矮塔斜拉桥施工过程非线性效应分析

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TheAnalysisOfNon．1inearEfiectsOnLOWTowerCableStayedBridgeDuringConstructionbyLiWangAthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineering1nStructuralEngineering1nCentralSouthUniversityofForestryandTechnology498ShaoshanSouthRoad，TianxinDistrictChangshaHunan410004，P．R．CHINASupervisorProfessorWANGJiejunMay，2014 中南林业科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为获得中南林业科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：杉绣珍’移D．／．i，、矽f叫年岁月1∥日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林业科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于：l、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密口。I，(请您在以上相应方框打“√")尸作者签名-学p易．导师签名：冱二似一f么夕f【f年量月2∥日14钾年箩月幻曰 摘要矮塔斜拉桥作为近些年来在国内应用较多的一种新型斜拉桥，随着跨度的增大，施工持续时间延长，在施工过程中出现的问题越来越多，形式也变得越来越复杂；其中最为明显的是关于如何控制施工精度的问题。本文从提高施工技术精度的观点出发，分析了采用悬臂施工技术的矮塔斜拉桥在施工过程中非线性效应，对影响矮塔斜拉桥施工技术精度的相关因素进行了探讨。本文主要进行了以下几方面的工作：(1)简要介绍了矮塔斜拉桥的发展背景，论述了矮塔斜拉桥主要构件及力学性能研究现状、对当前矮塔斜拉桥施工技术的研究现状做了简要总结：(2)对矮塔斜拉桥悬臂施工技术的一些关键问题进行了阐述，详细推导了求解斜拉索初张力的计算公式、在悬臂施工过程中考虑几何非线性效应与混凝土材料徐变效应的方法，以及如何就提高施工技术的精度建立施工控制系统：(3)采用专用桥梁分析软件MIDAS／CIVIL，分别分析了徐变效应与几何非线性效应对采用悬臂施工技术的矮塔斜拉桥的影响，对比了施工过程中的挠度与应力变化：(4)通过实桥施工过程监测数据与有限元分析结果的比较，验证了理论分析方法的合理性以及非线性效应对施工精度的影响程度。关键词：矮塔斜拉桥：施工过程；徐变效应；几何非线性；施工监测： ABSTRACTAsanewformofcablestayedbridgewhichisusuallyusedinrecentyears，alotofquestionsaresupportedbylowtowercablestayedbridgeduringitsconstructionforitslongerspanandincreasinglydurationwithamorecomplicatedconformation．Mostobviously,howtocontroltheaccuracyofconstructionbecomesakeypoint．Viewedfromimprovingtheaccuracyofconstructiontechnology,someeffectsofcreepeffectsandgeometricnonlinearityareanalysizedbythisthesisforlowtowercablestayedbridgewithcantilevertechnology,factorsthataffecttheaccuracyofconstructiontechnologyarediscussed．Themainworksofthisthesisarefollowed：(1)Thebackgroundoflowtowercablestayedbridgeisintroduced，conditionforitscomponentsandmechanismperformancesarestated，situationsforconstructiontechnologyaresummarized；(2)areelthertheesearchcurrentSomekeypointforconstructiontechnologyoflowtowercablestayedbridgeaborated，includingformulationsforcabletensions，effectsofmaterialnonlinearityandgeometricnonlinearityduringconstructionandhowtoestablishconstructionmonitorsystem；(3)EffectsofnonlinearityforalowtowercablestayedbridgewithcantilevertechnologyarecalculatedviaMIDAS／CIVIL，variationtendenciesofdeformationandstressarecompared；(4)CombiningconstructionmonitorforarealbridgeandconsideringtheeffectsofmaterialnonlinearityandgeometricnonlinearitysimultaneouslyviaMIDAS／CIVIL，therationalityofthemodelaretestifiedandthedegreeofdoublenonlinearityeffectsfortheaccuracyofconstructiontechnologyareresearched．KeyWords：LowTowerCableStayedBridge；ConstructionProcess：CreepEffect；GeometricNonlinearity；ConstructionMonitorII 目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．II1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1矮塔斜拉桥发展背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2矮塔斜拉桥力学性能研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41．3矮塔斜拉桥施工技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．61．4本文的主要任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82矮塔斜拉桥悬臂施工技术关键问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．112．1确定悬臂施工过程中斜拉索张拉力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．112．1．1合理成桥状态的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．122．1．2施工过程倒拆分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．172．1．3施工过程正装迭代法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．182．2悬臂施工过程中的非线性因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192．2．1徐变因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．192．2．2斜拉索垂度效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．212．2．3梁柱效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯252．2．4大位移效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．272．3悬臂施工控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯282．3．1桥梁施工控制方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．292．3．2悬臂施工控制的实施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．302．3．3悬臂施工控制的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．312．4本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯323矮塔斜拉桥悬臂施工过程非线性效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯333．1工程概况及有限元模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯333．2徐变效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯353．2．1徐变效应对箱梁挠度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．363．2．2徐变效应对箱梁顶板应力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．403．2．3徐变效应对箱梁底板应力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．443．3几何非线性效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48 3．3．1几何非线性效应对箱梁挠度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．483．3．2几何非线性效应对箱梁顶板应力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52313．3几何非线性效应对箱梁底板应力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯563．4本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．604矮塔斜拉桥悬臂施工过程监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6l4．1矮塔斜拉桥施工监测的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯614．1．1施工过程应力监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．624．1．2施工过程挠度监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．624．2考虑双非线性效应的有限元模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．634．3斜拉索索力监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯644．