铁路工程施工中钢桁梁斜拉桥的施工控制研究

发布时间：2014-09-30 20:16

【摘要】 新世纪加快了铁路建设的步伐,这对铁路桥梁建设提出了更高的要求。钢桁梁斜拉桥以其合理的受力特点,不俗的跨越能力,得到了迅速发展和广泛应用。钢桁梁斜拉桥杆件较多,目标要求值高,施工及控制过程极其复杂,因此必须对整个桥梁的施工过程进行严格的控制。论文在学习和总结前人研究工作的基础上,以贵广铁路北江特大桥为工程背景,对铁路钢桁梁斜拉桥的施工控制进行了研究。首先,介绍了斜拉桥和钢桁梁斜拉桥的发展现状以及铁路斜拉桥的特点,接着对斜拉桥施工控制的重要性、任务和内容、原则和方法、影响斜拉桥施工控制的因素和施工控制计算的方法进行了深入的研究。其次,针对正在施工中的北江特大桥,应用桥梁结构分析软件Midas Civil建立计算模型,对整个施工过程进行计算分析。研究了各个结构参数变化对结构的影响,得出较敏感的结构参数,并根据现场实测结果利用卡尔曼滤波法进行参数识别。再次,对关键的施工阶段进行了分析,通过实测数据与理论数据的对比,分析了误差产生的原因,提出改进的措施和方法。最后,对北江特大桥的各个施工阶段进行稳定分析,得到了结构的失稳模态,并验证桥梁稳定性是否满足要求。 更多还原

第1章绪论

1.1斜拉桥的发展概况
斜拉桥的支承体系由受拉的钢索组成，桥面体系由受压的加劲梁构成。早在几个世纪之前斜拉桥的雏形就己出现过。在很早的时候，爪哇和老捉就己有原始的竹制斜拉桥，这种斜拉桥刚出现时是斜吊在树上，到后来慢慢发展成在竹柱上斜吊。用绳索斜拉的工作天桥曾出现在古埃及的海船上。1617年，意大利人设计了一种近似于斜拉桥和悬索桥的混合结构，它是用眼杆铁链吊拉的桥梁，斜链的松她垂度非常明显。由于技术和材料的限制，在后来的300余年中，斜拉桥的发展非常缓慢。此外，早期，几座斜拉桥出现了倒塌。所以在后来相当长一段时期，斜拉桥的发展曾处于停滞的境地。
1938年，基辛格首先认识到斜拉桥结构体系的优越性，并大力提倡。他指出，为了消除长索自重垂度带来的柔性影响必须对斜拉索施加足够高的应力，以使梁体的变形保持在较低范围内。1956年，瑞典的斯特伦松德桥拉开了现代斜拉桥建设的序幕。1958年，主跨为260m的西奥多修斯桥在原联邦德国的Dusseldorf建成，它巩固了现代斜拉桥的地位。
随着电子计算机的发展，上世纪60年代密索体系的斜拉桥开始被采用，这解决了疏索体系斜拉桥主梁较重而且配筋较多的缺点。
1967年，主跨280m的福瑞德里西一埃伯特桥在前德意志联邦共和国的波恩建成，它采用了单索面的密索体系。这样不仅使得锚固点的集中力减小，而且易于悬臂施工，后来许多斜拉桥都釆用了这种构思。
1975年，跨径为76m的云阳桥在中国四川省云阳县建成，它揭开了中国建造斜拉桥的序幕。1991年，在中国上海建成主跨为423m的南浦大桥，是双塔双索面的，拉索呈扇形布置的叠合梁斜拉桥。
2005年建成通车的主桥跨径组成为63m+257m+648m+257m+63m的南京长江三桥，是双塔双索面的钢斜拉桥，漂浮体系，采用了钢箱断面的主梁和人字形曲线的钢索塔。
苏通长江公路大桥，位于江苏省南通市和苏州市之间，在江阴大桥以东82公里，在长江入海口以西108公里，路线全长为32.4公里。主要由南岸接线、跨江大桥和北岸接线三部分组成。其中，南接线长约9.2公里，北接线长约15.1公里，跨江大桥长8146米。跨江大桥的主桥为主跨1088米的双塔斜拉桥。
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1.2钢析梁斜拉桥的发展
1977年，日本建成了世界第一座钢桁梁斜拉桥一一神户六甲桥，该桥主跨220in，衍高8m，是双层公路桥。主衍采用箱形断面的上下弦杆，与正交异性的桥面板共同作用，提高了桥梁的整体刚度。
1988年，日本建成了世界著名的濑户大桥，它位于四国到本州之间，跨越濑户内海。全桥由多座斜拉桥、悬索桥与梁桥连结，构成了壮观的桥梁群。其中有全长792m的柜石岛桥和岩黑岛桥两座双层结构公铁两用钢衍梁斜拉桥。

