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连续刚构桥施工有限元计算和稳定性分析 摘要 本文以某三跨连续箱梁悬臂施工阶段的过程模拟，针对连续刚构桥悬臂浇 筑施工中的结构分析方法、高墩稳定性两个方面的问题进行了深入研究。 1 、本文介绍了预应力混凝土连续刚构桥施工控制的内容、方法及特点，全 面介绍目前桥梁结构的计算分析方法。 2 、运用a n s y s 有限元软件对预应力混凝土连续刚构桥施工过程进行了数值 模拟，并对计算结果进行对比分析，最终形成了一系列采用a n s y s 有限元软件分 析该桥型的方法，包括建模、运用单元生死功能模拟施工过程、模型求解和计 算结果分析。本文所依据的分析理论和采用的计算方法能够较好地反映实际情 况，对同类桥型的设计施工具有一定的参考价值。 3 、阐述了高墩大跨度梁桥的稳定性基本理论，采用a n s y s 软件的屈曲分析 ( 稳定性分析) ，分别对旌工过程中的四个过程：高墩竣工后，最大悬臂时， 边跨合拢，全桥合拢，进行稳定性特征值求解，旨在分析大跨高墩连续刚桥的 施工稳定特性。 关键词：预应力混凝土；连续刚构桥：悬臂浇筑施工；有限元；施工模拟；稳定性分 析 f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o no ft h ec o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e i nc o n s t r u c t i o na n db u c k l i n ga n a l y s i s a b s t r a c t t h ep a p e rt a k e sab r i d g ea sa l lo b j e c to ft h es t u d ya n df o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft w o p o i n t si n c l u d i n gs t r u c t u r ea n a l y s i sa n dh i 曲一p i e rb u c k l i n ga n a l y s i so fp r e s t r e s s e dc o n c r e t e c o n t i n u o u sr i n df r a m eb r i d g ei nc o n s t r u c t i o nw i t l lt h ec a s t - i n - p l a c ec a n t i l e v e rm e t h o d t h e r e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e ss u c hc o n t e n t s 髓b e l o w ： 1 i n t r o d u c i n gt h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i df l a r n eb r i d g eo fc o n s t r u c t i o n c o n t r o l 、m e t h o da n dc h a r a c t e r i s t i c t b o r o u g h 触l yi n v e s t i g a t i n gi n t op r e s e n ta n a l y s i s m e t h o d so f b r i d g es t r u c t u r e si nt h i sp a p e r 2 a c o o r d i n gt ot h et h e o r yo fm e c h a n i c a lm e t h o dp r i n c i p l ea n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， t h em e c h a n i c a lm o d e la n dd i s c r e t i z a t i o no ft h eb r i d g es t r u c t u r eh a v eb e e na n a l y z e d n m n e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ei nd e t a i l s t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s so ft h eb r i d g ew i t ha n s y sp r o g r a ma n dc o m p a r e di t sr e s u l t s ，as e r i e so fm e t h o dt o s i m u l a t et h ec o - - i o nw i t l la n s y sp r