（固体力学专业论文）预应力混凝土连续梁桥的力学分析与施工控制.pdf

摘要 近年来，随着我国交通事业的快速发展，需要修建要跨越江河海峡的大跨度 桥梁越来越多。桥梁跨度越大，其施工难度也越大。在大跨度预应力混凝土连续 梁桥工程中，广泛采用自架设悬臂挂篮施工工艺，桥梁结构在施工期内将产生复 杂的内力和位移变化。为确保施工安全和质量，尤其是成桥线形，必须对上部箱 梁结构进行力学分析和现场施工控制。 大跨度桥梁的施工要经过一个复杂的过程，在此过程中将受到许多确定和不 确定因素的影响，导致桥梁结构的实际状态偏离理论计算分析状态。因此，桥梁 施工控制的重点就是对结构的各施工阶段进行有限元分析，得到各施工阶段梁体 的应力及应变理论值，与施工现场实测数值进行比较分析，发现问题并及时进行 纠偏，同时对结构的后续阶段进行预测，使施工系统始终处于控制之中。 首先，简述了连续桥梁悬臂挂篮施工施工工艺，对预应力混凝土连续梁桥力 学的时间效应进行分析，同时对连续桥梁悬臂施工各施工阶段进行详细的力学分 析。 然后，介绍了空间有限元分析的基本理论及钢筋混凝土六面体单元的构造和 特点，论述钢筋混凝土六面体单元的计算理论并推导了其温度和收缩徐变的刚度 矩阵。钢筋混凝土六面体单元不仅解决了预应力与混凝土的耦合作用，并对于结 构的温度、收缩徐变、预应力损失可进行较准确的计算。 其次，阐述了施工控制的一般方法。针对大跨度预应力混凝土连续梁桥的线 形控制技术，分别介绍设计标高、竣工标高、立模标高的计算方法。介绍了应力 测试原理及传感器优化布设与多传感器的信息融合等。 最后，结合宁波绕城高速公路九龙湖大桥施工监控的结果，较详细地比较了 梁体阶段挠度、累计挠度、测点应力的计算值和实测值的关系。结果表明，现场 实测数据和理论分析相吻合，桥梁最终合拢误差在规范允许范围内，可为类似工 程提供参考依据。 关键词：预应力混凝土、连续梁、有限元、力学分析、施工控制 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，ag r o 、i n gn 啪b e ro f1 0 n g s p a nb r i d g e sa c r o s st h er i v e rb o t h s i d e sa r eb u i l da sc h i n a sc a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o no fc h i n a l o n g e rt h eb r i d g es p a n ，g r e a t e rt h ed i 筒c u l t yo fi t sc o n s t m c t i o n i 1 1 es e l f - e r e c t i o n c a j l t i l e v e rc r a d l ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nt h el o n g - s p 锄p r e - s t r e s s e d c o n c r e t ec o n t i n u o u sb r i d g ep r i o l j e c t ，a n dd u r i n gt h ec o n s t m c t i o np e r i o dt h eb r i d g e s t m c t u r ew i l lh a v eac o m p l e xi n t e m a lf o r c e sa n dd i s p l a c e m e n tc h a n g e s i no r d e rt o e n s u r ec o n s t m c t i o ns a f e t ya 1 1 dq u a l i t y ，e s p e c i a l l yt h eg e o m e t r i co fb r i d g e ，m e c h a n i c a l a n a l y s i sa j l do n s i t ec o n s t m c t i o nc o n _ t i o lm u s tb em a d eo nt h eu p p e rb o x g i r d e r s t r u c t u r e c o n s t m c t i o no fl a 唱e - s p a nb r i d g ei sac o m p l e xp r o c e s s ，w h i c hw i l lb ee 仃宅c t e d b ym a n vu n c e n a i na n dc e r t a i nf a c t o r s ，r e s u l t i n gi nm ea c t l j a ls t a t eo ft h eb r i d g e s t m c t u r ed e v i a t i o nf r o mt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s t h e r e f