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1、 西安建筑科技大学硕士学位论文独塔无背索混凝土斜拉桥施工控制分析专 业：桥梁与隧道过程 硕 士 生：何新成 指导教师：高大峰 教授 摘 要在独塔无背索斜拉桥施工过程中，桥梁各构件的受力随工况的改变波动较大，直接影响其结构在施工过程中的安全。统计资料和研究表明，在斜拉桥施工过程中若不对其进行有效的监控分析，就难以达到理想成桥状态下的线形、内力，危及成桥安全，因为其原因是设计阶段一般无法对现场工况，环境参数和材料参数等进行预测并对其模型参数进行调整。为达到理想的成桥状态，需根据现场情况对斜拉桥施工过程进行准确模拟分析和预测。论文基于独塔无背索斜拉桥施工监控数据，研究其施工过程中的模拟计算方法，并对
2、相应的温度场参数进行辨识。主要研究内容和成果如下： 根据陕西省府谷县华建大桥现场施工监控过程，阐明独塔无背索斜拉桥施工监控的必要性，对斜拉桥施工过程的模拟分析方法进行对比分析，分析桥梁施工控制影响因素，对误差的处理进行分析；基于 Midas/Civil 软件平台，建立相应的三维空间数值模型，采用零位移法确定合理的成桥状态，利用该软件的未闭合配合力功能，求解斜拉索施工初始张拉力，继而对该斜拉桥施工过程进行正装模拟计算，得到各施工阶段主梁的内力、挠度及索塔应力和拉索内力；选择工况中最危险的几个阶段进行重点受力分析，最后与现场实测数据进行比较。研究表明，在建模过程中，需对参数进行适时识别与调整，以提
3、高其模拟结果与实测值相吻合的程度。 结合华建大桥的施工控制，对其箱梁连续3天的温度场及温度效应进行观测，并进行相应的温度参数辨识，基于传热学经典理论，建立数值模拟分析模型，采用瞬态热分析方法，得出相应的理论温度场；通过与实测温度梯度值的分析比较，推导出适用于陕北地区冬季混凝土箱梁温度梯度的计算模式。 利用稳健回归分析研究桥梁各构件温度变化对其主梁应变的作用。根据对桥梁周围环境参数及桥梁各构件温度参数的辨识，建立数学模型；通过对所测自变量和因变量的稳健性分析，总结其规律。结果表明，其模型能够很好的预测混凝土箱梁温度效应，并且在处理误差分析时较其他方法（多元线性回归）优越，其 西安建筑科技大学硕士
4、学位论文分析方法可作为在桥梁施工监控过程中分离其温度效应的一种有效手段。 关键词：独塔无背索斜拉桥；施工监控；数值分析；温度梯度 基金项目：陕西省重点学科建设专项资金资助项目（E01004）；陕西省教育厅专项科研计划项目（2010JK635）。 西安建筑科技大学硕士学位论文Construction Control and Analysis of Single Pylon ConcreteCable-stayed Bridge without BackstageSpecialty: Bridge and Tunnel Engineering Name: He Xincheng Instructo
5、r: Prof. Gao Dafeng AbstractStudy on the single pylon concrete cable-stayed bridge without backstage in construction. Various components of the bridge by force fluctuations in operating conditions change. Statistical datum and researches have indicated which the cable-stayed bridge was not carry out
6、 monitoring and analysis in construction process, it is difficult to reach the ideal bridge state linear internal force, and involving the safety of the Bridge. The reason is that the design stage cannot predict the site conditions, environmental parameters, material parameters and their model track
7、ing adjustment from time to time under field conditions, to reach the state of the ideal bridge, cable-stayed bridge construction process for accurate simulation analysis and forecast. The thesis is to study on a single tower cable-stayed bridge construction, no dorsal column monitoring data to iden
8、tify the extraction of the single tower cable-stayed bridge construction, no dorsal column process simulation method and the temperature field parameters in the construction process. Main contents and results are as follows. In the process of Hua Jian bridge-site construction monitoring, review the
9、need for monitoring of single tower cable-stayed bridge construction, no dorsal column, the cable-stayed bridge construction process simulation analysis methods were analyzed, as well as bridge construction, controlling for other factors and error handling Analysis. Based on the Midas-Civil software
