钢管混凝土拱桥施工监控与拱肋吊装计算.pdf

钢管混凝土拱桥施工监控与拱肋吊装计算 摘 要 钢管混凝土拱桥拱肋节段吊装施工过程是一个复杂的过程， 为了保证最终的 成桥线型和受力状态满足设计要求，对其采取施工阶段的监控是十分必要的。本 文以在建的江西省吉安市白鹭钢管混凝土拱桥为施工背景，制定施工监控方案。 在稳定性满足要求的前提下，对变形、应力（变）进行双控，且以变形控制为主， 严格控制各个控制截面的挠度和拱轴线的偏移，同时兼顾考虑应力（变）的发展 情况。 目前，钢管混凝土拱桥斜拉扣挂施工方法存在索力调整次数过多、施工工期 较长等一些不足。拱肋吊装施工中扣索一次性张拉的施工方法能够克服这些不 足，具有显著的优点。而该施工方法的关键所在是准确计算拱肋吊装阶段各拱段 控制点的预抬高值和扣索索力值。 本文首先建立了吊装节段拱肋控制点预抬高值 和扣索索力值计算的三维有限元优化算法，该法采用有限元方法进行仿真计算， 将优化理论引入钢管混凝土吊装施工中，采用一阶分析方法进行反复迭代计算， 最终得到各吊装节段拱肋控制点预抬高值和扣索索力值。 为便于工程应用，考虑施工拱肋为弹性体，本文建立了拱肋各吊装节段控制 点的预抬高值和扣索索力值计算的简化工程算法， 该法将拱段控制点的预抬高值 分为两部分进行力学分析： 拱段刚体位移引起的控制点预抬高值和拱段弹性变形 产生的控制点预抬高值，最终的拱段控制点预抬高值为这两部分之和。 简化工程算法与三维有限元优化算法结果比较表明，简化工程算法是可行的。计 算结果还表明， 拱肋弹性变形引起的拱肋控制点的预抬高值达到刚体产生的预抬 高值的量级，且这种差别势必随着拱桥跨度的增大而增大，所以拱肋为刚体的假 定将会带来一定不可忽略的误差。 具体应用时，简化工程算法和三维有限元优化算法可互为补充：可先用简化 工程算法进行拱段控制点预抬高值和索力的初步计算，条件许可时，再用三维有 限元优化算法进行详细分析计算，互为验证，确保拱段控制点预抬高值和索力的 计算的正确性。 关键词：钢管混凝土拱桥，一次性张拉，优化，预抬高值，施工监控关键词：钢管混凝土拱桥，一次性张拉，优化，预抬高值，施工监控 Construction Monitoring of CFST Arch Bridges and Calculation during Erecting Steel Tubular Arch Rib ABSTRACT Since rib-hoisting of concrete-filled steel tubular (CFST) arch bridges is a very complex process, construction monitoring is necessary to satisfy the requirements of design strength and final bridge alignment. Based on the real situation of the Bailu bridge that is under construction in Jian City, Jiangxi Province, the detailed construction scheme is presented. is implemented to determine the rational construction state of a concrete-filled steel tube arch bridge. On the condition that the stability meet the requirement, both deformation and stresses (strains) are monitored where the section deflections of steel tubular arch ribs and the deviation of the arch axis line are key issues. At the same time, the development of stresses (strains) is monitored. There are several shortages on the construction method of cable erection with diagonal fastening and connecting, for example, it requires to adjust the cable forces over and over again, which increases the construction time. The one-off tension method, however, can avoid those troubles and has many advantages. About, the crucial issue of this construction method is to accurately determine the cable forces and the prearranged heights in