大跨度上承式钢管混凝土拱桥施工过程线形控制及稳定分析

论文摘要

钢管混凝土拱桥是大跨拱桥的一种比较理想的结构形式,也是我国近年来桥梁建筑发展的新技术,能较好地解决修建桥梁所需求的用料省、施工简便、承载能力大等诸多问题。但随着跨度的增加,首先遇到的技术难题就是施工问题。由于吊装节段重量的限制,吊装节段必须增多,这就给拱肋吊装施工提出了新的问题:怎样在多节段拱肋吊装施工中,使最后合龙的拱肋满足设计要求的合龙精度。由于拱桥自身的受力特点,一旦拱肋合龙,就无法再对拱肋的线形进行调整,而合龙后的拱轴线形将决定成桥后的受力状态,因此应重视拱肋吊装中拱轴线线形的优化,确保钢管混凝土拱桥建成后的轴线和设计轴线相吻合,保证拱桥受力最合理。钢管拱桥结构型式复杂,在设计计算、施工过程模拟和反分析等结构仿真计算中常常面临参数最优化的问题,运用非线性规划的方法去处理具有明显的优势。针对支井河特大桥的特殊斜拉扣挂系统,将最优化理论引入正装迭代计算中,提出迭代优化算法,应用于拱肋吊装过程的线形控制和索力优化。设置合理的优化变量、约束条件和目标函数,可建立可测控变量与控制目标之间的函数关系。应用扣索一次张拉到位、预抬高控制的思想,将索力优化分散到各个施工阶段单独进行,依靠线形偏差修正和外部嵌套的循环实现总体线形的控制。该算法用于拱桥吊装施工的模拟,考虑了扣索垂度等非线性影响后,一轮优化得到的预抬高和扣索索力即可基本满足线形控制的要求。为克服这种方法难以调整主拱肋内力和预抬高量可能偏大的缺陷,并注意到合龙前后拆除扣索的程序差异会对拱肋的线形、内力产生影响,提出修正的拆扣方案,并对几种可行方案进行了分析和优化比选,确定一个最佳的更利于施工控制的方案。另外,稳定性也成为制约钢管混凝土拱桥发展的主要因素之一。钢管混凝土使得拱肋轻质高强化的同时,也带来了拱肋刚度减小的问题,使得其稳定问题日渐突出。经验表明:在很多情况下,施工过程中的稳定性要低于成桥以后的稳定性,因此对施工过程中的整体稳定性分析要通过科学的计算予以确认和评价。这一点在支井河特大桥的长悬臂、长施工期的情况下尤为突出。本文在静力分析的基础上运用线弹性和非线性稳定理论,针对悬臂合龙阶段的特殊受力状态,对支井河特大桥的拱肋吊装施工期的稳定性进行了细致的计算分析,包括线弹性、几何非线性、材料非线性和双重非线性屈曲分析。并且还考虑了初始缺陷、风荷载以及扣索非保向力的影响,提出了一些有实际意义的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管混凝土拱桥的发展概况
• 1.2 钢管混凝土拱桥拱肋安装的施工技术及特点
• 1.2.1 支架法
• 1.2.2 转体施工法
• 1.2.3 无支架缆索吊装法
• 1.3 本文的主要研究内容和创新点
• 第二章 拱桥拱肋吊装施工过程的线形控制方法
• 2.1 现有的桥梁施工过程模拟分析方法
• 2.1.1 正装计算法
• 2.1.2 倒装计算法
• 2.1.3 无应力状态法
• 2.1.4 结合反馈控制的实时跟踪分析法
• 2.2 无约束最优化的理论与计算方法
• 2.2.1 最优化问题简介
• 2.2.2 无约束最优化的数学模型
• 2.2.3 SUMT方法的基本原理
• 2.3 基于拱肋吊装过程的的迭代优化算法
• 2.3.1 迭代优化法的计算流程
• 2.3.2 正装迭代中的几何非线性分析方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 钢管混凝土拱桥线形控制工程实例
• 3.1 工程概况
• 3.2 拱肋吊装全过程的有限元模型
• 3.2.1 基本假定
• 3.2.2 单元类型
• 3.2.3 材料特性
• 3.2.4 边界约束条件
• 3.2.5 荷载信息和计算成果符号说明
• 3.3 应用ANSYS实现吊装施工过程的迭代优化
• 3.3.1 吊装施工的计算工况
• 3.3.2 优化变量和目标函数
• 3.3.3 优化计算结果
• 3.4 扣索拆除程序对线形控制的影响
• 3.4.1 原拆扣方案分析
• 3.4.2 新拆扣方案的确定
• 3.4.3 拆扣方案的比选
• 3.5 本章小结
• 第四章 桥梁的稳定理论与稳定问题的有限元法
• 4.1 概述
• 4.2 线弹性稳定的有限元理论
• 4.3 几何非线性稳定的有限元理论
• 4.4 材料非线性稳定的有限元理论
• 4.5 稳定安全系数
• 4.5.1 第一类稳定安全系数
• 4.5.2 第二类稳定安全系数
• 4.6 失稳判断准则及模式判别
• 4.7 本章小结
• 第五章 钢管拱肋吊装施工过程的稳定性分析
• 5.1 计算模型
• 5.1.1 单元划分
• 5.1.2 材料的本构关系
• 5.1.3 风荷载
• 5.1.4 扣索的简化
• 5.1.5 初始变形和初始缺陷
• 5.2 拱肋吊装过程的线弹性屈曲分析
• 5.3 拱肋吊装过程的非线性屈曲分析
• 5.3.1 几何非线性屈曲分析
• 5.3.2 材料非线性屈曲分析
• 5.3.3 双重非线性屈曲分析
• 5.4 分析结果比较
• 5.5 扣索非保向力对静风稳定性的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士在读期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表