10、 platform, the three-dimensional numerical model was establishment. Zero-displacement method to determine a reasonable bridge, use the software is not closed with the power function for solving the cable-stayed construction of the initial tension, and then the cable-stayed bridge construction proces
11、s simulation suits, get the main construction phase beam internal force, deflection, stress Sarasota and cable internal forces, and select the most dangerous construction stages to focus on 西安建筑科技大学硕士学位论文stress analysis, and finally compared with field data. Studies have shown that in the modeling p
12、rocess, the timely identification of the parameter adjustments, the simulation results with the measured values close to. Combination of Fugu County, Shaanxi Province, Hua Jian bridge construction control box girder for three consecutive days the temperature field and temperature effects are observe
13、d as well as the bridge temperature parameter identification, the classical theory based on the heat transfer, the establishment of the numerical model, the use of transient thermal analysis, and draw the corresponding theoretical temperature field. Compared with the analysis of the measured tempera
14、ture gradient value, regression analysis, Deduced computing model for concrete box girder temperature gradient in Northern winter. It is proposed to establish relationship between measured strain and different temperature actions by robust regression model. The bridge the surrounding environment par
15、ameters and the various components of the bridge temperature parameters was Identification. By the measured variables and the dependent variable was analysis, robustness analysis, to sum up its own rules. Calculations show that their model can predict the temperature effects of the concrete box gird
16、er, to provide a reliable means for the separation of the bridge temperature effect.Key words: without back cable, single tower cable-stayed bridge; construction monitoring; numerical analysis; temperature gradient. Supported program: The paper is supported by the Shaanxi province key discipline con
17、struction projects funded project (E01004); And the Shaanxi provincial department of education special research projects (2010JK635). 西安建筑科技大学硕士学位论文目 录1. 绪 论 . 1 1.1 独塔无背索斜拉桥概况 . 1 1.2 斜拉桥施工控制在国内外的发展 . 3 1.3 独塔无背索斜拉桥施工控制目的、内容及意义 . 4 1.3.1 独塔无背索斜拉桥施工控制目的和意义 . 4 1.3.2 无背索斜拉桥施工控制的主要内容 . 5 1.3.3 斜拉桥施工控制
18、方法 . 5 1.4 本文的工程背景及科研内容 . 8 1.4.1 工程背景 . 8 1.4.2 主要研究内容 . 9 2. 斜拉桥施工控制结构分析方法 . 11 2.1斜拉桥索力调整方法 . 11 2.2 桥梁施工控制结构分析方法 . 15 2.2.1 有限元法回顾 . 15 2.2.2 解析法 . 15 2.3 桥梁施工控制影响因素 . 15 2.3.1 结构参数 . 16 2.3.2 施工工艺 . 16 2.3.3 施工监测 . 16 2.3.4 结构分析模型 . 16 2.3.5 温度变化 . 17 2.3.6 混凝土收缩徐变 . 17 2.3.7 施工管理 . 17 2.4 斜拉桥施
19、工结构行为预测及误差处理 . 18 2.4.1 卡尔曼(Kalman)滤波法 . 18 2.4.2 灰色系统 . 18 2.4.3 最小二乘法 . 19 2.5 本章小结 . 20 3 独塔无背索斜拉桥合理成桥的确定 . 21 3.1 合理成桥状态的确定方法 . 21 I 西安建筑科技大学硕士学位论文3.2 利用未知荷载系数法确定成桥状态 . 22 3.3 成桥计算结果校核 . 25 3.4 本章小结 . 27 4 斜拉桥施工模拟及分析结果 . 29 4.1 斜拉桥施工阶段的划分 . 29 4.2 施工过程中斜拉索索力计算与监测 . 32 4.3 主梁应力监测 . 36 4.3.1监测方法 .
