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云计算-高墩大跨连续刚构桥力学特性计算分析与监测.pdf
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云计算-高墩大跨连续刚构桥力学特性计算分析与监测.pdf
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the
health
monitoring
of
bridges.
4.Shrinkage
and
creep
of
the
bridge
were
analyzed
by
MADIS
and
based
on
the
measured
resuIts,different
calculation
of
the
creep
models
were
compared
and
analyzed,the
results
show
that
the
calculation
model
recommended
in
the
JTJ023·85
can
be used
to
calculate
the
shrinkage
and
creep
of
box
bridges.
Key
words:high
pier
and
large
span
continuous
rigid-frame
bridge;construction
process,mechanical
properties
calculation
in
using
process;
monitoring
III
第一章绪论
1.1问题的提出及研究的意义
伴随着我国基础建设的快速发展,桥梁建设突飞猛进,国家西部建设的策略
更是大大促进了西部建设事业,在西部山区高速公路的建设中,连续刚构桥墩梁
固结、梁体连续,既保持了T型刚构不需要转换体系与不设支座的优点,又保持
了连续梁无伸缩缝和行车平顺的优点,造价相对于斜拉桥便宜,因此得到广泛的
应用。连续刚构桥更是利用其墩高的柔度来适应结构由于温度改变、预应力和收
缩徐变所引起的位移变化n
3。在受力方面,刚构桥为超静定结构,温度变化、混
凝土的收缩徐变及墩台的不均匀沉降产生的内力受到约束时将在结构中产生附加
应力,在结构施工阶段和运营阶段的计算中必须计入这些因素对结构产生的影响。
因此,研究高墩大跨度连续刚构桥施工和运营阶段力学特性已经引起了工程计算
人员的广泛关注比1。
连续刚构桥在建设的过程中,容易受到各种因素的影响,导致桥梁结构的受
力及变形复杂。因此,建设中的桥梁安全性成为大家关注的问题,在旌工阶段发
生倒塌的事故有很多。例如湖南凤凰县沱江大桥、合肥包河大道一高架桥、广东
省信宜县竹云龙门桥、越南永隆桥等。
桥梁建设好后,受到外界因素的影响,常常出现主梁挠度过大和梁体开裂的
问题,如1997年建成的虎门大桥辅航道为一座主跨达到270m预应力混凝土连续
刚构桥,在成桥7年时间内,主跨跨中挠度因为混凝土的收缩徐变等原因逐年增
长,并且经长期测试数据表明主梁下挠没有停止过,达到22.2cm,远远超过当初
设计预留的lOcm的徐变预拱度;另外腹板出现斜裂缝,顶、底板出现纵、横向裂
缝,裂缝的产生对结构的耐久性、安全度都有不利的影响,严重时会影响结构的
承载力。这些问题引起了工程技术人员对预应力对预应力连续刚构桥的受力情况
高度重视。
需要对预应力混凝土连续刚构桥进行受力分析与监测,建立大跨度连续刚构
桥的监测系统,对桥梁在旋工过程和运营阶段的受力进行计算和监测显的尤为重
要。通过在施工阶段对桥梁结构受力与变形计算与监测,可以保证施工的安全及
施工质量,确保桥梁成桥后的线形及整体受力符合设计的要求,增加桥梁的使用
寿命:通过在运营阶段对桥梁结构受力与变形计算与监测,做到及早发现桥梁的
病害,可以节约桥梁的养护及维修费用,而且可以预防桥梁倒塌等影响较大的安
全事故的发生。
1.2大跨径连续刚构桥国内外研究概况
联邦德国于1964年建成的208m本道夫桥,开创了带铰连续刚构桥的先河。
1985年澳大利亚建成的门道桥,为主跨达260m的预应力混凝土连续刚构桥,采
用了双薄壁墩身、单室箱型主梁和C50高强度混凝土;1998年底建成的挪威桥,
主跨达298m。相对于国外,我国预应力连续刚构桥起步较晚。1988年修建的广东
洛溪大桥,其桥跨布置为65m+125m+lS0m+110m,桥宽15.14m。该桥第一次采
用大吨位预应力体系和平弯束,大大增加了桥梁的跨越能力。1993年建成的济南
东明黄河大桥,主跨结构为:75m+7X120m+75m。自1995年以来建成的主跨超
过200m的预应力混凝土连续刚构桥有黄石长江大桥、虎门大桥辅航道桥、四川泸
州成桥二桥等。1997年建成的广东虎门大桥,其主跨布置为150m+270+150m,
是当时世界上主跨最大的预应力连续刚构桥。该桥在设计、施工和科研上取得了
重要的成果,为连续刚构桥的进一步发展作了充分的技术准备。近几年相继建成
了隆纳泸州长江大桥(主跨252m)、马鞍山嘉陵江大桥(主跨250m)、贵州六厂河
大桥(主跨240m)、黄石长江大桥等(主跨240m)。
表1.1列出了部分国内外超过200m连续刚构桥的建造情况。
表1.1国内外主跨超过200m的连续刚构桥
序号
桥名 国家
主跨(m)
建成年份
1
Gateway桥
澳大利亚
260
1985
2
Stolma桥
挪威
301.
