指出，為了消除長索自重垂度帶來的柔性影響必須對斜拉索施加足夠高的應(yīng)力，以使梁體的變形保持在較低范圍內(nèi)。1956年，瑞典的斯特倫松德橋拉開了現(xiàn)代斜拉橋建設(shè)的序幕。1958年，主跨為260m的西奧多修斯橋在原聯(lián)邦德國的Dusseldorf建成，它鞏固了現(xiàn)代斜拉橋的地位。
隨著電子計算機的發(fā)展，上世紀60年代密索體系的斜拉橋開始被采用，這解決了疏索體系斜拉橋主梁較重而且配筋較多的缺點。
1967年，主跨280m的福瑞德里西一埃伯特橋在前德意志聯(lián)邦共和國的波恩建成，它采用了單索面的密索體系。這樣不僅使得錨固點的集中力減小，而且易于懸臂施工，后來許多斜拉橋都釆用了這種構(gòu)思。
1975年，跨徑為76m的云陽橋在中國四川省云陽縣建成，它揭開了中國建造斜拉橋的序幕。1991年，在中國上海建成主跨為423m的南浦大橋，是雙塔雙索面的，拉索呈扇形布置的疊合梁斜拉橋。
2005年建成通車的主橋跨徑組成為63m+257m+648m+257m+63m的南京長江三橋，是雙塔雙索面的鋼斜拉橋，漂浮體系，采用了鋼箱斷面的主梁和人字形曲線的鋼索塔。
蘇通長江公路大橋，位于江蘇省南通市和蘇州市之間，在江陰大橋以東82公里，在長江入�？�以西108公里，路線全長為32.4公里。主要由南岸接線、跨江大橋和北岸接線三部分組成。其中，南接線長約9.2公里，北接線長約15.1公里，跨江大橋長8146米�？缃�大橋的主橋為主跨1088米的雙塔斜拉橋。
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1.2鋼析梁斜拉橋的發(fā)展
1977年，日本建成了世界第一座鋼桁梁斜拉橋一一神戶六甲橋，該橋主跨220in，衍高8m，是雙層公路橋。主衍采用箱形斷面的上下弦桿，與正交異性的橋面板共同作用，提高了橋梁的整體剛度。
1988年，日本建成了世界著名的瀨戶大橋，它位于四國到本州之間，跨越瀨戶內(nèi)海。全橋由多座斜拉橋、懸索橋與梁橋連結(jié)，構(gòu)成了壯觀的橋梁群。其中有全長792m的柜石島橋和巖黑島橋兩座雙層結(jié)構(gòu)公鐵兩用鋼衍梁斜拉橋。

1989年，日本建成了一座三跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋一一橫濱港大橋，該橋全長860m，主跨為460rn，主塔高172m，析高12m，主桁距31m，雙層公路橋面。
2000年，丹麥建成世界著名的主跨490m的厄勒桑特海峽大橋，是一座雙層結(jié)構(gòu)公鐵兩用橋，是跨徑最大的鋼桁梁斜拉橋。
2011年開工修建的費馬恩海峽大橋，為雙層結(jié)構(gòu)的公鐵兩用鋼衍梁斜拉橋，主跨為3 ×724m，預(yù)計2018年完工，鋼衍梁斜拉橋?qū)�會有新的發(fā)展。
隨著交通事業(yè)的發(fā)展，我國出現(xiàn)了很多鋼析梁斜拉橋。
2000年建成通車的完湖長江大橋位于安徽省憲湖市，是國內(nèi)首座公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋，主跨為312m，在世界上首創(chuàng)低塔斜拉公鐵橋。
武漢天興洲長江大橋于2004年開工建設(shè)，2009年建成通車，是雙塔三索面三主衍的公鐵兩用斜拉橋，為世界首座按四線鐵路修建的同類型的斜拉橋，是世界最大的公鐵兩用橋。
2011年9月30日，國內(nèi)首座公路雙塔雙索面的鋼桁梁斜拉橋一一果子溝大橋正式通車。橋梁全長為700米，主塔高度分別是215. 5米和209米，橋面距谷底高達200米。
黃網(wǎng)長江大橋于2010年開建，預(yù)計2014年建成通車。全長4008米，其具有均居世界己建成同類型橋梁之首的主跨跨度、主析桿件傾斜度、斜拉索破斷力和抗壓抗拉支座。
瓊州海峽跨海大橋目前正在規(guī)劃修建，是我國首座公鐵兩用鋼衍梁斜拉跨海大橋，預(yù)計2020年建成通車，總投資約1400多億。