i o r e ，t h eb r i d g ec o n s t r u c t i o n c o n t r o l i st of o c u so nt h ec o n s t m c t i o np h a s eo ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ：g e tm e t h e o r e t i c a lv a l u es t r e s sa n ds t m i no fb e 锄sf r o ma l lt h ec o n s t m c t i o np h a s e ；i d e n t i f y p r o b l e m sa n dt i m e l vc o r r e c t i v eb vb e i n gc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dv a l u eo f c o n s t m c t i o ns i t e ；a tt h es a m et i m e ，m a k ep r e d i c t i o nf o rt 1 1 ef o l l o w u ps t a g ea 1 1 ds ot b a t c o n s t r u c t i o ns v s t e mw i l la l w a v sb ei nc o n n 0 1 f i r s t l v m a k eab r i e fo nc o n s e c u t i v eb r i d g ec r a d l ec a n t i l e v e rc o n s t l l l c t i o n t e c h n 0 1 0 9 y ，a n a l y z et i m ee n e c to nm ec o n t i n u o u sp r e - s t r e s s e dc o n c r e t eg i r d e rb “d g e m e c h a n i c s a n da tt h es 锄et i m e ，m a k ed e t a 订e dm e c h 越c a la n a l y s i so ne v e r y c o n s t n i c t i o np h a s eo fc a n t i l e v e rc o n s n l l c t i o no fb n d g e s e c o n d l y t h es p a c ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h eb a s i ct h e o r ya n dt h es t i r l l c n l r e a n dc h a r a c t e r i s t i c so fr e i n f o r c e dc o n c r e t eh e x a h e d r a le l e m e n ta r ei n t r o d u c e d ：t h e t h e o r yo fr e i n f o r c e dc o n c r e t eh e x a h e d r a le l e m e n ti sd i s c u s s e d ；a n dt h et e m p e r a t u r e a n dt h es h r i n k a g ec r e e ps t i f f h e s sm a t r i xi sd e d u c e d n o to n l y c o u p l i n ge f 瓷c to f p r e s t r e s s e dc o n c r e t ea n dt h er o l ei sw o r k e do u tb u ca l s ot h et e m p e r a t u r e ，s h r i n k a g e a n dc r e e p a n dp r e 。s t r e s s e dl o s so fs t m c t u r ec a nb ec a l c u l a t e dm o r ea c c u r a t e l yb y r e i n f o r c e dc o n c r e t eh e xa _ h e d r a le l e m e n t t h i r d l v t h e2 e n e r a lm e t h o do fc o n s t r u c t i o nc o n t m li sd e s c r i b e d 7 n l ed e s i 9 1 l e l e v a t i o n ，t h ec o m p l e t i o no fe l e v a t i o n ，a n de l e v a t i o nm o d e ll e g i s l a t i o nm e t h o do f c a l c u l a