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部分劲性骨架钢筋混凝土拱桥悬臂建筑施工索力优化初步研究

时间:2018-03-11 23:12来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇建筑工程论文,建筑工程,指通过对各类房屋建筑及其附属设施的建造和与其配套的线路、管道、设备的安装活动所形成的工程实体。
本文是一篇建筑工程论文,建筑工程,指通过对各类房屋建筑及其附属设施的建造和与其配套的线路、管道、设备的安装活动所形成的工程实体。其中“房屋建筑”指有顶盖、梁柱、墙壁、基础以及能够形成内部空间,满足人们生产、居住、学习、公共活动需要的工程。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪 论
 
1.1 钢筋混凝土拱桥的研究现状
拱桥受竖向荷载作用下,拱脚支撑处会产生水平推力,使拱圈截面以受压为主。理论上,当拱桥压力线与拱轴线重合时,拱圈只有轴向力而无弯矩和剪力,可以充分利用抗压性能强的石料、混凝土和钢材来建造。因此,拱桥在公路、铁路、城市道路甚至在渡水桥中均有广泛应用[1]。拱桥是山区桥梁理想的桥型之一。在地势陡峭的山区峡谷、河流中建造拱桥,不仅避免了连续刚构桥、悬索桥和斜拉桥中高墩、高塔的出现,而且拱桥气势磅礴、雄伟壮观,能与周围环境相协调。此外,拱桥还具有抗风性能好、技术经济指标合理等优点。混凝土拱桥承载力大、养护费用低,国内外先后建造了多座举世闻名的混凝土拱桥,如克罗地亚主跨为 390m 的 KRK 桥和我国主跨为 420m 的重庆万州长江大桥等。混凝土拱桥的发展与施工方法密切相关。在混凝土拱桥建设的 100 多年历史中,相继诞生了支架施工法、无支架施工法、缆索吊装法、转体施工法、劲性骨架法、悬臂施工法、组合施工法等。施工方法的多样性不仅为混凝土拱桥增添了魅力,更促进了世界各国桥梁工程师对混凝土拱桥的研究与探索。尽管如此,施工方法仍然是限制拱桥向更大跨径发展的重要因素。正如法国杰出桥梁专家弗.莱西奈氏所说,“100m 与 1000m 拱桥在设计方面难度相差不大,而在施工方面的差异就十分明显”[2]。1875 年,法国建造了世界上第一座钢筋混凝土拱桥,虽然跨径只有 13.8m,但开创了混凝土在拱桥中的应用历史。1900年法国在Vienne河上建成了主跨跨径为 50m、两边跨为 40m 的 Camillede Hogues 桥。1911 年意大利罗马建造了跨径为100m、矢跨比为 1/10 的 Risorgimento 桥。1930 年,由瑞士著名结构工程师 RobertMaillart 设计建造的 Salginatobel 桥(图 1-1)是一座跨径为 90m,矢高为 13m 的镰刀形上承式三铰拱桥,该桥以造价低廉、结构优美的优势于 1999 年被英国《Bridge Design & Engineeting》杂志评为 20 世纪最美丽的桥梁之一。
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1.2 钢筋混凝土拱桥施工工艺发展概述
科学技术的快速发展带动了钢筋混凝土拱桥施工技术的发展,随着科技进步,新材料、新型施工设备的出现,混凝土拱桥的施工工艺获得了巨大的发展,从之前的支架现浇法(拱架现场浇筑)到无支架施工法(转体施工、劲性骨架施工、悬臂浇筑等),最后发展到组合施工法(悬臂浇筑与劲性骨架组合等),图1-6 为拱桥施工工艺分类示意图。悬臂施工法又称分段施工法,是由钢桥的悬臂拼装发展而来的,最早主要用于修建预应力 T 型刚构桥。因其所具备的众多优点,被广泛的应用于各种桥型。根据主拱圈的修建方式,悬臂施工法可以分为悬臂拼装法和悬臂浇筑法。根据扣索的布置方式,悬臂拼装法又可以分为塔架式悬臂拼装法和桁架式悬臂拼装法。前者是将拱圈划分成不同的部分,提前进行预制,然后利用吊装好的拱圈、立柱、立柱斜腹杆及桥面板(或上弦拉杆)组成桁架拱片,从拱脚开始一步一步向跨中方向进行拼装施工。悬臂浇筑法也可分为悬臂桁架浇筑法和塔架斜拉扣挂悬臂浇筑法。悬臂桁架浇筑法是利用已浇筑完的拱圈、立柱和桥面板组成桁架体系,再用临时扣索将其锚固在桥台上,逐步由拱脚向跨中推进的施工方法。塔架斜拉扣挂悬臂浇筑法则是利用交界墩或修建临时墩作为临时扣索的锚固点,如果高度不够,还可在墩顶架设临时塔架,利用临时扣索固定已浇好的拱圈节段,采用移动挂篮逐步由拱脚向跨中浇筑拱圈混凝土,直至合拢。该方法使用范围较广泛,可用于建造各种类型拱桥。
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第二章 悬臂施工拱桥索力模拟与计算方法
 
