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1、大跨度悬索桥施工控制分析吕建鸣大跨度悬索桥施工控制分析吕建鸣(交通部公路科学研究所北京100 088 )提要本文以正在建设 中的广东虎门大桥施工监测与控制研究专题为背景,介绍悬索桥施工监控系统中结构 分析 软件的研制情况,并按虎门大桥初步设 计结构参数给出监控分析邵分 计算结果和 图形。关键词悬索桥施工控制非线性结构 分析T heConstru etionControl AnalysisofLongSPanSusPensionBridgeLuJia nmillg(Re s ea r ehIn stituteof H ighway,Beijing)A bstra etFo rthes akeof
2、there s ea r chPr oje etofe o n str uetio nmonitoringa ndeo ntr ol forHumenBridgeinGua ngdo ngPro vin e e,thesoftwareofstr uetur ala n alysisofsusPe n sio nbridgefore o n stru etionmo nitoringa nde ontrol15de riv eda ndformulatedinthePaPera ndtheeonstr uetio ne ontrolr e s ultsareintermsofPreliminar
3、yde signdataoftheHumenbridge.KeywordsSusPensio nbridgeCon str uetio ne ontrolNonl ine arityStr ueturalanalysis1引言为适应我国交通 运输事业的发展,大跨度悬索桥 的设 计、施工 和科研工作正在我 国广 泛开展。为 配合虎门大桥施工,我所承担了该桥主航道桥孔施工 监测与控制专题的研究工作。虎门大桥位 于 珠江三 角州 下游,是连接深 圳、珠海两个经济特区的高速公路上的重要桥梁。该桥靠近太平岸的主航道桥为跨度达88 8m的钢箱加劲梁悬索桥,是我 国正在 建设月的跨度最 大的悬索桥之一,也是
4、我国建桥 史上第一次修建这样大跨度的现代钢箱加劲梁悬索桥,在这座桥上实施施工 监测与控制研究是非常重 要 的。现代大跨度悬索桥 的修建在国外已有百年以上的历史,在我国则还处于起步阶段,到1988年我 国 才建成一 座符合现代标准的主跨达2 00m的公 路 悬索桥四川梅溪河大桥。在悬索桥的计算理论 和研究方法上,国外早在4 0年代采用挠度理论 分析计算悬索桥就已相 当成熟,到 7 0年代随着有限元法的创立 和 计算机技术的飞速发展,用有限位移理论进行悬索桥的34公路交通科 技19 94年第n卷第1期几何非线性分析不 论在理论上还是应 用软件上都已成熟。8 0年代以来国外相 继 开发了 许多功能更
5、强、应用范围更 广的通用非线性有限元软件系统,考虑非线性性质更为充分.计算结果更 为精确且更符合工程实际我国研究悬索桥 非线性 分析始于8 0年代 中,多为 用有限位移理论 计算成桥阶 段恒、活载 引起 的结构内力与位移的静力 分析软件,及抗风、抗震 等动力分析软件这些软件一般都假定悬索桥 自重内力和 位移与施工过 程无关,主缆是理想的抛物线或悬链线,主缆、主 梁以及 吊杆在自重作用 下都处 于理 想 的受力状 态,有的在计算中还 忽略塔墩 的刚度影响,将其简 化为 理想 的链杆支撑。显然这些均与工程实际有出入,因此,考虑施工 过程中体系转换以及 结构 自重、施工荷载和温度变化的实际情况,有必