20、 36 4.3.2 测试断面与测点布置 . 36 4.3.3. 主梁应力结果分析 . 38 4.3.4. 影响箱梁实测应力偏差分析 . 41 4.4 主梁挠度监测 . 42 4.5 主塔受力分析 . 45 4.6 本章小结 . 46 5 斜拉桥施工监控中温度参数的识别 . 47 5.1 混凝土箱梁温度场理论分析 . 47 5.1.1 理论依据 . 47 5.1.2 单值性条件 . 48 5.1.3 有限元模型分析 . 49 5.2 混凝土箱梁温度场试验分析 . 50 5.2.1 测点布置及试验内容 . 51 5.2.2 试验结果 . 52 5.3 混凝土箱梁温度场拟合 . 54 5.4 本章小
21、结 . 56 6稳健回归分析在斜拉桥监控中的误差处理及预测分析 . 58 6.1 稳健回归理论及分析流程 . 58 6.2 稳健回归分析在华建大桥监控中的应用 . 60 6.2.1自变量和因变量的实测结果 . 60 6.2.2 稳健分析回归模型的建立及参数求解 . 61 6.2.3监控中稳健回归分析模型的预测 . 63 6.3 本章小结 . 63 II 西安建筑科技大学硕士学位论文7结论和展望 . 65 7.1 研究总结 . 65 7.2展望 . 66 致谢 . 67 参考文献 . 68 附录硕士研究生学习阶段发表论文 . 72 III 西安建筑科技大学硕士学位论文1. 绪 论1.1独塔无背索
22、斜拉桥概况 斜拉桥是由主箱梁、索塔、以及连接主梁和主塔的斜拉索构成，为组合结构桥梁18。主梁被若干根斜拉索吊起，每个吊起支点相当于在主梁上安装了多个弹性支撑，致使得很大程度上减少了梁的质量，致使梁内弯矩减少，从而达到提高主梁的跨越能力 19。其中桥面体系由混凝土箱梁或钢箱梁构成，且钢索构成主梁支撑体系。从受力特点上分析，斜拉桥主梁主要受轴向预应力和弯矩为主，斜拉索和索塔分别主要受拉和受压为主 2。独塔无背索斜拉桥是斜拉桥的一种特殊结构形式，予一种不对称结构、惊险壮观的感觉广受欢迎。 独塔无背索斜拉桥是从独塔斜拉桥发展变化的一种新型桥梁，近年来发展较快。西班牙塞维利亚是世界上第一个国家拥有这种桥
23、型的国家，该桥（Alamillo斜拉桥）由于造型美观，经济合理。受世界桥梁设计者的欢迎，在短短几年里，各国先后建成独塔无背索斜拉桥。我国也先后建成哈尔滨太阳桥、合肥铜陵路桥、长沙洪山大桥等。 位于西班牙塞维利亚的无背索斜塔斜拉桥 Alamillo 桥，结构形式如图 1.1 所示。建成于 1992 年，该桥是世界上第一座大跨度无背索斜塔斜，主跨 200m，桥宽 32m，该斜拉桥的主梁由 200m 长的钢梁组成的。从轻型钢梁和混凝土索塔结合中看到，两种结构构件恒载弯矩能够获得平衡10。 1998 年建成的捷克独塔无背索斜拉桥 Mariansky 桥，如图 1.2 所示。桥址位于布拉格北的尤列市，主