拱桥悬臂施工期间,拉索的索力将会影响拱圈内部的受力与线形。由于拱圈内部没有设置预应力筋且混凝土抗拉强度很低,因此在悬臂施工过程中,首要是控制拱圈截面的拉应力不超限。拉索索力直接影响拱圈的内力与线形,索力的调整以控制拱圈应力为主,控制线形为辅,线形目标主要通过设置预拱度来实现。为了降低施工难度及保证扣索的稳定性,施工过程中尽量采用一次张拉,通过张拉当前节段扣索或拆除其他节段的扣索来达到调整拱圈内力与线形的目的。采用斜拉扣挂悬臂施工的混凝土拱桥,一般在主拱圈合龙后即拆除全部的扣索,拆索前后拱桥存在结构体系转换。由于合龙后拱圈的内力与线形无法进行调整且悬臂施工阶段的索力对成桥后拱桥的内力与线形有一定的影响。所以合龙前可以对扣索进行整体调整,优化成桥后拱圈的内力状态与线形。综上,以施工阶段内力安全与线形达到理想状态为目标对采用斜拉扣挂悬臂施工的拱桥进行合理的扣索力计算是非常重要的。
 
2.1 悬臂施工拱桥合理扣索力计算的模拟方法
合理扣索力的计算是悬臂施工拱桥施工控制的重点和难点。悬臂浇筑施工过程中结构体系不断发生变化,因此各施工阶段应根据当前的结构体系和荷载状况,正确模拟各施工步骤,选择正确的计算图式进行计算、分析。施工控制计算中要考虑结构非线性、混凝土收缩、徐变及温度的影响,也要进行必要的结构抗风、抗震的验算。通过拱桥施工过程的模拟分析,计算出施工过程拱圈关键截面内力、关键节点位移,并以此为基准进行施工控制。因此施工计算系统是保证拱桥悬臂施工安全、可靠的前提,悬臂施工拱桥施工计算的模拟方法主要有如下几种。倒拆法[12]是从成桥状态出发,按照与实际施工步骤相反的顺序,进行逐步倒退计算得到各施工阶段的控制参数。桥梁结构采用此控制参数按照正装顺序施工完毕后,理论上结构的内力状态与线形即可达到设计的成桥状态。对于悬臂施工混凝土拱桥,施工计算中如果不考虑混凝土收缩、徐变的影响,计算结果将会有很大的偏差,但是混凝土的徐变与结构的形成过程有关,理论上倒拆法无法进行混凝土徐变计算。一般采用迭代法来解决这个问题,即第一轮倒拆计算不计入混凝土的收缩、徐变,然后以倒拆结果进行正装计算,得出混凝土收缩、徐变的影响效果。再进行倒拆计算时,计入正装计算得出的收缩、徐变影响,如此反复迭代,直到计算结果收敛。所以,要考虑混凝土收缩、徐变的影响时,倒拆法的计算量非常大,不是很实用。
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2.2 斜拉扣索索力的计算方法
 
2.2.1 零位移法
零位移法[14]的原理是将每根扣索都看做为约束拱圈的固定铰支座,根据每个阶段各支座处反力为零的约束条件,利用节点力学平衡原理和力的独立作用原理和迭加原理等力学法则,求得铰支座的水平及竖向反力的合力就是相应扣索力的张拉值。零位移法的优点是计算原理简单明确,力学概念清晰,每阶段无需设置预抬值,适用于节段之间各种连接方式,但是按零位移法的思想,每吊装一个节段,每根扣索索力及控制点的标高都需要调整,实际应用中十分繁琐,不利于施工过程的简化,而且为了保证各索在主梁锚点处位移为零的假设,频繁的调索可能使得主拱截面应力超限或者索力出现负值而不利于施工。
 