t i o na r ei n t r o d u c e df - o rl o n g s p a nc o n t i n u o u sp r e s t r e s s e dc o n c r e t eg i r d e r b r i d g eo f1 i n e a rc o n t r o l t e c l l l l o l o g y s t r e s st e s t so nt h ep r i n c i p l e sl a i do p t i m i z a t i o na i l d s e n s o ri n f l o n l l a t i o na n dm u l t i s e n s o r 如s i o na r ei n t r o d u c e d f i n a l l v m a k ead e t a i l e dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lv a l u ea 1 1 dm e a s u r e d v a l u eo fb e 锄d e n e c t i o ns t a g e ，at o t a ld e n e c t i o n ，t h em e a s u r e m e n tp o i n ts t r e s s c o m b i n i n gw i t ht h ec o n s t m c t i o nm o n i t o r i n gt h er e s u l t so fn i n g b oj i u l o n gh ur i n g e x p r e s s w a vb r i d g e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es c e n em e a s u r e dd a t aa n dt h e o r e t i c a l a n a l v s i si sa n a s t o m o t i c ：t h ef i n a lb r i d g ec l o s u r ee r r o ri sa l l o w e dw i t h i nt h ef r a m e w o r k o fn o n n sa n dt h er e s u l tc a np r o v i d er e f 宅r e n c ef - o rs i m i l a rp r o j e c t s k e yw o r d ： p r e s t r e s s e dr e i n f o r c ec o n c r e t e 、c o n t i n u o u sb r i d g e 、f e m 、m e c h a l l i c a l a n a l y s i s 、 c o n s t r u c t i o nc o n t r o l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 净f 月 。日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 琵拍( 弓 口 踔r 月乙。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1p c 连续桥梁的发展概况 桥梁是道路的重要组成部分，桥梁的发展与人类社会各个时期的生产与生活 需要，当时的物质条件和人对客观事物的认识水平是分不开的。 欧洲工业革命后，钢桥、混凝土桥和预应力混凝土桥兴起并且蓬勃发展。至 2 0 世纪3 0 年代，由于高强钢丝和高强度水泥的使用，预应力混凝土结构最终以 自重轻、刚度大、抗震、抗裂性能好等优点而独占鳌头，广泛应用于各类工程中， 被称为混凝土技术革命。在预应力混凝土桥梁方面，出现了很多新桥梁形式和新 的桥梁设计理论，施工工艺也日趋完善，从而提高了质量，降低了造价，甚至在 大跨径桥梁方面可以与钢桥相媲美。 国际上，上世纪3 0 年代法国与德国首先采用预应力混凝土修建了桥梁，1 9 3 7 年曾建成跨径3 3 m 的预应力钢筋混凝土简支梁和跨径6 9 m 的外露配筋悬臂梁桥。 1 9 5 3 年原联邦德国采用悬臂法进行桥梁施工获得成功，建成悬臂浇筑式t 型钢 构渥尔姆斯( w b 肌s ) 桥，t 型钢构桥从此以惊人的速度发展起来，范围从欧洲 扩大到全球。现已建成的2 0 0 m 以上跨径的预应力混凝土桥梁有多座，如日本浦 户、彦岛、滨名诸桥，美国的科罗一巴伯尔图谱( k o r o r - b a b e l t h u a p ) 桥，阿根廷 的巴拉圭桥等等。目前世界上最大跨径的预应力混凝土连续梁桥为1 9 9 4 年建成 的挪威的新瓦洛德n e wv 打o d d ) 桥，跨径达2 6 0 m 。比较著名的预应力混凝土连 续梁桥还有1 9 7 4 年建成的主跨1 9 2 m 的瑞士摩塞尔( m o s e l ) 桥和1 9 8 2 年建成的 跨径布置为1 0 6 m + 1 9 0 m + 1 0 6 m 的英国奥维尔( o r w e l l ) 桥。 