24、梁跨度为 123.3m，主塔倾斜 56度，斜拉索采用双索面扇形布置，该桥曾在 2000年，被国际组织（国际桥梁与结构协会）评为世界十大杰出建筑10。 Fig 1.2Mariansky bridgeFig 1.1Alamillo bridge1 西安建筑科技大学硕士学位论文2000年 10月 25日竣工的太阳桥位于哈尔滨太阳岛旅游区，其为独塔无背索结构,主跨跨径布置为 14m+ 60m+140m+14m。桥梁总宽 15.5m，有效宽度为 12m，主梁梁高度为 2.4 m，其主梁箱梁由正交异性桥面板构成，其钢箱梁跨径达200m。主塔为倒Y型造型桥塔，与桥面水平倾角 60，主塔高度为 93.5m。采
25、用变截面钢箱结构，有索区塔截面由 1 个 8 边形组合而成。无索区为 2 个分离式 8边形11。 2005年 2月 16日建成的长沙市洪水庙大桥，为独塔无背索结构，坐落于长沙市洪山庙休闲度假区，横跨浏阳河，主跨 206m，主梁为钢-混凝土叠合脊骨结构体系，梁高 4.4m，索塔采用预应力混凝土箱形结构，桥面以上塔高 136.8m，水平倾角 58，横桥向两排索间距 6m，顺桥大索距 12m，共计 13对索，其水平倾角25，平行布置。洪水庙大桥在施工过程中，采用了一些先进施工工艺，如：14米超长钢混结构大挑梁设计与施工、大型六角型钢箱梁的扭转设计和施工、主塔与主梁平衡施工技术、双控应力调索施工技术。
26、在设计与施工组织有别于传统方案，桥梁建设理论得以不断的创新和发展。 图1.3太阳桥图1.4洪水庙大桥位于合肥市铜陵大桥，桥型为双塔相连无背索斜拉桥，有别于现有独塔无背索斜拉桥。设计中，考虑了利用主塔倾斜重力的影响与主梁恒载相抗衡。其桥垮布置为 30m+66m+30m。桥梁总宽 38m，主梁为肋板式结构，主跨梁高 2.8m。主塔为门式型桥塔，水平倾角为 62，塔高为 56.71m，采用等截面矩形结构，为双索面配置斜拉索，斜拉索共布置 16根，为扇形布置12。轻轨伊通河斜拉桥采用独塔无背索结构，塔梁固结，其跨径布置为：75m（配重段）+ 130m（主梁），主梁采用预应力混凝土箱梁结构，箱梁顶宽 1
27、1.6m，底宽4m。主塔采用 A 形结构,桥面以上高 60m，应索面斜度为 3：1.5，背索面为 2：5，有两片主塔，相连组成为一整体，主塔横桥宽为1.5m。全桥共设置18根斜索，2 西安建筑科技大学硕士学位论文呈扇形空间布置 ，塔侧张拉。 轻轨二期伊通河上的独塔无背索轻轨斜拉桥，其国内独塔无背索斜拉桥中跨径最大，也是国内外第一座应用于城市轨道交通工程的无背索独塔斜拉桥 13。图1.5肥市铜陵大桥图1.6轨伊通河斜拉桥独塔无背索斜拉预应力混凝土连续梁桥，索塔斜置，予一种不对称结构、惊险壮观，由于主塔斜置，降低竖直高度，利用主塔斜置重力和斜拉索索力分担主梁内力，起到预应力筋的作用；主梁被若干根斜
28、拉索吊起，每个吊起支点相当于在主梁上安装了多个弹性支撑，致使得很大程度上减少了梁减轻质量，致使梁内弯矩减少；同时，边跨梁段无锚固索2。该桥型近年来发展较快，其中独塔无背索斜拉桥主要有以下特点： (1) 独塔无背索斜拉桥与传统对称结构的斜拉桥相比，以独特的不对称结构形式，给周围环境增加美感。 (2) 结构受力较为合理，斜拉索在梁体外相当于增加的多个竖向弹性支座，在纵桥方向，箱梁体内相当于起到了梁内预应力作用，从而达到减小梁内力。 (3) 独塔无背索斜拉桥与一般斜拉桥相比，主塔的受力相对较为复杂，不仅通过支撑体系来传递桥面荷载，而且利用塔身倾斜依靠其自身重量来平衡部分斜拉索的索力，从而达到了桥梁结
