山区拱桥缆索吊装施工技术研究开题报告

攻读硕士学位研究生学位论文开题报告学 院：专 业：学 号：姓 名：研究方向：指导教师：论文题目：制定时间：福建农林大学研究生处制表一、本研究的立题依据和目标（可另加纸）1 本项目研究的意义及在国内外的研究现状与存在的问题1.1 研究目的与意义20世纪50-60年代，混凝土桥梁悬臂平衡施工法、顶推法和拱桥无支架施工方法的出现，给中国桥梁施工技术发展带来了一次飞跃。缆索吊装技术作为桥梁无支架施工的工法之一，是60年代以来在我国发展起来的一种建桥技术，随着现代桥梁越来越追求宽桥面、大跨径的同时，缆索吊装作为一种经济、实用、快捷的施工吊装设备，在现代桥梁施工中越来越多被人们所采用，6070年代全国各地采用缆索吊装技术施工的公路桥梁占同时期公路桥梁总长的60% 1,2。目前，拱桥主要使用缆索吊装技术施工，据不完全统计，近几年我国大跨径拱桥主拱肋安装70%以上均采用缆索吊装法施工 3。表 1 拱桥施工技术的比较 7,8,9,30施工方法 优越性 局限性 适用范围支架施工法拱肋分段长度不大，无需大型吊装设备，横、斜撑容易安装，拱轴线容易控制。拱肋接头较多，焊接工作量大，工期较长，对桥下地形、地基等条件要求高。小跨径、拱肋离地面不高、不通航或通航要求不高、桥下无水或水位不深、施工条件较好的情况。悬臂施工法不需要大量施工支架和临时设备，不影响桥下通航、通车，施工不受季节、河道水位的影响。施工进度慢，拱轴线线形控制难，施工监控比较复杂，施工误差在所难免。适用于宽深河流和山谷，施工期水位变化频繁不宜水上作业河流的小跨径拱桥。转体施工法容易控制拱肋线型，空中对接时间短，施工速度快，减少了机具设备及施工费用，降低了施工成本。随着拱桥跨径的增大，转体质量的增大，转盘圬工量大，且转体法对两岸地形有要求。小跨径拱桥施工，两岸地形开阔。缆索吊装法跨越能力大、水平和垂直运输机动灵活、适用性广、施工比较稳妥方便，加快桥梁施工速度，降低桥梁造价。由于地锚的存在，对两岸地形条件有一定要求，拱轴线线形控制较难。在峡谷或水深流急的河段上，或在有通航要求的河流上，对跨径要求不高。无支架缆索吊施工作为一种新的高墩施工工艺，它适用于跨度较小、地形条件比较复杂，尤其是深峡谷中大型机械设备无法进场施工的地方，具有易操作、易掌握、施工方便、工艺简单、成本低、安全性高等特点 4。在结合了斜拉扣挂法的缆索吊装已成为我国大跨度拱桥无支架施工的主要方法 5,6。在悬索桥中使用缆索吊装的方法进行施工，将会减少猫道架设的费用。同时，桥梁施工建设中，缆索吊装还能提供对土石方及相关设备的起重吊运与安装等服务，能做到减少人工劳动投入，提高工效，加快进度，保证工程质量，安全可靠，节约建筑材料和经济投入。我国是一个多山国家，山地面积占国土面积 69%，尤其是福建省，素有“东南山国”之称，山地森林覆盖率高，水系发育，河流众多，地表侵蚀切割强烈，山高谷深，地形复杂，生态环境比较脆弱，在工程建设过程中极易引发生态环境问题，造成土壤流失与土壤退化，工程水毁失效等后果。随着海峡西岸经济区建设和社会主义新农村建设的深入开展，山区大量交通基础设施的建设，必然要建造大量的桥梁。在现代高速公路和城市交通设施建设中，桥梁常常是保证全线早日通车和正常使用的关键，尤其在山区高等级公路上，桥梁的工程造价和建设工期在整个项目中所占的比例更高。山区桥梁施工，由于受两岸地形及河床形状的影响，支架施工、转体施工和浮吊的吊装技术都受到了限制，而悬臂施工在跨度上又受到限制（见表 1） 。因此，从技术、经济、安全、环保等角度出发，针对缆索吊装技术和工艺在山区桥梁施工中的应用开展更深入的研究，具有重要的理论和实用价值。1.2 国内外研究现状1.2.1 理论技术的研究悬索桥的修建，使得最典型、最完善的无支架施工法得以广泛采用与发展，它给了工程界缆索吊装施工方法以很大启发，以致长达100多年以来，缆索吊装始终为一个完善、可靠的主要吊装工具，并成功地应用于梁桥、拱桥的无支架施工中。