o g r a m w h i c hi n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e f e m m o d e l ，e m p l o y i n gt h ee l e m e n tb i r t ha n dd e a t hc a p a b i l i t yo fa n s y s ，s o l u t i o no ft h e f e m m o d e l ，s o l u t i o nr e s u l ta n a l y s i sa n ds oo nw e r ef i n a l l ye s t a b l i s h e d t h et h e o r ya n dt h e m e t h o dt h ep a p e rb a s e do na b o u ts t r u c t u r ea n a l y s i si n d i c a t e sw e l lt h ea c t u a lm e c h a n i c ss t a t e o ft h eb r i d g es t r u c t u r ei nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sa n di tw o u l db ea v a i l a b l ef o rf e f e r e n c e f o r t h ec o n s t r u c t i o no f i n d e n t i c a lk i n do f b f i d g e s 3 i te l a b o r a t e st h eb a s i cd e s i g np r i n c i p l e so ft h eb e a mb r i d g e sw i t hh i g h - p i e r sa n d l o n g - s p a n s ，t h ea n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ( b u c k l i n ga n a l y s i s ) i sa d o p t e di nt h i st h e s i st o s o l v es t r u c t u r es t a b l ee i g e n v a l u et oa n a l y z et h eb u c k l i n gc a p a b i l i t yo fc o n t i n u o u sc u r v e d r i g i df r a m eb r i d g ew i t hl o n g - s p a na n dh i g h p i e ri nc o n s t r u c t i o n ，i ti n c l u d i n gf o u rs t a g e ：a f t e r h i 曲一p i e rc o m p l e t e ，t h el a r g e rc a n f i l e v e r , s i d e s p a nf o l ds h u ta n df u l lb r i d g ef o l ds h u t k e y w o r d s ：p c ，c o n t i n u o u s6 舀df r a m eb r i d g e ，c a s t i n p l a c ec a n t i l e v e rm e t h o d ，f i n i t e d e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，b u c k l i n ga n a l y s i s 插图清单 图1 1 连续刚构桥侧面示意图3 图1 2 平衡悬臂施工方法示意图4 图2 1 悬臂浇注挠度计算示意图1 3 图3 1s o l i d 6 5 单元的几何模型图一1 8 图3 2l i n k 8 单元的几何模型一1 8 图4 1 纵向剖面图 图4 2 标准截面图2 3 图4 3 单t 悬臂施工布置图2 4 图4 4 悬臂施工阶段计算简图 图4 5 有限元模型网格划分 ：! ! i 2 7 图4 6 部分施工阶段边界条件2 8 图4 7 单t 构主梁的纵向预应力钢筋2 9 图4 8 施工中0 号块一1 2 号块之间新激活的主梁块段示意。