预应力混凝土连续梁桥在我国始建于2 0 世纪6 0 年代，1 9 6 0 年中国最早建 成的钢筋混凝土桥一山东济宁跃进桥，是我国第一座混凝土箱梁桥，跨径布置为 3 7 m + 5 3 m + 3 7 m ；1 9 8 5 年建成的主跨l l l m 的湖北沙洋汉江大桥，是我国第一座主 跨突破1 0 0 m 的连续梁桥：1 9 9 6 年建成的广湛高速公路九江大桥，主跨达1 6 0 m ； 2 0 0 5 年建成的东海大桥辅航道连续梁桥跨径布置为9 0 + 1 6 0 + 1 6 0 + 9 0 m ；2 0 0 1 年 建成的南京长江二桥北汉桥，主跨达1 6 5 m ，是我国目前最大跨径的预应力混凝 河海大学硕士学位论文 土连续梁桥。 随着高速公路和市政工程等基础设施的快速建设的发展，预应力混凝土连续 梁桥开始迅速发展和广泛应用，我国以建成的部分大跨径预应力混凝土连续桥梁 如表1 1 所示。预应力混凝土连续梁桥具有变形小、结构刚度大、行车平顺舒适、 伸缩缝少、养护容易、抗震能力强等优点。但是，大跨径预应力混凝土连续梁桥 要用大吨位支座及合拢后的体系转换，给施工、养护带来许多不便，使连续梁向 更大跨径发展受到了限制。 表1 1 我国以建成的部分大跨径预应力混凝土连续桥梁 序号桥名 主跨跨径( m )桥址建成年份 1 南京长江大桥二桥北汉桥 9 0 + 1 6 5 3 + 9 0 江苏 2 0 0 0 2 六库怒江大桥 8 5 + 1 5 4 + 8 5 云南 1 9 9 5 3 黄浦江奉浦大桥 8 5 + 1 2 5 3 + 8 5 上海 1 9 9 5 4 常德沅水大桥8 4 + 1 2 0 3 + 8 4湖南 1 9 8 6 5 东明黄河公路大桥 7 5 + 1 2 0 x 7 + 7 5 山东 1 9 9 3 6 风陵渡黄河大桥 8 7 5 + 8 7 + l1 4 7 + 8 7 山西 1 9 9 4 7 沙洋汉江大桥 6 3 + 1 1 l 6 + 6 3 湖北 1 9 8 5 8 珠江三桥 8 0 + l1 0 + 8 0 广东1 9 8 3 9宜城汉江公路大桥5 5 + 1 0 0 4 + 5 5湖北1 9 9 0 1 0 松花江大桥 5 9 + 9 0 7 + 5 9黑龙江1 9 8 6 1 2 连续桥梁施工概述 随着科学技术的进步，施工机具、设备和建筑材料的发展，桥梁上部结构施 工技术方法到今天己得到了迅速发展，发生了重大的变革，形成了多种多样的施 工方法。总的来讲，根据施工中有无支架可以划分为：有支架施工和无支架施工 两大类方法。 1 2 1 有支架施工方法 有支架施工方法分为落地支架、拱形支架和移动支架。落地和拱形支架可以 2 第一章绪论 由常备式钢构件组成，配合就地灌筑法，在支架上完成模板架立、钢筋绑扎、混 凝土灌注，预应力张拉等作业。此施工方法对机具和起重能力要求不高，多用于 中小跨度的混凝土梁桥；但支架用料较多，成本较高，工期较长，不适于深水或 通航情况。 在有支架施工过程中，为了保证桥梁建成后的线形符合设计要求，施工时需 要在支架上设置预拱度，这实际上就是一种简单的施工控制方法。由于有支架施 工方法适用的桥梁跨度较小，施工工艺相对简单，影响施工精度的因素也小，由 施工控制不力而产生的不良后果也不明显，从而使人们忽视了它的重要。 为承重支架( 桁架式或实腹式) 配备纵向移位系统、支承系统以及起吊设备， 就可形成移动支架。对配备了模板系统，并采用逐跨现浇混凝土施工的移动支架， 习称为移动模架。因为移动支架可以在桥位处逐段( 或逐孔) 拼装( 或现浇) 预应力 混凝土梁桥，今统称之为造桥机。 在采用移动模架施工时，先让模架就位，然后立模板，浇混凝土并养生，再 拆模，张拉力筋，然后前移模架，修建下一跨。因其需在施工时需承担梁跨结构 的自重，移动模架造桥机一般仅适用于跨度不超过6 0 m 的长桥。2 0 0 0 年，在采 用移动模架建造南京二桥南引桥( 分跨为5 4 8 + 5 4 8 m ) 和北引桥( 分跨为3 5 0 + 5 5 + 3 5 0 m ) 时，达到9 天1 孔的施工一记录。在采用移动支架施工时，先让 支架就位，然后将预制梁段吊运到位并搁在支架上，或则结合悬臂拼装法，吊运 梁段至平衡拼装位置，张拉力筋；在一跨拼装完成后，便前移支架，修建下一跨。 因吊运需要强大的支架设备，现今移动支架造桥机只适用于跨度在1 0 0 m 以下的 长桥。1 9 9 5 年，中国采用专用移动支架造桥机完成了南( 宁) 昆( 明) 线白水河大 桥和打埂大桥( 均为跨度5 6 m 的单线简支铁路箱梁) 的支架拼装施工。1 9 9 7 年， 采用大跨度p c 梁造桥机完成了石( 门) 长( 沙) 线湘江铁路桥主桥( 7 9 6 m ) 的平衡 悬臂拼装施工。 1 2 2 无支架施工 无支架施工指在施工过程中不需要借助支架或者仅需要少量辅助性支架的 施工方法。无支架施工法采用自架设体系借助于吊装设备施工，桥梁上部结构进 行整体或分段( 拼装或现浇) 施工。对桥梁的分段施工，后续梁段依靠先期完成的 梁段结构作为支撑，即施工中不靠支架而靠自身结构进行施工。