桥梁施工控制技术2010课件

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1、第四章桥梁施工控制结构分析,1 概述,施工控制结构分析考虑的因素 1施工方案： 2计算图式：连续梁桥一般要经过墩梁固接悬臂施工合拢解除墩梁固 接合拢的过程；连续刚构桥也需经过悬臂施工和数次合拢。 3结构分析程度： 4非线性影响： 5预加应力影响： 6混凝土收缩、徐变的影响： 7温度：温度对结构的影响是复杂的，通常的做法是对季节性温差在计算中予 以考虑，对日照温差则在观测中采取一些措施予以消除减小其影响。 8施工进度：施工控制计算需按实际的施工进度以及确切的预计合拢时间分别 考虑各部分的混凝土徐变变形。,2 前进分析法（正装计算法）,这种计算方法是按照桥梁结构实际加载顺序来进行结构变形和受力分析

2、，它的特点是：随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束、荷载形式在不断的变化，前期结构将发生徐变，其几何位置也在改变，因此，前一阶段的结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。它能够较好的模桥梁结构的实际施工历程，能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和内力状态， 这不仅可用来指导桥梁设计和施工，而且为桥梁施工控制提供依据。同时，在前进计算中，能较好的考虑一些与桥梁结构形成有关的因素，如结构的非线性问题和混凝土的收缩徐变问题。正因为如此，前进分析法在桥梁结构的计算分析中占有重要地位。对各种形式的大跨度桥梁，要想了解桥梁结构在各个阶段的位移和受力状态，都必须进行前进分析计算。,2前进分析法（正装计算法）

3、,前进分析法在一个施工阶段中，新拼装的杆件用激活两个节点间的新单元进行模拟，计算是对施工阶段循环进行，循环结束时分析结果是成桥若干年后结构的受力状态。对悬臂浇筑施工的预应力混凝土变截面连续刚构桥的前进分析，其分析过程为： 确定结构初始状态：主要包括：中跨、边跨（次边跨）的大小、桥面线形、桥墩高度、横截面几何参数、材料参数、约束信息、预应力索信息、混凝土徐变信息、施工临时荷载信息、二期恒载信息、体系转换信息等。 基础、桥墩和0号块浇筑完成：计算已浇筑部分在自重和外荷载作用下的变形和内力。 在每一桥墩上对称地依此悬臂浇筑各个块件，直到悬臂浇筑阶段完成，挂篮拆除。计算每一悬臂浇筑时结构的内力和变形，

4、每一阶段计算均以上一阶段结束时结构变形后的几何形状为基础。 进行边跨合拢（次边跨合拢）、中跨合拢，计算这几个主要阶段结构的内力和变形。 桥面铺装：计算二期恒载作用下结构的内力和变形。,2 前进分析法（正装计算法）,前进分析法具有以下几个特点： （1）桥梁结构在作前进分析之前，必须先按照桥梁详细的施工方案，只有按照施工方案确定施工加载顺序进行结构分析， 才能得到结构的各个中间阶段和最终成桥阶段的实际变形和受力状态。 （2）在结构分析之处，先要确定结构目前的实际状态，即已符合设计的实际施工结果（如跨径、标高等）倒退到施工的第一阶段作为结构前进分析计算的初始状态。 （3）本阶段的结构分析必须以前一阶

5、段的分析结果为基础，前一阶段的结构位移是本阶段确定结构轴线的基础， 前一个施工阶段结构受力状态是本阶段结构时差、材料非线性计算的基础。 （4）对混凝土徐变、收缩等时间效应在各个施工阶段中逐步计入。 （5）在施工分析过程中严格计入结构的非线性效应，本阶段结束时的结构受力状态用本阶段荷载作用下结构受力与以前各阶段结构受力平衡而求得。 前进分析不仅可以为成桥结构的受力提供较为精确的结果，还为结构的刚度、强度验算提供依据，而且可以为施工阶段理想状态的确定、完成桥梁结构施工控制奠定基础。,2 前进分析法（正装计算法）,2 前进分析法（正装计算法）,2 前进分析法（正装计算法）,3 倒退分析法（倒装计算法

6、）,前进分析可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析， 但由于分析中结构节点坐标的改变，最终结构线形不可能完全满足设计线形的要求。 实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要，线形误差将造成桥梁结构的合拢困难，影响桥梁建成后的美观与营运质量。为了使竣工后的结构保持线形， 在施工过程中用设置预拱度的方法来实现， 而对于分阶段施工的连续桥梁，一般要求给出各个施工阶段结构物控制标高（预抛高），以便最终使结构物满足设计要求。这个问题用前进分析使难以解决的。 倒退分析可以解决这一问题，它的基本思想是：假定t=t0时刻结构内力分布满足前进分析t0的结果，轴线满足设计线形的要求。在此初始状态下，按