6、要研制按结构实际刚度来分析结构初始状 态和各施工阶段中结构内力与位移的控制 分析软件。2悬索桥施工控制分析 内容悬索桥的施工 控 制 分析 要考 虑的因素很 多。一般说来要考虑结构的实 际截面 尺寸和材料特性、施工中的结构实际受力体系、施工中的结构实际温度场、施工中结构承受施工荷载的变化以及主缆初始位置、桥 的实际状态。悬索桥的施工控制与现在国内已趋成熟的斜拉桥施工控制有所不同。悬索桥在施工 过程中一旦 主缆安装就位,主缆内力、挠度完全 取决 于结构体系(索鞍、主 梁连接情况)、结构 自重、施工荷载和温度的变化,不能象斜拉桥那样进行后期索力和标高调 整,因此,主缆无 应力下料长度,主缆在 自重
7、作用下 的初始安装位置(索鞍初始预 偏量、主缆初始垂度和线型)成为 悬索桥施工控制技索 鞍位置调 整、主梁 吊装 和固结次序 的影 响 等.总之 要 密切 联 系索现现场 测 试试试试试试试试试试试试试 主主缆 钢丝容重、直径、材料弹 性摸最最最倒 退循环 分 析析 吊吊杆 材 料 容重、截面尺寸、材 料 弹性澳 量量量通 过多次 循环 迭代代 七七梁 梁 段重量、截面尺寸、材料 弹 性 摸, , ,倒退分析确定主 缆缆 塔塔墩材料容重、截面尺寸、材料 弹性模量量量备 料长度和空 缆 在在 索索鞍尺寸、重 最最最自重 作用 F 的初始始 跨跨 缆起 重 机尺寸、重 最、支点位 置 和支反力力力
8、位里(垂度、线 形) ) ) 吊吊杆两端索箍及锚具重量量量量量量量量量量量量量 防防护 材料 重量量 其其它施工机具、设备、材 料的重 最最实实实实实实实实实实实实实实实实实实实实实实实实时跟踪分析析 各各阶 段控制 项目侧最最最结 构 计算参数识别别 主主缆、桥面标高和塔顶水 平位移 测最最最计算各阶段控 制 点点 主主缆、主梁、吊杆、塔 底 截面应力侧 量量量标 高、位 移最、内内 温温度测 最最最力 和应力的理论值值预预预预预预预预预预预预预预预预预预预预预预预预测控制分析析 观观观观观观观观观观观观观观侧数据 修正,滤除除 进进行卜一 阶 段施丁作业业业随 机误差差 观观观观观观观观观
9、观观观观观 测数据J理论 计算算 结结果 比较,分析系统统 误误差差 预预侧 分 析随后各阶段段 结结 构位 移、应 力变 化化 趋趋势,给出 卜一 阶段段 安安装 标高高点别内值识制、论数控最理析参段分 的移算阶位踪 力训各、应|月.跟构算和高t时结标力衬实图1悬索桥施工控制体系框图术的关键另外,由于 吊杆与主 梁、主缆的连接方式与斜拉桥的拉索连接方式不同,主 梁节段 由跨缆起 重机 起 吊到 预定位置安装 吊杆。吊杆本身一般不另外 配置千 斤 顶调整其内力,跨缆起 重机移开 后再 要 大幅度调 整 吊杆内力和 长度是不现实 的,因此不能指望由 吊杆来大幅度调整 主缆和桥面标高。可见吊杆无应
10、力下料长度和 主梁初始安装位置也是悬索桥施工控制技术的重点。悬索桥在施工 过程 当中要 随时观 测主缆垂度、桥面标高和塔顶 水平位移,计算并预告 下一 梁段 的安装标高以及索鞍在塔顶上推移的时间 和推移量,以确保施工安全 和 成桥后交付使用时桥面标高、主缆垂度、索鞍位置、各构件内力状态符合或最接近设计要求。由上述得到悬 索桥施工控制体系框图见 图1,其施工控制结构 分析软件主要包括两大部分。其一大跨度悬索桥施工控制分析吕建鸣是倒退循环 分析,通 过多次 大循环的倒退 和前进分析确定主缆备料长度和空缆在自重作用下的初始位置(包括垂度和曲线 坐标);其二 是实时跟踪分析,根据实际观测结果 分析识别
11、结构实际参数并计算各施工 阶段控制 点标高、位移量、内力 和应 力 的理论值。3悬索桥结构分析方 法及程序悬索桥结构分析方 法有早 期 的弹性 理论、挠度理论,近期的 重力刚度、有限位移理论,以及 能充分考虑材料和几何的多种非线性因素基于非线性连续介质力学 的广义 非线性有限元等。经 分析、比较、试算,我们选定后 一种方法,即应用更新拉格朗日(Laga rnge )格式2或3结点杆单元以离散主缆、吊杆和支撑杆件单元,用 更新拉格 朗日格式2结点 梁单元离散加 劲梁、塔、墩、桩基础和索鞍。国 际上比较流行的通 用非线性 有限元结构分析程 序如A D INA、NON SAP等都有这两种单元。相对于