它体现了“化整 3 河海大学硕士学位论文 为零，集零为整”的特点。这种施工方法在大跨度斜拉桥、悬索桥、连续梁桥、 拱桥等桥型的施工中得到灵活应用。无支架施工法主要有悬臂施工法、转体施工 法、顶推法和整体吊装法( 架桥机法) 等。后三种方法，有时也统称为“大件转移 法”。 1 悬臂施工法 悬臂施工法【l 】是指桥墩顶开始，两侧对称( 或不对称) 地分段形成梁体节段， 直至全桥完成。按混凝土是现浇还是预制，此法可分为悬臂灌注法和悬臂拼装法。 前者的梁段悬臂接长是采用挂篮，在桥位处就地灌注节段混凝土，待混凝土达到 一定强度后，张拉力筋，前移挂篮，继续下一梁段的施工。后者的梁段接长则是 采用吊机，吊装预制梁段就位，再张拉力筋，继续下一梁段的施工。悬臂灌注法 广为应用，但对跨度不大于1 0 0 m ，相同孔跨多的情况，为压缩施工周期，也可 采用移动支架和平衡悬臂拼装法。 2 0 世纪5 0 年代，混凝土和力筋性能以及预应力技术得到逐步发展，钢桥安 装的悬臂施工技术开始应用于预应力混凝土梁桥。随着悬臂施工技术的进步和发 展，计算软件的施工控制，使悬臂施工法成为大跨度桥梁( 尤其是梁式桥) 建造的 主要施工方法。这也推动了桥梁进一步向大跨的发展。悬臂施工法的优点是可以 减少施工设备，简化施工工序，提高施工效率和施工质量，结构整体性好。悬臂 施工主要应用于大跨径预应力连续桥、连续刚构桥、斜拉桥。 在大跨度钢筋混凝土拱桥的无支架施工中，还按拱圈在施工过程中保持悬臂 状态的措施和方法不同分为塔架斜拉索法、斜吊式悬浇法、劲性骨架与塔架斜拉 索联合法、悬臂桁架法等。 2 转体施工法 转体施工是2 0 世纪4 0 年代以后发展起来的一种架桥工艺1 2 1 。转体施工是在 河流两岸适当位置，利用地形或使用简便支架将半桥预制完成，之后旋转桥梁构 件，分别将两个半桥转体到桥位轴线位置合龙成桥。根据旋转的方式不同，又分 为水平转体、竖直转体和平竖结合转体。目前该方法已应用到拱桥、梁桥、斜拉 桥等不同桥型的施工中，如2 0 0 0 年建成的拱跨3 6 0 m 的丫髻沙大桥( 三跨连续自 锚中承式钢管混凝土拱桥) ，1 9 9 0 年建成的四川绵阳公路跨( 铁路) 线桥( 预应力 混凝土挂孔式刚架) ，2 0 0 3 年建成的北京五环路跨越石景山铁路编组站的斜拉桥 4 第一章绪论 等。大跨桥梁采用转体施工方法，可不搭设费用较高的支架，减少安装架设程序， 把复杂的、技术性强的高空作业和水上作业变为岸边的陆上作业，不但施工安全、 质量可靠，有利于施工控制，而且在通航河道或跨线桥的施工中可不干扰或少干 扰交通，具有良好的技术经济效益和社会效益。 3 顶推施工法 对预应力混凝土梁桥，顶推施工是在沿桥纵轴方向的后台设置预制场地，分 节段预制，并用纵向预应力筋将预制节段与施工完成的梁体联成整体，然后通过 千斤顶施力，将梁体向前推出预制场，之后再继续进行下一节段的预制项推i 3 。 顶推法施工，主要用于等高度梁桥( 包括钢桁梁) 的施工中。1 9 9 0 年建成的广州 北站立交桥( 主跨1 0 0 m 的预应力混凝土变高度箱梁) ，为不影响铁路正常运营， 成功采用顶推法架设就位。 大跨度桥梁的主要施工技术方法如上所述，而对具体的某一座桥采取何种方 式则要充分考虑桥位的地形、环境、安装方法的安全性、经济性等。对于无支架 自架设体系施工，由于存在着体系转化、受几何非线性、材料非线性等因素的影 响，施工期间结构的受力状态可能比成桥状态更为不利，于是提出了对施工阶段 进行控制的要求。目前，桥梁施工控制技术己得到广泛重视，逐渐发展成为一项 辅助大跨度桥梁施工的重要技术。 1 3 施工控制的重要性 1 3 1 桥梁施工事故分析 桥梁事故是指桥梁在施工和运营过程中发生的结构损坏、人员伤亡、施工机 具倾覆或毁坏等事故。由于各种原因，桥梁施工事故时有发生，给人们的生命和 财产造成了巨大损失。以下列举几例典型的桥梁施工事故： 1 加拿大魁北克桥( q u e b e cb r i d g e ) 该桥位于加拿大魁北克，建于1 9 0 4 1 9 1 8 。桥梁分跨是1 5 7 1 m + 5 4 8 6 m + 1 5 7 1 m ，为今世界钢梁桥的最大跨度【4 】。该桥在施工过程中曾遇到两次重大事故。 第一次是在1 9 0 7 年8 月2 9 日，当其从两岸悬拼出来的钢桁梁业己接近合拢时， 南侧一下弦杆由于缀条薄弱而被压溃，导致重大损失( 8 6 名工人只1 1 人幸免于 难) 。事后，对钢压杆进行了不少试验研究。改变了原设计，将主桁中心距从2 0 4 m 5 河海大学硕士学位论文 增为2 6 8 m ，将主要压杆钢材改用镍钢，将主要拉杆改为眼杆，将主桁型式改为 k 形，重新施工。第二次事故是在1 9 1 6 年9 月1 1 日，在提升悬挂跨( 跨度1 9 5 2 m ， 重约4 7 0 0 t ) 过程中，由于该跨的一个支承铸件破裂而使该跨倾斜并滑落水中， 导致7 人丧命。随后重新制造悬挂跨，用铅热板( 受压时易变形，但不会破裂) 作其临时支承，终于使这桥建成。 2 欧洲钢箱梁施工事故【5 】 1 9 6 9 年1 1 月6 日，奥地利维也纳多瑙河4 号桥的箱梁下翼缘山于恒载效应 和温度效应叠加，致使压应力过大而失稳；1 9 7 0 年6 月2 日，英国米尔福德港 桥的箱梁因支承隔板支承反力过大而压溃。