7、照前进分析的逆过程， 对结构进行倒拆， 分析每次拆除一个施工阶段对剩余结构的影响，在一个阶段内分析得到的结构位移、内力状态便是该阶段结构理想的施工状态，所谓结构施工理想状态就是在施工各个阶段结构应有的位置和受力状态， 每段的施工理想状态都将控制着全桥最终形态和受力特性。 倒退分析法的目的就是要获得桥梁结构在各个施工阶段理想的安装位置和理想的受力状态.,3 倒退分析法（倒装计算法）,通过以上分析可以看出倒退分析法具有以下特点： （1）倒退分析时的初始状态必须由前景分析来确定，但初始状态中的各杆杆件的轴线位置可设计轴线位置。 （2）拆除单元的等效荷载，用被拆除单元接缝处的内力反向作用在剩余主体结构

8、接缝处加以模拟，这些内力值可以由前进分析计算来得到。 （3）拆除杆件后的结构状态为拆除杆件前的结构状态与被拆除杆件等效荷载作用状态的叠加。换言之，本阶段结束时，结构的受力状态用本阶段荷载作用 下的结构受力与前一阶段结构受力状态相叠加而得， 即认为在这种情况下线性叠加原理成立。 （4）被拆除构件满足零应力条件，剩余主体结构新出现的接缝面应力等于此阶段对接缝面施加的预加应力，这是正确进行桥梁结构倒退分析的必要条件。,3 倒退分析法（倒装计算法）,混凝土的收缩徐变与结构的形成历程有密切的关系， 徐变应变不仅与混凝土的龄期有关，而且与作用在混凝土构件上的应力应变有关。因而结构在进行倒退分析计算时，一般

9、时无法直接进行徐变计算的。为了解决这一问题，一般时应用下述的方法：在进行前进分析时，先不计算混凝土收缩徐变的影响，计算出结构的内力和变形值，然后再计算出结构计入混凝土收缩徐变后的内力和变形值，两者相加则可以得到每一阶段混凝土收缩徐变产生的内力和位移值，将其保存起来。接着进行倒退分析，按阶段扣除前进分析时相应阶段混凝土时效的影响。,3 倒退分析法（倒装计算法）,3 倒退分析法（倒装计算法）,正装计算法和倒装计算法的比较,正装计算法可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析，但由于分析中结构节点坐标的迁移，最终结构线形不可能完全满足设计线形要求。实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要。

10、为了使竣工后的结构保持设计线形，在施工过程中要设置预拱度的方法来实现。对于分段施工的连续梁桥、斜拉桥、悬索桥等复杂结构，一般要给出各个施工阶段结构物控制点的标高（预抛高），以便最终使结构物满足设计要求。这个问题用正装计算法难以解决，而用倒装计算法可以解决。基本思想是，假设t=t0时刻内力分布满足正装计算t0时刻的结果，线形满足设计要求。在此初始状态下，按照正装分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次卸除一个施工段对剩余结构的影响，在一个阶段内分析得出的结构位移、内力状态便是该阶段结构施工的理想状态。 所谓结构施工的理想状态，就是在施工各阶段结构应有的位置和受力状态。每个阶段的施工理想状态都将控制

11、着全桥最终的形状和受力特征。,以PC斜拉桥索力为例 索力问题的解决思路分成桥索力和施工索力两个方面。 (1)综合应用最小弯曲能量法和应力平衡法，建立恒载索力优化模型，运用最小二乘法求解成桥索力，计算活载包络图，配置主梁预应力，在主梁设计弯矩可行域内选择主梁弯矩目标，进行主梁验算，上述过程依次修改循环直到满足设计要求，从而确定成桥合理的优化目标；,(2) 利用正装迭代法求施工索力，其基本思路：结合具体施工流程及结构受力要求，先初拟一组张拉索力，按正装计算得到一个成桥状态，将该成桥状态与事先定好的理想成桥状态比较，按最小二乘法原理使两个成桥状态相差最小，以此来修正张拉索力，再进行新的一轮正装计算，

