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基于影响矩阵的大跨桥梁合理成桥状态与施工控制研究

杨俊  
【摘要】: 在桥梁建设中,对桥梁施工过程进行控制是非常重要的,它是保证桥梁在建成后实现理想设计状态的关键,而确定桥梁合理成桥状态具有重要的工程意义。它不仅为桥梁施工控制提供最优目标,方便结构施工,缩短工期,而且能充分发挥结构特性,节约材料,降低工程造价。 本文围绕确定桥梁合理成桥状态与施工控制这一主题展开工作,以大型有限元分析计算程序为操作平台,以斜拉桥、系杆拱桥、自锚式悬索桥为研究对象,充分利用桥梁结构中部分构件内力的可调性,改变桥梁结构内力的分配,优化结构设计。在剖析基于几何线性、几何非线性影响矩阵形成的理论基础上,深入研究了基于影响矩阵的结构调值计算理论及其在桥梁设计与施工中的具体应用。归纳起来有以下几个方面: 1、综述了桥梁结构几何非线性的影响因素及各种几何非线性因素的处理方法。在此基础上,导入了桥梁结构调值计算的影响矩阵法,并就基于线性、非线性的调值计算理论作了研究探讨。比较了目前常用的几种形成影响矩阵的方法,即修改总刚法、强迫变形法、基于结构变更定理法,给出了基于温度变化原理和基于归一化原理的影响矩阵的形成方法。 2、综述了确定斜拉桥合理成桥索力的各种方法,并比较了各方法的优缺点,得出了基于影响矩阵的综合方法确定斜拉桥的合理成桥索力。即采用刚性支承连续梁法,以斜拉桥主梁为相应的刚性支承连续梁产生的弯矩为控制目标,引入索力对主梁弯矩的影响矩阵,根据主梁内力平衡原理,建立主梁内力平衡方程,从而求出合理的斜拉桥成桥索力。在充分讨论现有斜拉桥施工控制方法的基础上,研究了确定斜拉索施工张拉力的影响矩阵法,同时计入了结构几何非线性影响,求解施工张拉力的迭代方法。通过分析讨论多目标优化方法,推导了基于影响矩阵的综合方法进行斜拉桥误差调整计算。 3、提出了基于影响矩阵的综合刚性吊杆法和自动调索法来确定系杆拱桥的合理成桥吊杆内力。即首先采用刚性吊杆法,将吊杆的刚度置大数,得出吊杆内力与系梁控制节点的竖向位移,从而求出吊杆内力对系梁节点竖向位移的影响矩阵,然后运用自动调索法修正吊杆内力,即得到合理成桥状态下的吊杆内力。通过对系杆拱桥吊杆张拉施工过程中吊杆内力互相影响的研究,得到了基于影响矩阵的吊杆分阶段张拉的倒拆施工控制方法,此法理论上可使吊杆在一次张拉完成后,即达到设计状态。最后,得到了基于影响矩阵的吊杆内力误差调整方法。 4、验证了自锚式悬索桥施工控制中的力学特性,在对自锚式悬索桥结构受力特性进行分析的基础上,推导了基于最小能量原理与变形协调法综合确定自锚式悬索桥的吊杆内力。通过对自锚式悬索桥合理成桥状态的计算模型研究,引入了基于影响矩阵的最小弯曲能量法,确定自锚式悬索桥的合理吊杆成桥索力,该方法能计入活载的影响。提出了基于影响矩阵的自锚式悬索桥吊杆线性、非线性施工张拉控制原理,与传统吊杆张拉方法相比,该方法能减少吊杆张拉次数,节约施工费用。最后,推导了基于影响矩阵的自锚式悬索桥施工误差控制理论,并同时考虑了线性、非线性的影响进行施工误差控制。


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