4主梁挠度监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯654．5主梁应力监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯694．5．1主梁顶板应力监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．704．5．2主梁底板应力监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．744．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．785结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．79参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81附录A在学期间发表的论著及参与的项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．87致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯89 硕士学位论文1绪论近年来，我国经济高速飞跃，全国各省市的交通运输事业得到了长足的发展，大量修建了各种形式的大跨度桥梁以满足日益增长的国民需求，随着桥梁的结构形式的变化，对与之相应的施工技术进行研究也变得越来越重要。以斜拉桥为例，进入21世纪以来，我国修建的斜拉桥已经超过百座之多，斜拉桥的结构形式也呈现出不同的多样性，如异形独塔斜拉桥、多塔多跨斜拉桥、钢一混凝土复合主梁部分斜拉桥、波形钢腹板PC主梁部分斜拉桥等多达十数种形式⋯，其中矮塔斜拉桥是近年来在我国得以重要应用的斜拉桥形式。1．1矮塔斜拉桥发展背景矮塔斜拉桥是在斜拉桥的基础上发展而来的。斜拉桥又称为斜张桥，其主梁用斜拉索直接悬吊的塔柱上。它是一种组合体系桥梁，外部荷载靠主梁受弯压、桥塔受压、斜拉索受拉来承担。1617年意大利工程师弗兰第阿斯(Verantius)建造了一座有几根斜拉铁链的桥，它是一种用斜拉铁链支撑木制桥面的桥梁体系。这是欧洲最早见于记载的斜拉桥乜3。但由于当时对这种体系的桥梁结构认识不足，缺乏能满足强度和刚度要求的建筑材料以及受施工技术的限制，在之后的300多年中斜拉桥在桥梁史上的发展基本处于停滞状态。进入20世纪后，钢筋混凝土结构在全球范围内得到了迅速发展。1949年，德国著名桥梁工程师迪辛格尔(Dishinge)率先发表了他对斜拉桥的研究成果，这篇世界桥梁史上里程碑式的论文为现代斜拉桥的诞生和发展奠定了理论基础。得益于前德国在1953年建成的跨度为101．65m+114．2m+104．2m的带铰T型刚构一一沃尔姆斯大桥(Worms)[33，该桥施工时引进的悬臂施工技术，使得修建跨越深水、深谷、大河、急流的大跨径桥梁成为可能，这对当时不同体系的桥梁结构产生了深远影响。由迪辛格尔(Dishinge)在1952年设计、由德玛格(Demag)公司在1958年建成了瑞典的斯特罗姆松德桥(StromsundBridge)这座世界上第一座现代化斜拉桥H’。之后、斜拉桥的修建在世界各国得到了迅速推广。经过几十年的发展，大跨斜拉桥的计算方法日趋成熟，为桥型的进一步发展提供了理论基础。于1980年通车运行的、由瑞士桥梁设计师ChtistianMenn所设计的瑞士Ganter大桥，其布置形式是7塔8跨，主跨174m，全长678m， 矮塔斜拉桥施工技术研究最高墩高148m的高架桥，主梁采用混凝土箱形梁，由预应力混凝土斜拉板“悬挂”在非常矮的塔上(矮塔斜拉部分见图1)，由于其与环境的完美结合，成为一道风景而闻名于世。Ganter大桥的建成为矮塔斜拉桥的兴建奠定了基础∞3。图1．1瑞士Ganter大桥此时、斜拉桥的最大跨径已经达到404m嘲，在表1．1中列出了当时世界部分典型的斜拉桥。表1．11980年前世界部分典型斜拉桥 硕士学位论文从表1．1可以看出，到1980年时，各样，材料强度与结构计算日趋成熟，了必要保证。斜拉桥的结构形式与施工技术已经各式为矮塔斜拉桥这种新型结构的兴起提供随着Ganter大桥建成，各国桥梁界对矮塔斜拉桥的认识逐步加深，意识到这种桥型在技术、经济、景观等方面都具备很多优势，于是矮塔斜拉桥在各国得到大规模修建，表1．2列出了国外部分典型矮塔斜拉桥口，⋯。表1．2国外部分典型矮斜拉桥据统计。。，也”，”·确3，截止至2012年，全世界修建的矮塔斜拉桥已经达到200多座，其中日本最多，超过50座。我国在这种桥型上起步稍晚于其它国家，直到2000年才建成了芜湖长江大桥(图1．2)，其主桥跨度为180+312+180m，是一座钢桁梁的矮塔斜拉桥。之后，矮塔斜拉桥在国内开始得到推广，近十多年来我国已经建成的矮塔斜拉桥超过20座n8’?“2⋯。 图1．2安徽省芜湖市长江大桥1．2矮塔斜拉桥力学性能研究现状普通斜拉桥靠主梁受弯压、桥塔受压、斜拉索受拉来承担外荷载，其中斜拉索受拉起主要作用阳3。与普通斜拉桥不同，矮塔斜拉桥的斜拉索仅仅分担部分荷载，还有相当部分的荷载由梁的受弯、受剪来承受口⋯，两者之间最主要的区别就是主梁的力学行为不相同，这就使得矮塔斜拉桥的构造设计与构件的力学性能不同于普通斜拉桥。矮塔斜拉桥与普通斜拉桥的区别主要有以下几点⋯1：(1)桥塔较矮；(2)多数矮塔斜拉桥的斜拉索集中在桥塔顶部通过；(3)无斜索区段比普通斜拉桥要长；(4)没有端锚索；(5)斜拉索的应力变动幅度较小；(6)梁体高跨比值较大；(7)主跨与边跨的跨度比值较大；(8)力学行为接近于梁式桥。对斜拉桥分析计算可知：在截面相同的情况下，桥塔抗水平变位的刚度与塔高h的三次方成反比，因此塔柱高降低则塔身刚度迅速提高‘1⋯。矮塔斜拉桥由于塔柱高度较低，使得斜拉索与主梁的水平夹角减小，拉索对主梁的竖向支撑作用减弱，这相当于主梁除本身受体内预应力外，还受拉索提供的体外预压力。斜拉索只提供部分刚度，拉索对竖向恒载的承担率不超过30％，矮塔斜拉桥受力以梁为主，索为辅n⋯；同时，斜拉索在活载作用下的应力变化幅度也较小，一般低于50MPa，而常规斜拉桥斜拉索的活载应力变化幅度在150MPa以上，所以矮塔斜拉桥斜拉索的疲劳问题也得到了较好的缓解。4 硕士学位论文基于上述的矮塔斜拉桥的力学特性，又由于矮塔斜拉桥在国内兴起的时问不长。近十年来，我国有许多学者对其构件设计及整体力学行为进行了研究，但各方面的研究还不是很全面。严国敏在文献[14]中从矮塔斜拉桥塔柱的构造特点、挂索方法、边跨与主跨的跨度比、主梁的高跨比以及斜拉索的应力幅与静力特性等方面入手，阐述了矮塔斜拉桥与一般斜拉桥的基本区别，并简要介绍了矮塔斜拉桥的一些优点。在文献[15]中，汤少青等以漳州战备大桥为工程背景，详细介绍了漳州战备大桥的设计要点，文中说明了体系构造，主梁、塔柱及桥墩的设计，主梁斜拉索的布置以及受力等内容，对矮塔斜拉桥桥型的特点进行了论述。蔺鹏臻”刚对一般独塔斜拉桥的结构布置、斜主梁及塔柱的刚度、斜拉索参数及主梁无索力区长度等因素对桥梁内力及变形的影响进行了分析研究；对三跨普通斜拉桥抗弯、抗扭、抗压刚度和无索力区长度变化对结构内力与变形作了讨论；对常规斜拉桥的斜索布置、塔柱惯性矩、主梁截面设置以及塔柱与主梁之间的不同连接方式等进行了对比。对于斜拉索拉力优化的研究，包括静、动索力优化、桥梁施工过程的拉力优化、成桥后的索力调整等都有较多的研究，从而为矮塔斜拉桥的理论分析及实践设计的更深层的研究提供了参考。刘风奎，蔺鹏臻n铂等在文献[15]的基础上深化了对矮塔斜拉桥特征参数的研究。结合了一座独塔两跨矮塔斜拉桥在活载作用下的结构动力反应，引入了“斜拉索荷载效应影响度”这一概念定量分析了矮塔斜拉桥斜拉索作用的实质以及其与普通斜拉桥斜拉索的作用实质的不同之处，并据此提出了能够综合反映矮塔斜拉桥结构及其受力性能的参数一“矮塔斜拉桥特征参数”，用“斜拉索荷载效应影响度”与“矮塔斜拉桥特征参数”的相关性定量描述了矮塔斜拉桥的特点，对进一步研究矮塔斜拉桥的结构性能有较好的参考意义。基于弹塑性力学与接触力学的基本理论，庄茁，朱万旭”钉建立了锚固一接触力学的理论框架和有限元方法，结合锚具和构件的力学性能实验以及土木工程的预应力结构问题，对锚具设计和斜拉桥拉索锚固等问题进行了阐述与研究。蔡鹏n刚研究了矮塔斜拉桥的动力特性和地震荷载反应特性，以及索、塔柱对桥梁结构体系动力性能的影响，得出了如下结论：矮塔斜拉桥的动力特性与连续梁的动力特性较为接近，其振型主要由主梁刚度来控制，塔柱刚度只影响主塔A身振动。闰晨口“3从主梁与塔柱的弯曲应变能出发，通过建立合理的应变能目标函数， 矮塔斜拉桥施工技术研究对最优塔跨比进行了研究，使矮塔斜拉桥的塔高与主跨比控制在一定范围内时主梁和拉索的受力状态最为合理。尚军，李自林艟¨等对矮塔斜拉桥桥墩抗剪强度进行了研究。通过选用美国ATC．32、Caltrans公式以及Priestley等人建议的抗剪计算公式，分别对～实际矮塔斜拉桥的桥墩与桥塔进行了抗剪验算。经过分析对比得出：Priestley等人建议的公式更为合理，计算精度更为精确这一绪论，进一步促进了矮塔斜拉桥的优化设计；张宇乜21对矮塔斜拉桥0号块局部进行了分析，对传统刚构桥和斜拉桥与矮塔斜拉桥在零号块构造上的区别及特点进行了对比和总结，并利用杆系模型对矮塔斜拉桥施工过程中0号块内力及应力变化作了粗略探讨。从上述论述可知，由于矮塔斜拉桥不同于普通斜拉桥的力学性能，其主粱与塔柱的构造、无索力区长度、施工过程索力优化、动力反应特性等都有自身的特点。目前，同时考虑徐变效应与几何非线性效应对矮塔斜拉桥的力学特性及双非线性效应对施工过程的影响等方面的研究较少，采用不同的施工方法，成桥后桥梁具有不同的内力分布与线形n2|，对矮塔斜拉桥的施工进行非线性效应分析与研究对控制桥梁质量、较好地实现桥梁各构件的力学性能具有重要的实际意义。1．3矮塔斜拉桥施工技术研究现状由于矮塔斜拉桥的力学行为不同于普通斜拉桥n⋯，也不同于连续梁式桥。另外，虽然矮塔斜拉桥和普通斜拉桥均使用斜拉索，但两者斜拉索的安全度却分别为1．67(0．6fpu)乖l2．50(0．4fpu)[233相差较大。正因为矮塔斜拉桥主梁不同的力学性能和斜拉索对竖向荷载的承担比例不同，为保证矮塔斜拉桥顺利建成，其一定有独特的施工工艺与施工技术心“。与梁式桥相同，斜拉桥的施工技术也大致经历了从满堂支架法到悬臂施工法这么一个过程。从表1．1可以看出：在1963年，德国的UnisyStreet斜拉桥是世界上第一座采用顶推法施工的桥梁；1968年，澳大利亚的Batman斜拉桥是世界上第一座通过支架修建斜塔柱的斜拉桥；1978年，美国P—K斜拉桥首次采用预制构件悬臂拼装技术修建成功。到目前为止，斜拉桥已经发展了各式各样的施工技术与工艺。矮塔斜拉桥的施工技术是在斜拉桥的基础上拓展而来的，因此其具有自身的特点。 硕士学位论文目前，矮塔斜拉桥同预应力混凝土连续梁桥一样，除跨径较小时采用支架现浇外，大多采用悬臂浇筑法施工技术瞳⋯。源于法国工程师JacguesMathivat在1988年提出的概念而发展起来的矮塔斜拉桥，一个显著的特点就是梁高比较大，主梁的刚度较大，而且世界各国发展修建的矮塔斜拉桥大都具有相同的特性“⋯。主梁刚度大，斜拉索的拉力引起主梁悬臂的挠度变化范围较小，斜拉索可一次张拉致设计拉力，不必再次调整索拉力，从而省去繁杂的索拉力调整过程，大大简化了施工过程叫⋯。矮塔斜拉桥施工状态以斜拉索拉力与预先设定的主梁控制点高程来衡定，以控制点的高程为主，线形与高程的控制主要通过梁段施工前放样来实现调整。根据矮塔斜拉桥的设计材料，主要的施工方法有挂篮悬臂浇筑技术和悬臂拼装技术。挂篮悬臂浇筑技术适应于混凝土材料，当桥梁墩身较高、桥梁跨越河流或桥址位于软土地基处时，采用悬臂浇筑技术比传统的搭设支架法要经济得多，而且可以在施工期间保证桥下车辆运行及河流水利畅通；当设计采用钢桁架形式时，则通常采用悬臂拼装技术。悬臂拼装技术的优点是成桥线形流畅，施工效率高，节省工期；缺点是钢构件需要厂家定制，材料成本投入较大。当混凝土矮塔斜拉桥采用悬臂浇筑施工技术，随着悬臂梁段的增长，混凝土收缩徐变、附加弯矩等因素的影响逐渐加大，此时宜考虑悬臂施工过程中的非线性效应乜。2⋯。目前，国内已经有辛克贵、刘钺强睇叫等对大跨度斜拉桥的恒载非线性进行了静力分析；金晶阳1。等对采用悬臂施工技术的矮塔斜拉桥的合拢工艺及合拢顺序进行了探讨；颜东煌口23等对多跨矮塔斜拉桥合龙方案进行了优化研究。