1. 3鐵路斜拉橋的特點
屬于柔性結(jié)構(gòu)的斜拉橋用于鐵路，由于鐵路活載比公路活載大很多，為了行車的安全性和平穩(wěn)性，索塔要求采用較大的塔高和截面，加勁梁也要采用比較大的截面剛度。當主梁采用鋼析梁時，自重較輕，斜拉索用量較小，這將導(dǎo)致斜拉橋的整體剛度下降，就需要用其他方式來彌補。當在斜拉橋中跨滿載時，由于鐵路荷載大，往往需要采用較大的邊跨來解決邊壤很大負反力的問題，但會導(dǎo)致剛度下降以及受力的不利。采用混凝土箱梁的邊跨用壓重解決邊墩負反力的問題比釆用鋼桁梁時要相對容易。典型的三跨斜拉橋的邊跨梁端轉(zhuǎn)角往往會比較大，為了滿足梁端轉(zhuǎn)角的要求，就必須要有更高要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在影響結(jié)構(gòu)整體剛度的各種因素中，首要的是結(jié)構(gòu)體系布置，其次是索塔梁構(gòu)件。斜拉索剛度增加，結(jié)構(gòu)整體剛度會有效提高，但它必須具備足夠的初始應(yīng)力，而梁和塔剛度的增加對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響相對遲緩。此外，斜拉橋尾索的設(shè)計往往是疲勞控制，因其受到幅度較大的交變應(yīng)力。
由上述可見，鐵路斜拉橋必須要構(gòu)思采用新技術(shù)，綜合考慮各種因素來設(shè)計。
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第2章斜拉橋施工控制理論