12、 这两种程序 中的二 维元、三 维元、板壳元及流体元来讲,我们采用 的这两种单元虽比较简单,对悬索桥几何非线性分析已够了.尤其是用3结点曲线杆单元或多个2结点单元模拟主缆曲线效应比通常在有限位移法中用Ems t公式修正得到 的等效弹性模 量的2结 点直杆单元来模拟主缆曲线效应的算法更先进、更精确,可以更充分地 计入 主缆自重 悬 垂曲线对主缆刚度的影响及其几何非线性性质。非线性结构的悬索桥不适用线性迭加原理,这种非线性结构在同样的荷载集度下,因加载过 程的不 同和结构体系 形成 过 程 的 不 同 均会产生不同 的结构 内力和 位移。因此 我们不 用构位值结点训段制设阶控到桥的达成后否断形是判
13、变置“拆桥”的办法寻求主缆初始位置,而是用 大循环的办法寻求主缆初始位置,即以成桥时的主缆、加劲梁和索鞍位置坐标为控制目标,按实际施工荷载、主梁吊装和 固结先后顺 序及结构的实际刚度从基础施工开始直到桥面系 二期恒载施加完毕,划分若干计算阶段,从头至尾反复试算直至控制点位置坐标均满足 设计要求为止。试算过程中每一个循环都是以前一个循环为 基础不断修正结构初始位置坐标的施工全 过程的前进分析,这样经过若 干 次大循环试算分析可以比较准确地确定主缆初始位置。按我 们的经验,一般经 过3一 5次 大循环计算即 可使计算出的成桥时的控制点位置坐标与设计值符合。按上述 方 法在486系列 微机 上 用F
14、OR T R A N语言 编制开开始始输输入数据据是是否 计算过过 初初始坐标? ? ?从从数据 文件件 读读初始坐标标计计算结 点坐标标修修修修修修修修修修修修修修修修修修修正坐标标 计计算主缆 单儿自重产生的初应 变, , ,循环 迭代代 生生成单几、荷载 数据,显不结构构构构构构构构 单单儿离散图图主主 了程序SB CM:计算 各施T阶下下 位位移和 内力,输出 计算结果并显显 不不各阶段结 构位 移图图去是 1_初始坐标存入数据文 件图2S BC C主程序流程框图公路交通科技1994年第n卷第l期了悬索桥施工控制专用 计算程序SBC C(Suspnesio nBridgeConstur
15、etio nCo ntorl)。该程序可 用 于单跨简支、三跨简支和三跨连续钢箱加劲棍凝土塔墩悬索桥的倒退循环分析,也可用于 这类桥型的实时跟踪分析。SBC C程序 中采用B FG S矩阵校正 法进行非线性平衡迭代,在迭代 中采用的收敛准则是增量位移的欧几里德范数(Euc l记e anno rm)对前次算得的最大位移的欧几里德 范数的比值。实践证明这种算法收敛性较好。SBC C程序中的主缆单元可采用3结点 曲杆单元,吊点 间内差结点数可根 据精度要求调整。主缆在其 自少 作用下 的 初始位置和初应变采用理论力学解析方法计算,然后 用非线性有限元平衡迭代结果修正。以后各阶段均以此为基础逐级加上施
16、工机具、吊杆、主梁、桥面系等的重量。SBCC程序中的索鞍和主梁单元可根据实际施工情况规定其安装、拆除阶段,以模拟施工中的索鞍位置调 整和主梁节段的吊装、固结顺序。SBCC程序 中用4个梁单元模 拟一个主墩下 的群 桩蒸础,塔墩单元要考虑棍凝 土收缩徐变的影响。本程 序比较便 于工程技术人 员使用,其输入数据结构尽可能符合工程习惯按桥梁结构部件分类填写数据,有限元法中的单元、结点及荷载 等全部信息均由程 序 生成。结构单元离散图、结构变形 图及控制点位 移值等均在程序执行过程中边计算边显 示出来。以便及时发现问题,终止执行并在修改数据后重新运算。SBC C程序主程序框图如图2。图2中主子程 序SBCM是SBC C程序非线性有限 元 计算的核 心,以AD IN A程序提供的非线性平衡迭代算法和杆、梁单元库为基础,增加悬索桥结构控制分析所需的一些特殊功能,如:主缆初始悬链线 曲线坐标和单元初应变计算功能,单元安装与拆除的功 能,梁单元的温度荷载,分阶段、主子程序SBC甘入口:给 各控 制 变量工 初值,从 主程序 接 受时间场、温 度 场、结点 数据等有关信息,对要计算的结 构初