斜拉桥桥塔根据建筑材料有钢塔和混凝土索塔之分，目前国内所修建的矮塔斜拉桥桥塔通常是采用混凝土。桥塔是传递荷载的重要结构物，因而在施工过程中对于桥塔应予以足够的重视，防止主塔因在斜拉索作用下发生侧向失稳等破坏现象。桥塔结构传力应简单明确，在施工载作用下，桥塔应尽可能处于轴心受压状态。混凝土桥塔的施工方法基本上和高桥墩相同，但由于桥塔截面变化，索鞍等预埋件需要安装，斜索的安装和张拉，必要的工作平台和起重机具设备等因素的影响，增加了桥塔的施工难度。桥塔混凝土浇筑通常采用吊斗提送或泵车泵送的办法。按照脚手架与模板的工艺大致可以分为：爬升式模板及平台法、满布工作平台及模板法、滑动式模板及工作平台法和翻转模板法等。若混凝土 矮塔斜拉桥施工技术研究桥塔问设置有横梁，则大多采用支架现浇技术进行施工，支架形式多采用钢管桩、贝雷梁、万能杆件等。进行高空大跨度、大断面高强度混凝土横梁施工，难度较大，安全措施难以得到保证。施工过程中要考虑的事项较多，如模板的问隙变形、支承的弹性变形、支承不均匀沉降、混凝土材料与钢支撑之间的线膨胀系数不同，日照温差等。桥塔施工的关键工作是鞍座的安装与定位，如何控制好索道外管的位置与角度，是斜拉桥施工过程中的重点和难点，塔柱越高，难度越大。刘凤奎口31等对矮塔斜拉桥塔高进行了优化研究；童林鸿口钉等对安庆长江铁路大桥4号墩斜拉索挂设施工技术进行了分析。矮塔斜拉桥的斜拉索只承担部分竖向荷载，因此其斜拉索的应力比一般斜拉桥斜拉索的应力变幅量小，抗疲劳安全因素较高，有利于矮塔斜拉桥通车运行。在我国《公路斜拉桥设计规范》(JTG＼TD65．01．2007)口朝中规定：普通斜拉桥拉索容许应力[口】≤0．4R6，矮塔斜拉桥拉索容许应力[盯]≤0．55R6。邓秦峰口6。等对龙门黄河大桥矮塔斜拉桥斜拉索施工工艺进行了论述；朱劲松。”1等对斜拉索的安全性能分析方法进行了研究，在Matteo’381的钢丝延脆性模型和MonteCarlo口们仿真方法的基础上，提出了大跨度斜拉桥拉索安全性分析的工程方法。因为矮塔斜拉桥的斜拉索只承担部分竖向荷载，混凝土矮塔斜拉桥通常设置有预应力钢铰线，可增大主梁的抗弯与抗剪刚度。当桥梁采用悬臂施工时，悬臂梁段受到的荷载随梁体增长而增加，如何在施工过程中确定斜拉索拉力与预应力钢束张拉力来保证桥梁的线形变化是一个很是重要的问题。张建民H叩等对预应力混凝土斜拉桥空间非线性恒载索力进行了优化分析，用以确定成桥合理状态的索力；汪劲丰n¨等对杭州文晖大桥悬臂施工过程进行了施工控制，建立悬浇过程中各工况下挂篮标高控制的计算公式，得到了预应力混凝土斜拉桥悬浇过程索力和线形的双控方法。目前对矮塔斜拉桥施工技术的研究主要集中在选择施工方案、施工稳定性以及施工工艺等几个方面，结构本身的非线性效应对施工过程中的斜拉索拉力变化、主梁线形、应力变化等方面的研究较少。1．4本文的主要任务我国如今正处在大规模基础建设的初级阶段，混凝土作为土建类建设的基本材料在很长一段时问内将继续占主导地位，这也与我国国民生产水平相适应。桥梁施工技术的不断改进使得混凝土矮塔斜拉桥的跨越能力也不断增强，我国 硕士学位论文在2013年修建成功的大连长山大桥是我国目前跨径最大的预应力混凝土矮塔斜拉桥，大桥全长1790m，主跨为260m。随着矮塔斜拉桥跨径增大，结构体系的复杂化和施工周期的延长使得桥梁在施工过程中出现各式各样不可预见的困难。以往的研究成果表明：非线性效应对中小跨径桥梁的影响基本上可以不计，但因为大跨径斜拉桥体系较柔，而且旋工过程中斜拉索的应力水平较低，非线性效应卜分明显。采用悬臂旋工技术的大跨预应力混凝土矮塔斜拉桥在施工过程中一个突出的问题就是：随着悬臂梁段伸长，结构刚度降低，柔度增大，非线性效应越来越明显。即使施工单位严格按照图纸施工，线形的控制以及斜拉索的张拉力仍然无法得到保证，严重阻碍桥梁的顺利施工。本文完成了以下几个主要任务，为预应力混凝土矮塔斜拉桥的施工过程中出现的不能严格控制主梁线形和斜拉索张拉力这两个问题提供参考，为同类桥梁采用悬臂施工技术时分析非线性效应问题提供依据：(1)介绍了矮塔斜拉桥的发展背景、论述了矮塔斜拉桥的力学性能研究现状、对当前矮塔斜拉桥旖工技术做了简要总结；(2)分析了当预应力混凝土矮塔斜拉桥采用悬臂施工技术时，影响施工精度的一些关键问题；(3)计算了一座采用悬臂施工技术的预应力混凝土矮塔斜拉桥在施工过程中的徐变效应与几何非线性效应对箱梁线形、应力的影响，并对比分析了各种非线性效应随施工进展的变化趋势以及桥梁的受影响程度；(4)通过对一座实桥展开施工控制，将不考虑非线性效应、考虑非线性效应两者的理论数据与实测数据进行对比分析，验证了模型建立方法的合理性，分析了非线性效应对矮塔斜拉桥采用悬臂施工技术时施工精度的影响；(5)绪论与总结。 硕士学位论文2矮塔斜拉桥悬臂施工技术关键问题桥梁施工的任务就是按照设计图纸修建实体桥梁。矮塔斜拉桥采用：晷=臂施工技术时，鉴于前述的受力特性以及结构体系随施工阶段的不断变化，使得实际桥梁在悬臂旋工过程中的每一状态不可能与设计状态完全一致。造成实际施工状态与设计状态不一致的因素有：(11计算模型不能反映实际结构；(21施工误差。如不对称施工、测量误差等；(3)环境因素的影响。如温度、风力、湿度等；(4)施工材料特性。如混凝土收缩徐变、钢材锈蚀等；(51设计参数不准确。上述影响因素复杂多样，从严格意义上来说几乎全部属于非确定性因素，致使矮塔斜拉桥悬臂施工过程的受力变形处于一个复杂的随机过程。因此，结合矮塔斜拉桥力学特性，分析解决悬臂施工技术中的一些关键问题，既是对斜拉桥设计问题在施工过程中的延伸，又是结合实际的施工状况进行具体分析，可避免由于误差的积累致使成桥后桥梁的整体受力状态及线形严重偏离设计目标而影响结构的可靠性。2．1确定悬臂施工过程中斜拉索张拉力斜拉索的张拉力对保证桥梁的线形与应力分布起着至关重要的作用，在实际施工时，斜拉索的真实张拉力很难做到完全的设计张拉力一致，例如张拉第Ⅳ号斜拉索时因张拉不对称、或其它噪声的干扰等原因导致张拉第Ⅳ+K号斜拉索后，之前张拉的斜拉索拉力已经偏离了设计状态。尤其是斜拉索承担竖向荷载不超过30％的矮塔斜拉桥通常采用一次张拉法，设计资料中缺乏多次多步张拉索力的数据，此时就需要施工技术人员以及施工控制人员及时调整索力，纠正已有的偏差，使施工状态逼近设计状态。调整施工过程中斜拉索的初张力与优化斜拉索拉力的调索方法有共同之处，但调索的目标不同，斜拉索索力优化是为了实现成桥状态的最佳内力分布，调整施工过程中索力是为了使结构在旋工过程中已有偏差的状态下，通过调索使结构更加逼近理想状态。 矮塔斜拉桥施工技术研究2．1．1合理成桥状态的确定在调整斜拉索拉力之前，首先需要确定斜拉桥的合理成桥状态。在斜拉桥几十年的发展过程中，国内外众多学者提出了多种计算方法，主要有H“：最小弯曲能量原理法、最小弯矩法、考虑活载效应分步算法、内力平衡法、刚性支撑连续梁法、用索量最小法等。最小弯曲能量原理法n朝是用结构的弯曲应变能作为目标函数，当弯曲应变能最小时，其对索力的偏导数为零。计算模型如图2．1所示，斜拉索相应的索力用x1、X2、X3、⋯‰表示：图2．1斜拉桥计算模型设当有Xi=1时，基本结构任意截面的弯矩、剪力、轴力分别为：M：y薯瓦+M。f_lⅣ=∑誓丽+虬j=1Q=∑t西+绯1．1f2．1)主梁：％=￡争+￡篙西+￡七嘉蕊(2．2)桥塔：∽=f‰2E／+f篙丞+弘面2丞(2．3)设主梁与桥塔的能量比为妒，若不考虑式(2．2)与式(2．3)中的剪力项与轴力项，此时桥梁的总弯曲应变能为：形=％+嬲=￡貉+妒f筹出(2．4)再将式(2．1)代入式(2．4)可得：∥：￡唑2E1+』学k】2Ei 硕+学位论文_I_________l_l____自________E__l__l_目I_-_：f坚翌+f墼+f甄22￡t面瑚+￡卫一+上挚(2．5)将式(2．5)化简为：形≤-Z(x,-8,，+蕃n2张+2x,A,p，+￡争+』簪仁6)在式(2．6)中：耻￡挚+』缈》岛=￡挚+』妒挚铲￡警+I妒挚(2．7)要使斜拉桥的弯曲应变能形最小，选择适当的斜拉索力，使得弯曲应变能形取驻值：O观W2x,盯2喜_磊化妒2。求解方程组(2．8)所得到的x，是成桥后满足目标函数的最合理索力。用最小弯曲能量原理法来确定合理成桥状态的具体步骤是：先设置较大的索和梁截面面积，不考虑索的质量求得静载内力；求出索力后，算出斜拉索截面面积和分布质量，然后重新计算静载内力，这时的内力为优化内力(如果计算得出的索力很小甚至受压，说明索的布置不对，需要调整)，最后恢复结构的真实面积，作后续计算。最小弯矩法H奶以弯矩平方和最小为目标函数，如果将结构离散化，则离散杆系结构的弯曲应变能可写成：肚善去(M2j+M；，)(219)式中：ITI表示结构单元总数；7，、历、厶分别表示i号单元的杆件长度、材料弹性模量、截面惯性矩； 矮塔斜拉桥施上技术研究—。。。。。-●ll____●_ll____●____●____l___●●____一地卜MRz分别表示i号单元左、右端弯矩。将式(2．9)改写成矩阵形式：W=[心]。吲[屹】+【螈】，【明[螈]川o)式中：[明表示脚m阶系数矩阵，为对角阵：陴]_％。，bii一4瓦li(2．11)弯矩向量[尬】、【MR]n-丁分别改用下式表达：[心]-[帆o]+【AL]【△卅f2．121[MR]=[A靠o】+[AR】[△丁】(2．131式中：[Mzo]、[MRo]分别表示成桥状态下初始索力时单元左、右端弯矩向量；凹刀表示调整的索力向量；阻￡】、口尺】分别为索力对单元左、右端弯矩的影响矩阵，为m刀阶，[4]_[AR]-aLllaLl2⋯aLl"aL21az22⋯：aL用1⋯n工珊月aRllaRl2⋯a月l”％21aR22⋯：aRⅢ1⋯⋯a舟MaL"a月u分别为第．，号索单元变化单位力引起i单元两端的弯矩变化：将式(2．12)与式(2．13)代入式(2．10)得：形=C0+[M￡o]7[曰】[彳L][△r]+[△丁】7[4L][B][M^o]+JAr]14】，[B】[4][△丁]+[A，肿】『[B][么][△r]+[△丁]7[4r[B][^靠。]+[△r]7[4F[B][4】[△r]o为与■刀无关的常数项；若要调整索力使结构的弯曲应变能最小，则：面0W=o(江1，2，3，．．-，心)将式(2．14)代入式f2．15)：14f2．14)(2．15) 硕士学位论文[4]7[B][4]【△r]+[4】7[B][4】【△明=一[4]7陋][鸠。卜[4九B】[峨。】(2．16)于是，求解最小弯矩问题便转化为门阶线性代数方程组求解问题，由公式(2．16)解得凹刀，索力[刀为：[T]=[瓦]+[C][△丁](2．17)[％]为初始索力向量，可任意设置；[C]为拉索变化单位力对索力的影响矩阵，其值为：[C】=1q2C211：●Cnl+’’cl。●：●：1(2．18)c，，表示第，号拉索变化单位力对f号拉索的影响力。式(2．16)是使整个结构弯曲能量最小的索力方程，表现为索力优化值凹刀与弯矩影响矩阵口￡]、口R]的关系，因此也有不少学者将最小弯矩法称为影响矩阵法。考虑活载效应分步算法H6’删是在内力整体优化的基础上，适当进行索力调整，再根据正常使用极限状态的截面上下缘应力条件，计入活载影响，并考虑设计者给出的最小可行域得出合理预加力和合理可行域，其主要计算步骤如下：①根据最小弯曲应变能原理初拟成桥状态，将索力适当调匀；②然后根据确定的恒载索力估算斜拉索的规格，计算主梁活载应力包络图；⑧根据设计人员确定的恒载弯矩最小可行域和前面确定的主梁恒载轴力、上下缘活载应力等计算最小预加力，再计算在实际预加力下主梁恒载弯矩可行域；④目标索力在第2步中已经确定，也即确定了受调向量的调整量，选择合适的索力作为调整量，建立施调向量调整量与受调向量调整量之问的关系，即控制方程；⑤用最小二乘法求控制方程的广义解，通过施调向量的调整量得出修正索力；⑥检验成桥状态，在修正索力的条件下进行斜拉索应力验算，主梁恒载弯矩可行域验算和主梁恒载弯矩计算。如果计算结果不符合要求，再转入第2步，重新进行计算。 矮塔斜拉桥施工技术研究t是匿豆圈图2．2考虑活载效应分步算法主要步骤内力平衡法H刀是以控制截面的内力或者应力为目标，通过合理选择索力来实现这一目标。用该方法选择的控制截面可以是主梁或桥塔，因此两者的内力都可以得到合理考虑，但关键问题是如何选择合适的控制截面和相应的控制值。宁平华在1996年提出了一种应力平衡原则：选择适当的斜拉索力，使结构的各个控制截面在恒载和活载共同作用下，箱形梁上翼缘的最大应力和材料容许应力之比等于箱形梁下翼缘的最大应力和材料容许应力之比。