3 2 图4 9 施工各阶段主应力云图 图4 1 0 各阶段竖向位移云图3 9 图4 1 l 各施工阶段累计挠度曲线图4 0 图4 1 2 第i 节段混凝土浇注和预应力张拉计算模型4 l 图4 1 3 混凝土浇注完毕引起各截面的挠度4 2 图4 1 4 预应力张拉引起的反拱 图4 1 5 混凝土浇注和预应力张拉的总挠度4 3 图4 1 6 理论计算值与a n s y s 计算结果对比图4 3 图4 1 7 悬臂施工中的总挠度曲线和预拱度曲线图4 4 图5 1 高墩结构离散图4 9 图5 2 ( 自重+ 纵向风荷载) 前四阶屈曲模态5 0 图5 3 连续刚构桥悬浇施工稳定性分析简图5 l 图5 4 最大悬臂阶段结构的离散图一5 l 图5 5 最大悬臂时平面内( 一阶) 失稳模态5 2 图5 6 最大悬臂的t 构与边墩的t 构合拢一5 4 图5 7 边跨合拢时平面内( 一阶) 失稳模态5 4 图5 8 全桥合拢后结构离散图5 5 图5 9 ( 不计温度与收缩徐变) 成桥阶段一四阶失稳模态5 6 图5 1 0 ( 总的荷载) 成桥阶段一四阶失稳模态，5 7 表格清单 表2 1 悬臂施工中的预拱度设置内容1 4 表4 1 材料特性参数表2 6 表4 2 各施工阶段的竖向位移值( a n s y s 计算值) 4 0 表4 3 计算结果汇总4 2 表5 - l 稳定性分析结果4 9 表5 - 2 稳定性分析结果5 2 表5 - 3 ( 温度效应) 墩顶轴力计算结果( k n ) 5 3 表5 - 4 ( 砼收缩徐变) 墩顶轴力计算结果( k n ) 5 3 表5 - 5 稳定性分析结果 表5 6 稳定性分析结果 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金妲王些盔堂 或其他教百机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字瓣字日期 ，胡f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒墅王些盔 堂可以将学位论文的全部或部分论文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，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：多6 ：i l 巧爱 签字日期：力年f 2 月岁日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：刀刁年，2 ，月，日 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师王国体教授的悉心指导下完成的。从课题选取、资料收集到 论文的撰写，王老师给予了精心教导，提出了许多宝贵的意见和建议。在研究 生阶段的学习和生活中，王老师渊博的学术知识、严谨的科研态度、诲人不倦 的治学精神和高尚的人格品质给我留下了深刻的印象，并使我受益终生。值此 论文完成之际，谨向王老师表示我最衷心的感谢和最诚挚的敬意。 在论文的撰写过程中，还得到多位老师和同学的指点和帮助，在此一并向 他们表示感谢。 感谢土木建筑工程学院的各位领导和老师，他们的辛勤工作和教导，使我 逐渐掌握了专业知识，为我以后的工作和学习打下了坚实的基础。 向所有帮助过我的老师、同学和朋友表示诚挚的谢意。 感谢多年来一直关心我学习和成长的父母和家人，正是他们的支持、鼓励 和呵护使我得以完成学业。 作者；张恩辰 2 0 0 7 年1 1 月 第一章绪论 1 1 引言 交通运输事业的飞速发展，对桥梁在跨越能力、使用性能等方面提出了更 高的要求，而大跨径预应力混凝土连续刚构桥作为一种新的桥梁结构型式，以 其独特的优势，受到世界各国桥梁工作者的青睐，并发挥了巨大的潜力。我国 由于近年来才开始研究和修建这种桥型的桥梁，虽然取得了一定的进步和发展， 但在理论研究、结构分析方法特别是施工控制等方面还需不断地完善。 1 2 连续刚构桥的发展状况与特点 传统的刚构桥采用悬臂施工方法，使预应力混凝土梁式的悬臂体系得到了 新的发展，形成了t 型刚构桥。随之，为使受力更趋合理，发展成连续刚构桥。 连续刚构桥与t 型刚构桥的主要区别在于柔性墩的作用，使该类型结构具有连续 梁桥施工的特点。 连续刚构桥的结构特点是主梁连续、墩梁固结，既保持了连续梁无伸缩缝、 行车平顺的优点，又保持了t 型刚构桥不设支座、无需体系转换的优点，方便施 工，而且很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度更能满足大跨径、经济、舒适 的要求。因此，它是一种极有生命力的桥梁结构型式，是大跨径预应力混凝土 桥梁的首选桥型之一。 1 2 1 连续刚构桥的发展状况 连续刚构桥的结构形式合理、经济、美观，所以被我国弓进并不断的进行 研究与发展。高墩大跨径连续刚构桥近些年在我国得到了广泛的应用，尤其在 我国的西部山区多采用这种结构型式桥梁。刚构桥在实际应用中一般采用两种 基本结构型式，即连续刚构一铰接体系、连续刚构一连续体系。 连续刚构一铰接体系在跨中设铰，降低了超静定次数，设计简单。早期的 连续刚构桥多采用这种结构型式。其缺点是桥面不连续，行车不顺畅；铰的结 构复杂，用钢量大，制造困难；由于桥面不连续，造成跳车，对铰形成冲击， 使铰容易破坏，从而维护费用较高。现行桥梁设计中，较少选用这种结构型式。 连续刚构一连续体系，跨中连续，行车平顺，成桥的桥面线形好，减少了 桥面不平顺而引起的跳车，这种桥的梁体内力分布更加合理，能充分发挥材料 的作用，有利于增加桥梁的跨越能力。这种体系结构的缺点是超静定的次数较 高，设计工作量大。