each phase of erecting arch ribs. In this thesis, a 3-D finite element based optimization method is first established to calculate the cable forces and the prearranged heights during erecting steel tubular arch rib. In this method, the finite element technique is used to model the structure and the optimization theory is applied to the proposed objective function. The cable forces and the prearranged heights in each phase of erecting arch ribs are obtained by the first order optimization method, and the actual construction process of arch rib erection is simulated. In order to facilitate the practical applications, a simplified engineering method is then proposed in this thesis to calculate the prearranged heights in each phase of erecting arch ribs. In this method, the arch rib is considered elastic and the prearranged height is separated two parts: the displacement due to rigid body movement and the displacement due to elastic deformation. The final prearranged height of the arch rib is the sum of two parts. The results of the proposed simplified engineering method have been compared with those obtained from the 3-D finite element based optimization method. It is demonstrated that the simplified engineering method is feasible. It can be also observed that, and the elastic deformation has the same quantitative level as the displacement due to rigid body movement. Therefore, the rigid body assumption of arch ribs will result in unaccepted error. It can be anticipated that this error will be increased with the increase in the span length of concrete-filled steel tubular arch bridges. In practical applications, the proposed simplified engineering method and 3-D finite element based optimization method can be used complementally. Firstly, the prearranged heights in each phase of erecting arch ribs can be approximately estimated by using the simplified engineering method, and then, the results can be verified again by the more detailed 3-D finite element based optimization method. As a result, the correct cable forces and prearranged heights in each phase of erecting arch ribs can be obtained. Key words ： concrete-filled steel tubular arch bridge ；； one-off tension ；； optimization；；prearranged