刚性支撑连续梁法实际上是内力平衡法的一种特例口“，该方法的原理是选择合理的成桥索力，使结构在成桥状态下的恒载内力与以拉索锚固点的主梁支点的刚性支撑连续梁的内力一致。以图2．3所示斜拉桥为例，先计算出成桥状态下恒载g引起斜拉索与主梁连接点的竖向位移彳』g、彳冶、⋯、4％和桥塔顶端^图2．3斜拉桥分析简图的水平位移A69，以及各斜拉索的索力乃g、乃g、⋯、‰；然后计算当拉索j施调单位索力时对k点竖向位移的影响值(i∥。于是各节点位移以恒载与施调索力共同作用下为零的条件的控制方程为： 硕士学位论文匹。西：嘎。嘎：瓯。⋯⋯匹。●⋯：‘．；⋯瓯。at,△疋△瓦+=0(2．19)由式(2．19)解得施调索力4兀后，满足式(2．19)的最优恒载索力正为：Z=砭+at,(2．20)2．1．2施工过程倒拆分析斜拉桥施工过程中每一施工阶段斜拉索的初张力、塔柱的位移、主梁的挠度、以及各控制截面上的应力变化幅值等施工控制参数都可以通过倒拆分析得到。倒拆分析法是一种将成桥状态作为初始目标，用以计算斜拉桥斜拉索初张力和悬臂施工节段立模标高等理想参数的方法。49。。对于采用悬臂旄工技术的矮塔斜拉桥，施工过程倒拆分析的具体步骤如图2．4所示。图2．4斜拉桥倒拆分析简图在图2．4所示的简图中，存在三个方面的问题有待解决：首先，程序不能考虑徐变因素；其次，考虑几何非线性时，在每次的迭代过程中应力和位移都是从施工状态向前计算得到的，与实际施工由前向后的顺序存在误差；再次，在拆除合拢段时，杆端力不为零，这与成桥的实际过程不一致。因此，根据倒拆 矮塔斜拉桥施工技术研究分析的计算结果进行正装分析时，得到的成桥状态与根据2．1．1节确定的成桥状态不相符，这就是导致分析不闭合的原因。2．1．3施工过程正装迭代法分析正装分析嫡。3是以计算斜拉桥施工过程中的内力、位移，保证施工的合理与安全为目的，模拟施工过程的计算方法。在正装计算过程中，可以根据不同的设计原则确定矮塔斜拉桥斜拉索的张拉力。正装迭代法哺¨的基本思路是：先自行设置一组斜拉索的张拉力，根据萨装分析可以得到一个成桥状态，将此成桥状态与2．1．1节确定的合理成桥状态相比较，按照最小二乘法原理使两个成桥状态的差别为最小，张拉索力经过修正后再次进行正装分析，然后又根据最小二乘法原理使新得到的成桥状态与2．1．1节确定的合理成桥状态相比较，张拉索力经过修正后，又一次进行正装分析。如此反复循环，直到收敛为止。}假定张拉索力卜——————一一⋯——]il正菱盐篁堡型邀堑这查皇塞=塑鲎夔丝匪卜一～——]疆虱巫墨受噩夏虿堑斟耍匾靠匿型妥耍互匮重覆塑妥乎穑匿霞l重垂囹⋯⋯一一Ji是|结束计算I图2．5斜拉桥正装迭代分析简图通常为了方便施工，矮塔斜拉桥一般采用一次张拉法。但有时为了改善主梁受力，尾索和次尾索在成桥之后需要再次调索，即尾索和次尾索采用二次张拉法。此时自行设置的一组斜拉索张拉力数目应该大于成桥状态的超静定次数。对于矮塔斜拉桥，取始张拉力为2．1．1节确定的合理成桥状态的恒索张拉力的一半就能迅速收敛。矮塔斜拉桥悬臂施工时，结构刚度小，混凝土构件的龄期短，收缩徐变效应明显，位移变形大，结构非线性效应表现突出，所以在悬臂施工过程中对非线性效应的求解方法十分重要。正装迭代分析的参数全部来自合理成桥状态，不需要进行倒拆分析，而且在正装分析时可以同时考虑徐变与几何非线性的影响，有效地使计算闭合，能迅速确定施工工序、斜拉索各次张拉力以及施丁预拱度等问题。 硕士学位论文2．2悬臂施工过程中的非线性因素矮塔斜拉桥悬臂施工过程中的非线性因素主要有材料非线性与几何非线性这两大类。材料非线性影响主要是指混凝土的徐变效应，悬臂施工时各节段的龄期不同，导致在不同施工阶段，徐变效应对桥梁的变形与与内力分布影响较大；几何非线性是因为桥梁的长大化和柔性化所引起的结构应力与应变不符合Hook定律的现象。桥梁在悬臂施工过程中，非线性因素的影响主要体现在以下几个方面：(1)主梁挠度变化趋势不符合预测趋势：(2)斜拉索拉力异常；f3)结构受力不均匀，内力发生重分布；f4)截面尺寸变化剧烈位置出现裂缝。2．2．1徐变因素分析徐变因素是混凝土桥梁结构设计与施工时的一项重要内容。混凝土材料的收缩徐变现象在20世纪初时就为人们所发现，直到20世纪40年代，工程师们还普遍认为混凝土收缩徐变只是一个单纯的属于材料科学的问题。当二次世界大战后期修建的大量桥梁在短短的十多年内出现各种各样的问题后，学者们才开始认识到混凝土收缩徐变特性对结构的影响。混凝土结构在荷载保持不变的情况下随时问增长的变形称为徐变旧“。迄今为止还没有～种混凝土徐变基理能让学术界和工程界广泛接受，目前占主导地位的徐变基理主要有以下四项：在应力和吸附水层的润滑作用下，水泥胶凝体的滑动或剪切所产生的粘稠变形：在应力作用下，由于吸附水的渗流或层间水转动而导致的紧缩；水泥胶凝体对骨架弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性应变；局部发生微裂及结晶破坏以及重结晶与新的连接所产生的永久变形。在徐变理论中，徐变效应产生的应变是通过徐变系数和弹性应力求得的。在应力不变的情况下，总应变s。随时间的变化可表示为：毛0)=乞@)+ge=妒(，，r)ce+Ce=乞[1+缈@，f)]={[1+伊(，，f)】(2．21)在应力变化的情况下，总应变s。随时间的变化可表示为：啪)=掣[1+叩㈧]+fo掣去[1+cy(t,r)ldf(2．22) 矮塔斜拉桥施工技术研究式(2．22)也司以表不为：啪)=掣[1+舭㈣器喜州。)扣航)](2．23)从式(2．21)～式(2．23)可以看出：徐变系数妒是求解方程的关键。国际上通用的对徐变系数的定义有两种：第一种徐变系数采用混凝土材料在28天时的瞬时弹性应变来定义，即：加)=等巨。(2．24)徐变系数的另一种定义是直接采用混凝土材料的即时弹性模量：妒(v)：掣E(r)(2_25)盯Ir)在结构分析中，混凝土徐变引起的位移计算分两种情j3，“3况考虑：(1)应力保持不变混凝士结构加载龄期r至龄期t时，结构任意点的应力保持不变，此时结构内任意点在t时刻的总应变s伍，"zJ为：啦川=掣[1+如)](2．26)由虚功原理可以求得任意点在任意时刻的总位移：△扣=-f』占(工，y)孑(x，y)dFdxLF(2．27)对于受弯构件，如果不考虑剪切变形和轴向变形，且弯矩保持不变，则该点的位移为：在式f2．28)1拘积分表达式中，前两项代表结构在外部弯矩作用下的弹性变形，后面一项是徐变效应引起的结构位移，在结构分析中常用下式表示：△印=△扣，。【1+尸(，，r)】(2．29)(2)应力变化总应变计算的一般公式：篡@@一Y附掣出一％》锕瓜姚厩肛 硕士学位论文乞=掣[1+rp(够0)]+去fo掣[1+如凇z．r2．30)毛：掣叶∞㈣卜掣叶熊∞㈣，B3·，定义时效系数为：nr，，、～‰j(oOC以r(r)一々o(—t,r—)dr．．(2．32)p(，，“)=』[o-(0一t)-盟cr—(ro—)]6p一(t,ro)∞jzJ将式(2．32)代入式(2．31)得：乞：．o-(。ro)[1+伊(t,ro)】+．or(t)-。o-(r0)[1+尸(，，％)妒(，，％)】(2．33)在结构分析中，根据虚功原理与式(2．33)可以写出在外部荷载作用下，任意点在任意时刻的位移：铲晔[1+cp(，，ro)]dx+J警[1+肌，to)‰)】[1毗ro)]dx(2．34)2．2．2斜拉索垂度效应分析在斜拉桥的悬臂施工过程中考虑斜拉索的垂度效应十分重要，尤其是矮塔斜拉桥，因为其斜拉索只提供部分刚度，斜拉索拉力较小，斜拉索的垂度效应比较明显。考虑垂度效应对于斜拉索的下料长度、调整套筒修正角、张拉延伸量等施SET序十分重要，是保证斜拉索顺利安装的必要条件。通常，考虑斜拉索的垂度效应可以采用两种方法b⋯，即采用等效弹性模量法或采用柔索单元。在分析斜拉桥结构悬臂旋工过程中斜拉索的各个特征参数时，若用杆单元模拟柔性索，必须考虑索两端的位移与杆端力的非线性关系，产生非线性的原因在于柔性索具有因自重导致的垂度，引起杆端位移与杆端力的关系与直杆单元不同，通过引入Ernst公式调整弹性模量瞄⋯，可以近似考虑斜拉索的垂度效应。在图2．6所示斜拉索简图中，设斜拉索材料的弹性模量为E，截面面积为彳，两锚点之19的直线长度为以B，将斜拉索的自重集度g分解为垂直于AB轴的分量g。和平行于AB轴的分量g。。斜拉索因白重分量g，产生的变形曲线为一抛物线，方程为： 堡茎坌垫重墼三茎查竺!i一。。，—．。—．．。。—一l—l_l__-__—__—j——__ll———————一y=豪(x2-／仰x)∥(2．35)式中：H为图2．6@)中所示斜拉索两端的拉力。根据式(2．35)q推导出拉索长度s与拉力日的关系：洲∥雾Q36’若式(2．36)两边同时对拉力H求导数，可以得到索长与拉力之前的关系。拉索的长度变化是因其垂度变化而引起的，相应的刚度用磁表示：耻焉Q37’与此同时，拉索还因材料的弹性变形而引起伸缩。拉索这一部分的刚度用丘表示，这实际上就是材料的弹性刚度，即K=等≈等@·38’的总长度变化量为：筋=等+等=龃c去+去，(2．39)令K州=西AH，疋。称为等效刚度，其具体表达式为：K矿坠Kg+K。2疆K(2加)Ag烙髯参数代入式f2．40)后得： 硕士学位论文Keq=EA1+一EA(gcosCrAwl仰)2．』1+一E(r1)2k(2·41)12日’，。。120-。式中，盯为拉索截面应力，)，为拉索换算容重，于是式(2．41)就可以表示为直杆单元形式的等效弹性刚度：k：竽(2．42)式中，臣。称为等效弹性模量，E叼2歪壹仁43，12仃。斜拉索的一个明显特征就是只能承受拉力，若直接采用柔索单元来考虑斜拉索的垂度效应，则先必须作如下假定’5“：(1)柔索单元的抗弯刚度为零；(2)柔索仅受两端集中力和沿索长均匀分布的荷载；(3)柔索材料符合Hook定律；(4)局部坐标系取在柔索重心线所在的平面内。如图2．7所示柔性索，无应力索长＆，斜拉索的荷载集度印以向下为正。L．———．．．．．．．．．．．．．——．——．—．．．．j[．．．．———。—————————·图中的变量之间存在以下关系：’=x，一x。，h=y．一YlY2X，一XI，2．一一F。=Fq=HF口=一F”+qSoz=√露+《乃=孵图2．7柔性斜拉索(2．44) 矮塔斜拉桥施工技术研究根据式(2．44)可以推得以下关系式：，：一Rf(so+h尘曼、EAqTi—FviJ乃=面So(铲争孕=去c才f)+竽羽瓦(2．45)耿生微分刖2薏蚶薏嵋一eFxlHeF。’＼幽2差幔，+蒉峨IaF。‘强。’＼于是，i端力和位移的关系式可以表示为：屹=孥一争}峨=挚+争J，端力和位移的关系式可以表示为：峨=一堕C出+鱼C幽l掣峨=挚号△矗lAI=叫Auj-一Au。AhAvAv，}=，一，I4=古+三qc鲁+等，1F。?T?T1铲置寺c毒一争g』，』；铲生EA吉qc等+争‘、r丁’24(2．45)f2．46)f2．47)f2．48)(2．49)r2．50) 硕士学位论文将式(2．47)～(2．50)合并得：{世)8--N；{A8}[尼]；=对称k13毛4砭，砭。岛，如。心。和k也=鲁k12=-忙也吨=告k22=k皓一吾(2．51)(2．52)(2．53)式(2．51)就是柔索的切线刚度方程，式(2．52)就是柔索单元的切线刚度矩阵。2．2．3梁柱效应分析梁柱效应又称为P一4效应，是指杆件在产生弯曲变形的同时承受轴向力作用，结构的弯曲变形与轴向变形互相影响，使得杆件的变形增大，结构的内力分布发生变化拍⋯。在矮塔斜拉桥的悬臂施工过程中，梁柱效应是一种经常现象，一方面由于预应力及斜拉索在水平向分力的存在会引起附加弯矩，影响主梁的弯曲刚度；另一方面弯矩的存在也会影响梁的轴向刚度，增大了桥梁悬臂施工的难度。当前多采用文献拍虻中通过引入稳定系数来表示刚度矩阵的方法来分析这一效应。引入了稳定系数的梁单元刚度矩阵表示为如下：陋’]8=sskllsjq4s1哎2s2乞3s3岛3_哎5s2如6s2屯5s4屯63sku对s1屯5称f2．54)式(2．54)中，元素％是线弹性单元刚度矩阵的元素；曲为稳定系数。根据文献[60】，当杆件受压时，稳定函数的表达式如下： 矮塔斜拉桥施工技术研究垆毪产S3=矗2S5=(usinu--HCOSH)4Rcu(u—sin甜12Rc1l+丽EA如4Njl2u’式中：Rc=2——2cosu——Usinu“=，如=甜(聊+M；)(cthu+ucsc2甜)2(M+M，)2+2ucscuM,M，(1+ucthu)当杆件受拉时，稳定系数的表达式如下：矿sh“墨2面F112(chu一1)S．=—————————_二‘6R,驴学．u(sh“一“)矗。