这两次事故主要是由于当时工程界对 “剪力滞效应 不熟悉，因此导致应力过分集中，造成结构的失稳或局部破坏。 事故发生后，对这种结构进行了大量的深入研究。 3 t h ek o r o r - b a b e l d a o bb r i d g e 【6 】 该桥位于帕劳共和国，1 9 7 5 年建成通车，是分跨为5 3 6 + 2 4 0 8 + 5 3 6 m 的预 应力混凝土悬臂梁桥，其跨度位于当时世界第一。1 9 9 5 年进行维修时将两悬臂 段用钢绞线连接成为整体( 即变中间铰为连续) 。维修完成三个月后，该桥突然坍 塌。分析该事故的原因主要有以下几点：维修之后，体系发生了变化，导致压应 力过大，同时产生巨大的弯矩；变中间铰为连续施工时，没有考虑合龙温度；剪 切破坏等。 4 浙江宁波招宝山大桥【7 】 为一独塔斜拉桥，分跨为7 4 5 + 2 5 8 0 + 10 2 o + 8 3 o + 4 9 5 m o19 9 8 年9 月2 4 日， 正在悬臂施工的主梁发生断裂事故。根据事故调查报告，事故主要的直接原因是： 主梁设计结构单薄，尤其是底板厚度过薄，有效截面较小，从而导致受压区实际 应力偏大。后进行局部拆除和重建加固。 5 四川达县洲河大桥 该桥是一座岩锚和塔锚并用的斜拉桥，桥一端的拉索直接锚于岩体，另端的 锚于索塔，分跨1 9 0 + 7 0 m ，主梁采用混凝土桁架，1 9 8 7 年施工。在跨中合拢之 前，主梁混凝土桁梁突然破坏坠落江中，造成伤亡1 6 人的重大事故。一般认为 该桥事故与施工质量有较大关系。 因忽视施工控制而造成桥梁缺陷的情况并不少见。例如，重庆某斜拉桥，合 6 第一章绪论 拢后桥面呈波浪形，线形难以符合设计要求，桥面处理困难；某主跨2 4 5 m 的连 续刚构桥，跨中严重下挠达3 2 c m ，并伴随出现大量裂缝，不得不投入巨资重新 进行加固；某连续刚构桥，在施工刚刚完成后其跨中下挠很大，不得不对该“新” 桥进行处理。 引发桥梁事故的情况可以分为两大类：一是人为事故，一是自然灾害。由人 所引起的事故主要原因有：一是因技术条件所限，当时的工程技术界对该类事故 缺乏足够认识所造成的( 如魁北克桥、米尔福德港桥) 。二是消除事故的知识和措 施业己有人阐明，但主持或承办工程的人员则由于各种原因在关键处未予贯彻 ( 如招宝山桥) 。三是因管理混乱、工作失误、工程质量低劣等所造成的“豆腐渣 工程( 如重庆市紊江彩虹桥事故) 。由于自然灾害( 洪水、地震等) 所引起的事故， 则难以完全避免。 从以上的桥梁施工事故分析中可以发现：桥梁事故，除去那些天灾之外，大 部分是“人祸”，包括人为失算、人为差错、人为破坏等。对桥梁事故，只要吸 取教训，采取对应措施，就可减少同类事故的再次发生或减轻事故的后果。人们 从这些事故中得到了教益，改进了设计理论和施工方法，加强了施工控制。如果 在施工阶段能够预测到结构危险性( 通过在关键截面或者难以模拟分析的危险部 位安放测试仪器进行重点控制) ，发现问题并及时采取适当的补救措施，就可能 避免事故的发生。因此，对大跨桥梁实施全过程的施工控制工作是十分有必要的。 1 3 2 桥梁施工控制的必要性 1 补充设计的需要 一般设计文件中所提讲的控制数据( 如预拱度、各阶段挠度参考值) 是基于理 论的设计参数和假定的施工方法给出的；因此，当施工条件发生变化时，这些数 据也需要随之修正，否则就难以满足施工实际的需要。施工控制不但能起到补充 设计和辅助指导施工的作用，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。 2 施工过程的需要 大跨度桥梁的形成需要经过一个复杂的过程，当跨度进一步增大时，分段数 目也就越多，悬臂长度也就越大，在施工过程中遇到的问题也越多。例如：如何 对引起结构状态偏差较大的物理参数进行识别修正；如何保证在各阶段桥梁线形 7 河海大学硕士学位论文 偏差在容许范围内，等等。这些方面的问题，如果不能及时有效地处理不 仅会对结构受力不利，而且可能会使主梁线形不顺畅以致影响行车。为了解决好 这些问题，最好的办法就是对施工全过程实施实时控制，控制主梁应力和变形误 差处于容许范围内，使全桥施工完成后达到规定的成桥状态。 3 结构本身特性的需要 对高次超静定桥跨结构( 多跨连续梁或连续刚构，或斜拉桥) ，其成桥的梁部 线形和结构恒载内力与施工方法有着密切的关系，也就是说，不同的施工方法工 序会导致不同的结构线形和内力。另一方面，由于各种因素( 如材料的弹性模量、 混凝土的收缩徐变、结构自重、施工荷载、温度影响等) 的随机影响，以及在测 量等方面产生的误差，结构的原理论设计值难以做到与实际施工情况完全一致， 两者之间会存在偏差。尤其值得注意的是，某些偏差( 如主梁的竖向挠度误差) 具 有累积的特性。若对这些偏差不及时有效的调整，随着梁的悬臂长度的增加，主 梁的高程会显著偏离设计值，造成合拢困难或影响成桥的内力和线形。 4 加强设计与施工联系的需要 现行的设计体系与施工体系的结合并不十分紧密。