height；；construction control 目 录 摘要 ABSTRACT 第一章 概 述第一章 概 述 .........................................................1 1.1 钢管混凝土拱桥概述 ..............................................1 1.2 钢管混凝土拱桥施工方法简介 ......................................3 1.3 千斤顶钢铰线斜拉扣挂吊装施工概况与关键问题 ......................5 1.3.1 千斤顶钢铰线斜拉扣挂施工方法介绍...........................5 1.3.2 千斤顶钢铰线斜拉扣挂施工方法中的关键问题...................6 1.4 本文的主要工作 ..................................................7 第二章 吉安白鹭钢管混凝土拱桥施工监控第二章 吉安白鹭钢管混凝土拱桥施工监控 .................................8 2.1 引言 ...........................................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2 钢管混凝土拱桥的施工监控 .......................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.1 桥梁健康监测的意义及国内外研究现状.........................8 2.2.2 钢管混凝土拱桥施工监控目的................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.3 钢管混凝土拱桥施工监控的基本原则..........错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.4 钢管混凝土拱桥施工监控的基本方法..........错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3 江西吉安白鹭大桥简介 ...........................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4 吉安白鹭钢管混凝土拱桥分段吊装施工监控方案 .....错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4.1 方案概述..................................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4.2 施工监控的主要内容........................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4.3 具体实施方案..............................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.5 施工控制目标值的确定 ...........................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.6 小结 ...........................................................23 第三章 钢管混凝土拱桥分段吊装施工有限元分析第三章 钢管混凝土拱桥分段吊装施工有限元分析 ..........错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1 引言 ...........................................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2 优化原理简介 ...................................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.1 优化理论..................................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.2 优化原理的数学描述........................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3 白鹭大桥拱肋吊装过程三维有限元模拟 .............错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.1 单元的类型介绍............................