1989年，日本建成了一座三跨连续钢桁梁斜拉桥一一横滨港大桥，该桥全长860m，主跨为460rn，主塔高172m，析高12m，主桁距31m，双层公路桥面。
2000年，丹麦建成世界著名的主跨490m的厄勒桑特海峡大桥，是一座双层结构公铁两用桥，是跨径最大的钢桁梁斜拉桥。
2011年开工修建的费马恩海峡大桥，为双层结构的公铁两用钢衍梁斜拉桥，主跨为3 ×724m，预计2018年完工，钢衍梁斜拉桥将会有新的发展。
随着交通事业的发展，我国出现了很多钢析梁斜拉桥。
2000年建成通车的完湖长江大桥位于安徽省宪湖市，是国内首座公铁两用钢桁梁斜拉桥，主跨为312m，在世界上首创低塔斜拉公铁桥。
武汉天兴洲长江大桥于2004年开工建设，2009年建成通车，是双塔三索面三主衍的公铁两用斜拉桥，为世界首座按四线铁路修建的同类型的斜拉桥，是世界最大的公铁两用桥。
2011年9月30日，国内首座公路双塔双索面的钢桁梁斜拉桥一一果子沟大桥正式通车。桥梁全长为700米，主塔高度分别是215. 5米和209米，桥面距谷底高达200米。
黄网长江大桥于2010年开建，预计2014年建成通车。全长4008米，其具有均居世界己建成同类型桥梁之首的主跨跨度、主析杆件倾斜度、斜拉索破断力和抗压抗拉支座。
琼州海峡跨海大桥目前正在规划修建，是我国首座公铁两用钢衍梁斜拉跨海大桥，预计2020年建成通车，总投资约1400多亿。


1. 3铁路斜拉桥的特点
属于柔性结构的斜拉桥用于铁路，由于铁路活载比公路活载大很多，为了行车的安全性和平稳性，索塔要求采用较大的塔高和截面，加劲梁也要采用比较大的截面刚度。当主梁采用钢析梁时，自重较轻，斜拉索用量较小，这将导致斜拉桥的整体刚度下降，就需要用其他方式来弥补。当在斜拉桥中跨满载时，由于铁路荷载大，往往需要采用较大的边跨来解决边壤很大负反力的问题，但会导致刚度下降以及受力的不利。采用混凝土箱梁的边跨用压重解决边墩负反力的问题比釆用钢桁梁时要相对容易。典型的三跨斜拉桥的边跨梁端转角往往会比较大，为了满足梁端转角的要求，就必须要有更高要求的结构设计。在影响结构整体刚度的各种因素中，首要的是结构体系布置，其次是索塔梁构件。斜拉索刚度增加，结构整体刚度会有效提高，但它必须具备足够的初始应力，而梁和塔刚度的增加对结构整体刚度的影响相对迟缓。此外，斜拉桥尾索的设计往往是疲劳控制，因其受到幅度较大的交变应力。
由上述可见，铁路斜拉桥必须要构思采用新技术，综合考虑各种因素来设计。
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第2章斜拉桥施工控制理论