随着计算机技术的发展，各种计算软件的逐渐成熟，设计 时多元方程的求解变得不再困难，再加上悬臂施工技术的逐渐完善，使这种桥 型结构正被广泛应用。 ( 1 ) 连续刚构桥国内外的发展状况 1 9 6 4 年原联邦德国建成了主跨跨径为2 0 8 m 的8 e n d o r f 桥，墩梁固结，形成 了带铰的连续刚构一铰接体系。1 9 8 5 年澳大利亚建成的门道桥，主跨跨径为 2 6 0 m 。充分体现了连续刚构一连续体系的优点。 1 9 8 8 年，我国设计的广东洛溪大桥【2 建成通车。该桥主跨跨径1 8 0 m ，为国 内第一座大跨径连续刚构桥。其后，连续刚构桥在我国开始得到推广。1 9 9 7 年， 虎门大桥辅航道桥落成，主跨跨径2 7 0 m ，是连续刚构一连续体系结构，充分体 现了这种结构的跨越能力【”。从1 9 8 8 年广东洛溪大桥建成后，至今我国各地已 经修建了许多座这种类型的连续体系的桥梁。但是由于设计与施工技术都相对 没有完善，所以己建成的这些桥梁仍存在一些问题。 ( 2 ) 连续刚构桥的发展趋势 跨径可以进一步增大，我国修建的连续刚构桥的主跨跨径已经突破了 2 5 0 m ，随着设计、施工技术和材料的发展，这种桥型的跨径还有增大的空间。 上部结构的轻型化 由于采用大吨位的锚具、高强混凝土和轻质混凝，上部结构恒载不断减 小，而且减少了材料的用量，从而减轻了对施工挂篮刚度的要求。目前，上部 结构的轻型化仍然是桥梁研究的一个热门方向。 取消边跨合拢的落地支架 在桥墩高度较大的连续刚构桥边跨施工时，边跨合拢段多采用落地支架施 工，用钢量较大，不太经济。如果采用合适的边、中跨比，在导梁上合拢边跨， 或与引桥的悬臂相连接来实现合拢，则可取消落地支架，比较经济。 上部结构连续长度的发展 由于行车速度的提高，人们对行车的感觉要求很高，从而行车时的舒适度 成了设计者们考虑的重要因素。国外在桥梁设计中，设计者们极力增大上部结 构的连续长度，于是便产生了“少用或不用伸缩缝为最好”的观点我国的设计 者也在朝着这一方向努力，并取得了一定的成绩。 随着我国高强预应力钢材、高强混凝土、大吨位张拉锚固体系的应用与发 展，设计手段的计算机化，施工水平的提高，我国预应力混凝土连续刚构桥发 展朝着大跨，上部结构轻型化、上部结构连续长度增加的趋势产生了突飞猛进 的发展。 1 2 2 连续刚构桥独特的优点及其适用前景 连续剐构桥具有桥型轻巧美观、跨越能力大、受力合理、结构整体性能好、 桥面连续行车舒适、和很大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭剐度。用高墩的柔 性来适应结构由于预应力混凝土收缩徐变和温度变化所引起的位移并减小结构 局部的应力集中强度、能满足特大跨径梁的跨越及受力要求。且施工工艺相对 简单，施工过程中省时、省工、省料、不影响桥下的通行、通航等特点。同等 跨径的桥型中其投资比斜拉桥、悬索桥要低。 正因为以上所述优点，决定了连续刚构桥是一种极有生命力的桥梁结构形 式，近4 0 年来，世界各国的桥梁建设中，预应力混凝土连续刚构桥得到较快的 2 发展，正越来越广泛地应用于有通航要求的跨江、跨河大桥、高山峻岭中深山 峡谷以及城市内不便中断交通施工的城市立交桥中，呈现了连续刚构桥极其广 泛的应用前景。 1 3 连续刚构桥的构造特点和施工过程 i ，3 1 连续刚构桥的构造特点 连续刚构桥常用的桥墩形式是薄壁墩，墩项与主梁固结。其上部结构大都 为连续的箱形梁，全预应力结构【l 】【”，一般为三向或双向预应力体系。所以该 桥型有较大的结构刚度，结构整体性能好、抗震能力强、抗扭潜力大、桥体简 洁明快、维护方便。因其梁体连续、墩梁固结，即保持了连续梁无伸缩缝、行 车平稳的优点，又保持了t 型刚构自架设施工体系、施工中无需安装支座、构造 简单，施工方便等优点。图1 1 为某连续刚构桥侧面示意图。 图1 i 连续刚构桥侧面示意图 1 3 2 连续刚构桥的施工过程 大跨度连续刚构桥的上部构造即主梁的施工，常采用对称悬臂法施ie 5 1 。 悬臂施工方法又分为悬臂浇筑法和悬臂拼装法。下面主要介绍悬臂浇筑法施工 步骤及特点： 预应力混凝土刚构桥采用悬臂浇筑法施工时，其总体施工方案大致可分为 以下几个阶段： 1 ) 在桥墩处搭设i 临时托架( 或扇形支架) ，在托架上现浇少数梁段作为拼装 挂篮的场地； 2 ) 拼装挂篮，在挂篮上悬臂浇筑其余各粱段，逐段推进； 3 ) 边孔靠近岸边梁段，在支架上浇筑； 4 ) 合拢段，一般先合拢边跨，再向中闻孔跨递推合拢。 悬臂浇筑的梁段、通常分成每3 4 m 一段，每一梁段均在挂篮上浇筑，待新 浇梁段混凝土达到设计要求的强度后张拉悬臂预应力钢筋。挂篮支承在已浇筑 和己张拉悬臂预应力钢筋的粱段上，每套挂篮由两片或多片纵梁组成，可沿顺 桥向移动。为确保挂篮的施工稳定性，通常是在挂篮后端压重或将挂篮临时锚 固在前面已张拉的梁段上。在挂篮设计方面，有的采用重型挂篮，也有的采用 轻型挂篮。轻型挂篮是目前悬臂施工中应用最普遍的种，轻型挂篮重一般约 为最重梁段的一半。同时，出现了用模板代替挂篮的方法，即视模板为挂篮的 一部分，目的是用以减轻挂篮的自重。