29、构的内力平衡。 (4) 独塔无背索斜拉桥相对于一般斜拉桥，活载变化对主塔的作用较为明显，主要影响主塔偏移，致使主塔前侧受拉，背侧受拉。 1.2 斜拉桥施工控制在国内外的发展 斜拉桥施工监控技术的发展应用时间较短，日本率先将工程控制理论应用到桥梁监控中的国家，由于斜拉桥施工过程中大跨度复杂架构出现的误差较大及问题越来越多，桥梁施工监控技术受世界关注。从二十世纪八十年代起，日本先后3 西安建筑科技大学硕士学位论文在日野大桥施工中对混凝土箱梁内力、挠度变形进行了系统的监测及结构参数调整。并基于计算机系统进行分析处理，及时将处理结果反馈施工现场，已达到合理成桥目的。在八十年代后期，在chichby斜拉
30、桥和yokohama海湾斜拉桥施工过程中，日本通过计算机设定程序实现桥梁监控数据自动收集、分析及反馈一体的自动监控。此后，日本又研制了一套以现场计算机控制斜拉桥施工系统，能够建立参数数据库，并能够在现场自动完成数据的提取、分析及施工控制全过程，同时还可进行结构内力线形的预测以及参数敏感度分析。在后续桥梁监控中，施工监控技术在指导施工过程中应用取得了较好的成果。我国在二十世纪五十年代就意识到在施工过程中结构内力和变形对最终成桥有很大影响，在对施工监控技术方面，我国的研究起步相对日本较晚。在 1982年上海泖港斜拉桥施工过程中，对主梁挠度和索塔水平位移进行了有效的监控。后期在对连续刚构桥、拱桥、斜
31、拉桥、悬索桥等的施工监控技术进行深入了研究，在在监控施工过程，起到了重要作用。 1.3 独塔无背索斜拉桥施工控制目的、内容及意义 1.3.1 独塔无背索斜拉桥施工控制目的和意义 独塔无背索斜拉桥施工过程中，为确保结构内力、线型满足设计要求，且满足施工过程中的安全，需对其应力挠度监测，及时修正参数误差，反馈给现场施工。即为施工监控的任务。 斜拉桥结构属于高次超静定结构，其采用的施工工艺和管理直接影响成桥后的受力状况，偏离理想成桥，与此同时，斜拉桥施工一般采用分阶段施工方法，桥梁各构件内力随施工工况的变换而有较大改变，甚至危机施工安全。在设计阶段，通常先按已知桥型建模分析，根据经验和地区差别对结构
32、参数进行取值，基于这些已知条件对斜拉桥进行各阶段理想成桥分析。尽管在结构分析中考虑了结构参数，但所取的结构参数与施工现场有较大差别。因为施工现场存在各种环境因素，各种施工误差难以避免。若对所取结构参数不加以识别，遂导致成桥后结构偏离成桥理想状态。在大跨度复杂结构施工中，这种结构参数误差回随着施工进展发散。使得结构受力不合理，危机施工或成桥后运营安全。 为达到斜拉桥在施工过程中个施工阶段结构安全且合理成桥，需在斜拉桥施工阶段对其严格监控，及时识别参数、分析和反馈信息。斜拉桥施工控制指通过对斜拉桥进行施工过程仿真分析获得各关键部位应力等理论值，进而根据理论值4 西安建筑科技大学硕士学位论文值对施工
