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大型空间异形钢塔斜拉桥施工监控技术研究

王石磊  
【摘要】:新世纪以来,伴随我国城市化快速发展的进程,城市桥梁建设规模与日俱增,桥梁已被纳入城市建筑的构成元素,除满足基本的交通功能外,被赋予更多的象征功能和文化内涵,具有复杂空间造型美学感染力的大跨度钢塔斜拉桥受到广泛关注,桥梁自身的安全性、美学对几何外观的敏感性均对复杂造型的斜拉桥建造精度提出了严格的要求,传统的斜拉桥施工控制技术面临新的挑战,本文旨在对具有复杂空间造型的城市斜拉桥施工监控中面临的技术难题进行研究和探讨,以期丰富和发展该类斜拉桥施工控制技术。本文主要研究工作和成果如下:⑴为获取异形钢塔斜拉桥制造及架设几何形态控制数据,可建立板壳单元与梁单元混合的三维空间有限元模型;索塔制造几何形态可基于生死单元技术进行计算;现场节段拼装的架设几何形态复核时需考虑当前安装节段的重量影响;计算拉索无应力长度时应考虑塔梁制造几何形态及车道荷载预拱度的影响并校核其无应力长度调整范围。⑵本文提出的异形钢塔几何形态关键测量技术由三点法节段空间快速定位、“双棱镜”异形构件表面坐标远距离测量、“地面全站仪竖向高程传递+端口正负压力变送器高差测量”倾斜端口高程测量等部分组成,三点法节段空间快速定位推算点位差与三点最大位差比值为1.5,异形构件表面坐标远距离测量额外附加标准偏差为0.94mm,在200m高差范围内倾斜端口高程测量标准偏差为1.64mm。⑶本文提出了融合待架节段制造与已架节段安装误差的几何姿态动态预测与误差优化调整钢塔几何形态架设控制方法,实现了背景桥梁钢塔成形后轴线偏差小于H/4000、高程偏差不大于20mm架控精度要求。该方法全程由三维模型驱动,其变形修正模块基于特征点距离偏差最小构造目标函数,采取BFGS拟牛顿优化算法寻求待架设节段最优姿态,避免了仅考虑无应力状态的虚拟预拼装无法对现场架设状态进行预测的缺陷;其姿态预测模块考虑已架设节段焊接后的实际误差,采用最小二乘法对变形后平面进行拟合,在构建于拟合平面的局部坐标系内基于连接端口错变量最小构造目标函数,设置优化参数限制条件,采取BFGS拟牛顿优化算法预测待架设节段姿态,基于姿态偏差指导节段加工调整;其误差调整模块基于解析算法可精确计算实现节段上端口轴心调整的角点垫高量。⑷本文提出了考虑已成合龙口架设偏差的空间扭曲型合龙段精确配切计算方法。方法遵循合龙口壁板错变量最优原则,以已成合龙口特征点至合龙段端口棱线距离构造目标函数,以合龙段自身姿态满足架设偏差设置约束条件,基于内点罚函数法驱动优化模型获取合龙段最优安装姿态,精确计算合龙段各棱线配切量;背景桥梁合龙口变形敏感性分析指出温度场是关键影响因素,通过连续72小时温度场与变形的关联分析,确定了合龙时机;基于环境温度与温度场关联分析及天气预报,提出了配切量的温度影响修正方法;通过合龙段端口8条棱线多特征点坐标采集和空间拟合,计算了合龙段配切量,实现了钢塔零附加应力精确自然合龙。⑸针对背景桥梁矮塔临时固结系统承担锁定功能的锚杆力变化偏离预期的问题,结合“支座+砂箱+锚拉杆”临时固结系统特点,对临时固结系统多元物理量进行专项测试,数据表明承压板变形满足空间平截面假定的特点,平面拟合校正决定系数_(6(95)=0.9320;基于空间平截面假定与位移法构建平衡方程,进行支座及砂箱竖向承压刚度参数识别,结果表明支座压缩刚度为30083kN/mm,砂箱压缩刚度为3370kN/mm,支座压缩弹性模量为8278MPa;为确保锚拉杆锁定效果的可靠性,对背景桥梁施工步序进行了调整,实测及理论计算表明该调整是必要和有效的;矮塔架设几何形态控制时应考虑实际刚度参数的影响。


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