山区大跨度桥梁设计（通用12篇）
山区大跨度桥梁设计 篇1
1 山区桥梁施工特点分析
山区桥梁在进行桥梁设计的过程中往往具有小曲线、大纵横坡、高墩、桥长长等特点, 所以, 山区桥梁的施工与其他地区的桥梁施工大大不同, 具体表现在以下几个方面。
1.1 施工组织难度较大
由于山区桥梁施工环境具有的特殊性, 导致山区桥梁的施工路线在河岸的交替处反复出现, 且山区的桥梁需要跨过很多的沟渠, 因此, 山区桥梁的桥面与地面的落差较大。此外, 山区桥梁在施工过程中的交通十分不方面, 无论在施工材料的采购方面, 还是在机械、人员的分配和调动方面都具有一定的难度。
1.2 施工周期较长
山区桥梁在施工中的组织较为复杂, 很难形成较为顺畅的施工流程, 不适应流水化的作业模式。所以, 与进行分项部分工程的平原地区的桥梁相比, 山区桥梁的施工需要的周期更长。
1.3 施工投入较大
由于山区施工具有复杂性, 山区桥梁在施工过程中受到地形因素的制约较多, 在施工过程中所使用的施工措施的投入较大。此外, 山区桥梁施工的施工基础、高墩等施工项目的工程周期相对较长。在施工总工期的制约下, 桥梁的施工基础和施工高墩柱只能使用平行施工作业的组织方式施工, 从而形成一个较为完整的施工体系。山区大跨度桥梁施工所需要的施工设备与施工模板配合起来的难度较大, 很难相互调配使用。
1.4 施工风险较大
在山区桥梁的开挖过程中, 常使用爆破式的桥梁施工模式, 且施工的桥梁墩柱较高, 所以, 进行爆破作业和高空施工作业的施工难度较高、风险较大。
2 施工方法分析
2.1 无支架施工分析
桥梁施工中的无支架施工是在桥梁施工过程中没有辅助支架或借助较少支架的施工方法。无支架施工会在施工中利用吊装设备施工, 并对桥梁上部的结构进行整体或分段浇注作业等。
2.2 悬臂施工方法分析
山区大跨度悬臂施工方法是在桥梁两端不对称或对称的地段分解为桥梁的节段, 直至整个桥梁施工完成。悬臂施工方法根据混凝土现浇或预制分为悬储罐注和悬臂拼装。其中, 悬储罐注是在桥位处使用挂篮就地灌注混凝土, 当混凝土的强度达到一定的标准后, 将张拉筋挂篮移动一段之后施工;悬臂拼装法在施工过程中使用吊机吊装的方式使梁段到位, 然后利用张拉力筋实现下一段的桥梁施工。
2.3 转体施工方法分析
转体施工是在20世纪发展起来的一种桥梁施工工艺。该施工办法是根据施工实际情况在河流两岸比较恰当的位置使用一定的支架将半桥预制完成, 并对桥梁构件进行旋转, 最终使两个半桥被旋转到桥位轴线的指定位置然后, 两者相互合拢形成桥梁。同时, 该施工办法根据桥梁的旋转方式的不同可分为平竖结合方法、竖直转体方法以及水平转方法。
2.4 顶推施工方法分析
该施工办法是在桥梁的轴线后台设定预制场地, 分节段预制拼装, 并使用预应力筋, 使施工完成的梁体与预制节段形成统一的整体, 最后将梁段推出进行下一步施工。这种施工方法主要适用于高度较高的桥梁施工体系。
3 山区大跨度桥梁施工技术要点
3.1 基础性施工要点
3.1.1 深水高桩承台的基础性施工要点
在深水急流中设计大型钻孔平台时, 水流情况较为复杂, 因此, 船舶很难控制自身的位置。同时, 平台中的钢管刚度较小, 悬臂相对较大, 在水的动力推动下易发生断裂。所以, 使用钢护筒来作为平台的支撑构架的方案比较符合实际施工需要, 可以有效加快护筒沉放的速度, 并提高沉放精度。深厚覆盖层超长大直径钻孔灌注桩的施工中需要根据地层的实际情况调节钻速, 护臂的泥浆要具有较高的质量, 泥皮的厚度要小, 采用桩底后压浆的办法可以有效减少桩基的沉降, 使其整体的承载能力和基础刚度有效增强。在超长、超大钢吊箱的设计和施工中, 如果没有满足实际要求的钢吊箱, 则需要现场拼装。在具体的实施过程中, 需要使用较为安全、可靠, 且可以实现液压远程控制和监控的技术, 从而提高钢吊箱的下水精准度。
3.1.2 沉井基础施工要点分析
在进行下部钢沉井岸边接高时, 为了有效防止洪水期桥梁受到洪水攻击, 需要优化施工临时的锚固钢沉井, 使其设为岸边的临时锚固;根据施工中的浮运航线所能满足的最大水深、有效宽度对钢沉井进行参数设置, 保证浮云的动力和安全;优化沉井的着床高度, 并调整沉井着床。
3.2 索塔施工要点分析
索塔中包含了塔柱、门形框架结构, 受到的竖向力和水平力都比较大, 索塔的基础使用的是桩基础。如果索塔的高度较高, 则需要避免其受到温度和风力的影响, 应及时对其修正, 并采用严格的控制措施。如果施工环境较为恶劣, 则需要辅助使用测量仪器和相应的测控技术, 保证施工全过程的测量精确和有效定位。
3.3 上部结构施工要点