一方面，设计工程师并不 直接参加施工，他们熟悉先进的结构设计理沦，能进行理论分析计算，但却并不 十分关注桥梁的建造技术，因此，他们可能更加注重结构在主要施工阶段和运营 阶段的性能，而忽略了某些特殊施工阶段的受力情况。另一方面，现场施工人员 比较熟悉施工方法，但对施工阶段存在的问题，一般只做一些简化的理论分析和 计算，不能很深入地理解设计师的意图，这样就可能造成了设计与施工相脱离的 现象。为了解决这种矛盾，把设计和施工两者有机地联系起来，就需要有既懂设 计理论又懂施工的人从中进行联系，一方面复核设计理论计算，一方面指导施工。 施工控制人员就正是这样的一个群体，他们需要具备较丰富的施工经验和较强的 理论分析能力，起到为设计分忧，为施工解难的目的。 1 3 3 施工控制的目的和实际意义 1 保证桥梁施工质量 施工控制的目的，就是根据实际的施工工序，以及现场获取的参数和数据， 对桥梁结构进行实时力学分析和结构验算；对每一施工阶段，根据分析验算结果 给出其主梁端的挠度( 每阶段施工挂篮的立模高程或梁段定位高程) 等施工控制 8 第一章绪论 参数。这样，才能保证结构的受力和变形始终处于安全的范围内，成桥后的结构 内力和线形符合设计要求。 2 确保桥梁安全健康 近年来，由于“天灾”与“人祸”引起的桥梁事故不断。确保大型桥梁结构 的安全性、耐久性与运营舒适性受到社会的广泛关注，既有桥梁结构的健康监测 也越来越引起了人们的重视。桥梁结构的健康监测，实际上应包括施工过程控制 与运营监测评估两大部分。因为如果没有良好的生产过程，就不可能建成合格的 产品。因此桥梁结构的健康应该从施工设计开始，进行全过程的控制，才能确保 桥梁的良好状况。 3 收集资料，反馈理论设计 通过施工控制还可以收集到大量的第一手现场实测资料，这些资料对于设计 者和建造者来说都是十分宝贵的，可以提高人们对于大型复杂结构的进一步认 识，为今后同类桥梁的设计和建造提供有用信息。例如，近年来完成的大跨度连 续刚构桥，在运营一段时间后，均不同程度地存在下挠明显、出现由主拉应力和 其他因素产生的裂缝等问题。目一前，这类问题已引起有关技术主管部门的重视， 大跨连续刚构桥的立项得到了更为严格的控制。 1 4 施工控制理论发展的现状 1 4 1 连续梁桥施工控制现状 在大跨径连续梁桥和连续刚构桥施工控制方面，同济大学的李国平等人提出 大跨连续梁桥线形最优施工控制的理论和方法【8 1 ，该方法将大跨径连续梁桥成桥 线形和施工期结构变位状态作为离散、线性、确定性动态结构系统最优控制的对 象，并根据大跨径连续梁桥悬臂施工的特点，来控制状态与变量、目标函数、约 束条件以及具体实施方法等，其成果在富春江大桥和上海吴淞大桥的施工中得到 应用。重庆交通学院的顾安邦等人提出随机最优控制理论，在重庆黄花园嘉陵江 大桥施工控制中予以运用。虎门大桥副航道连续刚构桥施工过程中，采用线性回 归分析的方法对线形进行了控制，取得了较好的效果。另外，交通部重庆公路科 学研究所也曾立项对黄石长江公路大桥主梁施工观测与控制技术进行了研究，多 家铁道部门设汁和施工单位也发表文章对大跨连续梁和连续刚构桥施工线形控 9 河海大学硕士学位论文 制【9 j 方法进行了探讨，但多限于如何实现对主梁挠度的准确控制，而没有反馈分 析、预测调整等方面的内容。 有关连续梁和连续刚构桥施工控制【lo 】方面的国外文献很少，关于控制理论方 面的资料更是少之又少。但从斜拉桥的监控技术发展的研究成果可以看出，通过 先进的测试手段和计算机技术，对大桥施工过程进行实时滥测和跟踪分析，并予 以调整优化是桥梁建设的一个重要内容。目前，对处理这种偏差，国内外己有不 少学者致力于此研究。国内对斜拉桥的施工控制方法的研究较多，应用最为广泛， 而预应力混凝土连续刚构桥的施工控制方法仍很不成熟。对一些中小跨径的桥 梁，往往仅凭经验或反复试算、调整，使最终成桥状态逼近理想的效果。 1 4 2 当前连续梁桥施工控制的不足 桥梁施工控制作为现代桥梁先进施工工艺的诞生物，不管是其理论还是实践 活动都落后于悬臂施工的需求。 首先是施工控制的计算理论基础一施工时力学的基本原理发展不健全。一般 的土木工程施工时力学分析都依赖于传统的结构力学计算思想，在结构的常规设 计中往往采用投入运行后的结构为计算模型，一次性地施加上结构自重及其它恒 载、活载、风载和地震作用，而后将它们相互组合，得到结构的内力和变形。而 在实际工程施工中，结构自重是逐阶段施加的且只作用于己施工完成的结构上， 对上部未建结构的内力无影响。如多高层建筑的结构自重是逐层施加的，施工过 程中结构自重只作用于已施工完成的结构上，对上层未建结构内力无影响，设计 的计算模型与实际施工情况不吻合。由于施工时力学分析的发展落后，致使土木 工程施工控制不任是理论上还是实践上都还没有重大突破。 同样，大跨度悬臂施工桥梁的施工时力学不成系统，虽然在静态的结构计算 中，对桥梁的线性、非线性问题的研究及其解法都很丰富。结构分析与控制的关 系，桥梁力学中的理论结构与现实中的实际结构间的差异性往往是很大的，甚至 可能有着质的区别。但是，有关该方面的较为系统和较为深入的理论研究却少有 报道。如在桥梁张拉结构中，建筑外形确定后，从理论研究出发，必须求出与这 一外形相应的结构自平衡内力系统，即各受力单元的预应力大小及分布，以进行 以后在外部效应作用下的结构分析；从工程建造出发，必须了解各受力单元预应 力施加的大小和施加顺序，以保证能实现所设计的结构外形。