33、过程做出明确规定，并在施工过程中加以有效地控制和管理，在对理论值和相应的实测值值进行对比分析的基础上，根据误差分析结果对后续施工过程进行最优状态控制，以保障结构施工过程的安全性，并最大程度地减少误差不良效应的过程。这就是施工控制的主要目的 。 15由此表明，斜拉桥施工过程中的施工监控对合理成桥起至关重要作用。是现代桥梁施工过程中实现桥梁合理成桥的手段之一，特别是大跨度复杂桥梁结构，规范中也做出了在施工过程中需进行监控。1.3.2 无背索斜拉桥施工控制的主要内容 (1)主梁挠度控制 无背索斜拉桥主梁挠度监测是施工过程控制的关键内容。主梁在施工过程会受到各种因素的影响而变形，加上施工中各种参数误差
34、的积累，在施工过程中，结构很难与设计吻合，因此要尽可能的减少实际结构与设计的偏差，将施工中结构的最终误差控制在公路桥涵施工技术规范(2)主梁、主塔应力控制 18的规定内。 斜拉桥施工过程中主梁主塔的实际应力状态与设计状态不符，应力过大将会影响施工安全及桥梁结构各构件的安全，例如，主梁应力过大，会引起混凝土箱梁表面开裂，钢筋的腐蚀等严重主梁受力。因此在斜拉桥的施工中，对结构应力的时时观测，及时反馈信息，达到控制极为重要。 (3)斜拉索索力控制 斜拉桥的合理成桥索力最为重要，直接影响成桥后线形和受力安全状态。通过斜拉索张拉伸长量和实测索力等多种手段对斜拉桥索力进行监控，以减少施工误差。及时反馈索力
35、张拉时对主梁、主塔内力的影响。 (4)桥梁结构安全监控 桥梁结构安全监控是对上述主梁挠度控制、应力控制、索力控制的综合体现。施工过程中，对支架的稳定、地基的沉降及温度监测等也是确保桥梁合理成桥的重要保证。也是确保主梁主塔应力、索力、挠度处在合理安全范围的保证。1.3.3 斜拉桥施工控制方法 独塔无背索斜拉桥施工过程中，需对其应力挠度监测，及时修正参数误差，反馈给现场施工。为确保结构内力、线型满足设计要求，且满足施工过程中结构的安全，是斜拉桥施工控制的遵循的原则和所达到的目的。现代控制理论为降低5 西安建筑科技大学硕士学位论文这种偏差提供了理论基础。现代控制理论的发展和斜拉桥工程实践经验的累积，
36、是斜拉桥施工控制发展的必要条件。斜拉桥施工监控的任务是围绕施工过程中对结构参数的识别、修正和反馈等展开工作的。其理论不断不断完善，经历了三个发展阶段：开环控制；闭环控制；自适应控制的发展历程。 (1)开环控制法 开环控制的理论要求设计者在设计阶段预先根据现场工况较为准确的对各种关键参数进行估计，能够准确模拟和结构施工全过程的实际受力状态，同时要求施工过程中将结构的参数误差控制在一定范围，在施工中不对参数和模型进行修正。理论上可以逼近理想成桥状态时的结构几何线形和受力状况。其本质上是单向确定性的控制方法，对控制者对模型的准确模拟要求较高，对大型斜拉桥应用效果不佳，常用于中小跨度的斜拉桥施工控制。这种方法常用的计算理论是卡尔曼滤波法 ，或灰色理论 。 22 24 25在中小型斜拉桥施工控制中，采用开环控制流程为，即先根据设计目标对合理状态进行分析，确定合理成桥状态，对施工模型进行倒拆分析，确定各个施工阶段的理想状态，同时对施工实际状态导入状态误差，进而综合比较误差状态，对其进行确定性控制，以此实时向前分析，最终实现合理成桥。 (2)闭环控制法 在大跨度斜拉桥施工过程中，虽然可以通过斜拉桥施工经验和准确的模拟桥梁施工过程，精确确定成桥及个施工阶段的理想结构状态，但是由于受桥址环境、结构参数、测量误差等因素的影响，致使与理想结构状态存在偏差，随着施工的进行，若