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.2 施工过程模拟的程序编制....................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.4 对在建的江西省吉安市白鹭拱桥进行优化分析.......错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.4.1 次拱吊装过程优化计算......................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.4.2 主拱吊装过程优化计算......................错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.5 小结 ...........................................................36 第四章 管混凝土拱桥吊装施工预抬高值工程算法第四章 管混凝土拱桥吊装施工预抬高值工程算法 ..........................38 4.1 引言 ...........................................................38 4.2 拱段控制点预抬高值工程简化计算 .................................39 4.2.1 刚体转动引起的预抬高值计算................................39 4.2.2 拱肋弹性变形引起的预抬高值计算............................42 4.2.3 在白鹭拱桥上的实现........................................45 4.2.4 总的预抬高值与有限元优化结果的比较........................47 4.3 拱肋施工阶段线型的辅助控制 .....................................48 4.4 小结 ...........................................................49 第五章 结 论第五章 结 论 .........................................................51 5.1 本文的主要工作和结论 ...........................................51 5.2 今后进一步的工作 ...............................................52 参考文献参考文献 ..............................................................54 致 谢致 谢 ................................................................57 钢管混凝土拱桥施工监控与拱肋吊装计算 第一章 概 述 1.1 钢管混凝土拱桥概述 拱桥是最古老的基本桥型之一，至今仍在大量使用 [1]。拱桥与其他桥型不 仅外形上不同，而且在受力性能上也有本质的区别：在竖向荷载的作用下，拱 的两端支承处除有竖向反力外， 还有水平推力。 正是由于这个水平推力的作用， 使拱内弯矩大大减小。如果拱的形状设计合理，还可以使拱主要承受压力，而 弯矩、剪力较小 [2-3]。但拱桥作为压弯结构也有其缺点：随着跨径的增大，高 强材料的应用受到稳定问题的制约； 而钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥由于自 重较大，施工架设问题突出；无支架施工的困难，也制约了拱桥的发展 [4]。 拱桥技术在桥梁结构大跨径和高强材料应用的冲击下， 许多桥梁工作者在 拱桥高强材料应用和施工等方面进行了一系列的探索，包括预应力的应用、新 结构的开发、无支架施工方法的探索等。钢管混凝土拱桥就是在这样的背景下 应运而生。钢管混凝土作为钢与混凝土的组合结构，能够充分利用这两种材料 的优点。 钢管混凝土应用于拱桥结构中同时解决了拱桥材料高强化和拱圈施工 轻型化两大问题。将高标号的混凝土灌注在高强钢管内，一方面借助内填混凝 土提高钢管受压的稳定性，提高钢管的抗腐蚀性和耐久性；另一方面借助管壁 对混凝土的套箍作用，提高了混凝土的抗压强度和延性 [5-6]。在施工方面，钢 管混凝土可利用空钢管作为劲性骨架甚至模板，施工吊装重量轻，进度快，施 工用钢量小。 在具体应用时，钢管混凝土在发挥材料和施工的作用中，则有所侧重，从 而形成了两大类别。一类为内灌混凝土，即钢管表面外露，与核心混凝土共同 作为结构的主要受力组成部分，同时钢管拱也作为施工时的支架与摸板，称之 为钢管混凝土拱桥(Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge)。