1998
3
Rafisumdet桥
挪威
298 1998
4
Skye桥
英国
250
1995
5
Schottwien桥
奥地利
250
1989
6
Sundoya
挪威
298 2003
7
Varodde桥
挪威
1994
260
8
重庆高家花园大桥
中国
240
1997
9
江津长江大桥
中国
240
1997
10
虎门大桥辅航道桥
中国
270
1997
l
1
云南元江大桥
中国
265
2003
12
石板坡复线大桥
中国
.330
2006
13
野三河特大桥
中国
200
2008
14
龙潭河特大桥
中国
200 2008
15
苏通大桥辅航道桥
中国
268 2008
16
清水河大桥
中国
250
2010
近三十年中国建设了大量的连续刚构桥,随着混凝土和钢材等材料向高强度
和轻质发展,桥的承重、跨长不断增加,连续刚构桥已成为目前采用的桥梁结构
体系之一∞3。连续刚构桥的发展趋势有以下特点H‘引:
(1)跨径可进一步增加。我国正处于修建连续刚构桥的高峰期,已经建成了
跨度大于300m的预应力混凝土连续刚构桥,在300m以上的桥梁会修建的越来越
多。
(2)上部结构不断轻型化。桥梁上部结构的轻型化可以减轻上部结构的自重,
这是连续刚构桥的发展必然途径口3。不断的加强轻质高强混凝土材料的研究及应
用,以达到较小截面尺寸和结构自重,减少材料的用量,减小关键截面的受力。
(3)取消边跨合拢段落地支架。在高墩的条件下取消两边跨合拢段的落地支
架。可以方便施工带来一定的经济效益。
(4)简化预应力束类型。我国预应力混凝土连续刚构桥设计中,已经取消了
弯起和连续束,竖向预应力和纵向预应力钢筋承担主拉应力,方便了桥梁的施工。
1.3桥梁施工控制国内外研究现状
施工控制的概念要追溯到20世纪50年代。50年代初,在修建第一座现代斜
拉桥Stromsund,工程人员针对如何达到设计的索力和标高,提出了“倒退分析
法”。但由于各种原因,直到1978年在修建美国P—K桥时这一技术才得到体现。
后来,在加拿大修建的安娜西斯桥也采用了这种施工控制方法。
但是,系统的实施桥梁施工控制并不是很长。日本是最早系统的把施工控制
应用到日常的施工管理中。20世纪80年代,日本在修建日野应力预应力混凝土
连续梁桥时,建立了施工控制中应力、挠度等参数的观测系统,并应用计算机现
场处理所测得参数,然后将处理后的结果返回到控制室进行结构分析,最终将分
析结果用于现场进行施工控制胁3。到目前为止,旌工控制已被许多发达国家纳入
到施工管理的工作中。控制已经从人工测量、分析及预报,发展到自动监控、分
析预报、调整的计算机自动控制,并已经形成了较完善的桥梁施工控制系统阳71们。
我国虽然在桥梁施工监控方面的研究起步较晚,但是发展迅速。1982年上海
建成的主跨200m柳港大桥首次应用现代工程控制思想,有效的进行了主梁挠度和
索塔水平位移的施工控制…1。由此引发了工程界对施工控制技术的研究与开发。
80年代后期全面研究了斜拉桥施工监控技术,接着对连续刚构桥、拱桥和悬索桥
等的施工开展了研究及实践,初步形成了施工监测系统,并在实践中取得了好的
效果。在大跨度连续梁桥和连续刚构桥施工控制方面,上海城建学院的李国平等