Bonasso等人论述了架空索道在散装物料运输中的成本控制因素 10；D.Bruno等人基于悬链线理论提出了一个完整的非线性结构模型 11；Miguel 等人在基于悬链线理论基础上提出了解决三维索结构的新方法 12；Carlo等对钢索的失效进行了分析 13；James 对架空索道的动力学进行了研究 14；Wojciech 对大提升力下及不均匀作用下的起重索的安全进行了研究 15，赵跃宇等人通过研究提出的有限元方法能方便有效地解决扣索索力和预抬高量的计算问题 16；杨胜等基于Matlab 软件进行编程，方便地解决了无支架缆索吊装复杂的索力计算，而且精度较高，并指出后锚固端长与塔高的比值控制在2：l4：1时，达到经济和受力综合较优 17；戴鹏等人采用随动坐标迭代法考虑吊装过程的几何非线性影响，结合空间有限元的前进分析法，对大跨径拱桥的缆索吊装施工过程进行仿真分析，并基于优化理论对合理扣索力进行计算 18；赵朝阳等人提出了一种大跨度缆索吊装主索系统受力分析的较精确有限元算法 19；邓雪涛等人通过有限元分析得到风荷载对缆索吊装系统主塔架的稳定性影响较明显 20；陈得良等人在原有的连续体弹性-刚性支承法的基础上，提出了改进的弹性-刚性支承法用于扣索索力确定和标高预抬量计算 21；林峰对缆索吊装中桩式地锚的设计理论、施工方法进行总结 22；陈彦江等人首次将灰色系统理论应用于大跨度钢管混凝土拱桥钢管拱肋吊装施工时扣索索力的预测中 23；罗月静等人采用非线性分析程序ANSYS分析了拱肋吊装过程中的稳定安全性，得出了各施工阶段稳定安全系数 24；袁海庆等人针对钢管混凝土拱桥施工控制的要求，提出了以可视化仿真计算对施工过程进行直观仿真分析的系统框架 25；牛润明针对大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装的施工工艺，提出了确定其合理施工状态的正装迭代法 26；王小成运用基于未知荷载系数法的定长扣索法，解决了以往拱肋吊装过程中需要频繁调整扣索的操作，既保证了施工的安全性，又可得到比较合理的成桥线形 27；王化更采用Kalman 滤波法实现了湖南天子山大桥的施工线形控制 28；张治成为了提高大跨度桥梁施工控制中结构分析计算的精度，提出将Kalman滤波法同正装分析法结合起来进行施工控制的分析计算 29。1.2.2 工程实践的应用实践表明，在特殊的地形地质条件下，公路桥梁施工采用吊装索道技术较为经济实用。美国胡佛水坝下游 500 m 处的迈克 奥卡拉汉-帕特蒂尔曼纪念大桥采用缆索吊装施工法，成功实现了在陡峭悬崖上的安全建设；1990 年底建成的我国第一座钢管混凝土拱桥四川旺苍东河大桥，采用缆索吊装施工，而且开创了刚架系杆拱的新型桥梁结构 30；2004 年采用缆索吊装斜拉扣挂法施工建成的广西南宁永和大桥，为当时世界跨度最大的下承式钢管混凝土拱桥 31；2007 年建成的湖南湘江四桥，主桥为斜拉飞鸟式钢管混凝土系杆拱桥，主桥结构是以拱结构受力为主，辅以斜拉索受力的组合结构体系，主拱肋采用缆索吊装施工，利用桥塔作为施工时吊塔和扣塔，斜拉索作为吊装施工用的拉索和扣索，充分利用结构，降低成本 32；2007 年开始建设的湖南矮寨大桥，采用缆索吊装施工，创造了 4 个世界第一 33；2009 年采用缆索吊装施工的四川合江长江一桥，主跨为 500m，为世界上跨度最大的钢管混凝土拱桥34； 重庆长江鹅公岩大桥成功采用大跨度三跨索道吊机安装钢箱梁，缩短了工期，降低了造价 35；重庆市北碚区朝阳复建桥在考虑桥位处地形受限，采用锚塔、扣塔一体化的缆索吊装施工工艺，达到了经济、安全的效果 36；京福高速公路上洋特大桥采用双承载索吊装施工方案，满足了吊装作业生产率的要求，安全适用 37；武隆羊角乌江大桥桥位区属于低山斜坡地貌和河谷地貌，高差大，地势总体上呈 V 字形，采用缆索吊装实现了受限地段桥梁的安全施工 38；贵阳环城高速公路南环线跨花溪水库单跨 175m 双肋中承式钢管混凝土平行拱结构混凝土拱桥采用缆索吊装技术施工，实现了拱肋节段的吊装安全、顺利合拢和横撑、纵横梁等的安全吊装 39；东莞水道特大桥所采用的 WLQ2*800kN 无线遥控缆索起重机在设计跨径、索塔高度、设计吊重、起重高度等方面都创造了无支架缆索吊装施工的国内之最 40；深溪沟大桥跨越大渡河，两岸山高坡陡，场地狭小，没有一块施工场地，缆索吊装完成了在此受限条件下实现了桥梁的安全施工 41。