另一类是内外 包混凝土，钢管表皮不外露，钢管主要作为施工的劲性骨架，先内灌混凝土成 钢管混凝土后再挂模板外包混凝土形成断面，钢管材料可以参与建成后的受 力，但不是以使用荷载为控制，而是以施工荷载为控制，称之为钢管混凝土劲 性骨架拱桥(Steel Tube Framed Concrete Arch Bridge)。从实践看，外包混凝土 存在施工序复杂、高空作业多、施工条件差、工程质量不易保证、工期长等问 题，因此，随着拱桥跨度的增大，近年来修建更多的是钢管混凝土拱桥。 - 1 - 福州大学硕士学位论文 世界上最早修建的钢管混凝土拱桥是本世纪 30 年代前苏联建造的跨越列 宁格勒涅瓦河的跨度为 100m拱梁组合体系桥和位于西伯利亚跨度为 140m的 桁肋拱桥。1979 年建成了曾创下世界记录的跨度为 390m的前南斯拉夫KRK大 桥。 近年来修建的此类桥梁有日本 180m的青叶大桥， 法国的昂特那斯(Antrenas) 拱桥，捷克共和国跨越布尔诺－维也纳高速公路的钢管混凝土拱桥等 [7]。 在我国，1990 年建成第一座钢管混凝土拱桥—四川旺苍东河大桥，该桥 为跨径 110m的下承式预应力钢管混凝土系杆拱桥。自 90 年代以来，在短短的 10 余年的时间里，己建成和在建的钢管混凝土拱桥己达 200 余座，其中跨径 超过 120m的钢管混凝土拱桥 40 余座，跨径大于 200m的 20 余座。目前已经建 成 的 中 承 式 钢 管 混 凝 土 拱 桥 中 ， 无 推 力 拱 最 大 跨 径 为 广 州 丫 髻 沙 大 桥 （76m+360m+76m） ，有推力拱最大跨径为广西三岸江大桥（主跨 270m） [8-10]。 2004 年 4 月份建成通车的重庆巫山长江大桥主跨为 460m，是目前世界上跨径 最大的钢管混凝土拱桥。国内比较著名的钢管混凝土拱桥如下表 1-1: 表 1-1 国内比较著名钢管混凝土拱桥 桥 名 跨度 （m）结构类型 备注 重庆巫山长江大桥 460 中承式桁架拱 跨度为世界最长 四川万县长江大桥 420 上承式箱拱 四川巫山长江大桥 400 桁架拱 广州丫髻沙大桥 360 中承式刚架系杆拱国内同类桥型跨度最大 武汉江汉三桥 280 下乘式刚架系杆拱国内同类桥型跨度最大 广西邕宁邕江大桥 312 中承式变截面箱拱 贵州水柏铁路北盘江大桥 236 上承式横哑铃桁拱国内第一座铁路拱桥 与此同时，在实践中设计者们对拱肋作了研究，截面形式发展了单圆形、 哑铃形、多肢桁式、横哑铃桁式和箱肋形等；施工方法也逐步成熟，主要有支 架法、一般吊装法、缆索吊装法、转体施工法和斜拉扣挂法。我国大跨径钢管 混凝土拱肋的建桥技术，己经处于世界领先地位。钢管混凝土拱桥在我国的兴 - 2 - 钢管混凝土拱桥施工监控与拱肋吊装计算 建方兴未艾，跨径在不断突破，形式在不断创新，技术在日益提高。 1.2 钢管混凝土拱桥施工方法简介 桥梁为长跨结构物，施工过程比起成桥使用期来说虽然时间短暂，但施工 构成的结构行为并不一定比成桥后的简单。 桥梁施工技术是桥梁技术的重要组 成部分，而且往往成为关键技术。拱桥的施工方法 [11-17]根据不同的划分方法， 有不同的种类。 这里将简单的以自架设方法和非自架设方法对拱桥结构的施工 方法进行讨论。所谓自架设方法，是指在施工阶段将桥梁上部结构物分成若干 组成部分，按多个施工阶段现浇或拼装起来，而这些施工阶段的运输和架设均 以已完成的结构部分作为支撑体系，直至全桥的完成；非自架设方法则是借助 临时施工设施成桥的方法，主要有支架施工法、缆索吊装法、平转法、竖转法, 以及几种方法综合应用的施工方法。目前来说，非自架设方法是一种较为普遍 使用的施工方法，以下就非自架设方法中的几种主要施工方法进行一一介绍。 支架法即指在支架上现浇或拼装结构的方法， 就是在桥位处按照钢管拱肋 的设计线型加预拱度，拼装好膺架，在脚架上就位拼装、焊接成拱的施工方法 见图 1-1(a)。膺架可采用满堂式、或者分离式、或者两种方式的结合。如:三 峡莲沱大桥的两边跨、天津彩虹大桥 [18]等。这种施工方法无须大型的起吊设 备，拱轴线型容易控制，一般只应用于小跨径、不通航或通航要求不高、水深 较浅等条件，但费工费时费支架，在大跨径的桥梁中己很少采用，多用于石拱 桥，如跨径 146m的山西普城丹河石拱桥。浙江东阳中山大桥(主跨 160m的钢 筋混凝土拱桥)也采用支架法。这种方法的优点是:拱肋分段长度不大,无需大 型吊装设备；横斜撑容易安装；拱轴线型容易控制。不足之处是:拱肋接头较 多,焊接工作量大,工期较长；对桥下地形、地基等条件要求较高。 缆索吊装施工法 [19]是根据缆索吊机的吊装能力,将拱肋分段预制,由缆索 吊机先将两拱脚段吊装就位,并用扣索将其固定,再依次吊装其余各段并与先 吊段对接,直至吊装完毕，见图 1-1(b)。对于净跨100m左右的拱肋,一般分成 3～5段吊装,跨度较大时,根据缆索的吊重能力适当增加分段数。 如广东高明大 桥,主桥为两孔100 m中承式拱桥,每孔分3段吊装,每段长39m、重约39t；广东 三山西大桥,主跨为200 m的中承式钢管混凝土拱桥,分7段吊装,每段重约50t； 四川万县长江大桥为主跨420 m的箱拱,钢管拱肋分11段吊装,每段长40 m、重 约50t。