—五■lS‘21+丽EA如4N3lz‘”式中：兄=2—2chu+ushu(2．55)(2．56)月。=甜(Af+M；)(cthu+ucsch2“)+2(^t+M，)2+2ucschuMMj(1+uethu)26Ⅳ一洫一疋S一23一●I甜一=S厝 硕士学位论文2．2．4大位移效应分析在矮塔斜拉桥悬臂施工过程中，悬臂主梁长度越来越长，荷载引起的位移与应力越来越大，主梁和主塔的位移变化是不容忽视的非线性因素。采用更新的拉格朗日列式(Update．1agrangianFormulation)∞1，6别法求解大位移问题，是分析斜拉桥悬臂施工过程的一种优良方法，一方面不仅能考虑大位移效应，另一方面也能同时考虑梁柱效应。更新的拉格朗日列式法是指将体系的平衡方程建立在变形后的结构上，转角位移方程用变形后的杆端力和杆端位移来表示，在变形后的位置上形成单元刚度矩阵。这样结构的整体刚度矩阵与变形后的位置相关，单元节点坐标用随结构变形而变化的节点坐标来表示，整体刚度矩阵是单元节点位移的函数。在整体坐标系内，变形前的梁单元玎的位置参数用勘、Y。、f。、岛来表示：当单元变形后，节点位移用“i、1，i、0j和uj，v．、已来表示；变形后，梁单元的长度为，，端点连线对x轴的夹角为0。的平衡方程为：州=s，毛。”j=一s5TEA(1-lo)=一杉=ⅣMj=5尼(谚+缈)+cs七(9+妒)Mj=csk(o,+妒)+s|i}(只+缈)则变形后的梁单元在局部坐标系下建立r2．57)S、c为引入梁柱效应中稳定函数的杆件单元转动刚度和传递系数，且有：七7E1删～．∥=爱偿当单元的轴向力为压力时，s：4只：坐!呈竺二竺!竺型：32—2COS“一“sin甜转动刚度与传递系数分别为：∥(1—2pcot2∥)tanB一6S．“一sin“2p—sin2pC=2=——=——2s3sinu一“COSNsin2p一2flcos2fl当单元的轴向力为拉力时：J=4s，=Fu(瓦chiu-五shu)／，(2pcot2∥一1)=～8-thflr2．58)r2．59)r2．60) 矮塔斜拉桥施工技术研究．一S4一shu—Ush2fl一2pC=二=一=一2s3uchu-shu2flch2fl——sh2fl将平衡方程(2．57)转换至整体坐标系下，有：{dF}。=【EHda}8式中，考虑大位移效应的单元切线刚度矩阵[K】8=矩阵中的各元素分别为：旷半[(1一孚)cos2伊+了A／Sin2m叩+c)砉【2Sin2州谚+g伽)Sin28]心=丁ssEAf(1I)sin20+AlcodO]+J(1+c)事2[2COS20+(g+61，+2妒)sin20]坞=丁ssEAL．1一孚)Sin‰s口叫1+c)事【Sin2口+(鼠+g+2咖。s2印地：s(1+c)冬c。s口l1,15=--S(1㈦知臼116=sk“，=csk2．3悬臂施工控制系统(2．61)(2．62)(2．63)r2．64)现代矮塔斜拉桥斜拉桥足设计与施工高度结合的产物，结构高次超静定的特性决定了斜拉桥修建过程是一个复杂的多输入多输出的高阶时变系统。只有对斜拉桥悬臂施工这一复杂的过程进行施工控制，才能保证斜拉桥在施工过程中的受力和变形状态始终处于设计所要求的安全范围、成桥后的线形符合预先期望、结构本身又处于最优受力状态。纵m撕础砌绯出一如玑地啦砒幽如如q0，如叫％％叫如以绯础砌砌纰如m舶砌m确m一班矾舶珧 硕士学位论文2．3．1桥梁施工控制方法在大跨度桥梁悬臂施工过程中最早引入施工控制系统拍朝的是20世纪80年代初，日本在修建日野预应力混凝土连续梁桥时，建立了施工控制所需的参数监测系统．应用计算机对监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。我国最早是在1982年建成的上海泖港大桥(主跨200m的斜拉桥)时把工程控制论方法系统地应用到大跨桥梁施工过程中∽4】。经过30多年的发展，国内外众多大跨度桥梁的修建极大地推动了桥梁施工控制理论的应用与完善，现代大跨度桥梁施工控制的内容和方法主要有以下三类：第一类是采用纠偏终点控制法哺51“】，即在斜拉桥旌工过程中对引起桥梁偏差的因素进行跟踪，随时纠偏，最终使桥梁达到理想状态。这种方法常用的理论有Kalman滤波法、线性回归法和灰色理论。kalman滤波法卡尔曼滤波法是以概率论为基础的最优随机控制，该方法曾被引入到斜拉桥的施工控制中作为调整安装阶段的索力和悬臂挠度的手段，也被用于进行参数识别。但卡尔曼滤波法原理在非线性离散型系统中的算法还有待进一步研究，将卡尔曼滤波法应用于设计参数的识别和修正方而还有待于工程实践的检验；线性回归分析法哺扎68’7们是通过对悬臂箱梁的挠度与悬臂长度、悬臂梁重量的一元线性回归处理或二元线性回归进行处理，用以建立挠度回归数学模型，可用于分析箱梁挠度的变形规律，也可用于预测下一施工梁段的挠度。但此方法在幂函数参数辨识寻优时容易陷入局部极小值，不能有效克服负荷建模中存在的非线性和不连续性等不足；另外，该方法不能对温度和施工引起的误差进行修正，在梁段较少时其回归拟合的曲线精度和代表性值的准确性还有待验证；灰色预测控制法以灰色动态模型GM(1，N)作为预测模型，以预测控制理论对桥梁的施工过程实施有效控制，但必须保持模型的结构不变。该系统曾被用于大跨度连续刚构桥和斜拉桥施工控制中，但并没有取得预期的双控效果。这是由于灰色模型本身的模型误差较大，虽然可以对模型进行修正，但由此增大了计算工作量，而且修正是有限度的。第二类是采用自适应控制方法对桥梁施工过程中的参数进行识别∞“。自适应控制是在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统辨识过程，整个控制系统就 矮塔斜拉桥施工技术研究成为自适应控制系统误差识别过程，即对施工过程中的标高和内力实测值与理论值进行比较，对桥梁结构的主要基本设计参数进行识别，找出产生偏差的原因，从而对参数进行修正，达到双控的目的。白适应控制方法是目前被认为最合理的施工控制方法哺⋯，也是在我国大跨径桥梁施工控制系统中最常采用的方法。第三类是在斜拉桥的设计时给予桥梁施工时主桥标高和内力最大的误差容许值，这也是目前我国桥梁设计采用的通用方法∞⋯。采用这种方法时，桥梁的误差会产生积累，虽然在悬臂施工过程中减小了监测的难度，但会导致其它问题的产生，如斜拉索的下料长度，主梁的立模标高等。2．3．2悬臂施工控制的实施对斜拉桥的施工过程展开具体的施工控制是关于斜拉桥施工技术研究的一项重要的课题，它不仅仅是理论上的研究，也是斜拉桥成功修建的重要环节，它对斜拉桥施工质量及后期运营起着不可忽略的作用，建立一个完善的施工控制系统是对斜拉桥展开施工控制的前提。结合不同桥梁建设，如斜拉桥的规模、形式、工期、场地、资金周转、人力安排等具体实情，不同斜拉桥之间的控制系统不尽相同，但其主要体现及实施流程是大致相同的。(1)尽可能降低施工误差。对施工衙载、主梁自重、立模标高、张拉设备等方面必须严格控制，采用有效的具体措施将误差降低到最低程度，事先预计可能导致出现误差的原因，在施工过程中予以避免，也是降低施工误差采取的重要手段；(2)严格按规定的施工程序进行施工，不得随意更改。施工中如出现施工荷载或施工方案有较大变更的情形，则应根据实际情况重新进行施工过程计算，以便获得与之相对应的施工控制参数的理论值与参考轨迹；(3)施工控制与施工监测需密切配合，保证最佳的测量时机。如为了减少只照温差的影响，应在日出之前每日恒定的时间进行立模和斜拉索张拉，避免施工过程中的随意性。 硕士学位论文图2．8斜拉桥施工控制流程图2．3．3悬臂施工控制的主要内容斜拉桥施工过程的实时检测是斜拉桥施工控制赖以进行的基础，是施工控制的主要组成部分。通过测试所获得的斜拉桥施工阶段结构受力，变形等实测值是施工控制、施工调整的主要依据，同时也是监测施工、改进设计、确保结构在施工过程中安全的重要手段。(1)变形监测变形监测主要对墩身沉降、主梁挠度、标高、塔柱位移等进行测量，通常采用的仪器有精密水准仪、经纬仪、全站仪等测量仪器。(2)应力监测主要对墩身、主梁，塔柱等各重要构件的控制截面的应力在施工过程中进行监测，采用的仪器有应力传感器、应变计，应变仪、压力盒、综合测试仪等。f3)索力监测主要对施工过程中斜拉索的索力变化进行测试，确保索力在施工过程中处理合理状态，采用的仪器有加速度传感器、压力传感器、精密拾振器等。f4)温度监测 矮塔斜拉桥施工技术研究主要对墩身、塔柱及箱梁零号块等大体积混凝土结构进行测试确定结构的由于温差引起的温度应力与应变，采用的仪器有温度传感、静态电阻应变计、万用表等。在以上施工控制的主要监测内容中，如何保证测试点的完整性以及测试时消除外部噪声的干扰是施工控制的关键问题，需要配套的施工管理措施。2．4本章小节矮塔斜拉桥是斜拉桥的一种特殊形式，它具有自身的力学性能及施工方法。本章对矮塔斜拉桥悬臂施工技术的几个关键问题做出了阐述。首先细介绍了如何调整斜拉索施工张拉力，对如何确定斜拉桥合理成桥状态及施工过程的两大分析方法一正装分析与倒拆法～的理论公式做了详细推导；而后论述了矮塔斜拉桥在悬臂施工过程中产生非线性效应的原因及如何在施工过程分析中考虑非线性效应；最后对斜拉桥悬臂施工控制系统的建立与主要控制内容做了讲解，简要指明了旋工控制的关键问题。 硕士学位论文3矮塔斜拉桥悬臂施工过程非线性效应分析南淝河大桥位于安徽省合肥市滨湖区内，是环湖大道上一座重要的矮塔斜拉桥，它将合肥市与巢湖市整合成大巢湖旅游目的地，为这两座城市突破区域性的发展创造了有利条件。因此，本文选用南淝河大桥进行悬臂施工过程的非线性效应分析，对其顺利修建及后期维护具有重要的实际意义，对矮塔斜拉桥施工过程的非线性效应具有一定的理论意义。3．1工程概况及有限元模型建立南淝河大桥是国内在最近修建成功的一座典型的两塔三跨对称式矮塔斜拉桥，位于直线段上，主桥布置为60m+100m+60m，桥塔有效高度为18m。采用塔梁固结、塔墩分离的结构形式，墩顶设置支座，目的是使矮塔斜拉桥的受力更加接近梁式体系，受力明确，结构简单，系双塔单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，布置形式如图3．1所示。图3．1南淝河大桥立面布置图(单位：m)主梁采用双向预应力结构，单箱三室大悬臂变截面PC连续箱梁，外腹板采用竖腹板形式，箱梁顶板宽度22m，箱梁底板宽度15．5m。主墩墩顶梁高为4m，向中、边跨方向各46m范围内梁高采用2次抛物线变化，其余为等高2．2m的梁段。箱梁合拢段底板厚度为25cm，0号块底板厚度为80cm，在梁高变化范围内，底板厚度采用2次抛物线变化。顶板厚度不变，边室28cm，中室50cm，中、边腹板厚度50cm。斜拉索锚固区均设横隔板，边室横隔板厚度为30cm，中室横隔板厚度为40cm。全桥共9对斜拉索，采用低松驰镀锌钢铰线：预应力钢铰线符合《预应力混凝土用钢铰线》(GB／T5224—2003)的规定，纵向预应力分别采用15-9、15．12、15—16钢铰线，单根钢铰线直径为15．2mm，公称面积140ram2，结构各主要构件的计算参数见表3．1。 矮塔斜拉桥施工技术研究表3．1结构主要计算参数材料名称参数取值主梁及桥塔混凝土(C50)斜拉索纵向钢匀线恒载挂篮荷载标准强度／MPa弹性模量／Mpa重度／(kN·m。1抗拉强度／Mpa弹性模量／Mpa设计张拉力／kN抗拉强度／Mpa弹性模量／Mpa设计张拉量／mm重力加速度／(m·s。2)质量／(t·单侧)泊松比主梁及桥塔混凝土收缩徐变持续时间／d503．5010426．518601．951053400、3800、410018601．9510546．5～351．159．8l900．167423主梁0号块及l号块节段总长13m，在墩顶和墩旁临时支架上立模现浇，边跨支架现浇梁段长8．85m；边中跨合拢段长2m；2、3、4号粱段长3．5m，4至12号梁段长4m，采用悬臂旋工技术浇筑。全桥合拢后，再分别拆除墩顶支架与过跨现浇段支架及各合拢段的吊架。＼一j≤一≤；IL≤么荔多≤)(J__I图3．2南淝河大桥施工节段布置图(半幅)本文采用桥梁分析专用软件MIDAS／CIVIL对南淝河大桥进行了施工过程非线性效应分析。根据矮塔斜拉桥的受力特性，主梁与桥塔是主要受力构件，采用空间梁单元进行模拟，全桥主梁共划分为59个单元，60个节点；单个索塔划分为10个单元，11个节点，全桥有限元模型见图3．3．图3．3南淝河大桥有限元模型图 硕士学位论文主梁的线形由各截面形心轴位置决定，截面的各几何特性值由单元左右两截面的几何特性值平均求得；斜拉索采用根据Ernst公式调整弹性模量的桁架单元来考虑垂度效应的影响；边跨与跨中各支座均采用铰支座。