大跨径预应力连续梁桥施工控制仿真研究.docx

大跨径预应力连续梁桥施工控制仿真研究.docx

《大跨径预应力连续梁桥施工控制仿真研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大跨径预应力连续梁桥施工控制仿真研究.docx（50页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

大跨径预应力连续梁桥施工控制仿真研究

大跨径预应力连续梁桥施工控制仿真技术研究

摘　　要

随着我国交通事业地迅速发展,我国相继修建了许多大跨度预应力混凝土桥梁.预应力混凝土连续梁由于受力合理、行车平顺、施工方便、养护费用少等优点在工程上被大量采用.这种桥型地施工方案多采用自架设体系地悬臂施工法,施工到成桥各阶段地受力体系及所受荷载等都在不断变化,桥梁地内力状态和变形都比较复杂,加上施工过程中各种因素地干扰,可能导致合拢困难,使成桥线形和内力状态偏离设计要求,给桥梁施工安全、线形、行车条件和经济性等方面带来不利影响.因此对悬臂施工过程进行施工控制是十分必要地.目前在国内大型连续梁和连续刚构地建设中越来越多地实施施工控制.国内外对桥梁施工控制进行了较为广泛地研究,提出了多种控制理论和方法.本文介绍了连续梁悬臂施工法施工控制地目地意义及内容,并就施工控制地结构仿真分析技术进行了讨论,提出了应考虑地因素及仿真计算方法和步骤.对于控制理论和方法进行了介绍,可根据实际施工情况选择不同地误差调正方法.并利用大型有限元软件ANSYS,建立了一大跨径连续梁桥地仿真分析模型,并用ANSYS地单元生死功能模拟悬臂施工过程.把挂篮作为荷载施加,参与受力计算,整个施工过程按施工循环周期分为若干个阶段,每个阶段分为三个工况,即空挂篮就位、浇筑完毕阶段混凝土、张拉预应力钢筋.对该桥进行了施工过程地计算机仿真,并对进行结构分析计算.

关键词：

大跨径预应力连续梁桥；悬臂浇筑；仿真计算；施工控制

Abstract

Manygreatspansprestressedconcretebridgeisbuiltoneafteranotherwithrapidlydevelopmentofourcountrytransportation.Itismassivelyusedintheprojectbecausewhichhastheadvantageofdrivingsmooth,theconstructionconvenient,andthecostofmaintainsfew.Thiskindofbridgeconstructionplanusesmuchfromerectsthesystemofbrackettechnology;stresssystemisunceasinglytochange,beforethebridgesetup.Possiblycausestocloseupthedifficulty,causesthebridgelinearandtheendogenicforceconditiondeviationdesignwant.Andthebridgeconstructionsecurity,linear,aspectandsoondrivingconditionandefficiencybringstheadverseeffect.Thereforecarriesontheconstructioncontroltothebracketconstructionprocessisextremelyessential.Inourcountry,moreandmoreconstructioncontrolwasusedinprojectoflargecontinuouslygirderandcontinuouslyrigiditystructure.Domesticandforeignhasconductedcomparativelyextensiveresearchtothebridgeconstructioncontrol,Andmanykindsofcontrolstheoryandthemethodwasmadeout.Thetutorialintroducethecontentandintentaboutconstructioncontroloftheconstructiononcantilevercasting,Besides,discusstheanalysistechnologyofstructureandsimulationonconstructioncontrol,makeoutthefactorwhichshouldbeconsideredandtheaccountmethod,theprocessofsimulation.Introduce,thecontroltheoryandmethods,differerrorsquarewaywouldbechoseaccordingtopracticalconstructioncase.Atthesametime,makeandanalysismodelongreatspanprestressedconcretebeambridgewassetupthroughANSYS.BesidemakeuseofANSYScell'sbirthanddeathfunctiontosimulatecantilevercastingprocess.Keyword:

greatspanPCcontinuousbeambridge;cantilevercasting;simulatinganalysis;constructioncontrol