国内多采用轻型挂篮，箱梁内模则采用 滑模施工，这就大大节约了模板并确保了混凝土的浇筑质量。图1 2 为平衡悬臂 施工方法示意图。 图1 2 平衡悬臂施工方法示意图 采用悬臂浇筑法施工时，每一浇筑梁段的施工程序大致可分为以下几个步 骤： 1 ) 向前移动挂篮； 2 ) 安装模板、普通钢筋及三向预应力管道； 3 ) 浇筑混凝土并养生； 4 ) 穿束并张拉预应力钢筋； 5 ) 预应力管道内灌浆。 在正常情况下，每一浇筑梁段的施工周期一般为7 1 0 日。有时为加快进度， 还专门采取若干辅助措施，如利用多套挂篮同时施工、在混凝土中掺加早强剂 和采用蒸气养生等方法。有时还采用箱梁锚固端混凝土事先预制的方法( 即预制 端块措施) 。悬臂浇筑法施工的特点主要有： 1 ) 取消了桥下支架，在施工期间桥下通航或交通可不受限制，对于高墩的 场合，省去了昂贵的支架费用； 2 ) 模板与挂篮可重复使用，节约了钢材用量； 3 ) 加快了施工进度，提高了工效； 4 ) 对施工精度要求高，成桥的线型和内力对施工的影响因素敏感，施工过 程需要严格的控制措施。 1 4 课题的提出 1 4 1 施工控制方法简介5 1 1 6 】【7 】【8 】 特大跨径桥梁的施工工艺复杂繁琐，影响因素多，技术要求高，施工中经 常会遇到某些意料之外的问题。为了确保大桥麓工的安全和顺利，保证成桥线 4 型和内力满足设计要求，必须对特大桥梁的施工进行严格监控，及时处理各种 误差。施工控制方法主要分两部分：结构分析方法和参数调整方法。有关结构分 析方法结构分析及施工控制计算的内容将在第二章做详细介绍。 在桥梁的实际施工中，理论模型与实际结构可能要存在某些偏差，例如， 某施工阶段桥梁理论模型所计算的内力、挠度或标高等指标可能与真实结构相 对应指标存在一些偏差。为确保大桥的质量，必须将这种偏差控制在容许范围 内：否则，就应该对理论模型中的参数进行修正并对后续施工进行相应的调整。 参数调整的方法很多，现介绍几个比较常用的方法：1 ) 参数识别与调整法；2 ) 自适应参数识别调整法；3 ) 最小二乘法；4 ) 卡尔曼( k a l m a n ) 滤波法；5 ) 回归 分析法；6 ) 灰色系统理论法。具体方法不再叙述。 1 4 2 连续刚构桥施工控制的特点 施工控制的特点是由大桥本身施工时的结构特点决定的。混凝土结构建造 过程中，由于结构本身或材料随着时间的推移在不断地改变，结构的整体刚度、 边界约束、荷载状况、混凝土收缩、徐变以及由施工误差而产生的几何位移， 也是随着时间在不断地变化，这必然引起结构内部应力重分配，对结构分析在 某种程度上产生一定影响。因此研究结构本身或材料随时间推移而改交的结构 已成为必然，这种结构称为时变结构1 9 】 连续刚构桥主梁施工通常从每个桥墩墩顶的o # 块开始，对称悬臂向两侧分 节段施工，直到跨中合拢，各节段以合拢预应力束紧密连成整体，属自架设体 系桥梁。连续刚构桥梁各旌工阶段是一个连续，系统的施工体系，前期工作的 成果直接影响后期阶段的结果，且由于连续刚构桥梁自身的特点，特别是在深 水、峡谷、不中断通航和交通的高墩大跨条件下对称悬臂施工是最优化的施工 方法。然而，要达到设计的成桥状态是施工所要达到的目标，需经过一复杂的 施工过程，导致了桥梁施工过程中较为复杂的内力和位移变化。旌工过程中已 施工节段的状态是难以甚至无法事后调整的。 鉴于目前我国目前建成的公路、铁路预应力混凝土曲线梁桥跨度都比较小， 所以本文主要以直线预应力混凝土连续刚构桥的施工控制的结构分析为主进行 研究探讨。 本文不考虑温度变化引起的挠度变形，因为合理选择施工测量的时间，使 相邻两次挠度观测时的结构温度相近，对消除温度变化引起的挠度观测误差可 以得到较满意的结果，也是目前此桥型施工过程中普遍采取的一种行之有效的 方法。 1 5 本文研究意义 施工控制中的结构分析是桥梁旌工控制的理论依据，施工控制中的结构分 析不但能对整个施工过程进行描述、反映整个施工过程中结构的受力行为，起 到补充设计和辅助指导施工的作用；而且还能确定结构各施工节段的理想状态， 更重要的是对影响施工目标实现的各种因素的研究、监测及有关问题的解决。 结构本身随着时问的推移在不断地改变，不完整结构承受着不断变化的施 工荷载。这些特点使得施工期钢筋混凝土结构的特征与使用期迥然不同，有时 会产生整个结构施工过程生命周期中最危险的状况。大量的调查表明，工程结 构在建造过程中所处的状态，有时比其建造后的正常使用状态危险【l0 1 。 目前的钢筋混凝土结构分析主要是针对己建造好的完整结构在使用荷载作 用下的计算模型为依据，通常不考虑结构本身或材料刚度随时间改变对整个结 构的影响。然而这是同结构的实际交位和应力状态有差异的，也不符合实际施 工过程中产生的力学状态。为此，对其进行结构与材料随时间改变的施工模拟 分析，为结构的合理设计，保证建造全过程的安全性和可靠性，具有一定的理 论意义和现实意义。 本文把a n s y s 软件运用于连续刚构桥的结构分析，应用a n s y s 软件中提供的 参数设计语言a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e 的简称) 编写的脚本程 序可以自动完成大部分任务，甚至参数化建模求解。