2. 1施工控制的必要性
斜拉桥是高次的超静定结构，施工方法和安装顺序不同，则成桥后的结构状态也不相同。随着施工的不断进行，结构的形式、荷载的形式、约束的条件等不断地变化。而且结构的内力和位移在施工阶段中具有继承性，后一施工阶段计算分析的基础是前一施工阶段的主梁线形和内力。所以，必须对斜拉桥的施工阶段进行详细的计算和分析，求得主梁线形、内力、索力和桥塔偏位等的理论计算值，并在施工中进行有效的控制，才能保证结构的变形和内力始终处于控制范围内。
对斜拉桥的建设和运营来说，施工控制是非常重要的：
1.施工控制保证了斜拉桥建设的质量。建设一座斜拉桥，外观和材质强度是重要的，但斜拉桥的内力和线形也是同等重要的。斜拉桥是高次超静定结构，且有比较显著的非线性效应，故在施工过程中，线形和内力是不断变化的。只靠普通的手段来监督质量己经无法满足要求。
2.施工控制过程中埋设的监控设备和建立的监控系统可以很好地服务于后期运营。所以，斜拉桥必须进行施工控制。
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2.2施工控制的任务和内容
桥梁施工控制围绕上述的控制任务而展幵。从总体上来看，桥梁施工控制工作内容，包括以下几个方面。
1：几何控制
在施工过程中，桥梁结构产生的变形会受到很多因素的影响，所以桥梁结构的立面标高和平面位置状态会偏离预期，桥梁有可能难以顺利合龙，成桥线形无法满足设计要求。所以必须对桥梁实施几何控制，调整结构实际位置与理想状态之间的误差在控制范围内，并使成桥线形满足设计要求。
2:应力控制
施工控制的一个重要的问题是施工过程和成桥状态的桥梁结构的受力情况是否满足设计要求。一般通过结构应力监测的方法来获取实际的应力状态，当发现应力的实测值和理论值误差超限时要及时查找原因，然后进行调整，将误差控制在允许范围内。结构的应力控制好坏一般不容易被发现，但应力控制不好将危害结构，甚至发生结构破坏。因此，应力控制是非常重要的，必须对桥梁结构的应力实施严格的控制。
3：稳定控制
曾经有过许多桥梁在施工中由于失稳而发生全桥破坏的先例。洲河大桥位于我国四川省，它在吊装主跨中段时发生了失稳破坏，因为悬臂体系的主梁承受着过大的轴力。加拿大的Quebec桥的南侧锚锭桁架快要架完时，发生了突然的崩塌，因为悬臂端下弦杆的腹板屈曲。桥梁结构的安全跟桥梁结构的稳定性有着很大的关系。所以，在施工过程中要控制桥梁结构的整体稳定和局部稳定。应该建立完整的稳定监控系统，对动荷载或突发情况的影响作出快速反应，以保证桥梁施工的安全。但施工中可能发生的失稳目前还没有可靠的监测手段，主要是注重于结构的稳定计算，求得稳定安全系数，同时依据结构发生的变形和应力情况，来判断结构的稳定性并加以控制。规范中有关结构最小稳定系数的规定有待今后完善。还有，施工过程中所用的施工设施（缆索吊装系统、挂篮、支架等）的稳定系数也应满足要求。
4：安全控制
施工中的安全控制是非常重要的。只有保证施工中的安全，才能保证其他控制的有效实施和施工的不断推进；反过来说，变形控制、应力控制和稳定控制如果能够有效实施，安全也就得到了保障。所以，安全控制与其他控制是相辅相成的。影响施工安全的因素随着结构形式的不同而不同，在施工控制中要根据实际的情况，确定安全控制重点。
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第3章有限元模型的建立及计算分析...........................................15
3.1工程背景...........................................15
3. 1. 1工程概况...........................................15
3. 1. 2主要结构特点...........................................18
3. 1. 3施工流程...........................................19
3. 2计算模型的建立...........................................19
3. 2. 1斜拉桥各构件的模拟...........................................19
3. 2. 2混凝土收缩徐变及强度发展的模拟...........................................20
3. 2. 3边界条件的模拟...........................................22
3. 2. 4施工阶段划分...........................................23
3. 3斜拉索的计算分析...........................................25
3. 3. 1斜拉索初张力的确定...........................................25
3. 3. 2调索计算...........................................26
3. 4中跨合龙误差调整计算...........................................28
3. 5桥梁应力极值分析...........................................30
3. 6本章小结...........................................32
第4章结构参数敏感性分析和识别...........................................33
4. 1参数敏感性分析...........................................33
4. 2卡尔曼滤波法参数识别...........................................36
4. 2. 1基本理论...........................................36
4. 2. 2卡尔曼滤波法的应用...........................................39
4. 2. 3参数识别........................................... 39
4. 3本章小结...........................................47
第5章施工控制结果分析...........................................48
5. 15#斜拉索张拉完成后的数据分析...........................................48
5. 1. 1线形数据...........................................48
5. 1. 2索力数据...........................................49
5. 1. 3数据分析...........................................50
5. 2 7#斜拉索张拉完成后的数据分析...........................................51
5. 2. 1线形数据...........................................51
5. 2. 2索力数据...........................................52
5. 2. 3数据分析...........................................53
5. 3 8#斜拉索张拉完成后的数据分析...........................................54
5. 3.1线形数据...........................................54
5. 3. 2索力数据...........................................55
5. 3. 3数据分析...........................................57
5. 4中跨合龙阶段分析...........................................57
5. 4. 1线形数据...........................................57
5. 4. 2索力数据...........................................59
5. 4. 3数据分析...........................................60
5. 5桥塔偏位分析...........................................61
5. 6应力数据分析...........................................62
5. 7本章小结...........................................63