缆索吊装法特别适合于跨越峡谷的大跨度拱桥的施工，拱肋及材料的 运输较为方便，索塔塔身也不需太高，较为经济。这种方法的不足之处是拱肋 - 3 - 福州大学硕士学位论文 空中对接精度较难控制,拱轴线型控制有一定难度,分段越多,质量和工期控制 难度越大。因此应尽量提高缆索吊机的吊重能力,减少分段数,加快施工进度。 平转施工法是将拱圈分为两个半拱,分别在两岸偏离桥位的位置,利用山 体、岸坡或引桥的桥墩设置膺架,拼装拱肋和拱上立柱,形成半拱,然后水平转 体就位,再拼装合拢段成拱见图1-1(c)。 近几年,平转施工法在钢管混凝土拱桥 施工中应用较多,如三峡的黄柏河大桥、下牢溪大桥 [20]、安阳文峰路立交桥、 江西德兴太白桥,以及在建中的贵州北盘江大桥等。转体重量最大者为北盘江 大桥,重达8100t,为钢管混凝土拱桥转体重量世界之最。平转法施工主要适合 于单跨拱桥。 该法的主要优点在于它可以充分利用两岸的山体和岸坡的地形条 件,拱肋膺架不高,吊装、拼焊容易,焊接质量有保证,施工中不影响桥下通航, 施工安全,速度快。不足之处为球铰加工质量要求高,对多跨拱桥不适用。 竖转施工法是先在拱顶附近将主拱圈一分为二,并以拱趾为旋转中心,将 设计拱轴线垂直向下旋转一定角度,将拱顶合拢端置于地面或浮船上,这样即 可在较低的膺架上拼装两个半拱。待两半拱拼装完成后,由两副墩顶扒杆分别 将其拉起,在空中对接合拢见图1-1(d)。如新安江望江大桥、三峡莲沱大桥等 均采用了竖转吊装施工技术。竖转吊装的主要优点是:拱肋的拼装膺架较低, 节省材料,吊装容易；只有一个合拢接头,合拢容易,精度高；扒杆钢管可以用 作拱上立柱,节省工程造价。不足之处是:要求桥下具有一定的拼装场地；若必 须使用浮船时,水流不能太急,否则将增加施工难度。 （a）支架法施工法 （c）平转施工法 （b）缆索吊装施工法 （d）竖转施工法 图1-1 各施工方法简图 - 4 - 钢管混凝土拱桥施工监控与拱肋吊装计算 1.3 千斤顶钢铰线斜拉扣挂吊装施工概况与关键问题 千斤顶钢铰线斜拉扣挂法属于缆索吊装施工法， 是目前大跨度拱桥常采用 的一种施工方法。它首创于广西邕宁邕江大桥 [21]（主跨 312m） ，随后被广泛 推广应用。 本文所涉及的江西省吉安市白鹭钢管混凝土拱桥也采用该种方法进 行拱肋吊装施工，因此，以下将就千斤顶钢铰线斜拉扣挂施工方法及其施工中 的关键问题进行较为详细的介绍。 1.3.1 千斤顶钢铰线斜拉扣挂施工方法介绍 千斤顶斜拉扣挂法 [22]是完成拱肋悬拼合拢的主要施工方法之一，其基本 程序有： (1)在地面制作拱肋； (2)用缆索起重机或其他机具把拱肋段吊至跨间； (3)用钢铰线或高强钢丝把拱肋段扣挂在设计位置，用千斤顶在锚锭上施力收 紧或放松；(4)第一段拱肋与拱支座铰接，以后扣挂一段立即与前段固接；(5) 最后一段缩短 30-50cm制作，吊运就位后，根据实际间隙制作特殊连接件并完 成固结；(6)如全跨只有一条拱肋，则放松并摘除扣索即完成了悬拼合拢全部 工序。有两条及两条以上拱肋时，每条肋重重复上述(1)- (5)步，待所有拱肋 悬拼合拢完成后，分次、对称放松所有扣索，完成全跨拱肋的悬拼合拢。 使用千斤顶斜拉扣挂悬拼架设法施工的主要优点有：(1)采用高强、承载 力大、延伸量小、变形稳定的钢铰线作为斜拉索，减小了架设过程中不稳定索 的非弹性变形；(2)采用千斤顶张拉系统对斜拉索加卸拉力、收放索长，具有 张拉能力大，行程控制精度高，索力调整灵活，锚固可靠等优点；(3)斜拉扣 挂系统自成系统，不受缆索吊装系统的干扰；(4)可以准确的计算悬拼架设过 程中各施工阶段的索力、延伸量以及由此而产生的大段接头预抬高值，作为施 工实施控制的依据。但使用千斤顶斜拉扣挂悬拼架设法施工，也存在以下一些 技术问题： 1) 在拱肋的悬拼施工中，除最后吊装的跨中拱肋节段外，已吊装就位的 各拱肋节段均受以后吊段的影响。在整个悬拼架设过程中，每扣挂一段一般与 上段固结，克服了传统卷扬机滑轮组合拢技术中多铰稳定性差的缺点，并使拱 桥的合拢难度与分段多少无关，但也对拱桥的施工控制提出了更高的要求。在 传统的拱桥合拢技术中， 各拱段拱肋间采用铰支连接， 扣索索力可以实时调整， 结构的可变性较大。而千斤顶斜拉扣挂技术中拱肋间采用固定连接，在整个悬 - 5 - 福州大学硕士学位论文 拼过程中，扣索索力不宜经常调整，因而每段拱肋吊装施工前，都应对吊点标 高的预抬高值、 扣索索力有一个准确的计算估计， 并且比传统的计算要求更高。 2) 采用千斤顶斜拉扣挂技术进行施工，另一个急需解决的问题就是拱肋 合拢精度问题。传统的拱桥合拢都采用松索合拢的方式，即把各拱段抬高，待 最后一段拱肋吊装上去后，再按比例、多次循环放松扣索，以便向最后一段拱 肋靠近、碰上、合拢；而新的合拢方式为合拢后松扣索，即当长度缩短了 30-50cm 的最后一段拱肋就位并与两端悬挂拱桥固结后再松扣索成拱。 这显然 存在一个问题，最后一段拱肋究竟要预留多大的长度，才能使拱肋合拢后，拱 轴线满足设计的要求，有些拱桥最后一段合拢时左右误差甚至达到二十多厘 米。影响拱肋悬拼精度的因素有很多，如：温度变化、制作误差、非弹性变形、 拱肋固结点的变形等各种因素。因此有必要对这些因素进行分析研究，为拱桥 的施工控制计算提供理论的指导依据。 