如上所述，施工中的结构 分析是一个动态的、反复调整和重复计算的过程。连续刚构桥不仅计算模型复 杂而且重复计算时需要调整数据较多，仍然重复采用一般的分析过程将耗费大 量的时间与精力。利用a n s y s 软件二次开发工具一参数设计语言a p d l 编写相应的 脚本程序即可实现参数化建模；重复计算时，只需修改几个参数变量便可轻松 完成分析工作。所以，a n s y s 软件为结构分析提供了简单高效的手段，同时也降 低了使用者的劳动强度。 连续刚构桥作为一种主要的桥梁结构体系，其重要的一个特点是需要设计 和施工的高度耦合。施工中线型控制水平将影响合拢精度，也是确保成桥线型 符合设计要求的决定性工作。 1 6 本文研究内容 施工中的结构分析和线型控制是施工控制的两个重要环节，同时需要严格 控制施工各个阶段结构构件的局部和整体稳定。本文主要针对这几个环节及其 相关因素迸行论述。 ( 1 ) 本文以预应力混凝土连续刚构桥的悬臂浇注施工控制的结构分析为研 究对象，克服目前国内桥梁结构分析软件多用平面杆系有限元进行简化计算的 缺点，把a n s y s 软件引入该桥型的结构分析中，建立更加吻合实际桥梁模型的空 间有限元计算模型，以获得更加真实的结构响应行为。 ( 2 ) 以时变结构的观点看待桥梁施工过程；运用程序中高级功能模块一单元 的生死功能在程序计算过程中再现桥梁施工过程。应用a n s y s 软件二次开发工具 一参数设计语言a p d l 编写相应的脚本程序实现参数化建模求解，为结构分析提 6 供了简单高效的手段。 ( 3 ) 全面介绍分段施工中的结构分析及施工控制计算，以及应用a n s y s x 寸桥 梁施工过程模拟方法；同时为确保连续刚构桥的顺利合拢和成桥线型，悬臂浇 筑施工中各个节段的标高控制非常重要。本文对施工过程的挠度计算以及预拱 度的设置也加以论述。 ( 4 ) 阐述了高墩大跨度梁桥的稳定性基本理论，采用a n s y s 软件的屈曲分析 ( 稳定性分析) ，分别对施工过程中的四个过程：高墩竣工后，最大悬臂时， 次边跨合拢，全桥合拢，进行稳定性特征值求解，旨在分析大跨高墩连续刚桥 的施工稳定特性。 7 第二章分段施工中的结构分析及施工控制计算 2 1 概述 大跨径桥梁的分段施工过程按不同的结构形式和施工内容可以分成若干个 阶段。在每个不同的施工阶段，或者是结构形式不同，或者是受力体系有所转 换，或者是施工荷载发生了变化，而对施工过程中的每个阶段的几何线形和内 力状况分析计算，是桥梁分段施工控制中的基础。分段施工桥梁的工程控制目 的就是在确保施工过程中的结构安全的前提下，使成桥状态的几何线形和内力 状况最大限度的逼近设计要求。为了实现工程控制的最终目的，有必要在分段 施工过程中预测和控制结构变形情况和受力状态，这就要求采用精确合理的结 构分析方法来计算确定分段施工过程中每个阶段受力和变形的理想状态，以便 了解每个施工阶段的结构行为以及几何线形和内力状况随施工过程变化的全部 信息。从这个意义上讲，分段施工中的结构分析不仅要模拟分段施工过程中结 构形成的过程，采用倒退分析和前进分析进行分段施工跟踪计算，而且还要抓 住施工阶段结构分析的特点，选用有效的模型和合理的计算方法，为各个施工 阶段提供准确的中间目标状态。 2 2 分段施工过程模拟分析方法p 儿”j 一般意义下的结构静力分析认为整个结构物是按施工完成状态一次加载而 成，只需对施工结束状态作单工况或多工况的受力分析既可，但是对于桥梁， 特别是大跨径桥梁，一次加载的分析方法只是一种粗略的近似计算方法，并不 能真正反映出实际结构的受力特性。在桥梁分段施工过程中，结构的某些荷载 如自重重力、施工荷载、预应力是逐级施加的，每一个施工阶段都可能伴随着 徐变发生、边界约束增减j 预应力张拉和体系转换等，后期结构的力学性能与 前期结构的施工情况有着密切联系。为了准确计算出成桥状态的结构受力状态， 必须按照实际结构构造及其形成过程逐阶段的进行计算，才能最终得到成桥状 态的几何线形和内力状况，这种计算方法就是桥梁结构的分段施工过程分析。 2 2 1 计算阶段划分【5 】【7 】【8 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】 分段施工过程按不同的结构形式和施工内容可以分成若干个施工阶段，随 着施工阶段的推进，结构构件或梁段数量不断增加，结构体系不断变化，超静 定次数也可能不断增加。一旦施工程序或施工阶段有所改变，将导致施工阶段 特别是成桥状态的几何线形和内力状况的变化。因此，在倒装分析计算中，严 格按照设计指定的施工程序，在正装分析计算中充分考虑实际旎工的操作程序 是非常必要的，而这种结构分析计算的关键是如何正确的划分连续施工过程中 的指定结构计算工况，即施工阶段。 分段施工跟踪计算中的计算阶段划分，首先必须依据一个极其重要的原则， 即不同的结构计算图式( 不包括荷载作用) 不能划分在同一计算阶段中，也就是 说，统一计算阶段中的结构计算图式应该在有限元模型中具有相同的节点，相 同的单元，相同的约束条件等等，因为针对每个计算阶段的有限元分析总是一 次性计算完成的；其次，根据实际施工控制计算的需要，为了确定某个施工过 程中的受力状况，统一结构计算图式的不同施工荷载作用可以分成若干个计算 阶段，以便确定最不利结构受力状态或受力演变过程；最后，计算阶段的划分 还必须充分考虑实际结构的可操作性。 