这就是初始形状 l o 第一章绪论 确定这一命题所要解决的问题，它是张拉结构分析最关键的问题。传统的结构 分析所要解决的是在内外效应作用下结构的变形或形状问题，而初始形状确定所 要解决的实际上是结构反分析问题，再加上张拉结构施工形成过程中索原长会发 生变化，因而它也是张拉结构分析中最困难的问题。结构初始形状确定这一命题 的提出己有三十年，但到目前为止还没有取得突破性的进展。 再者桥梁结构计算模型计算精度有待提高。目前对连续桥在设计中进行结构 分析时，通常将其建成一个平面杆系计算模型，用各种以平面杆系有限单元法为 基础的桥梁电算程序做内力计算、配筋计算和其它验算，从整体受力的角度来看， 这样分析的结果的简化是足够精确的。但对于t 形梁、箱形梁等刚构类桥梁结构 而言，平面计算模型忽略了t 形梁、箱形梁的纵向剪切效应，不能考虑由刚结点 处刚域内各构件的刚度不同所引起的应力分布不均问题。为了解局部复杂区域的 受力状态，则需要应用通用有限元软件对全桥进行三维有限元分析。而且很多监 控断面都选在0 群块附近，由于特殊的结构形状和边界条件，决定了它复杂的三 维应力应变状态。在实际监控工作中，施工上会有变化，如双箱单室的桥梁施工 时，两箱之间的湿接缝是部分完成的话，这时的计算模型就应是三维的。在利用 一些现成桥梁计算软件时，未考虑到在桥梁施工过程中力学的特殊性，名词定义 不统一，只从字面理解各种计算软件对施工的描述，未就理论结果与实测数据比 较，因而不能总结出规律性结果，反馈理论计算的不足。 最后施工控制理论多原于理论，实践难度大。一方面，施工监测数据的影响 因素比较多，如何在混乱的数据中整理出合理的结果资料是项困难的工作，而这 些必要的结果数据恰恰是施工控制反馈分析的基础。另一方面，尚待解决的问题 是设计目标和施工实际相脱离的现象较严重，往往是理论计算提出一套完结果却 不如人意，这其中重要的原因是设计计算中采用的模型总是经过美的施工控制参 数，而施工中一旦出现偏差，根据这些参数做出调整后所得的简化的，对施工误 差的影响分析不够，在施工控制中的参数估计基本还处于试算水平( 还不如在初 期选用合理的试验结果) ，优化调整采用的方法也不能全面考虑施工实际中的诸 多复杂因素，此外自动化程度较高的施工分析软件系统也尚未出现，这一系列原 因可能导致桥梁在施工过程中误差不断积累以致失去控制。 在当前的桥梁施工水平下，在用大跨径预应力混凝土梁桥的施工隐患运营不 河海大学硕士学位论文 到几年就暴露出来。如1 9 9 6 年1 2 月完工的、国家优质工程、重点工程黄石长江 大桥，主跨2 4 5 m ，五跨连续刚构桥。竣工仅7 年，通过检测发现主跨跨中下挠严 重达3 0 5 c 耐，箱梁腹板出现大量裂缝6 6 3 8 条。原竣工报告有“主桥纵向线型 控制不够理想”。最终加固效果不明显，只能靠限载降低使用效能，以保大桥安 全。后来分析黄石大桥主梁刚度明显不达标，纵向有效预应力降低，控制截面主 拉压力过大，理论上施工监控应该能够对这些缺陷有所示警。 1 5 本文的研究内容及技术路线 本文结合宁波绕城高速公路九龙湖大桥工程实例，对上部结构箱梁施工过程 进行监测与控制。为达到监控工作质量，特在预应力连续梁桥的力学分析及其施 工控制方法方面做了一定的研究，具有较强的实际应用能力。 首先，根据大跨径p c 连续梁桥悬臂施工的特殊工艺，建设期内结构几何、 外部荷载、内部材料力学参数都发生变化。分别从空间和时间上考虑施工时梁体 的力学效应，其中空间意义上主要分析桥梁结构模型的几何形状和边界约束随施 工空间的变化而使结构内力重分布的过程，分别包括悬浇施工时力学分析、落梁 施工时力学分析和合拢施工时力学分析。时间意义上研究在建设期，由于材料力 学性能和预应力荷载的时效性，所带来的结构内力重分布的过程，主要是指混凝 土的徐变效应和预应力时程损失，针对那些能显著影响桥梁结构计算结果的计算 参数选取上，根据文献资料和实际应用经验，选取合理的应用参数。在此理论 基础上目的做到为预拱度的设置提供了足够精度。 其次，介绍了空间有限元分析的基本理论及钢筋混凝土六面体单元的构造和 特点，论述并推导了钢筋混凝土六面体单元的计算理论及其温度和收缩徐变的刚 度矩阵。钢筋混凝土六面体单元不仅解决了预应力与混凝土的耦合作用，并对于 结构的温度、收缩徐变、预应力损失可进行较准确的计算。 再者，阐述了施工控制的一般方法。针对大跨度预应力混凝土连续梁桥的线 形控制技术，分别介绍设计标高、竣工标高、立模标高的计算方法。介绍了应力 测试原理及传感器优化布设与多传感器的信息融合。 最后，结合宁波绕城高速公路九龙湖大桥施工监控的结果，较详细地比较了 梁体阶段挠度、累计挠度、测点应力的计算值和实测值的关系。结果表明，现场 实测数据和理论分析相吻合，桥梁最终合拢误差在规范允许范围内，可为类似工 1 2 第一章绪论 程提供参考依据。 1 3 河海大学硕士学位论文 第二章连续桥梁力学分析 2 1 连续梁桥悬臂施工工艺 2 0 世纪6 0 年代以来，预应力技术在桥梁工程中得到大力的推广应用，自架 设悬臂施工变得可能【l l