2. 1施工控制的必要性
斜拉橋是高次的超靜定結(jié)構(gòu)，施工方法和安裝順序不同，則成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)也不相同。隨著施工的不斷進行，結(jié)構(gòu)的形式、荷載的形式、約束的條件等不斷地變化。而且結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移在施工階段中具有繼承性，后一施工階段計算分析的基礎(chǔ)是前一施工階段的主梁線形和內(nèi)力。所以，必須對斜拉橋的施工階段進行詳細的計算和分析，求得主梁線形、內(nèi)力、索力和橋塔偏位等的理論計算值，并在施工中進行有效的控制，才能保證結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力始終處于控制范圍內(nèi)。
對斜拉橋的建設(shè)和運營來說，施工控制是非常重要的：
1.施工控制保證了斜拉橋建設(shè)的質(zhì)量。建設(shè)一座斜拉橋，外觀和材質(zhì)強度是重要的，但斜拉橋的內(nèi)力和線形也是同等重要的。斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，且有比較顯著的非線性效應(yīng)，故在施工過程中，線形和內(nèi)力是不斷變化的。只靠普通的手段來監(jiān)督質(zhì)量己經(jīng)無法滿足要求。
2.施工控制過程中埋設(shè)的監(jiān)控設(shè)備和建立的監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地服務(wù)于后期運營。所以，斜拉橋必須進行施工控制。
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2.2施工控制的任務(wù)和內(nèi)容
橋梁施工控制圍繞上述的控制任務(wù)而展幵。從總體上來看，橋梁施工控制工作內(nèi)容，包括以下幾個方面。
1：幾何控制
在施工過程中，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形會受到很多因素的影響，所以橋梁結(jié)構(gòu)的立面標高和平面位置狀態(tài)會偏離預(yù)期，橋梁有可能難以順利合龍，成橋線形無法滿足設(shè)計要求。所以必須對橋梁實施幾何控制，調(diào)整結(jié)構(gòu)實際位置與理想狀態(tài)之間的誤差在控制范圍內(nèi)，并使成橋線形滿足設(shè)計要求。
2:應(yīng)力控制
施工控制的一個重要的問題是施工過程和成橋狀態(tài)的橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況是否滿足設(shè)計要求。一般通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測的方法來獲取實際的應(yīng)力狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)應(yīng)力的實測值和理論值誤差超限時要及時查找原因，然后進行調(diào)整，將誤差控制在允許范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制好壞一般不容易被發(fā)現(xiàn)，但應(yīng)力控制不好將危害結(jié)構(gòu)，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。因此，應(yīng)力控制是非常重要的，必須對橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力實施嚴格的控制。
3：穩(wěn)定控制
曾經(jīng)有過許多橋梁在施工中由于失穩(wěn)而發(fā)生全橋破壞的先例。洲河大橋位于我國四川省，它在吊裝主跨中段時發(fā)生了失穩(wěn)破壞，因為懸臂體系的主梁承受著過大的軸力。加拿大的Quebec橋的南側(cè)錨錠桁架快要架完時，發(fā)生了突然的崩塌，因為懸臂端下弦桿的腹板屈曲。橋梁結(jié)構(gòu)的安全跟橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著很大的關(guān)系。所以，在施工過程中要控制橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。應(yīng)該建立完整的穩(wěn)定監(jiān)控系統(tǒng)，對動荷載或突發(fā)情況的影響作出快速反應(yīng)，以保證橋梁施工的安全。但施工中可能發(fā)生的失穩(wěn)目前還沒有可靠的監(jiān)測手段，主要是注重于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算，求得穩(wěn)定安全系數(shù)，同時依據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形和應(yīng)力情況，來判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并加以控制。規(guī)范中有關(guān)結(jié)構(gòu)最小穩(wěn)定系數(shù)的規(guī)定有待今后完善。還有，施工過程中所用的施工設(shè)施（纜索吊裝系統(tǒng)、掛籃、支架等）的穩(wěn)定系數(shù)也應(yīng)滿足要求。
4：安全控制
施工中的安全控制是非常重要的。只有保證施工中的安全，才能保證其他控制的有效實施和施工的不斷推進；反過來說，變形控制、應(yīng)力控制和穩(wěn)定控制如果能夠有效實施，安全也就得到了保障。所以，安全控制與其他控制是相輔相成的。影響施工安全的因素隨著結(jié)構(gòu)形式的不同而不同，在施工控制中要根據(jù)實際的情況，確定安全控制重點。
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第3章有限元模型的建立及計算分析...........................................15
3.1工程背景...........................................15
3. 1. 1工程概況...........................................15
3. 1. 2主要結(jié)構(gòu)特點...........................................18
3. 1. 3施工流程...........................................19
3. 2計算模型的建立...........................................19
3. 2. 1斜拉橋各構(gòu)件的模擬...........................................19
3. 2. 2混凝土收縮徐變及強度發(fā)展的模擬...........................................20
3. 2. 3邊界條件的模擬...........................................22
3. 2. 4施工階段劃分...........................................23
3. 3斜拉索的計算分析...........................................25
3. 3. 1斜拉索初張力的確定...........................................25
3. 3. 2調(diào)索計算...........................................26
3. 4中跨合龍誤差調(diào)整計算...........................................28
3. 5橋梁應(yīng)力極值分析...........................................30
3. 6本章小結(jié)...........................................32
第4章結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析和識別...........................................33
4. 1參數(shù)敏感性分析...........................................33
4. 2卡爾曼濾波法參數(shù)識別...........................................36
4. 2. 1基本理論...........................................36
4. 2. 2卡爾曼濾波法的應(yīng)用...........................................39
4. 2. 3參數(shù)識別........................................... 39
4. 3本章小結(jié)...........................................47
第5章施工控制結(jié)果分析...........................................48
5. 15#斜拉索張拉完成后的數(shù)據(jù)分析...........................................48
5. 1. 1線形數(shù)據(jù)...........................................48
5. 1. 2索力數(shù)據(jù)...........................................49
5. 1. 3數(shù)據(jù)分析...........................................50
5. 2 7#斜拉索張拉完成后的數(shù)據(jù)分析...........................................51
5. 2. 1線形數(shù)據(jù)...........................................51
5. 2. 2索力數(shù)據(jù)...........................................52
5. 2. 3數(shù)據(jù)分析...........................................53
5. 3 8#斜拉索張拉完成后的數(shù)據(jù)分析...........................................54
5. 3.1線形數(shù)據(jù)...........................................54
5. 3. 2索力數(shù)據(jù)...........................................55
5. 3. 3數(shù)據(jù)分析...........................................57
5. 4中跨合龍階段分析...........................................57
5. 4. 1線形數(shù)據(jù)...........................................57
5. 4. 2索力數(shù)據(jù)...........................................59
5. 4. 3數(shù)據(jù)分析...........................................60
5. 5橋塔偏位分析...........................................61
5. 6應(yīng)力數(shù)據(jù)分析...........................................62
5. 7本章小結(jié)...........................................63