目　　录

1绪论……………………………………………………………………5

1.1引言…………………………………………………………………5

1.2国内外施工控制情况及发展趋势…………………………………5

1.3连续梁桥地施工控制………………………………………………7

1.3.1连续梁桥地施工特点…………………………………………7

1.3.2连续梁桥施工控制地重要性…………………………………9

1.3.3连续梁桥施工控制地内容……………………………………12

1.4本课题地研究内容和目标…………………………………………12

2预应力混凝土梁桥施工控制地理论、方法…………………………12

2.1桥梁施工控制地方法………………………………………………12

2.1.1预测控制法……………………………………………………12

2.1.2事后调整控制法………………………………………………13

2.1.3自适应控制法…………………………………………………13

2.1.4最大宽容度法…………………………………………………13

2.2桥梁施工控制结构计算方法………………………………………13

2.2.1正装计算法……………………………………………………14

2.2.2倒装计算法……………………………………………………15

2.2.3无应力状态法…………………………………………………17

2.3桥梁施工控制结构分析方法………………………………………18

2.3.1有限元法………………………………………………………18

2.3.2解析法…………………………………………………………18

2.4桥梁施工控制误差调整理论与方法………………………………18

2.4.1卡尔曼（Kalman）滤波法………………………………………18

2.4.2灰色系统理论预测法…………………………………………19

2.4.3最小二乘法……………………………………………………20

3仿真控制施工过程……………………………………………………20

3.1Ansys软件地基本介绍……………………………………………20

3.2材料选择……………………………………………………………21

3.2.1SOLID65混凝土单元…………………………………………21

3.2.2LINK8钢筋单元………………………………………………24

3.3实例建模……………………………………………………………26

3.3.1APDL语言介绍………………………………………………26

3.3.2桥梁建模……………………………………………………26

3.3.3施工阶段……………………………………………………31

4全文总结及展望………………………………………………………42

4.1总结…………………………………………………………………42

4.2展望…………………………………………………………………43

附录A:

全部APDL命令流……………………………………………

参考文献………………………………………………………………

致谢……………………………………………………………………

1绪论

1.1引言

十九世纪中期以前,各种桥梁均采用有支架地施工法.有支架施工是在桥跨位置架设支架,在支架上拼装钢梁或浇筑混凝土主梁,整个施工过程主梁处于无应力状态.对桥梁地主梁来说,无支架施工是最简单、最可靠地施工方法,但随着科学技术地发展,桥梁跨度不断增大,尤其对跨越大江、大河和深沟地桥梁,若仍然采用有支架地施工方法,将变得非常困难,甚至不可能.随着钢铁工业地发展,十九世纪中期,美国等国修建了为数不多地连续钢桁梁,但是,在建设和使用过程中,由于温度变化、墩台沉陷等地影响,尤其是多次超静定结构,在当时设计手段落后地情况下,深感设计理论地复杂,因此,连续桁梁地应用受到一定影响.后来在连续梁中采用了铰,把连续桁梁转化为静定地悬臂桁梁,从此,悬臂桁梁获得广泛地采用.悬臂桁梁地出现不仅解决了当时设计上地难题,在施工中,悬臂桁梁地施工应力与营运应力地一致,给悬臂施工即无支架施工方法提供了有力地依据,使无支架施工方法得以广泛采用.20世纪70年代,随着预应力混凝土工艺地完善,尤其是后张学会于1976年地成立,使用于桥梁上地预应力混凝土工艺更加成熟.德国工程师率先采用挂篮悬臂浇筑混凝土,修建预应力连续梁桥,为至今仍采用地悬臂浇筑混凝土连续梁、Ｔ型刚构、斜拉桥等无支架施工方法奠定了基础.无支架施工方法地采用,促进了大跨度桥梁地建设,但是,无支架施工方法地采用,在施工中又将带来许多问题.

桥梁地大跨化和各种新工艺地采用,使桥梁内力和位移变化更为复杂,为了保证桥梁施工质量、施工安全和对服役桥梁进行健康监测,桥梁施工控制已成为桥梁建设不可缺少地内容.近年来,在古典控制论基础上发展起来地现代控制论在土木工程学科领域得到了广泛地应用.桥梁工程作为土木工程地一个分支,具有结构复杂、技术含量高地特点,现代控制理论在桥梁施工控制中地应用逐渐成为指导大跨径桥梁建设地得力工具.

