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大跨度钢箱拱桥的施工控制关键技术与动力特性研究

田仲初  
【摘要】: 近年来,大跨度钢箱拱桥在我国的建设与发展非常迅速,创造了多项世界第一。先进的施工方法在推动大跨度钢箱拱桥的发展方面发挥了巨大的作用,与这些施工方法相对应的施工控制技术的研究也取得了卓有成效的成果;同时,对大桥动力特性检测理论与应用的研究也取得了很大的成果,并得到了广泛的应用。 本文以云南小湾大桥、重庆菜园坝大桥和广东佛山东平大桥等国内几座极具特色的钢箱拱桥为工程背景,对拱肋采用斜拉扣挂施工和转体施工的钢箱拱桥施工控制关键技术进行了深层次的研究,同时对钢箱拱桥建造期与使用期的动力特性检测理论与应用作了较为深入的研究,主要研究内容包括以下几个方面: (1)针对拱肋采用斜拉扣挂法施工的钢箱拱桥,提出了基于一次张拉到位控制思想的两种控制参数求解方法:弹性—刚性支撑法和正装迭代—倒拆分层综合法。这两种方法均可同时求出扣索的安装索力和拱肋预抬量。对于弹性—刚性支撑法,本文根据力法基本原理推导了钢箱拱肋拼装过程中扣索的安装索力及相应的预抬量计算公式。基于一次张拉到位控制思想的两种控制参数求解方法已在国内多座大桥的施工控制中得到成功应用,证明了该方法的可靠性与适用性。 (2)以首次采用无扣索竖转法施工且创钢拱桥平转重量世界记录的佛山东平大桥为背景,对采用转体法施工钢箱拱桥的施工控制关键技术进行了系统研究。针对东平大桥因施工方案变更引起的结构线形变化,以一次调整到位控制思想为指导,结合最小二乘法原理,提出了一套多目标无扣索竖转施工的精确控制方法,取得了理想效果。建立了完善的转体施工监控系统,成功解决了竖转中多合龙口高精度合龙的难题,准确预测了平转牵引力,验算了转体中的结构安全,并运用了同步无线监测数据采集系统,解决了提升塔实时应力监测、预警的难题,为转体施工的成功实施提供了安全保证。 (3)提出了基于频率测试与理论分析相结合的拱桥刚性吊杆拉力测定方法。采用行列式搜索法,通过编制程序对不同边界条件吊杆拉力与频率关系的超越方程进行求解。针对东平大桥所采用的H形刚性吊杆,提出了一种建立在考虑轴力的两端固支梁简化模型上的频率测定法,通过实测东平大桥各吊杆的横向振动频率,计算得到各吊杆的拉力。该方法可以考虑腹板开孔的影响,与有限元计算结果比较证明了该方法的有效性和精确性。 (4)针对钢箱拱桥施工过程及成桥状态的结构特点,在环境激励下,采用固定参考点,逐点移动采集振动信号的结构模态试验方法,对云南小湾大桥和佛山东平大桥等钢箱拱桥进行了模态测试,为有限元模型修正提供了基础数据。 (5)本文在现有有限元模型修正理论的基础上,提出了静动力分层次有限元模型修正方法。基于东平大桥成桥静、动载试验的实测数据,对东平大桥成桥状态初始有限元模型进行了修正,建立了该桥健康监测与安全评估的基准有限元模型。该方法能够充分利用结构静动力试验数据,比基于单一动力或静力的修正方法能取得更好的模型修正效果;比已有的一次性联合静动力有限元模型修正方法能减小优化姚模,减少迭代次数,得到更合理的修正结果。


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