第6章施工階段穩(wěn)定性分析

6. 1引言
結(jié)構(gòu)或構(gòu)件處于平衡位置時，外界的微小的擾動使之偏離平衡位置。當擾動去除后，能自動恢復(fù)到初始平衡狀態(tài)的稱其具有穩(wěn)定的初始平衡狀態(tài)；若不能回復(fù)到初始平衡狀態(tài)，則稱其具有不穩(wěn)定的初始平衡狀態(tài)。
結(jié)構(gòu)失穩(wěn)指的是受外力作用下，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)開始喪失，稍有擾動，變形就迅速增大，最終使結(jié)構(gòu)遭到破壞。橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象有以下幾類：
1：個別構(gòu)件的失穩(wěn)；
2：部分結(jié)構(gòu)或整個結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)；
3：構(gòu)件的局部失穩(wěn)；局部失穩(wěn)通常會導(dǎo)致整體失穩(wěn)。
斜拉橋的壤塔梁承受著巨大的彎矩和軸力，在施工階段可能會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。
斜拉橋的穩(wěn)定分析比較復(fù)雜。研究表明，由于斜拉橋結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，受力也十分復(fù)雜，其整體失穩(wěn)很難說是面外失穩(wěn)或面內(nèi)失穩(wěn)。世界對斜拉橋的穩(wěn)定大多定義為：
K=極限荷載/設(shè)計荷載
K為穩(wěn)定安全系數(shù)。按照這個定義，斜拉橋穩(wěn)定的問題可以歸為結(jié)構(gòu)承載能力的問題。

6. 2穩(wěn)定分析理論
彈性穩(wěn)定的問題可以分成兩類：一類是歐拉穩(wěn)定問題，一類是極值穩(wěn)定問題；歐拉穩(wěn)定問題指的是，初應(yīng)力處于某種臨界狀態(tài)時的系統(tǒng)，任何的擾動都有可能使其喪失穩(wěn)定性；斜拉橋的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，失穩(wěn)的原因也比較復(fù)雜，它的面內(nèi)、面外失穩(wěn)可能是親合的；通常用有限元法來精確計算斜拉橋的穩(wěn)定性。
單元內(nèi)任意一點的位移可表示為：

式中：[N]—一位移形函數(shù)矩陣；
{u}e單元節(jié)點的位移向量�？紤]到位移跟應(yīng)變的非線性關(guān)系，應(yīng)變{εL}可表示成線性應(yīng)變與非線性應(yīng)變{εNL}之和：

由最小勢能原理，可得到有限元平衡方程：

其中：[K0]——結(jié)構(gòu)的彈性剛度矩陣；
[KNL]一一結(jié)構(gòu)的幾何剛度矩陣；
[KLD]—一結(jié)構(gòu)大位移產(chǎn)生的剛度矩陣。
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第7章總結(jié)

7. 1總結(jié)
本文以貴廣鐵路北江特大橋為工程背景，采用理論和實踐相結(jié)合的方式進行探索，探討了鋼桁梁斜拉橋的施工控制。論文的主要結(jié)論如下：
(1)本文關(guān)于橋梁施工控制的任務(wù)和內(nèi)容、原則和方法、影響施工控制的因素和施工控制計算方法的研究，可以用于指導(dǎo)施工實踐。
(2)本文關(guān)于鋼桁梁斜拉橋的建模過程、各構(gòu)件的模擬以及建立計算模型時一些細節(jié)的處理，可以為同類型橋梁的建模提供借鑒。
(3)設(shè)計參數(shù)誤差是引起橋梁施工控制誤差的主要因素之一。通過參數(shù)敏感性分析的結(jié)果可以得出，在鋼桁梁斜拉橋的主要參數(shù)中，影響程度最大的是主梁容重，其次為主梁剛度，再次為拉索剛度，主塔剛度對結(jié)構(gòu)的影響最小。
(4)根據(jù)現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)，運用卡爾曼濾波法對結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進行識別，將識別后的結(jié)構(gòu)參數(shù)重新代入到計算模型中，使理論計算更能接近橋梁結(jié)構(gòu)的實際表現(xiàn)，從而更好的保證施工控制質(zhì)量。
(5)在北江特大橋施工監(jiān)控過程中，通過施工階段的實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對比，分析了誤差產(chǎn)生的原因，提出有效的調(diào)整措施，并研究了中跨合龍的誤差調(diào)整方法，實現(xiàn)了施工全過程的精確控制，最終北江特大橋順利合龍。
(6)正裝迭代法用于二次調(diào)索計算簡單有效，計算得到的成橋索力與設(shè)計索力相比，誤差在±2%以內(nèi)。
(7)本文對各個施工階段進行了第一類穩(wěn)定分析。通過計算結(jié)果可知，在施工過程中，橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下具有較高的穩(wěn)定性。
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本文編號：9363