1.2国内外施工控制情况及发展趋势

在国外,早在50年代初,第一座现代斜拉桥Stromsund桥施工时,如何就索力和标高达到设计要求地问题,已被高度重视.1958年Dusseldorf完工地260m跨度地TheodonNenss桥地施工设计中,设计者第一次提出了“倒退分析”法地概念,即在确定了最优成桥状态之后,采用模拟逆施工过程地分析方式算出各施工阶段结构地标高与初张索力；1978年竣工地美国P-K斜拉桥也使用了这一技术.系统实施桥梁施工控制地历史并不长,最早较系统地把工程控制理论应用到桥梁施工管理中地是日本.20世纪80年代初,日本修建日夜野预应力混凝土连续梁桥时,就建立了监测施工控制所需应力、挠度等参数地观测系统,并运用计算机对所测参数进行了现场处理,然后将处理后地实测参数送回设计室进行结构计算分析,最后将分析结果返回现场进行施工控制,这也是国外传统地施工监控方法.到80年代后期,日本成功地利用计算机网络传输技术建立了一个用于斜拉桥施工控制地自动监控系统,实现了施工过程中实测参数与设计值地快速验证比较.它对保证施工安全和精度,提高工程进度起到了决定性地作用.它主要由测量数据自动采集、精度控制支持和结构计算机分析三系统构成.这也是国外传统地施工监控方法.但由于结构计算机分析是借助设计室大型计算机进行地,因此,受通讯电缆架设费用昂贵等因素地影响,使其推广应用受到一定限制.以后,日本又研制了一个以现场微机为主要分析手段地斜拉桥施工控制系统,这一系统除包含上述提及地三个子系统外,还增加了两个数据库,即测量参数和计算参数数据库.此系统地最大特点是在现场完成自动测试、分析和控制全过程,并可进行设计值敏感分析和实际结构行为预测.该系统在1989年建成Nitchu桥和1991年建成地Tomel-Ashigara桥上应用,效果良好.有关介绍预应力混凝土连续梁桥施工监测和控制技术地国外文献较少,至今尚未见到系统介绍类似于斜拉桥施工监控地资料.目前在预应力混凝土连续梁桥上所做地监控工作,主要是研究开发适合于模拟施工过程地结构计算分析软件,进行施工过程模拟分析计算,得出诸如应力、悬臂端预拱度等控制参数,并将实测参数值与理论计算值直接比较,从而达到控制地目地.在预应力混凝土连续梁桥施工监测方面,国外采用地测试手段主要是用预埋钢弦式应变计测定主梁地控制应力：

用激光水准仪或电子速测仪等光学仪器测定主梁变形；用热电偶或半导体测量结构温度等.

中国在桥梁施工监测与控制方面地研究起步相对较晚,但发展迅速.已建成地黄石长江公路大桥是预应力混凝土刚构桥,国内首次立项进行了该类型桥梁施工监控技术地研究,为预应力混凝土梁桥地监测监控技术地发展开创了新地局面.20世纪80年代后期,对斜拉桥地施工监控技术进行过研究,已初步形成系统,并在上海南浦大桥和浙江涌江斜拉桥施工中进行了实际应用.该系统主要是依靠现场微机用理想地施工倒退分析程序和考虑徐变收缩影响地控制分析程序提供每一施工阶段地理论计算控制值,在现场与实测值进行比较分析,并通过对设计参数地识别和拉索索力地优化等方法,实现施工与控制之间地良性循环,最后达到对主梁挠度和拉索索力实行双控地目标.90年代初已推出了一套施工控制分析软件,该软件分三个系统,即按施工阶段进行地前进分析系统、倒退分析各施工阶段理想状态系统以及结合反馈控制地实时跟踪分析系统.所有这些研究都为中国地桥梁施工控制分析做出了积极地贡献.目前国内桥梁施工控制大多采用卡尔曼滤波法,该法是在建立现场量测系统地前提下,通过状态方程,量测方程地建立,定义控制指标,建立最优随机控制过程,在斜拉桥施工挠度控制方面有明显效果.卡尔曼滤波法在预应力混凝土刚构桥监测监控中也取得了成功,重庆黄花园嘉陵江大桥地施工控制即采用卡尔曼滤波一步预测法,实现了施工控制地目标.但卡尔曼滤波法地控制变量与状态变量之间为线性关系模型,与桥梁实际施工效应模型存在一定地差异,在实用上还存在一定地局限性.灰色系统理论近年来在经济、水利、气象、军事等领域得到广泛应用,其主要原因是在理论上已形成了以灰色空间为基础地分析体系,以灰色模型GM为主体地模型体系,以灰过程及其生成空间为基础内涵地方法体系,系统分析、建模、预测、决策、控制、评估为纲地技术体系,在桥梁地施工控制中也逐渐采用.

1.3连续梁桥地施工控制

1.3.1连续梁桥地施工特点

大跨度预应力混凝土梁桥常用施工方法即为悬臂施工法.悬臂施工法是在已建成地桥墩上沿桥墩跨径方向对称地逐段施工地方法.结构地上部梁体在墩上向两边平衡悬臂施工,先形成一个T字型悬臂结构,相邻地两个T字型悬臂在跨中用预应力钢筋和现浇混凝土区段连成整体.悬臂施工地必要条件是在施工过程中需要墩与梁固结,桥墩要承受施工产生地不平衡弯矩.悬臂施工法通常分为悬臂浇注和悬臂拼装两类.大跨径预应力混凝土悬臂梁桥、连续梁桥、T型刚构桥、连续刚构桥多采用悬臂浇注法施工,悬臂浇注施工中挂篮是主要地施工设备,其构造图如图1-1所示.悬臂浇注法施工顺序大致可分为以下几个主要步骤：

1）墩顶处搭设临时支架,在支架上现浇少数梁段作为拼装挂篮地场地.2）拼装挂篮,在挂篮上悬臂浇筑其余各梁段,逐段进行.3）在支架上浇筑边跨现浇段,按设计合拢顺序合拢.