1.3 存在的问题(1)缆索吊装工艺被大量运用在铁路、公路跨峡谷、河流的桥梁施工中，它的特点是跨度大、起升高度大、拆装方便。但锚固区占用场地大，尤其是在城区施工时，地锚和缆风因受周边建筑物限制难以设置。(2)缆索悬链线理论是公认的最接近真实情况的设计理论，但悬链线函数属超越函数，计算困难使其在工程应用中极为不便。经不少学者、专家的不断研究，迄今已形成 3 种代数函数法：抛物线、悬索曲线、摄动法来取代悬链线作近似计算 1。在小挠度范围内(S0.1） ，则误差较大，难以满足精确的施工设计和架设要求。(3)拱桥向大跨度、超大跨度的发展，于是出现了满足施工需要的矢跨比较高、吊装节段多、吊装重量大的大型缆索吊装结构体系，因此对吊装系统的荷载要求越高。除了对缆索吊装技术主索计算提出了更高精确的要求外，对主塔和扣塔的强度、刚度和稳定性要求也越高。缆索吊装施工塔架属于大型高耸结构物，在吊装施工中主要承受主吊索、扣索及风缆传递的压力作用。大型缆索吊装结构体系，存在如何解决主塔和扣塔的强度、刚度和稳定性要求等问题。(4)拱桥的受力状态与拱肋线型密切相关，大跨度拱桥施工控制的首要任务是考虑施工过程中各种因素的影响，使成桥后的拱轴线型与理想拱轴线型吻合，桥面结构处于最佳受力状态。空钢管拱肋的架设是钢管混凝土拱桥施工控制中的重点，确保钢管拱肋吊装完成后达到设计裸拱线型已成为钢管混凝土拱桥施工中的首要问题 17,21,23,26-28。对于采用缆索吊装施工的桥梁，线性控制在施工中的载体是施工监控，但目前对于建立施工监控理论还有所不足。参考文献：1 周新年工程索道与柔性吊桥理论设计案例M北京：人民交通出版社，20082 黄克刚，杨世湘缆索吊机塔架横移技术J广东公路交通，2000(66)：139-1413 段瑞芳混凝土拱桥拱肋缆索吊装施工预拱度设置研究D西安：长安大学，20064 郭二川缆索吊装高墩施工技术J价值工程，2010(1)：2135 张小坤斜拉扣挂法在半穿式钢管混凝土拱的应用J城市道桥与防洪，2009(6)：119-1216 刘爱家缆索吊装扣锚系统设计与“一次张拉扣索法”施工控制技术J 科技创新导报，2009(7) ：697 陈宝春钢管混凝土拱桥施工问题研究J桥梁建设，2002(3)：55-598 王道斌，李 华，武兰河钢管混凝土拱桥施工技术综述J国外桥梁，2001(1)：71-739 房贞政桥梁工程M 北京：中国建筑工业出版社，200410 Bonasso.S.G，Georqe.T.Jareial cableways cut costs on long steep haulsJCoal Mining and Processing1985，11(22)：38-41 11 D.Bruno，A.LeonardiNonlinear structural models in cableway transport systems JSimulation Practice and Theory，1999，7 (3) ：207-218 12 Miguel Such， Alberto Carnicero，Oscar Lopez-GarciaAn approach based on the catenary equation to deal with static analysis of three dimensional cable structuresJEngineering Structures，2009，31 (9) ： 2162-2170 13 Carlo Mapelli，Silvia BarellaFailure analysis of a cableway rope JEngineering Failure