南淝河大桥的有限元模型主梁节点坐标见表3．2。表3．2有限元主梁模型节点坐标表(单位：111)3．2徐变效应分析混凝土材料的徐变特性是混凝土斜拉桥徐变的主要组成部分。本章的徐变系数分别采用了JTG—D622004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》阳⋯、美国ACl混凝土协会209委员会盯叩及欧洲混凝土委员会和国际预应力混凝 矮塔斜拉桥施工技术研究土联合会CEB．FIP(1990)"们这三种目前国际上通用的主要徐变计算模式来进行定义，对比分析了矮塔斜拉桥在悬臂施工过程中不同计算模式下的徐变效应。3．2．1徐变效应对箱梁挠度的影响J3】4ijL6t718J9202l节点号图3．4第1号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图12141618节点号图3．5第2号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图图3．6第3号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图0一a05O2l，O童占剖率2，O5d3oo一ⅢⅢ一掣睾^一【J5型皋 硕士学位论文图3．7第4号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图图3．8第5号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图图3．9第6号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图37 矮塔斜拉桥施工技术研究8101214L61820222426节点号图3．10第7号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图图3．11第8号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图图3．12第9号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图3886420t5掣翠O86420一星一型睾 硕士学位论文图3．13最大悬臂阶段施工完毕后主梁挠度图图3．14成桥后主梁挠度图从图3．4～图3．13可以看出：与线性计算模式相比，考虑徐变效应时，悬臂施工过程中的非线性效应较明显；在不同的徐变计算模式下，主梁具有不同的挠度值，但不同的徐变计算模式对主梁挠度的影响较小。随着梁段悬臂长度增大，徐变效应对主梁线形的影响越来越明显，当第9号梁段斜拉索张拉完毕时，按ACI．209模式计算的主梁挠度最大增加了70．45％；而到最大悬臂长度时，按ACI一209模式计算的主梁挠度最大增加了11．88％，此时各计算模式下的挠度曲线几近重合，但在所有计算模式下，主梁的挠度均迅速增大。这表明虽然矮塔斜拉桥的主梁刚度较大，斜拉索只承担部分竖向荷载，但当对矮塔斜拉桥进行悬臂旋工过程的徐变效应分析时，斜拉索的影响不容忽略。图3．14中各挠度曲线表明当矮塔斜拉桥合拢后，在各合拢位置处的非线性效应最明显，边跨合拢处挠度最大增加了46．06％，达84．8mm；中跨合拢处挠度最大增加了35．3％，达78．7mm。但整体增大比例均小于当第9号梁段斜拉索张拉完毕时的70．45％，这主要是两方面原因：一是因为矮塔斜拉桥主梁合拢后，桥梁的超静定次数增加，整体刚度增大；二是因为矮塔斜拉桥是部分斜拉桥，斜拉索对主梁挠度在不同部位影响不同。o。{邶小珈嗡；}}嗡瑚一；一酉『嚣加。加{；；珈枷珈咖一；I)玎I翠 矮塔斜拉桥施工技术研究上述分析表明，徐变效应对矮塔斜拉桥箱梁线形的影响在悬臂施工过程中有固定的变化规律，且主要体现在设置有斜拉索张拉阶段，这晚明在计算矮塔斜拉桥在悬臂施工过程中的徐变效应时，不能单一地只考虑徐变效应，还应计入其它因素的影响共同分析。3．2．2徐变效应对箱梁顶板应力的影响翦哥号图3．15第1号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图0—1—2一一3墨丢一4型．一。一6—7图3．16第2号斜拉索张拉完毕后箱梁项板平均应力图0—2j一4王R型一6一R图3．17第3号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图01吨≈q弓一，詈R翌 硕士学位论文图3．18第4号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图0—2—4o苎三_R一6：}：一一8一】019第5号斜拉索张拉完毕后箱梁项板平均应力图图3．20第6号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图41O≈叫咱书加一≈兰一R净一0屯。书j三R兰 矮塔斜拉桥施工技术研究图3．21第7号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图0--9。一4o善6卡乏一8—10一】2单元号图3．22第8号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图0—2—4o￡三6R‘≯一一8一lO68lo1214帮号L82022242628图3．23第9号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图420≈q书cc∞一王善R翌 硕士学位论文图3．24最大悬臂阶段施工完毕后箱梁顶板平均应力图O—l一2—3o=一4：≯～一a一6图3．25成桥后箱梁]员板平均应力图从图3．15～图3．24可以看出：在各悬臂施工阶段，除箱梁0号块以外，在不同的徐变计算模式下，箱梁顶板的平均应力都大致相同，均呈现为压应力，且在不同的悬臂施工阶段，顶板平均压应力连续分布。其中线性模式计算得到的压应力最大，JTGD62计算模式得到的压应力最小。对于箱梁0号块，在不同的悬臂施工阶段，顶板平均压应力均呈不连续分布，且压应力小于附近各梁段。其中，CEB—FIP1990计算模式得到的项板压应力最大，线性计算模式得到的顶板压应力最小，在最大悬臂阶段时，两者之间的差值最大，达1．75MPa，增大了1．5倍之多。这表明，在考虑徐变的情况下，在各悬臂施工阶段，非线性效应对箱梁0号块顶板平均压应力的影响十分明显且远大于线性效应对其的影响。从图3．25可以看出，矮塔斜拉桥合拢后，在不同的徐变计算模式下，箱梁顶板的平均压应力分布与线性计算模式相比均呈现出明显的差异，0号块顶板应力变化剧烈，且线性计算模式得到的项板平均压应力最大，按CEB．FIP1990模式计算得到的应力最小，两者相差1．71MPa。这表明，采用悬臂施工技术的矮塔O屯1咱吨m^1{t1弓R≯一 矮塔斜拉桥施工技术研究斜拉桥，徐变效应对成桥后的全桥箱梁顶板平均压应力分布有较大的影响，且不同的计算模式之间的差异不容忽视。上述分析表明，徐变效应对矮塔斜拉桥箱梁顶板平均压力的影响在悬臂施工过程中有固定的变化规律，且主要体现在0号块附近梁段，在其余位置处徐变效应对顶板平均压应力的影响较小。3．2．3徐变效应对箱梁底板应力的影响416单元号R，n41RR●n0—0j。一10耋参_15一一2·02j图3．26第l号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图l214l乒元号1820l16l图3．27第2号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图24l手元号18202216l图3．28第3号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图O．n0_0O_a0加1屯一#亏R≯～ 硕士学位论文图3．29第4号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图0·0—0．5。tO差参_l5一-2．0—2i图3．30第5号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图O·O—O5一l0主参一15一一20—2j图3．31第6号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图450．a一一1{(f弓R斟一 矮塔斜拉桥施上技术研究0_0—0·5一1．0一堇-15R型一2·0—2·j一3．0图3．32第7号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图单元号图3．33第8号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图0—05—1．0o暑一1．5冀型一2．0—2．5—30图3．34第9号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图46O．a一一o．善R型 硕士学位论文图3．35最人悬臂阶段施I：完毕后箱梁底板平均应力图图3．36成桥后箱梁底板平均应力图从图3．26～图3．35可以得知：在各悬臂施工阶段，在不同的徐变计算模式下，除箱梁0号块外，其余梁段的底板平均压应力分布大致相同。其中按ACI一209模式计算得到的压应力最大，按线性模式计算得到的压应力最小，在最大悬臂施工阶段时，两者之问最大相差0．43MPa；但对于箱梁0号块，在不同的悬臂施工阶段，底板平均压应力分布差异较大，按线性模式计算得到的压应力最小，按CEB—FIP1990计算模式得到的压应力最大，在最大悬臂施工阶段时，两者间差距最明显，达1．76MPa。图3．36为矮塔斜拉桥合拢后的箱梁底板平均应力图，图中各曲线表明：采用悬臂施工技术的矮塔斜拉桥成桥后，在不同的徐变计算模式下，除跨中合拢段附近梁段外，其余各梁段的底板平均压应力基本相同。这表明徐变效应对全桥箱梁底板的平均压应力分布的影响主要体现在跨中合拢段附近。上述分析表明，徐变效应对矮塔斜拉桥箱梁底板平均压力的影响在悬臂施工过程中有固定的变化规律，且同样主要体现在0号块附近梁段，在其余位置处徐变效应对底板平均压应力的影响较小。0_aO5O5O5O50加1o≈吨心七1叫一主弓R星 矮塔斜拉桥施工技术研究3．3几何非线性效应分析矮塔斜拉桥又称为部分斜拉桥，正因为只有在部分梁段上作用有斜拉索，主梁的线形与应力变化不同的一般的普通斜拉桥。本文根据文献[73～76]的相关斜拉桥几何非线性的观点，分别从考虑斜拉索的垂度效应，大位移效应以及梁柱效应(P。A效应)等三方面来分析矮塔斜拉桥在悬臂施工过程中几何非线性效应。3．3．1几何非线性效应对箱梁挠度的影响图3．37第1号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图图3．38第2号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图505Or002l1O0一ⅢⅢ一掣翠 硕士学位论文¨1213】41j16171819202】2223节点号图3．39第3号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图图3．40第4号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图图3．4l第5号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图495O_0O5OPaO321l0O言5掣嚣432●0一ⅢⅢ一型率 矮塔斜拉桥施工技术研究76●。童4、5掣辜32l08101214161820：22426节点号图3．42第6号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图位移度敬性效柱效1618节点号图3．43第7号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图图3．44第8号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图O86d2O—l一型嚣 硕士学位论文售嚣4嚣20图3．45第9号斜拉索张拉完毕后主梁挠度图图3．46最大悬臂阶段施丁完毕后主梁挠度图图3．