大跨钢箱梁斜拉桥的施工监控及索力测试

摘要

斜拉桥是典型的高次超静定结构，其成桥线形和内力状态与施工过程高度耦合，故必须对斜拉桥进行施工监控。在大跨钢箱梁斜拉桥的主梁施工控制中，主梁标高和拉索索力是关键控制参数，日间温度场变化对控制参数的影响不可忽略。另外拉索索力决定了斜拉桥的内力状态，拉索内、外置减震器的安装对常规频率法索力测试的影响不可忽略。基于此，本文以南益高速公路南洞庭大桥的施工监控为背景，分别从钢箱梁斜拉桥温度场、主梁施工控制以及斜拉索索力测试三个方面开展了研究工作，以期对大跨钢箱梁斜拉桥的施工控制和索力测试有指导意义。　　(1)斜拉桥温度场及数值模拟。施工中的无铺装钢箱梁斜拉桥在日间气温以及太阳辐射的作用下，形成随时间变化的温度场。相较于混凝土主梁，钢箱梁热容较低，受太阳辐射影响温度变化迅速且变化幅度较大；同时钢箱梁刚度更小，温度作用效应对主梁施工关键参数影响较大。本文基于ASHRAE晴空模型，对构件表面太阳辐射热通量进行了模拟，提出了斜拉桥桥塔、主梁和斜拉索三大构件的温度场模拟方法，并将使用ABAQUS热传导有限元计算的模拟温度场与实测温度场进行对比，论证了本文温度场模拟方法的合理性。　　(2)斜拉桥主梁施工控制。结合实际施工监控数据，采用卡尔曼滤波法和灰色系统理论法对施工关键参数进行预测，比较了两种预测方法的预测效果。基于本文提出的温度场模拟方法，以最长悬臂工况为例，通过瞬态顺序热力耦合分析计算了温度作用对悬臂端标高以及远端索力的影响，并提出了考虑温度作用效应的控制参数调整方法。结果表明：卡尔曼滤波法的整体预测效果更好；钢箱梁和斜拉索的温度作用对悬臂端标高的影响较大，钢箱梁的温度作用对远端拉索索力影响远高于拉索和桥塔，桥塔温度场对二者的影响很小。　　(3)斜拉桥的索力测试。通过对有阻尼、有弹簧支承斜拉索系统的自由振动分析，明确了实际拉索减震器提供的模态阻尼、支承刚度及其安装位置对斜拉索转换一阶频率n/fn的影响。通过对拉索支撑刚度与转换一阶频率的关系进行归纳总结和数学简化，推导了适用于同时装有内、外置减震器拉索的索力测试方法；该方法结合常规的索力仪，可以方便地进行工程应用。实测结果表明：以一般频率法对两端装有高阻尼橡胶环内置减震器的斜拉索进行索力测试的最大索力偏差达到22.4%；在计入内置减震器影响的前提下，加装VSD外置减震器使索力测试的最大偏差达到2.0%。使用本文的索力测试方法计入内、外置减震器的影响，可有效降低索力测试偏差。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 概述

1.2.1 钢箱梁斜拉桥

1.2.2 斜拉桥施工监控

1.2.3 钢箱梁温度场

1.2.4 斜拉索索力测试

1.3.1 斜拉桥施工监控

1.3.2 钢箱梁温度场

1.3.3 斜拉索索力测试

1.4 工程背景

1.5 本文的主要工作

第 2 章斜拉桥结构温度场的测试与分析

2.1.1 桥塔温度测点布置

2.1.2 钢箱梁温度测点布置

2.1.3 斜拉索温度场测点布置

2.2 温度场观测结果与分析

2.2.1 桥塔温度场观测结果与分析

2.2.2 钢箱梁温度场观测结果与分析

2.2.3 斜拉索温度场观测结果与分析

2.3 温度场计算理论及数值模拟

2.3.1 桥塔温度场模拟与分析

2.3.2 钢箱梁温度场数值模拟与分析

2.3.3 斜拉索温度场数值模拟与分析

2.4 本章小结

第 3 章斜拉桥主梁施工控制

3.1 施工方案

3.2 主梁架设关键参数的确定

3.2.1 施工控制有限元模型

3.2.2 拉索初索力

3.2.3 梁段安装标高与预制标高

3.2.4 拉索的无应力索长

3.3 施工过程中的参数预测

3.3.1 卡尔曼滤波法

3.3.2 灰色系统理论法

3.3.3 预测效果对比

3.4.1 成桥线形

3.4.2 成桥索力

3.5 日间温度场变化对斜拉桥主梁施工的影响

3.5.1 瞬态顺序热力耦合分析

3.5.2 考虑温度作用效应的控制参数调整方法

3.6 本章小结

第 4 章斜拉索的索力测试

4.1 无阻尼拉索索力测试方法

4.2 有减震器斜拉索的索力测试

4.2.1 有阻尼拉索系统的自由振动分析

4.2.2 有弹簧支承拉索系统的自由振动分析

4.2.3 有减震器拉索系统的索力测试方法

4.3 实测结果分析

4.3.1 有内置减震器拉索索力测试结果分析

4.3.2 有外置减震器拉索索力测试结果分析

4.4 本章小结

结论和展望

主要结论

有待进一步研究的问题

参考文献

致谢