12、直至收敛为止，从而确定拉索的分次张拉力。,张拉的拉索总次数n 控制参数m 索力影响矩阵 最小二乘法求解索力 通过迭代逼近,利用倒拆一正装迭代法确定合理施工索力 在得到合理成桥状态后，以应力处于较安全范围内为控制目标，通过倒拆一正装的方法来确定合理的施工索力。 具体做法为:第一次先以合理成桥状态作为初始状态开始倒拆，得到一组斜拉索内力，然后以这组斜拉索内力作为斜拉索初拉力正装;第二次则以第一次正装结束状态作为初始状态开始倒拆，然后同样以所得到的斜拉索内力作为斜拉索初拉力正装;如此反复，再对个别不合理斜拉索索力进行人工调整，最终得到一组较为合理的斜拉索索力即可作为合理施工索力。,4 无应力状态计算

13、法,无应力状态计算法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础，将桥梁结构的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来。这种方法目前在大跨度拱桥、斜拉桥以及悬索桥上。中铁大桥局根据自己施工大跨桥梁的经验，由教授级高工秦顺全编写的无应力状态法理论与实践，对该方法有详细的介绍。 通过进行倒装计算来确定大跨度桥梁构件在施工各阶段的中间理想状态。倒装计算法是通过分析桥梁结构的内力来建立起各施工阶段中间状态与桥梁结构成桥状态之间的联系。由于结构的内力与结构的形成历程密切相关，是一个相对不稳定、不独立的，因而用倒装计算法确定结构的中间理想状态是比较困难的。我们能否通过其他方式来确定桥梁结构施工各阶段中间理

14、想状态，或者说，能否找到一种相对稳定或恒定不变的量来建立起各施工阶段中间状态与成桥状态之间的联系呢？答案是肯定的，这就是无应力状态计算法。 设想将一座已建成的桥梁结构解体，结构中各构件或者单元的无应力长度和曲率是一个确定的值，在桥梁结构施工中或建成后，不论结构温度如何变化，如何位移，以及如何加载，即在任何受力状态下，各构件或单元的无应力长度和曲率恒定不变，只是构件或单元的有应力长度和曲率不相同而已。我们用构件或单元的无应力长度和曲率恒定不变的原理进行结构状态分析的方法叫做无应力状态法。桥梁结构无应力状态只是一个数学目标，通过它将桥梁结构安装的中间状态和终结状态之间联系起来，为分析桥梁结构各种受

15、力状态提供了一种有效的方法。,其它方法,零弯矩法 零弯矩法的思想是针对斜拉桥和钢管混凝土拱桥的施工控制的。每一拼装梁段的自重荷载由此梁段中的斜拉索来平衡，因而正在安装的梁段对已安装梁段不 传递弯矩和剪力而只传递轴向力。用零弯矩法计算的斜拉索初始张拉力不是最优的初始张拉力，因此结构内力也不是最合理的。 线性回归分析法 线性回归分析法是通过对悬臂箱梁挠度与悬臂长度、悬臂重量的一元线性回归处理或二元线性回归处理，来建立挠度回归数学模型，它可以用于分析箱梁挠度变形的规律，也可用于预测下一施工梁段的挠度。 人工神经网络预测系统 人工神经网络预测系统是利用多层前馈性对绍的前向计算和误差的反向传播的功能，通

16、过试探和调整连接权值使该网络成为输入输出非线性关系的最佳逼近，在此基础上，来对桥梁施工状态进行预测。该系统具有了很强的抗干扰能力和自组织、自学习以及容错性等优点，但缺点是学习时间过长，甚至难以收敛于全局极小点。,5 结构分析方法,施工过程的结构分析方法一般采用有限元法， 有限元法就是将连续体分成有限个单元，单元间相互由节点连接的理想节点系统。分析时，先进行单元分析，用节点位移表示单元内力，然后将单元再合成结构，进行整体分析，建立整体平衡关系，由此求出节点位移。 有限元法是随着计算机的发展以及为适应复杂结构分析需要而发展起来的一种有效的数值分析方法。其优点主要有： （1）采用有限元计算机程序进行结构分析可大大减轻劳动强度、缩短计算时间、提高工作效率； （2）桥梁结构属于空间结构，且结构越复杂，超静定次数越来越高。如采用解析法手算，就必须进行结构简化，而这些简化与实际结构之间往往存在较大的差别，从而使计算结果与实际不符，只有采用空间有限元分析法才能的出较精确的结果； （3）随着建桥材料性能的提高，桥梁跨径越来越大，如对大跨径桥梁也采用