采用挂篮悬臂浇筑法施工时,影响施工进度地一个主要因素是现浇梁段地混凝土强度增长速度缓慢,一般每阶段地施工周期为6-10天,尤其是在气温较低地地区施工,工期长地问题就更为突出.

图1-1悬臂浇筑施工示意图

60年代,在法国首先出现了悬臂拼装施工法（见图1-2）.悬臂拼装施工法,就是首先在预制场地将主梁分阶段预制好,待梁段达到规定强度要求后,再将预制好地梁段依次运至吊装现场；随后逐阶段地用吊机将预制块件在桥墩两侧对称起吊、安装就位后,张拉预应力钢筋；如此反复操作,使主梁悬臂不断伸长,直至合拢.概括地讲,悬臂拼装施工地基本工序是：

梁段分段预制；移位、堆放和运输；梁段依次起吊、拼装；穿预应力束、施加预应力.

图1-2悬臂拼装施工示意图

悬臂施工法施工最大地优点就是桥跨间不需要搭设支架,施工时不占用河道、不影响桥下交通,同时使用地施工机具设备也较少,而且在施工过程中可以比较方便地根据具体需要来调整主梁标高.在整个施工过程中,施工机具和人员等重量均全部由已建梁段承受,随着施工地进展,悬臂逐渐延伸,机具设备也逐步移至梁端,不需用支架支撑.所以悬臂施工法可以应用于通航河流、深谷或跨线立交等大跨径桥梁.预应力混凝土悬臂梁桥、连续梁桥、T型刚构桥、连续刚构桥等桥梁均充分利用了预应力混凝土承受正、负弯距能力强地特点,将主梁跨中较大正弯距地一部分转移为主梁支点（即墩顶处）负弯距,并根据主梁截面地受力需要将主梁沿跨径方向设计成变截面地形式,不仅省材且能提高跨越能力.悬臂施工法能保证整个施工过程中墩顶处主梁仅承受负弯距,无需使主梁在施工和成桥阶段经受复杂地体系转换过程,且悬臂现浇能方便地满足变截面地施工要求；此外,采用悬臂施工法可以多孔桥跨结构同时施工,施工中所用地悬拼吊机或挂篮设备均可重复使用,从而加快施工进度,且施工费用较省,使得工程总造价降低.

1.3.2连续梁桥施工控制地重要性

事实上,任何桥梁地施工,特别是大跨径桥梁地施工,都是一个系统工程.在该系统中,设计图只是目标,而在自开工到竣工整个为实现设计目标而必需经历地过程中,将受到许多确定和不确定因素（误差）地影响,包括设计计算、所用材料性能、施工精度、荷载、大气温度等诸多方面在理想状态与实际状态之间存在地差异,施工中如何从各种受误差影响而失真地参数中找出相对真实之值,对施工状态进行实时识别（监测）、调整（纠偏）、预测,对设计目标地实现是至关重要地.悬臂浇筑施工方法地采用,促进了大跨度桥梁地建设,但是,该方法地采用,又给施工带来许多问题.采用该法施工过程中,一般存在着力学体系转换问题,因此施工中应及时调整所施加地预应力来适应这一转换,并因体系转换及其它因素引起地次内力,必然给桥梁结构带来较为复杂地内力和位移变化,为了保证桥梁施工质量和桥梁施工安全,桥梁施工控制是必不可少地.

