高速铁路大跨度连续钢桁梁柔性拱桥施工控制关键技术研究

摘要

钢桁梁柔性拱桥作为一个完美的组合结构体系，充分考虑了梁和拱的受力特点，不仅增加了结构的跨越能力，还可以在受到荷载时充分发挥材料的力学性能。同时由于一般采用先工厂预制杆件、后现场进行拼装的施工方法，提高了施工效率。钢桁梁柔性拱桥在建造过程中，由于各种因素的影响，实际桥梁状态与设计状态之间必定存在误差，且随着施工的继续进行，这些误差逐渐累积，最终有可能会导致成桥后的线形和应力状态与设计理想状态相差较大，甚至会危及到结构安全。因此大跨钢桁梁柔性拱桥的施工控制越来越被重视。
　　本文以银川机场黄河特大桥主桥3×168m连续钢桁梁柔性拱桥为工程背景，结合大跨度桥梁施工控制理论、有限元计算方法和现场实测结果对该桥在施工控制过程中所遇到的一些关键问题进行研究解决，在为该工程的顺利完工提供技术支持的同时，也积累了该类桥型的建造经验。论文主要工作与研究成果如下:
　　(1)首先对钢桥的发展历史做了回顾;介绍了钢桁架拱桥的分类及其力学特点;对桥梁施工控制的意义以及大跨度桥梁施工控制理论进行了总结;对本文所研究的钢桁梁柔性拱桥所采用的施工方法和监控方案进行了详细的说明。
　　(2)结合本桥具体施工过程，基于初始位移法推导了悬臂拼装过程中拼装线形的计算公式，并用该公式的计算结果指导现场施工;从临时墩支点标高、冲钉质量以及杆件拼装误差三方面对拼装过程中线形精度控制进行了研究。针对该桥实际架设过程中出现的节点标高过低的现象，通过分析误差产生的原因，并结合现场实际情况提出了更换冲钉后将悬臂端提升的调整措施。
　　(3)基于吊杆风洞试验结果，对柔性拱拼装过程中的静风响应进行了计算，掌握了施工过程中的最不利工况。结果表明，当施工至一定阶段，在风荷载和自重作用下柔性拱杆件应力会超过材料容许应力上限。为了避免出现柔性拱失稳现象，结合结构特点及现场实际情况提出了内部缆索法和外部缆索法两种抗风措施，对两种方案的抗风效果进行了对比。从缆索的布置位置和数量两个方面对内部缆索法进行了优化，有效的改善了柔性拱拼装过程中的抗风性能。
　　(4)基于第一个柔性拱合拢时的架设工况，结合有限元模型计算结果和现场实测结果，讨论了合拢口形状随温度的变形情况，确定了适宜的合拢时间段。针对该拱拱脚无法自然合拢的现象，通过计算分析提出了项升合拢方案;对顶升合拢过程中的部分杆件实测的应力变化和理论计算的应力变化进行了对比分析。
　　(5)针对落梁过程中可能由支点高差所引起的杆件受力变化进行了分析讨论，结果表明最不利受力工况下，全桥杆件的最大应力均在材料允许的受力范围之内;同一墩支点之间的高差是施工控制重点。对落梁完成后的线形、应力测量结果进行分析，说明了该桥施工控制的效果达到设计要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 大跨度钢桥的发展

1．2．1 国外大跨度钢桥的发展

1．2．1 国内大跨度钢桥的发展

1．3 大跨度钢桁架拱桥的结构形式及受力特点

1．3．1 大跨度钢桁架拱桥的主要结构形式

1．3．2 大跨度钢桁架拱桥的结构特点

1．4 桥梁施工控制理论及方法概述

1．4．1 桥梁施工控制的必要性

1．4．2 桥梁施工控制内容

1．4．3 大跨度桥梁施工控制方法

1．5 本文研究的主要内容

1．5．1 研究背景

1．5．2 本文主要研究内容及思路

2 3×168m连续钢桁梁柔性拱桥施工方法和监控方案

2．1 钢桥施工方法

2．1．1 3×168m连续钢桁柔性拱桥施工方法

2．1．2 施工难点和重点

2．2 钢桥施工控制的内容与目标

2．2．1 施工控制技术难点

2．2．2 施工控制内容与目标

2．3 钢桥施工控制的实施

2．3．1 有限元仿真模型的建立

2．3．2 线形监测

2．3．3 应力及温度监测

3 钢桁梁悬臂拼装过程中的线形控制

3．1 悬臂拼装过程中的几种线形

3．1．1 相关线形概念

3．1．2 设计成桥线形和制造线形的关系

3．2 主桁拼装线形计算

3．2．1 初始位移法

3．2．2 切线位移法

3．2．3 节点标高的确定

3．2．4 基于初始位移法的连续钢桁梁拼装线形计算

3．3 拼装误差控制技术

3．3．1 拼装误差影响因素

3．3．2 临时墩支点标高的控制

3．3．3 定位冲钉的质量控制

3．3．4 杆件拼装技术

3．4 节点标高的调整措施

3．4．1 节点标高误差来源分析

3．4．2 节点标高调整原理

3．4．3 节点标高调整步骤

3．4．4 节点标高调整过程中的受力可行性分析及现场试验结果

3．5 本章小结

4 柔性拱拼装过程中的抗风措施研究

4．1 平均风特性及其静力作用

4．1．1 风荷载

4．1．2 平均风

4．1．3 静力作用

4．2 柔性拱拼装过程中静风响应分析

4．2．1 柔性拱合拢工况

4．2．2 风荷载计算

4．2．3 柔性拱静风响应

4．3 柔性拱抗风措施及优化

4．3．1 抗风措施比选

4．3．2 抗风措施优化

4．4 本章小结

5 柔性拱的顶升合拢工艺

5．1 钢桁梁的合拢误差及调整技术

5．1．1 合拢位置误差及其影响因素

5．1．2 合拢误差调整技术

5．2 柔性拱合拢难点及合拢前准备工作

5．2．1 合拢难点

5．2．2 合拢前准备工作

5．3 合拢口变形温度敏感性分析

5．3．1 合拢工况

5．3．2 分析方法及分析结果

5．4 柔性拱的顶升合拢工艺

5．4．1 合拢工况及合拢方案

5．4．2 顶升合拢方案可行性分析

5．4．3 起顶设备布置及合拢效果分析

5．5 本章小结

6 3×168m连续钢桁梁柔性拱桥落梁施工技术

6．1 落梁方案和施工技术

6．1．1 落梁方案

6．1．2 落梁施工技术难点

6．1．3 落梁施工监控内容及方法

6．2 钢梁起落梁墩顶布置

6．3 落梁过程中支点起顶高差引起的结构应力变化理论分析

6．3．1 支点起顶高差模拟工况及模拟方法

6．3．2 不同支点高差引起的结构应力变化

6．4 落梁过程及成桥状态监测结果

6．4．1 落梁前现场实测资料分析

6．4．2 成桥状态监测结果

6．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果