平转法施工桥梁转动球铰受力精细化分析及平衡控制研究

摘要

由于可以最大限度地减小对既有线运营的影响，桥梁平转法施工技术在立体交叉交通网布局施工中被广泛应用，但其理论研究明显落后于工程实践。本文以桥梁平转施工中的关键部件——转动球铰为研究对象，旨在建立合理的转动球铰局部受力分析模型、解决转动体稳定性控制等关键问题，为平转法施工的工程实践奠定可靠的理论基础。论文开展了如下的研究工作：
　　（1）采用空间分析方法，对球铰接触面的压应力进行了理论计算，并探讨了其分布规律。通过对球铰受力状态深入分析，推导出了球铰接触曲面空间压应力计算公式。通过计算发现球饺竖直方向压应力的分布规律为中间大、两端小，总体分布上呈抛物线型。
　　（2）采用通用有限元程序，对转体过程中球铰在不同工况下的受力状态进行了模拟计算；在实际施工过程中，对球铰的受力变化情况进行了现场测试，通过与有限元程序计算结果的对比分析，掌握了球铰的受力特性和变化规律。此外，对球铰在竖向荷载、存在不平衡力矩、撑脚与滑道接触等三种不利工况下接触面应力进行仿真分析，得出了球铰接触面的压应力数值相对较小、采用普通钢筋混凝土球铰也可以满足大跨径平转法施工桥梁受力要求的结论。
　　（3）根据球铰的受力特点和施工工艺，提出了有关转动系统及牵引系统构造方面的参数优化，以及控制参数计算方法的改进措施。
　　（4）运用声发射技术，设计了球铰受力的动态测试方案，对转体过程中球铰内部的受力状态进行了实时测量和记录。提出了以声发射信号向量组的相识程度作为球铰异常情况的监测控制指标。
　　（5）结合转体过程中可能出现的失稳类型，推导得到了转动体失稳临界力矩计算公式，并对实际工程的转体稳定性进行了计算分析。提出了考虑稳定性的偏心距控制范围，并根据代表性桥梁统计分析提出了球铰静摩擦系数改进计算公式。
　　（6）通过对转体平衡控制开展研究，推导出了转体稳定临界力矩公式，提出了基于墩柱底应力监测和球铰下混凝土应力差的两种新的不平衡力矩预估方法；基于施工中的应力测量数据，开展了转动体不平衡力矩估算方法研究，并结合现场称重测试结果验证了估算方法的精度。
　　（7）针对转体施工提出了结构受力监测方案，在掌握结构受力规律的基础上设计了合理的传感器布置方案，开发了转体动态实时监测及预警系统，对梁端振动情况，以及左、右幅同时转体的同步性进行监测，并在异常状态时发出预警，构建了“预估控制—实时监测—动态预警”为一体的桥梁转体过程平衡控制系统。
　　本文采用理论分析、数值模拟计算和试验测量相结合的手段对桥梁平转法施工过程中的关键力学问题进行了深入的研究，给出了转动球铰局部受力特性和规律，并围绕保障施工安全开展了转动体失稳临界力矩的研究。在总结本文理论研究中得到的成果和规律的基础上，开发了转体动态实时监测及预警系统，以保障转体施工过程的安全顺利。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文研究目的及主要内容

第2章 转动球铰接触面应力理论分析

2.1 引 言

2.2 转动系统的主要构造

2.3 转动球铰接触面应力简化计算

2.4 弹性体接触的赫兹求解

2.5 转动球铰接触面应力空间求解

2.6 工程实例分析

2.7 本章小结

第3章 转动球铰接触面应力的数值分析计算

3.1 引 言

3.2 接触问题数值分析方法

3.3 转动球铰受力状态的数值分析

3.4 依托工程实例分析

3.5 本章小结

第4章 转动球铰系统参数优化

4.1 引 言

4.2 转动球铰系统构造参数优化

4.3 球铰材料类型优化

4.4 转盘尺寸及偏心距控制优化

4.5 球铰静摩擦系数计算方法改进

4.6 上部构造现浇段施工方案优化

4.7 本章小结

第5章 转动球铰内部受力状况动态监测

5.1 引 言

5.2 声发射技术的基本原理

5.3 转体过程球铰声监测方法

5.4 转体过程球铰声监测过程

5.5 球铰状态监测结果

5.6 本章小结

第6章 平转法施工桥梁转体稳定性分析

6.1 引 言

6.2 平转法施工桥梁抗倾覆系统组成

6.3 转体可能发生失稳形式

6.4 球铰失稳临界力矩推导

6.5 撑脚支点失稳临界力矩公式推导

6.6 转体过程静风稳定性分析

6.7 转体过程风荷载抖振时域分析

6.8 本章小结

第7章 平转法施工桥梁不平衡力矩预估

7.1 引 言

7.2 转动体不平衡力矩测试方法

7.3 基于墩身应力测量的不平衡力矩预估

7.4 基于球铰下应力差法不平衡力矩预估

7.5 本章小结

第8章 平转法施工桥梁转体平衡动态监测

8.1 引 言

8.2 最大悬臂状态平衡控制参数敏感性分析

8.3 转体过程动态监测常规内容

8.4 转体过程桥梁动态响应监测

8.5 左右幅同时转体时同步性监测

8.6 本章小结

第9章 结论与展望

9.1 本文主要工作

9.2 主要研究成果

9.3 主要创新点

9.4 展 望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研项目