2 2 2 正装计算法 ( 1 ) 特点 正装计算法是按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分 析，它能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程，能得到桥梁结构在各个施工阶 段的位移和受力状态，这不仅可用来指导桥梁设计和施工，而且为桥梁施工控 制提供依据。同时在正装计算中，能较好地考虑一些与桥梁结构形成历程有关 的因素，如结构的非线性问题和混凝土的收缩、徐变问题。因此，正装计算法 在桥梁结构的计算中占有非常重要的地位，应用于众多桥梁结构分析中。 ( 2 ) 分析步骤 对于悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续刚构桥，其正装分析计算可按照如 下步骤进行： 确定桥梁结构的原始状态，主要包括：中跨、边跨( 次边跨) 的大小、桥面 线形、桥墩的高度、横截面信息，约束信息、预应力筋信息、施工荷载信息等。 这些信息可以通过施工图纸获得。 基础、桥墩和0 号块浇筑的完成，并计算己浇筑部分在自重和外荷载作用 下的变形和内力。 在每个桥墩上对称地浇筑各个粱段，直到悬臂浇筑完成、挂篮拆除。计 算每一节段悬臂浇筑混凝土时结构的变形和内力 边跨合拢( 次边跨合拢) 、中跨合拢，计算这几个主要阶段的结构的内力 和变形。 ( 3 ) 正装分析的计算 正装分析法的计算是按有限元理论进行，在一个施工阶段中，新拼装的杆 件用激活两个结点问的新单元进行模拟。计算是对施工阶段循环进行，循环结 束时分析结果可以是成桥若干年后结构的受力状态。正装分析不仅可以为成桥 结构的受力提供较为精确的结果，还为结构强度、刚度验算提供依据，而且可 以为施工阶段理想状态的确定、完成桥梁结构施工控制奠定基础。 2 2 3 倒装计算法 倒装计算法是根据桥梁结构实际旌工加载顺序的逆过程来进行桥梁结构分 析。倒装计算的目的就是要获得桥梁结构在各个施工阶段理想的安装位置( 主要 指标高) 和理想的受力状态。众所周知，桥梁的设计图纸只给出了桥梁结构的最 9 终成桥状态的设计线形和设计标高，但是桥梁结构施工中间各状态的标高并没 有明确给出，要想得到桥梁结构施工初始状态和施工中间各阶段的理想状态， 就要从设计图纸给出的最终成桥状态开始，逐步地倒拆计算来得到施工各阶段 的理想状态和初始状态只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段的状态( 主要指 标高) 去指导施工，才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。当然，在桥梁结构的 施工控制中，除了控制结构的标高和线形之外，同时要控制结构的受力状态， 它与线形控制同样重要。 倒装分析法具有以下几个特点： ( 1 ) 倒装分析时的初始状态必须由正装分析来确定，但初始状态中的各杆件 的轴线位置可取设计轴线位置。 ( 2 ) 拆除单元的等效荷载，用被拆单元接缝处的内力反向作用在剩余主体结 构接缝处加以模拟，这些值可由正装分析计算来得到。 ( 3 ) 拆除杆件后的结构状态为拆除杆件前的结构状态与被拆除杆件等效荷 载作用状态的叠加。换言之，本阶段结束时，结构的受力状态用本阶段荷载作 用下结构受力与前一阶段结构受力状态相叠加而得，即认为在这种情况下线性 叠加原理成立 ( 4 ) 被拆构件满足零应力条件，剩余主体结构新出现接缝面应力等于此阶段 对该接缝面施加的预加应力，这是正确进行桥梁结构倒装分析的必要条件。 混凝土的收缩徐交与结构的形成历程有着密切的关系，徐变应变不仅与混 凝土的龄期有关，而且与作用在混凝土构件上的应力应交有关。因而结构在进 行倒装分析计算时，一般是无法直接进行徐变计算。为了解决这一问题，一般 是应用下述的方法：在进行正装分析时，先不计入混凝土收缩徐变的影响，计算 出结构的内力与变形值，然后再计算出结构计入混凝土收缩徐交后的内力与变 形值，两者相减则可以得到每一阶段混凝收缩徐变产生的内力与位移值，将 其保存起来接着进行倒装分析，按阶段扣除正装分析时相应阶段混凝土时效 的影响。 2 3 桥梁施工控制结构分析方法【3 】 分段施工方法和施工顺序直接影响到各个施工阶段的成桥状态的几何线形 和内力状况。方面，施工方法和施工顺序一经确定，几何线形和内力状况可 以唯一确定；另一方面，也可以用旄工方法和旖工顺序的变化来调整和改变几 何线形和内力状况。因此，分段施工中的施工过程模拟计算必须严格按照各个 施工阶段的实际形式进行。 施工过程的结构分析方法根据具体情况来选择，一般情况都是采用有限元 法，有时也可以用解析法。 2 3 1 有限元法【1 5 - 2 1 1 1 0 有限元法就是将连续体分成有限个单元，单元间相互由结点连接的理想结 点系统。