人提出了大跨度连续梁桥最优施工控制理论和方法n
21,其成果在富春江大桥和上
海吴淞大桥的施工中得到应用n副。重庆交通学院顾安邦等人提出了随机最优控制
理论,在重庆市黄花园大桥施工中得到应用n引。对虎门大桥辅航道连续刚构桥采
用线性回归分析的方法对线形进行了控制,取得了较好效果。
1.4收缩徐变对桥梁结构影响的研究现状
混凝土的收缩徐变分析是桥梁力学特性计算一个非常重要的问题n朝。从19
世纪第一次观测到混凝土的收缩和1907年Hatt首次发现混凝土的徐变现象至今,
国内外很大一批学者和专家对收缩徐变开展了长期的研究工作,虽然已经取得了
一批重要的研究成果,但是混凝土收缩徐变没有被完全的掌握。
混凝土的收缩徐变发生的机理十分复杂,影响其因素有很多,研究的结果比
较分散。影响混凝土收缩徐变的因素主要有外部因素和内部因素:外部因素包括
荷载的性质及受荷载后的工作环境;内部因素包括混凝土的组成材料及混凝土的
几何尺寸‘161引。
研究混凝土徐变的主要方法主要有以下三种:(1)根据实验数据,得到经验
公式;(2)根据理论推导公式;(3)半理论半经验公式。由上述三种方法可以得
到不同的收缩徐变规律计算模型,目前主要有BP模型、B3模型、G—Z模型等。通
常所用的徐变表达式有三类。第一类表达式一整体描述徐变规律:这类徐变计算
模型有CEB—FIP(MC90)、AASHTO(1994)、G-Z模型。第二类表达式一徐变由基本徐
变和干燥徐变表示:这类徐变计算模型主要包括Bazant和Panula(1978)提出的
BP模型和B3模型。第三类表达式一徐变用可恢复和不可恢复徐变表示:这类常
用的是CEB-FIP(MC78)徐变模型。我国公路设计规范(JTJ023—85)采用的此公式。
Vandewalle等(2000)、Mortensen等(2002)研究了预应力混凝土在湿度不
断变化的情况下的收缩徐变问题n
9。1们;马明等(2010)通过实际工程的模型试验,
研究了温度和湿度对桥梁结构的影响,得出当温度一定、湿度增加时,跨中上拱
位移减小,当湿度一定、温度增加时,跨中上拱增加的结论∞¨;这些结果表明混
凝土在温度变化和相对湿度和变化时对收缩徐变有着较为明显的影响,但是这些
试验都是在一定的环境下完成的,其试验结构确定的收缩徐变模型能否应用于任
何情况中值得研究,因此要准确计算混凝土收缩徐变值还需要有实测结果加以验
证。
Kanstad(1993)对主跨为185m的Mjosund在早期施工过程中的变形进行观察,
当采用MC90收缩徐变模型计算变形时理论值与实测值相差在10%以内心羽。但是文
中并没有对施工过程的后期及成桥的变形和应力状态观测,因此不能说明MC90
模型能够较好的反映自然环境的收缩徐变效应。
Peter
F.Takacs等(2002)研究了节段悬臂施工的预应力混凝土的长期变形
问题,对Norddalsfjord桥(主跨230.5m)进行了长达14年的观测,不仅观测
了变形,还对其应变进行了测试,基于不同的收缩徐变模型:CEP-FIP(Mcgo)模型、
B3模型,对桥梁进行了长期的变形预测,发现混凝土徐变模型引起的桥梁变形差
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