47成桥后主梁挠度图从图3．37～图3．46中各曲线变化趋势可知：与线性效应相比，考虑几何非线性效应的矮塔斜拉桥在悬臂施工阶段的梁段挠度有明显不同，但在各悬臂施工阶段的整体差别不大，在第9号斜拉索张拉完毕后，各效应之间的差距最明显，达7．7mm。其中，线性效应计算得到的桥梁挠度最大，考虑垂度效应时得到的挠度最小，这表明几何非线性因素降低了矮塔斜拉桥主梁的刚度。在悬臂ioⅢ嗡{i嗡珈书枷一E5掣嚣om珊瑚砌瑚一iuJ一型嚣 矮塔斜拉桥施工技术研究施工阶段，几何非线性效应对矮塔斜拉桥挠度的影响程度从大到小依次为：垂度效应>大位移效应>梁柱效应，这一观点与文献[77]相吻合。图3．47为成桥后的主梁挠度图，图中各曲线表明：成桥后，在跨中梁段几何非线性效应对矮塔斜拉桥挠度的影响程度与悬臂施工阶段相同，从大到小依次为：垂度效应>大位移效应>线性效应>梁柱效应；但在边跨梁段几何非线性效应对矮塔斜拉桥挠度的影响程度与悬臂施工阶段相反，从大到小依次为：梁柱效应>大位移效应>垂度效应，矮塔斜拉桥的这一特点。羽，确’伯1与普通斜拉桥不同。上述分析表明：几何非线性效应对矮塔斜拉桥箱梁线形的影响在悬臂施工过程中有固定的变化规律，且随着悬臂梁段的伸长，各非线性效应愈发明显。3．3．2几何非线性效应对箱梁顶板应力的影响】341j1n单元号171H1q，()Xj1h71H1q’n图3．48第1号斜拉索张拉完毕后箱粱顶板平均应力图单元号图3．49第2号斜拉索张拉完毕后箱粱顶板平均应力图01屯{q弓书．叫一日．砉R型 硕士学位论文0—23—4弓：}一6—8图3．j0第3号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图图3．51第4号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图图3．j2第j号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图0屯叫《cPm一5善盂主0《o咱。P伸一：兰『)rr主 矮塔斜拉桥施工技术研究图3．53第6号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图0-一4o砉一6S兰8一10—12图3．54第7号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图O一2—4o暑6S芝一8lO2图3．55第8号斜拉索张拉完毕后箱梁顶板平均应力图0吨叫书cP加一_。．童一R掣～ 硕士学位论文0—2—4j一￡王=羔8—10一l：图3．j6第9号斜拉索张拉完毕后箱粱顶板平均应力图单元号468．0】!：4e18二01：：4：6：8——J———J———J————————L———L———L———L———^———^———J———J———J———J——一——。———。———————。————。———‘———‘———。——————————一图3．j7最大悬臂阶段施工完毕后箱梁顶板平均应力图图3．j8成桥后箱梁]页板平均』、坚力图图3．48～图3．57中各悬臂施工的箱梁顶板压应力曲线显示：随着悬臂梁段的增长，几何非线性因素对箱梁顶板应力的影响越来越明显，具体体现为越接近0号梁段影响越明显，但0号块除外。在各几何非线性因素作用下，箱梁顶板压应力从大到小依次为：垂度效应>大位移效应>梁柱效应。在0号块位置处，顶板平均压应力在各几何非线性因素的影响下变化较小，但平均压应力仍然随着悬臂梁段的增长而增大，此处压应力受几何非线性因素的影响从大到小 矮塔斜拉桥施工技术研究依次为：梁柱效应>大位移效应>垂度效应；在最大悬臂施工阶段时，顶板平均压应力发生剧烈变化，最大达7．25MPa。在图3．58中，成桥后箱梁顶板的平均压应力的几何非线性效应主要体现在0号块附近梁段，除0号块以外，越靠近0号块非线性效应越显著。此时，无论是0号块还是0号块附近梁段，几何非线性效应的大小依次为：垂度效应>大位移效应>梁柱效应。上述分析表明：几何非线性效应对矮塔斜拉桥箱梁顶板平均压力的影响在悬臂施工过程中有固定的变化规律。3．3．3几何非线性效应对箱梁底板应力的影响单元号图3．59第1号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图单元号图3．60第2号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图O5O5050加1r一屯一j善R星O50_0O5O加1t屯一j言R每～ 硕士学位论文0．0—0．51．0』室·R1．5型一2．0—2．i单元号图3．61第3号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图0-O一0．5—1．0o至姜～15星一2．0—2·j一3．0图3．62第4号斜拉索张拉完毕后箱粱底板平均应力图一i．0兰姜_-5董2．0图3．63第j号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图57 矮塔斜拉桥施工技术研究单元号64第6号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图65第7号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图图3．66第8号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图 硕士学位论文O一05一l0主一1；三枣一2．0～一2i一30—3．j图3．67第9号斜拉索张拉完毕后箱梁底板平均应力图图3．68最大悬臂阶段施工完毕后箱粱底板平均应力图图3．69成桥后箱梁底板平均应力图从图3．59～图3．68可以看出：随着矮塔斜拉桥悬臂梁段的增长，箱梁底板平均压应力受几何非线性效应的影响越来越明显。具体表现为：箱梁底板平均压应力在考虑垂度效应时随悬臂梁段的增长而增大，且逐渐大于其余几何非线性效应的影响；在考虑梁柱效应时，箱梁底板平均压应力随悬臂梁段的增长而增大，但其受影响程度越来越小于其它几何非线性效应对其的影响程度，到最大悬臂施工阶段时，考虑垂度效应时的箱梁底板平均压应力甚至小于按线性效 矮塔斜拉桥施工技术研究应计算时的平均压应力。随悬臂梁段的增长，考虑大位移效应时箱梁底板平均压应力逐渐增大，且其对底板平均压应力的影响程度随悬臂梁段的增长慢慢介于垂度效应与线性效应之间。从图3．69中成桥后在各几何非线性效应的影响下箱梁底板平均压应力曲线分布可知：在各合拢段附近，底板平均压应力从小到大分别为：垂度效应<大位移效应<梁柱效应；在其余梁段位置处，底板平均压应力受各几何非线性效应的影响程度与合拢段附近梁段相反，从小到大分别为：梁柱效应<大位移效应<垂度效应。上述分析表明，几何非线性效应对矮塔斜拉桥箱梁底板平均压力的影响在悬臂施工过程中有明显的变化规律。3．4本章小节本章从徐变效应与几何非线性的角度出发，分析了矮塔斜拉桥采用悬臂施工技术时的非线性效应。在徐变效应方面，分别采用了目前国际上三种主要的徐变计算方式，对比分析对比了在不同的徐变计算方式下桥梁的线形，应力随施工进度的变化。在几何非线性方面，分别考虑了垂度效应、大位移效应、梁柱效应这三种主要的几何非线性效应进行了矮塔斜拉桥悬臂施工过程计算，对比分析对比了在不同的几何非线性效应下桥梁的线形，应力随悬臂梁段伸长的变化及各几何非线性效应对矮塔斜拉桥的影响程度。60 硕士学位论文4矮塔斜拉桥悬臂施工过程监测施工监测是桥梁施工技术的重要组成部分，无论桥梁采用何种结构形式与施工工艺，都必须具备与之相对应的施工监测，确保设计形式最大可能地在施工过程中得以实现。普通斜拉桥采用悬臂施工技术施工时，会有多种因素对其成桥状态的内力与线形产生不可忽略的影响。以国内的苏通大桥为例，仅就主粱的线形变化而言，施工过程中的部分影响因素及其效应有∞⋯：①若在施工过程中，主梁各梁段制造长度的误差达到+5mm时，最终的主梁线形将会偏离设计目标线形，其绝对值最大达到366mm：②若斜拉索下料长度的误差达到设计长度的1／5000至1／10000时，最终的成桥线形偏离设计目标线形的最大绝对值将会达到249．1mm；③在悬臂粱段达到一定长度以后，若在悬臂前端斜拉索的安装位置误差为20mm时，这一梁段施工完毕后，当前阶段的线形误差将达160ram；④若主梁的制造重量误差达到士2％时，当|j{『施工阶段的主梁线形偏离设计目标线形达到190mm；⑤在合龙前的最大悬臂状态下，索、梁每1℃的温差，主桥就会发生的最大达50mm的线形偏差；⑥在主梁的较大悬臂状态下，若仅对斜拉索的索力测试误差达5％时，悬臂前端的梁段位移误差将达到150mm；⋯⋯综上所述，桥梁梁段的制作误差、构件的安装误差、温度效应等因素均对斜拉桥的施工精度产生重要影响，于是在斜拉桥的施工过程中对其进行监测显得十分必要。矮塔斜拉桥是在斜拉桥的基础上发展而来的，是一种特殊的斜拉桥，当其采用悬臂施工技术时，其线形与位移同样会受到众多因素的影响。本章从矮塔斜拉桥施工过程的非线性效应观点出发，分别建立线性效应有限元模型和同时考虑徐变与几何非线性的综合效应模型，通过对南淝河大桥悬臂施工全过程进行主梁应力与挠度监测，分析对比实测数据与两份理论数据，一方面验证了非线性效应对矮塔斜拉桥悬臂施工的影响；另一方面，从数据变化趋势的角度论证了施工监测的重要性。4．1矮塔斜拉桥施工监测的内容影响桥梁施工过程监控结果的两个主要因素是施工控制方法与施工控制理念。施工控制理念是指施工控制的指导思想，即单控理念、双控理念以及全过程控制理念。所谓“单控理念”和“双控理论”是从控制对象和控制手段角度 矮塔斜拉桥施T技术研究对控制方法进行的粗略划分睛“。施工监测是桥梁施工控制的重要组成部分，监测内容与施工控制方法以及施工控制理念密切相关，在南淝河大桥的悬臂旌工监测过程中，采用“双控理念”9即分别测试桥梁的内力与挠度，并将其与理论数据相比较，分析导致误差的原因，通过及时调整，桥梁在下一梁段施工时，避免再次出现因相同原因导致的误差，从而使实际施工状态更加逼近理论状态。4．1．1施工过程应力监测目前桥梁施工过程中的应力监测手段主要是通过对埋入式传感元件测试桥梁的应变，然后再将实测的应变根据HooK公式，将其换算成应力后，再与理论应力值相比较旧⋯。这要主是因为：(1)通过有限单元法计算结构的理论值时，位移结果是根据节点的位移函数唯一地表示的，内力结果是根据位移结果唯一地表示的，应变值并不能直接从有限单元法中得到；f2)现实测试中，只能得到结构的物理结果，即应变。埋入传感元件时，将其沿待测方向的应变绑扎在梁段的钢筋上，浇筑混凝士后，因为混凝土与钢筋牢固结合，二者具有相同的应变值，此时测试得到的应变值就是桥梁在当前状态下的真实应变值。因为南淝河大桥主梁截面采用宽度达到22m的单箱三室截面形式，在箱梁顶板与腹板位置处预应力钢铰线布置集中，防止应力分布过于集中，在箱梁各截面的关键位置处(见图4．1)，项板和底板至少各埋设一枚传感计，旌工过程中需要注意保护元件的完整性。进行测试时，应尽可能选在一天当中温度处于稳定低温时段，且每次测试的温度应大致相同，避免出现温差应力影响监测分析的准确性。图4．1南淝河大桥截面应变测试关键位置4．1．2施工过程挠度监测桥梁施工过程的挠度监测主要通过布置水准测点，采用全站仪或精密水准仪进行测试。布置水准测点时，可以采用膨胀螺栓，将其焊接在待测位置的钢筋上，预留长度约露出混凝土表面3"-"5cm左右，其顶部磨平后刻划上十字丝。 硕士学位论文因为矮塔斜拉桥采用悬臂施工技术，每一梁段施工完毕后，均需要测试桥梁当前状态的挠度，所以在桥梁的每一截面上均需布置水准测点，施工过程中需要保护测点，防止膨胀螺栓被混凝土覆盖或者水平偏移当前位置。因为南淝河大桥的截面宽度较大，为检测施工过程中箱梁的整体挠度与局部挠度的差异，应在箱梁截面的多个关键位置处(见图4．2)布置水准测点。图4．2南淝河大桥截面挠度测试水准测点位置挠度测试时，应选在低温、恒温时段，且每次测试时温度应大致相同，施工完毕的梁段上不应杂乱堆放重物，大型机械停置在墩顶粱段上，尽量避免测试结果的受影响程度。4．2考虑双非线性效应的有限元模型建立南淝河大桥施工控制的理论数据通过桥梁专用有限元分析软件MIDAS／CIVIL采用梁单元计算得到，具体离散方式与第3章相同。