分析时，先进行单元分析，用结点位移表示单元内力，然后将单元再 合成结构，进行整体分析，建立整体平衡关系，由此求出结点位移。一般分为 以下几步： 1 ) 桥梁结构的模型化 桥梁结构的模型化即使将实际理想化为有限个单元的集合。计算模型建立 的正确与否( 否与实际结构相符) 是保证设计是否方便，分析结果是否正确的 关键。计算模型中单元的选择应以能准确描述结构受力与变形状态为准。有限 元分析中的单元类型较多，根据不同的结构体系、构造形式以及受力情况，模 型中的单元可以是杆元、梁元、板元、体元、索元等；一个模型可以是由一种 单元组成，也可以是由几种单元组成。 2 ) 结构的离散化 桥梁结构的离散化就是在模型化处理后，将结构离散为有限数目的单元体， 单元大小与节点位置确定应充分考虑结构受力情况。 3 ) 选择位移模式 在完成结构的离散之后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能 用节点位移表示单元体的位移、应力和应变，在分析连续体结构时，必须对单 元体中位移的分布做出一定的假设，也就是假设位移是坐标的某种简单的函数， 这种函数称为位移模式或插值函数。我们选择的位移函数还必须保证解的收敛 性，因此，建立合理的位移函数是单元分析的关键。 根据所选定的位移模式，就可以导出用就节点位移表示单元内任一点位移 的关系式，其矩阵形式为： = 【j ( 毋 ( 2 1 ) 式中： 江) 一单元内任一点位移列阵； 田。一单元的节点位移列阵： i 】一形函数矩阵。 4 ) 单元特性分析 利用几何方程，由位移表达式( 2 - 1 ) 可导出用节点位移表示单元应变的关 系式： p = p j ( 田。 ( 2 - 2 ) 式中： 舛一单元内任一点应变列阵 l 口j 一几何矩阵。 利用本构方程，由应变的表达式( 2 - 2 ) 导出用节点位移表示单元应力的关 系式： 仃) = d i b 】 国。 ( 2 - 3 ) 式中：f c r 卜一单元内任一点应力列阵； l _ d 卜一弹性矩阵。 利用变分原理，建立作用于单元的节点力和节点位移之间的关系式子，单 元的平衡方程： ，) 。= k r 毋。( 2 - 4 ) 式中： n 。单元的节点力列阵( 含等效节点力) ； i x - - 单元刚度矩阵。 从而可得： k r = f f 陋r d g b d x d y d z ( 2 5 ) 5 ) 单刚矩阵集积成整体平衡方程组 根据单元之间的连接情况，按着一定的规则，将各单元刚度矩阵集合成结 构整体的总刚度矩阵，并将单元等效节点荷载集合成整体等效节点荷载列阵； 然后引入结构的位移边界条件，建立结构的整体平衡方程组。 区j ( 田= 毋 ( 2 6 ) 式中；医】一结构整体刚度矩阵； 田一结构整体的节点位移列阵； ， 一结构整体等效节点荷载列阵。 6 ) 求解 由方程组( 2 - 6 ) 求解出各节点的位移，然后计算出各单元应变和应力。随 着有限元理论的完善和计算机的应用，有限元分析软件在桥梁结构分析中得到 了广泛运用，使得大量繁琐的计算工作由计算机所代替，为解决更为复杂的结 构分析提供了必要的帮助。 2 3 2 解析法【8 】 解析法也是一种结构方法。用解析法对于一般的复杂结构分析是难以实现 的，而对于悬索桥施工过程模拟结构分析采用基于恒定无应力索长发展的解析 法则不失为一种较好的方法。 2 4 悬臂施工的挠度控制与预拱度设置 悬臂施工中，最困难的任务之一就是施工挠度的计算与控制。科学合理确 定悬臂每一待浇梁段或悬臂段的预拱度是至关重要的。只有预拱度设置合理， 才能保证一个跨径内将要合龙的两个悬臂可能在同一水平线上，也才能使桥梁 上部结构经历施工和运营状态，反复发生向上或向下形式的挠度后，以保证在 结构运营一定时间后达到设计所期望的标高线形。 2 4 1 悬臂旄工中的挠度计算1 2 2 】 施工过程中的挠度计算不仅与力学计算模式的选取有关，而且更重要的是 1 2 与许多影响挠度的因素相关，这些主要因素包括：施工阶段的一期恒载，即梁自 身静载和预加应力：麓工临时苟载：悬浇的挂篮和模板机具设备重，桥墩变位、 基础沉降、施工误差等。这些主要影响因素中，还有许多模糊不定及随机变化 因素的情况，如混凝土材料自身的弹塑性性能、收缩与徐变变形的性能，各节 段施工工期的不定性使混凝土加载龄期的变化与不规律性；预应力钢束的应力 损失的随机性；日照温度使结构内外温度变化的不均衡等，再加上施工荷载及 预应力筋张拉锚固的增多而随机变化，致使精确计算挠度变形比较困难。为了 用理论指导施工的进行，必须按既定施工程序对挠度按弹性和徐变挠度两部分 进行计算和控制。 ( 1 ) 悬臂施工中一期荷载作用下的弹性挠度计算 在施工阶段，一期恒载主要包括梁段自身静载、预加应力、施工临时荷载 三部分组成。为了简化问题，以梁段结构自身静载产生的挠度计算为例，其它 挠度则具有相似性。在计算过程中各种荷载的影响可以分别考虑，最终效应采 用叠加法，叠加法是专门针对线性系统或非线性影响很小的结构系统而提出来 的。对于连续剐构桥来说，在施工挠度计算中，是可以忽略非线性影响的。因 此，对于大跨度连续刚构桥预拱度的设置就可以分