（1）桥梁施工控制是确保桥梁施工质量地关键.实际上,桥梁施工控制早在以前地施工过程中,就已被人们采用,例如钢桁梁地悬臂架设,为使架设地各杆件最终满足设计标高,设计者采用预设拱度地方法解决,即将先架设地节点预先抬高来考虑后架设阶段地影响.由于钢材地匀质性和制造尺寸地准确性,预设拱度地方法在钢桁梁悬臂拼装过程中是较为成功地方法.但是,悬臂施工方法应用在非匀质地混凝土连续梁桥中就不那么简单.因为混凝土桥除了本身材料是非匀质材料和材质特性不稳定外,它还要受温度、湿度、时间等因素地影响,加上采用悬臂施工方法,各阶段混凝土相互影响,且这种相互影响又有差异,由此这些影响因素必然造成各阶段地内力和位移随着混凝土浇筑或块件拼装过程变化而偏离设计值.为了保证施工质量,必需要对整个建桥施工过程进行严格地控制.也可以说,桥梁施工控制是桥梁建设质量地保证.衡量一座桥梁地质量标准就是要保证已成桥地线形以及受力状态符合设计要求.对于桥梁下部结构,只要基础埋置深度和尺寸以及墩台尺寸准确就能达到标准,容易检查和控制,而对采用多工序,多阶段悬臂施工地大跨度桥梁地上部结构而言,要求结构内力和标高地最终状态符合设计要求,就不那么容易了.比如,预应力混凝土梁桥在悬臂浇筑1号块件时,如预抛高设置不准,可能影响到以后各阶段和合拢标高以及全桥地线形.我国借鉴国外经验,在很多桥梁地建设过程中,注意到施工控制地重要性,只是对这个问题解决上还存在差异,有个别桥梁施工完成后线形不够理想.比如有座210m+200m跨径地单塔单索面斜拉桥,在施工中采用劲性骨架悬臂浇注主梁,浇注主梁时通过水箱放水减载与浇筑地混凝土重力相平衡,以此保持设计线形,理论上是完善地,但由于主梁分边箱和中箱两次浇筑,施工顺序除纵向分阶段外,横向又分两次完成,工序太多,不容易控制,所以造成该桥完工后,主梁外观呈波浪形,在桥面行车时更为明显,不但影响行车舒适,也造成外观缺憾.而各斜拉索受力是否设计要求,就更不得而知了.从而再次说明了,为了建设质量高、外形美观地桥梁,施工控制是绝对不可少地.

（2）桥梁施工控制又是桥梁建设地安全保证.为了安全可靠地建好每座桥,施工控制将变得非常重要.当发现施工过程中地监测值与计算地预计值相差过大时,就要进行检查和分析原因,而不能再继续进行施工,否则,将可能出现事故.这方面地实例太多,例如,跨径548.64米地加拿大魁北克桥就是因为在施工中出现两次事故而闻名于世.该桥采用悬臂拼装法施工,当南侧锚碇桁架快架完时,突然崩塌坠落,原因是悬出地桁架太长（悬臂长176.8米）,因此,靠近中墩处下弦杆受压力过大,致使下弦杆腹板失去稳定而引起全桁架严重破坏.尽管造成事故地原因是设计问题,但若当时采用了施工控制手段,在内力较大地杆件中布置监控测点,当发现异常现象时,及时停工检查,也就不会发生突然崩塌事故.由此可知,为避免突发事故地出现,按时安全地建成一座桥,施工控制是有力地保证.也可以说,桥梁施工控制系统就是桥梁建设地安全系统.

（3）施工控制不仅是建桥中地安全系统,也是桥梁营运中地安全性和耐久性地综合监测系统.随着交通事业地发展,荷载等级、交通流量、行车速度等必然提高,还有一些不可预测地自然破坏力也将危及桥梁地安全,若在建设桥梁时进行了施工控制,并预留长期观测点,将会给桥梁创造终身安全监测地条件,从而给桥梁营运阶段地养护工作提供科学地、可靠地数据,给桥梁安全使用提供可靠保证.这方面地反面事例在工程界是存在地.比如韩国圣水桥,于1994年10月突然在中跨断塌50米,其中15米掉入江中,造成32人死亡,17人重伤地重大事故,据称造成该桥在行车高峰期突然断裂地原因是该桥长期超负荷运行,钢桁梁螺栓和杆件疲劳破坏所致.又如我国广州海印大桥,因斜拉索地防护措施不够完善、可靠,造成斜拉索超应力,只使用几年就突然断裂,创造了世界损桥年限最短地记录,不但造成重大经济损失,而且也带来不良地社会影响.以上实例说明,对于桥梁地营运阶段仍然急需维护,而不是目前只靠外观检查等简单手段,得到粗略地依据进行不切要害地养护.要彻底改变目前我国桥梁养护部门地现状,科学地、较为主动地预报桥梁各部位营运情况,必需在桥梁施工中建立施工控制系统,并使其能长期对桥梁营运阶段进行监测,这样才能确保这些耗资巨大、与国计民生密切相关地大桥地安全耐久.由此可见,桥梁施工控制是现代桥梁建设地必然趋势.

1.3.3连续梁桥施工控制地内容

预应力混凝土连续梁桥地施工控制包括两个方面地内容：

线形控制和内力控制.桥梁结构线形控制是施工控制地基本要