2.2.2 零弯矩法
零弯矩法的原理是人为地调整扣锚索索力使拱圈各节段在接头处的弯矩为零,以满足拱圈节段在吊装过程中节段之间的约束符合铰接状态。即使拱圈节段在吊装过程节段之间采用的是固结方式,仍可以使接头处的弯矩为零以保证在拱脚截面处的弯矩为零,解决了拱脚固定而拱圈各节段铰接类型的扣索力计算问题。该方法的优点是:原理简单、容易计算、编程快捷。从理论上可以计算随意多组扣索张拉力[15]。
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第三章 悬臂施工过程索力优化研究 .........20
3.1 力学基础 ..... 20
3.2 扣索角度的影响 ........... 22
3.3 吊点的合理位置 ........... 25
3.4 内力平衡点的求取 ....... 28
3.5 小结 .... 32
第四章 悬臂浇筑施工扣索索力计算与优化 ......33
4.1 工程背景 ..... 33
4.2 施工阶段模拟 ...... 34
4.2.1 施工阶段划分......... 34
4.2.2 建立计算模型......... 35
4.3 未知荷载系数法计算索力 .... 36
4.4 施工阶段索力优化 ....... 37
4.5 劲性骨架吊装分析 ....... 45
4.6 外包混凝土浇筑过程分析 .... 48
4.7 小结 .... 50
第五章 乌江大桥复线桥施工控制 ....51
5.1 施工技术方案 ...... 51
5.2 施工监控计算 ...... 54
5.3 现场监测内容 ...... 55
5.4 现场监测结果 ...... 61
5.5 小结 .... 62
 
第五章 乌江大桥复线桥施工控制
 
乌江大桥复线桥位于重庆市涪陵城区上游,横跨乌江,距乌江河口约2.8km,紧邻已建涪陵乌江大桥下游侧,为乌江大桥的复线桥。主桥跨度达220m,拱圈共划分为 43 个节段,采用悬臂浇筑-劲性骨架组合方式施工,在国内尚属首座。该项目于 2016 初开工建设,主拱圈于 2016 底开始施工。截至目前,该桥已进行到拱圈第 3 号节段的悬臂浇筑。
 
5.1 施工技术方案
乌江大桥复线桥主拱圈第 1 节段施工采用支架现浇,待混凝土养护到位预应力张拉完成后,张拉 1 号索,拆除支架;主拱圈 2~16 号节段采用挂篮悬臂浇筑施工;17~21 号节段施工前需先待劲性骨架合龙之后,行走挂篮浇筑;其中劲性骨架共计 6 个节段,1 号节段需要埋设在拱圈 16 号节段中,其余节段采用缆索吊装。主拱圈合龙后拆除拉索,进行排架和上部结构施工。整个桥梁施工阶段详细划分见表 5.1。从表中可以看出合龙后拆索顺序采用拱顶、拱脚交替拆除,这种拆索方案可以使拱圈拆索过程以及拆索后的内力在理想状态。施工采用的扣索方案与本文第四章确定的方案有所不同,主要体现在劲性骨架合龙后 17 号~21 号节段施工中,前面节段扣索的拆索顺序、拆索数量不同。此方案依据是:考虑劲性骨架合龙后对主拱圈有支撑作用,在劲性骨架段混凝土外包施工时,对前面一些扣索进行了拆除,这样可以降低拱脚附近正弯矩,并降低拱肩最大负弯矩绝对值,对拱圈整体受力状态有利。
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结论
 
本文依托部分劲性骨架悬臂施工混凝土拱桥开展工作,围绕悬浇施工混凝土拱桥的受力特点,提出通过使悬臂施工全过程内力最优求解扣索力的理论方法,得出了最大悬臂与倒拆一个节段两种状态最大弯矩最小的最优解。并且提出在理想施工条件下,扣索应沿拱圈节段的切线方向设置;为了扣索力的最大利用效率,吊点应该垂直于拱圈扣点到拱脚的割线方向设置。对本文依托工程乌江大桥复线桥建立计算模型,首先采用未知荷载系数法进行索力计算,以最大悬臂状态关键节点的竖向位移及拱脚弯矩为约束条件求得扣索初拉力值,发现得出的索力不能满足正装分析过程中最大应力不超限的要求,然后采用改进的应力平衡法对索力进行优化,进行正装分析,控制条件设为拉应力不超过 1Mpa,求得扣索力结果满足施工阶段拱圈控制截面应力不超限,在理想的范围内。对劲性骨架吊装过程与外包混凝土施工进行了分析,确定了劲性骨架的吊装施工方案,每次吊装后采用一根临时扣索进行张拉固定,结果显示此方案能使吊装过程对已浇筑节段的影响很小,且劲性骨架端部的竖向位移很小。采用板单元模拟外包混凝土,采用整环分段浇筑方案,计算结果显示外包混凝土施工过程中,拱圈各节段应力在理想状态。在施工现场对拱圈的应力与线形进行重点监测,通过整理现场监测的数据,与计算模型提取的理论值进行对比,结果显示两者吻合较好,有一定偏差,对比结果有助于对控制参数进行下一步的修正。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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