第6章施工阶段稳定性分析

6. 1引言
结构或构件处于平衡位置时，外界的微小的扰动使之偏离平衡位置。当扰动去除后，能自动恢复到初始平衡状态的称其具有稳定的初始平衡状态；若不能回复到初始平衡状态，则称其具有不稳定的初始平衡状态。
结构失稳指的是受外力作用下，结构的稳定平衡状态开始丧失，稍有扰动，变形就迅速增大，最终使结构遭到破坏。桥梁结构的失稳现象有以下几类：
1：个别构件的失稳；
2：部分结构或整个结构的失稳；
3：构件的局部失稳；局部失稳通常会导致整体失稳。
斜拉桥的壤塔梁承受着巨大的弯矩和轴力，在施工阶段可能会出现失稳现象。
斜拉桥的稳定分析比较复杂。研究表明，由于斜拉桥结构很复杂，受力也十分复杂，其整体失稳很难说是面外失稳或面内失稳。世界对斜拉桥的稳定大多定义为：
K=极限荷载/设计荷载
K为稳定安全系数。按照这个定义，斜拉桥稳定的问题可以归为结构承载能力的问题。

6. 2稳定分析理论
弹性稳定的问题可以分成两类：一类是欧拉稳定问题，一类是极值稳定问题；欧拉稳定问题指的是，初应力处于某种临界状态时的系统，任何的扰动都有可能使其丧失稳定性；斜拉桥的结构比较复杂，失稳的原因也比较复杂，它的面内、面外失稳可能是親合的；通常用有限元法来精确计算斜拉桥的稳定性。
单元内任意一点的位移可表示为：

式中：[N]—一位移形函数矩阵；
{u}e单元节点的位移向量。考虑到位移跟应变的非线性关系，应变{εL}可表示成线性应变与非线性应变{εNL}之和：

由最小势能原理，可得到有限元平衡方程：

其中：[K0]——结构的弹性刚度矩阵；
[KNL]一一结构的几何刚度矩阵；
[KLD]—一结构大位移产生的刚度矩阵。
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第7章总结

7. 1总结
本文以贵广铁路北江特大桥为工程背景，采用理论和实践相结合的方式进行探索，探讨了钢桁梁斜拉桥的施工控制。论文的主要结论如下：
(1)本文关于桥梁施工控制的任务和内容、原则和方法、影响施工控制的因素和施工控制计算方法的研究，可以用于指导施工实践。
(2)本文关于钢桁梁斜拉桥的建模过程、各构件的模拟以及建立计算模型时一些细节的处理，可以为同类型桥梁的建模提供借鉴。
(3)设计参数误差是引起桥梁施工控制误差的主要因素之一。通过参数敏感性分析的结果可以得出，在钢桁梁斜拉桥的主要参数中，影响程度最大的是主梁容重，其次为主梁刚度，再次为拉索刚度，主塔刚度对结构的影响最小。
(4)根据现场的实测数据，运用卡尔曼滤波法对结构的主要参数进行识别，将识别后的结构参数重新代入到计算模型中，使理论计算更能接近桥梁结构的实际表现，从而更好的保证施工控制质量。
(5)在北江特大桥施工监控过程中，通过施工阶段的实测数据与理论数据的对比，分析了误差产生的原因，提出有效的调整措施，并研究了中跨合龙的误差调整方法，实现了施工全过程的精确控制，最终北江特大桥顺利合龙。
(6)正装迭代法用于二次调索计算简单有效，计算得到的成桥索力与设计索力相比，误差在±2%以内。
(7)本文对各个施工阶段进行了第一类稳定分析。通过计算结果可知，在施工过程中，桥梁结构在荷载作用下具有较高的稳定性。
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本文编号：9363