用于施工监测的有限元模型需要同时考虑徐变效应与几何非线性这两大非线性因素综合效应，MIDAS／CIVIL不具备同时直接考虑双非线性效应的功能选项，在进行施工阶段分析时，作者通过以下操作同时实现徐变和几何非线性的综合效应：(1)当考虑混凝土材料的徐变效应时，可在“添加／编辑时问依存材料(徐变／收缩)”选项中设置相关材料特性的参数以及设计规范，在南淝河大桥的施工监测分析中，选用“China(JTG．D622004)”设计规范；(2)考虑斜拉索的“垂度效应”时，在施工阶段分析中采用ERNST公式修正斜拉索的弹性模量比直接采用“只受拉单元”模拟斜拉索更加合理m1，可以在“材料特性值”选项中选定“材料数据”项，通过“用户自定义”可以设置斜拉索的弹性数据；(3)考虑“梁柱效应”时，可以通过采用“单元初应力刚度矩阵”来实现，即在主梁与塔索单元的每一个高斯积分点计入上一施工阶段应力的影响并通过采用上一施工阶段的构形作为计算阶段初始构形，轴力作用改变梁单元的弯曲 矮塔斜拉桥施工技术研究刚度以及弯矩作用改变梁单元的轴向刚度这样的轴力与弯矩相互作用得以体现；(4)考虑大位移效应时，在桥梁的“施工阶段分析控制数据”选项中选用“考虑非线性分析”选项，采用位移标准作为收敛条件，在分析结构应力时计入结构节点位移的影响，也就是有限位移理论；(5)考虑预应力作用时，不应在MIDAS／CIVIL中采用桁架单元模拟预应力钢束，而是通过软件内部的换算方式把预应力等价为混凝土截面上的荷载№3|。在张拉钢束前后，计算抗弯刚度采用截面特性值时，分别采用不计钢束的截面净面积和考虑钢束的换算面积，所以计算分析中的换算荷载包括了预应力损失。4．3斜拉索索力监测分析矮塔斜拉桥斜拉索的索力通常会随着悬臂梁段的伸长而变化。南淝河大桥设计采用一次张拉法，采用千斤顶张拉时以控制伸长量为主。以1号斜拉索为分析对象，现分别列出该号斜拉索索力在悬臂施工过程中的各数据，并对之进行对比分析。表4．11号斜拉索施工过程索力变化值(kN)施工阶段线性理论值非线性理论值实测值l号索张拉3400338234162号索张拉3577344034913号索张拉3629351435524号索张拉3794358636075号索张拉3872367737286号索张拉3949369837957号索张拉3902368637348号索张拉3861363936869号索张拉381536023657边跨合拢372635813602中跨合拢35】834673500二期恒载357835133532从表4．1中各数据可知：在第1号斜拉索张拉完毕后，1号斜拉索索力受非线性效应的影响最小，为0．53％；在第6号斜拉索张拉完毕后，1号斜拉索索力受非线性效应的影响最明显，为6．4％；与理论数据相比，实测值较接近于非线性理论值在第6号索张拉完毕后，实测值与非线性理论值的差异最大，达97kN。 硕十学位论文造成实测值与非线性理论值产生差异的主要原因有如下两点：①千斤顶作业精度的影响，②测量索力仪器时受外部因素影响。表4．2成桥后斜拉索的索力值(kN)!曼窒2曼塞3曼塞垒墨塞§量塞鱼墨塞Z曼塞墨呈塞窆曼塞线性理论值357836723783391239884085420842754358非线性理论值351336173701384739003972411641824271塞型僮!i!呈!鱼堡垒!Z!!!!!堡!里兰鱼兰QQ!堡!兰Z堡呈!!生!Q2从表4．2可以看出：各号斜拉索的线性理论成桥索力与非线性理论成桥索力有明显差异，第6号斜拉索索力差异最大，达113kN；实测索力值与非线性理论值较基本接近。与表4．1对比分析可知：非线性效应对斜拉索索力的影响主要体现在施工阶段，成桥后索力受非线性效应的影响较小，这一结论与文献[59]得到的结论一致。4．4主梁挠度监测分析随着桥梁悬臂梁段的延伸，桥梁的结构形式越来越复杂，作用在结构上的荷载越来越多，因而桥梁各部分梁段的挠度也随之变化。矮塔斜拉桥的悬臂施工过程是一个动态过程，通过对南淝河大桥悬臂施工过程展开监测，得到了各悬臂长度下的挠度曲线，并将之与各理论值对比分析如下：12】416182022节点号幽4．3南淝河大桥第1对斜拉索张拉完毕后主梁挠度曲线 矮塔斜拉桥施工技术研究图4．4南淝河大桥第2对斜拉索张拉完毕后主梁挠度曲线1012141B18202224节点号图4．5南淝河大桥第3对斜拉索张拉完毕后主粱挠度曲线图4．6南淝河大桥第4对斜拉索张拉完毕后主梁挠度曲线 硕士学位论文8101214161820222426节点号图4．7南淝河大桥第5对斜拉索张拉完毕后主梁挠度曲线图4．8南淝河大桥第6对斜拉索张拉完毕后主梁挠度曲线图4．9南淝河大桥第7对斜拉索张拉完毕后主梁挠度曲线4321O一垂一型翠 矮塔斜拉桥施工技术研究节点号图4．10南淝河大桥第8对斜拉索张拉完毕后主梁挠度曲线八篡篡∥＼／贰一一房乡氓∥忌V1≥6018剿2≮3图4．11南淝河大桥第9对斜拉索张拉完毕后主梁挠度曲线图4．12南淝河大桥最大悬臂阶段施T：完毕后主梁挠度曲线08642O一；一巡嚣08642024一l一型晕om咖枷一星一：}if耀 硕士学位论文504030一l20吾曩100．10≮一一袅翟．岛；一，苫渐2'o-25南354'o1孽螺551∥■●昔占县一图4．13南淝河大桥成桥后主梁挠度曲线从图4．3～图4．13对比分析南淝河大桥在悬臂施工过程中各挠度数据可得到以下结论：①随着悬臂粱段的延伸，桥梁的非线性效应对挠度的影响越来越明显；②从桥梁各施工阶段的挠度曲线变化趋势可以看出随着悬臂长度的增加，实测曲线逐渐与靠近双非线性综合效应理论曲线且越来越偏离线性效应理论曲线，这表明在矮塔斜拉桥的悬臂施工过程中，不能忽略非线性因素对主梁挠度的影响；③在各悬臂旋工阶段，桥梁实测挠度曲线既不与线性效应理论曲线完全重合，也不与双非线性综合效应理论曲线完全重合，这表明矮塔斜拉桥在悬臂施工过程中主梁挠度除了受到双非线性效应的影响外，还受到其它因素的作用；④桥梁合拢后，实测挠度曲线与双非线性综合效应理论曲线重合度较高，这一方面是因为桥梁合拢后刚度增大，受影响程度比悬臂施工阶段较小；另一方面表明作者在本章第2节中采用的同时考虑徐变与几何非线性效应的建模方法对矮塔斜拉桥施工过程进行挠度监测分析的合理性。4．5主梁应力监测分析目前，对矮塔斜拉桥进行施工过程监测通常采用“双控”的形式，即以挠度监测为主，应力监测为辅。一方面可以确保主梁挠度在施工过程合理变化，另一方面可以掌握主梁各截面的应力分布情况，及时采取措施，防止出现因施工误差导致主梁局部开裂的情况。因此对桥梁的施工过程进行应力监测是施工监测必不可少的一部分，它对保证合理的桥梁内力分布具有十分重要的实际意义。 矮塔斜拉桥施工技术研究4．5．1主梁顶板应力监测分析单元号213141j16171892021图4．14南淝河人桥第1对斜拉索张拉完毕后主梁顶板应力陆线图4．1j南淝河人桥第2对斜拉索张拉完毕后主梁顶板应力曲线0‘￡一4#：争一一e一8图4．16南淝河人桥第3对斜拉索张拉完毕后主梁顶板应力曲线70 硕士学位论文0—2—4耋主一e一810图4．17南淝河大桥第4对斜拉索张拉完毕后主梁顶板应力曲线O一2穹一4量零一e一一8一】。图4．18南淝河火桥第5对斜拉索张拉完毕后主梁顶板虑力曲线O一2—4兰丢6型8—10单元号图4．19南淝河大桥第6对斜拉索张拉完毕后主梁顶板应力曲线71 矮塔斜拉桥施工技术研究O一242丢一6翟一8一】0图4．20南淝河大桥第7对斜拉索张拉完毕后主梁顶板应力曲线024o三一6莹8一lO单元号图4．21南淝河大桥第8对斜拉索张拉完毕后主梁顶板应力曲线0一●-一4兮弓一6R型一8】012图4．22南淝河大桥第9对斜拉索张拉完毕后主梁顶板应力曲线 硕士学位论文图4．23南淝河大桥最大悬臂阶段施工完毕后主梁顶板应力曲线0一l2一一3兰≤一4主。一6单元号图4．24南淝河大桥成桥后主梁]负板应力曲线从图4．14～图4．24中主梁顶板各应力曲线图可以得到以下结论：①随着悬臂梁段的延伸，桥梁的非线性效应对项板应力的影响趋势相同，即在墩顶位置处基本相同，在箱粱根部位置处受影响程度最大，各悬臂位置处受影响程度最小；②从桥梁各施工阶段的顶板应力曲线变化趋势可以看出随着悬臂长度的增加，实测应力曲线基本处于双非线性综合效应理论曲线与线性效应理论曲线之间，但与双非线性综合效应曲线的重合度较高，这表明在矮塔斜拉桥的悬臂施工过程中，不能忽略非线性因素对主梁顶板应力的影响；③在各悬臂施工阶段，桥梁实测应力曲线在墩顶位置处与理论值相差较大，在最大悬臂施工阶段差异达到最大，达3．9MPa，这主要是因为墩顶梁段受力复杂，处于三向受力状态，其力学行为不能单纯用梁理论来概括；④桥梁合拢后，实测应力曲线沿桥梁跨径的变化趋势与两份理论曲线的变化趋势相同，除在箱梁根部位置与理论值相差较大以外，在其余位置处与双非线性综合效应曲线的重合度较高，这表明作者在本章第2节中采用的同时考虑徐变与几何非线性效应的建模方法对矮塔斜拉桥施工过程进行应力分析的合理性，但在墩顶梁段的力学行为与实际情况出入较大。0屯叫咱oP∞一?善R等一 矮塔斜拉桥施工技术研究4．5．2主梁底板应力监测分析O·0-0．2一O·q兰姜一06逻一08lU图4．25南淝河大桥第1对斜拉索张拉完毕后主梁底板应力曲线图4．26南淝河大桥第2对斜拉索张拉完毕后主梁底板应力曲线图4．27南淝河大桥第3对斜拉索张拉完毕后主粱底板应力曲线740咱加却加1穹圭一rr掣～ 硕士学位论文单元号图4．28南淝河人桥第4对斜拉索张拉完毕后主梁底板应力曲线0·001—04o姜06‘矗羔08一1．0一】．2图4．29南淝河大桥第5对斜拉索张拉完毕后主粱底板应力曲线图4．30南淝河大桥第6对斜拉索张拉完毕后主梁底板应力曲线75R1-加1一_一；一{兰 矮塔斜拉桥施工技术研究_穹一1O童藿_1j68101214誓号1820222426图4．31南淝河大桥第7对斜拉索张拉完毕后主梁底板应力曲线一1．0一生一L5_R：}～2n一2．5—3．0图4．32南淝河大桥第8对斜拉索张拉完毕后主梁底板应力曲线单元号图4．33南淝河大桥第9对斜拉索张拉完毕后主梁底板应力曲线76 硕士学位论文0—1—2一圭一3S莹一4—06图4．34南淝河大桥最大悬臂阶段施工完毕后主梁底板应力曲线单元号图4．35南淝河大桥成桥后主梁底板应力曲线从图4．25～图4．35中主梁底板各应力曲线图可以得到以下结论：①随着悬臂梁段的延伸，桥梁的非线性效应对顶板应力的影响趋势相同，即在箱梁根部位置处受影响程度最大，各悬臂位置处受影响程度最小，但线性效应理论曲线与双非线性综合效应理论曲线沿跨径的变化趋势不相同，这表明非线性效应在悬臂施工过程中对箱梁底板应力的影响与线性效应相比有本质区别；②从桥梁各施工阶段的底板应力曲线变化趋势可以看出随着悬臂长度的增加，实测应力曲线基本处于双非线性综合效应理论曲线与线性效应理论曲线之问，直到最大悬臂施工阶段才与双非线性综合效应曲线的重合度较高，这表明在矮塔斜拉桥的悬臂施工过程中，垂度效应对箱梁底板的应力影响较明显；⑨在各悬臂施工阶段，在墩顶位置处的箱梁底板应力的两份理论值与实测值均存在较大的差异，在最大悬臂施工阶段实测值与双非线性综合效应理论值最大差异达2．1MPa，这与墩顶梁段受力复杂密切相关；④桥梁合拢后，实测应力曲线沿桥梁跨径的变化趋势与两份理论曲线的变化趋势相同，实测应力曲线基本处了二双非线性综合效应理论曲线与线性效应理论曲线之间，这表明作者在本章第2节中采用的同。屯叫咱oPm一；孝一R誊 矮塔斜拉桥施工技术研究时考虑徐变与几何非线性效应的建模方法对矮塔斜拉桥施工过程进行应力分析的合理性，但其计算精度还有待提高。4．6本章小结通过对一座矮塔斜拉桥进行悬臂施工监测分析，本章结合理论数据与实测数据，对比了双非线性综合效应对桥梁悬臂施工过程中主梁挠度与应力的影响，验证了模型的合理性以及对矮塔斜拉桥进行施工过程分析的精度。通过上述分析，对提高矮塔斜拉桥施工技术，解决施工过程中出现的挠度与应力异常现象提供了定性的理论参考。 硕士学位论文5结论与展望矮塔斜拉桥是近年来发展起来的一种新桥型，就主梁力学行为而言，它介于普通斜拉桥与连续梁桥之间。本文通过专用桥梁有限元软件MIDAS／CIVIL，分析了采用悬臂施工技术的矮塔斜拉桥的非线性效应。首先论述了采用悬臂施工技术时，影响桥梁施工精度的一些关键问题，详细介绍了进行施工过程分析的方法以及非线性计算的理论公式；然后从非线性效应的观点出发，分别分析了徐变效应与几何非线性效应对矮塔斜拉桥悬臂施工过程主梁挠度与应力的影响：最后通过对一座实桥进行施工监测分析，验证了计算模型的合理性，对比了理论数据与实测数据的差异。本文主要得到了以下几点结论：(1)在徐变效应方面，当采用悬臂施工技术时，目前国际上几种通用的徐变计算方式对挠度与应力的计算结果均不相同。对于全桥的挠度，计算结果从小到大依次为：线性模式