1.3.2 千斤顶钢铰线斜拉扣挂施工方法中的关键问题 在拱肋的悬拼施工中，除最后吊装的跨中拱肋节段外，已吊装就位的各拱 肋节段均受到以后吊段的影响。因此，拱肋吊装施工控制的任务是：提供各拱 肋节段吊装时各拱肋控制点的预抬高值；控制的目标是：使拱肋在合拢后各控 制点的标高满足设计要求，最终使成桥后的拱轴线与设计拱轴线相吻合。即施 工过程中控制拱肋轴线线型 [23-24]是施工控制的关键之一。 目前，常规的拱桥合拢技术中，各段拱肋间采用铰支连接，扣索索力可以 实时调整， 结构的可变性比较大， 但在吊装过程中必须不断地张拉或松弛扣索， 调整扣索索力，这对于还没有形成钢管拱肋骨架，稳定问题特别突出，除施工 安全令人担忧外，还需要较长地施工工期。此外，用该方法施工时，各扣索的 索力值相差悬殊，尤其是靠近拱顶合拢段地扣索索力往往很大，既费材料又不 安全。 而千斤顶斜拉扣挂技术中每吊装一段即与上段固结， 在整个悬拼过程中， 扣索索力不宜经常调整，该方法的关键问题是在每段拱肋吊装施工前，预先准 确计算拱肋控制点的预抬高值、扣索索力值。这样，在施工过程中，考虑拱肋 后续施工拱肋节段对已施工拱肋节段地影响，预先给拱肋节段一定的预抬高 值，随着拱肋节段的不断施工，拱肋节段的预抬高值逐渐被抵消，到拱肋合拢 时，预抬高值就刚好被完全抵消，拱肋轴线恰好落在设计拱轴线上。 扣索一次性张拉的施工方法 [25]，使拱肋施工中不再需要张拉或松弛扣索来调整线 型，而且各扣索的索力相对较均匀。是一种较理想的施工方法，将成为钢管混凝土拱桥 千斤顶钢铰线斜拉扣挂施工方法发展的新趋势。 - 6 - 钢管混凝土拱桥施工监控与拱肋吊装计算 1.4 本文的主要工作 1.4 本文的主要工作 本文以在建的江西省吉安市白鹭钢管混凝土拱桥为工程背景，对其钢管拱 肋节段吊装施工进行分析，制定施工监控方案，严格监控其施工过程中的各个 环节，保障拱肋吊装合拢时拱曲线与设计拱轴线相吻合，确保施工过程的安全 可靠。针对扣索一次张拉的施工方法，进行拱肋各吊装节段控制点的预抬高值 和扣索索力值的计算， 分别采用三维有限元优化算法和简化的工程算法进行计 算，并将两种方法的计算结果进行比较。本文的主要工作包括： 1、 针对白鹭钢管混凝土拱桥这一具体桥梁，制定施工监控方案，对其施工全 过程进行严格监控； 2、 运用 ANSYS 通用软件建立拱肋吊装阶段三维有限元模型，进行节段吊装 施工仿真模拟计算； 3、 将优化理论引入钢管混凝土拱桥吊装施工过程，建立优化目标函数进行施 工迭代计算，求得各拱段在吊装施工阶段的扣索索力值和拱肋控制点预抬 高值，为扣索一次性张拉的拱桥施工方法提供理论控制依据； 4、 考虑施工拱肋为弹性体，建立了拱肋各吊装节段控制点的预抬高值和扣索 索力值计算的简化工程算法，该法将拱段控制点的预抬高值分为两部分进 行力学分析：拱段刚体位移引起的控制点预抬高值和拱段弹性变形产生的 控制点预抬高值。 5、 刚体位移引起的拱肋控制点预抬高值计算通过编制简单的 MATLAB 程序 实现，而拱肋弹性变形引起的拱肋控制点预抬高值通过结构力学求解程序 进行实现，最终的拱段控制点预抬高值为这两部分之和； 6、 将简化工程算法计算的拱肋控制点预抬高值和三维有限元优化理论计算所 得的拱肋控制点预抬高值进行了比较和讨论，表明这两种方法是可行的； 7、 具体应用时，简化工程算法和三维有限元优化算法可互为补充：可先用简 化工程算法进行拱段控制点预抬高值和索力的初步计算，条件许可时，再 用三维有限元优化算法进行详细分析计算，互为验证，确保拱段控制点预 抬高值和索力的计算的正确性。 - 7 - 福州大学硕士学位论文 第二章 吉安白鹭钢管混凝土拱桥施工监控第二章 吉安白鹭钢管混凝土拱桥施工监控 2.1 引言 桥梁施工控制就是对桥梁施工过程实施监控，确保在施工过程中结构内 力、变形始终处于安全范围内，确保成桥状态（包括成桥线型与结构内力）符 合设计要求，以使施工过程得到安全保障，施工质量得以控制。钢管混凝土拱 桥在施工过程中线型控制通常采用的方法 [26]是将实测线型和理论计算线型进 行对比分析，这样可以对结构的施工质量、安全等因素进行评价，判断施工过 程是否正常，并作出相应的处理方法。本文以在建的江西省吉安市白鹭钢管混 凝土拱桥为工程背景，制定监控方案，实施施工全过程监控，确保该桥的施工 质量和安全。 2.2 钢管混凝土拱桥的施工监控 2.2.1 桥梁健康监测的意义及国内外研究现状 自二十世纪七十年代末以来，由于大跨度桥梁结构与构造的轻柔化、形式 与功能的复杂化以及人们对结构安全标准内涵认识的提高， 桥梁健康监测技术 已逐渐成为国内外学术界、工程界关注和研究的热点，并在桥梁监测系统的传 感器与通讯、 数据与信号处理以及桥梁结构损伤检测和参数识别等方面取得了 相当的成果。与此同时，测量、传感、通信和计算机技术的进步也促进了大型 桥梁结构健康监测技术的发展。 国外已有一些己建或在建的大跨度桥梁安装了不同规模的健康监测系统。 例如，丹麦主跨为 1624m的 Great Belt East悬索桥、挪威主跨 530m的 Skarnsundet斜拉桥和总长 1726m的Faroe跨海斜拉桥、墨西哥总长 1543m的 Tampico斜拉桥等，都安装了用于环境、结构响应与形变的传感装置，旨在