Analysis，2009，16(5)：1666-167314 James M.WBrown johnDynamics of an aerial cableway system JEngineering Structures，1998，20(9)：826-83615 Wojciech CholewaDetermination of stresses in hoisting ropes in multi-rope friction hoistsJMining Science and Technology，1989，9(1)：101-10616 赵跃宇，刘伟长，冯 锐，等大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程的仿真计算 J世界桥梁，2006(2)：38-4017 杨 胜，韦赤鹰，张建仁Matlab 在无支架缆索吊装索力计算中的应用J长沙理工大学学报(自然科学版)，2005，2(2) ：23-2818 戴 鹏，谢功元，郝宪武，等大跨径钢管混凝土拱桥缆索吊装非线性分析J 武汉理工大学学报，2007，29(2)：114-11719 赵朝阳，杨文爽，李传习，等缆索吊装主索系统的受力分析算法与工作性能J 广西大学学报（自然科学版） ，2010，35(4)：615-62020 邓雪涛，曾德荣，周燕其大跨度拱桥缆索吊装系统的稳定性有限元分析J重庆交通大学学报( 自然科学版)，2007，26(增刊) ：3-721 陈得良，缪 莉，田仲初，等大跨度桥梁拱肋悬拼时扣索索力和预抬量计算J 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鹏，范高军桥梁无支架缆索吊系统的设计与施工技术J交通科技，2008(2)：31-332 本项目的研究内容、研究目标和拟解决的关键问题2.1 研究主要内容(1)对缆索吊装技术的主索系统、扣索系统、塔架系统及缆风绳等进行力学优化设计，建立主索计算的精确数学模型； (2)基于南平市闽江路大桥建设项目，综合考虑地形、工期、力学计算结果及经济性，进行配套施工设备的选型，合理布置缆索吊装系统；(3)实时跟进拱桥采用缆索吊装施工的全过程，并进行施工监控，建立施工监控理论，确保拱桥在缆索吊装施工下的线形控制及安全性。2.2 研究目标(1)通过优化缆索吊装系统的架设，使闽江路大桥施工获得最佳的经济效益；(2)建立施工监控理论，确保桥梁的施工安全及线形控制；(3)实现缆索吊装技术在工程实践中更经济、安全、广泛的应用。2.3 拟解决的关键问题(1)缆索吊装系统的合理架设；(2)拱桥施工的线形控制。3 本项目的特色和创新之处及立论依据论文的特色及立论依据有如下：(1)缆索悬链线理论是公认的最接近真实情况的设计理论，但悬链线函数属超越函数，计算困难使其在工程应用中极为不便。针对近似计算法对于大挠度（S0.1）误差较大，不能满足工程要求的现状，研究基于悬链线函数的主索精确计算，并建立相应的数学模型。(2) 综合运用各种技术与方法，包括有限元法、Kalman 滤波法、灰色理论、Maltlab 软件和 GPS 技术等，进行拱桥缆索吊装施工下的监控，确保拱桥的安全施工及线形控制，并以此建立施工监控理论。4 研究工作的预期结果或成果建立主索计算的精确数学模型和施工监控理论，并应用于闽江路大桥缆索吊装施工，制定缆索吊装系统的合理方案，成功进行施工监控，实现大桥的安全准确地架设。研究成果以学位论文和公开发表的研究论文形式提供，预计发表研究论文 1 篇。二、研究方法和技术路线（可另加纸）1 拟采取的研究实验方法、步骤、技术路线及可行性论证通过收集国内外学者对缆索吊装在桥梁施工中应用研究的文献资料，分析其研究现状，基于南平市闽江路大桥，合理布设缆索吊装，对缆索吊装系统进行受力计算，建立主索计算的数学模型。通过设置监控点，对施工过程中各个控制点高程进行监控，采用 Kalman 滤波法、灰色理论对预抬量进行实时修正，以保证桥梁的线形符合要求，并以此建立拱桥缆索