先导索是开展悬索桥上部施工的首要步骤, 主要的施工办法是水面过渡铺设方法、空中过渡法以及海底拽拉法等。缆索系统施工中的主缆索股调整分为基础索股和一般索股。在调节过程中, 要求周围环境中的风速较低、温度较为稳定。在进行上部结构施工时, 需要注意悬索的防腐处理工作, 保证主缆系统的施工地位。所以, 需要保障主缆系统的施工质量。通常情况下, 主缆系统主要进行防腐处理, 使其防护质量得到保证。
4 结束语
综上所述, 在桥梁施工技术中, 大跨度桥梁施工是十分重要的一部分。山区大跨度桥梁的施工过程决定着施工质量。如果想建造满足实际需要的桥梁, 则需要研制巨型设计设备, 并革新工艺。只有在施工中辅助自动化程度较高, 且具有一定精密性的桥梁构建设备, 才能使架桥质量得到保证。此外, 还需要配备较为完善的大跨度桥梁施工计算机控制系统, 并在施工中组织专业水平较高的施工队伍, 在保证施工进度的同时, 做好桥梁的质量控制工作。
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山区大跨度桥梁设计 篇2
摘 要: 大跨度桥梁形式多样,有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥及其他的一些新型的桥式,如全索桥、索托桥、斜拉—悬吊混合体系桥、索桁桥等等。其中,悬索桥和斜拉桥是大跨径桥梁发展的主流。本文针对大跨度桥梁结构选型和设计这一问题做了综合性的总结和归纳。
关键词: 大跨度桥梁;斜拉桥;悬索桥;桥梁造型设计;1 引 言 世纪90 年代以来, 随着世界经济和科学技术的高速发展, 大跨度桥梁的建设出现了前所未有的高潮。目前, 悬索桥的最大跨径已经达到1 991m , 斜拉桥的最大跨径达到890 m。随着桥梁跨径的逐步增大, 桥梁结构的柔性化趋势日趋明显, 桥梁结构的安全性、行车舒适性、架设方便性等一系列问题开始变得愈来愈突出。如何更好地解决伴随着桥梁跨径长大化而出现的这些问题, 成为21世纪世界桥梁工作者共同面对的挑战。本文简要回顾了大跨度桥梁的发展历史, 对现有大跨度桥梁建设的成就与问题进行了系统的分析, 在此基础上, 提出了有关大跨度桥梁设计的一些新构想, 希望对未来桥梁设计的发展有所帮助。2 现代斜拉桥的发展与演变 2.1 早期的斜拉桥
斜拉桥由索塔、拉索、主梁三部分组成。从历史上看, 影响斜拉桥发展的技术因素主要有三个第一, 力学分析手段的进步。第二, 材料性能的改进。第三, 施工技术的发展。从力学分析的角度讲, 斜拉桥属于多次超静定体系, 在没有电子计算机帮助的条件下, 手工进行力学分析相当复杂。现存的早期斜拉桥中, 较有代表性的是1867 年建造的新加坡Cavenagh 桥和1874 年建造的伦敦Albert桥。二十世纪五、六十年代, 斜拉桥获得了较快的发展。1955 年, 瑞典建成了主跨183m 的Stromsund桥;1959 年, 联邦德国建成了主跨302 m 的Severin桥。早期建造的斜拉桥有两个比较显著的特点: 一是单柱式索塔比较多;二是斜拉索很少2.2 密束斜拉体系的出现
随着有限元技术的发展和计算机技术的普及, 高次超静定结构的力学分析开始变得简单易行。1967 年, 联邦德国建成了主跨280m 的Friedrich2E2bert 桥, 从此拉开了密束体系斜拉桥建设的序幕。通过将导入拉索的预应力分布式地传递给主梁, 可显著减小梁中的弯矩, 并且易于采用悬臂法进行施工。因此, 密束体系斜拉桥的出现加速了斜拉桥跨度, 特别是预应力混凝土斜拉桥跨度的迅速增长。1986 年, 加拿大建成了主跨465 m 的An2nacis 桥;1991 年, 挪威建成了主跨530 m 的Skaron2sundet 桥。
二十世纪九十年代, 世界斜拉桥的建设进入了一个鼎盛时期。1993 年, 中国建成了跨度位居当时世界第一的主跨602 m 的上海杨浦大桥;1995 年,法国建成了主跨856 m 的Normandy 大桥;1999 年, 日本建成了跨度位居世界第一的主跨890m 的多多罗大桥。九十年代的大跨度斜拉桥建设有两个特点: 一是大部分出现在中国;二是倒Y 型和分离式倒Y型(有文献称之为钻石型)索塔被广泛采用。倒Y型和分离式倒Y型索塔的广泛使用, 既有技术方面的原因, 也有审美习惯和技术传统的影响, 下文将对此做具体的分析。2.3 斜拉桥索塔的造型与选择
索塔的形态可以多种多样, 需要指出的是, 索塔的形态通常和斜拉索的配置密切相关。如果采用单索面, 则通常会选用单柱塔或倒Y型塔。单柱塔可能存在的问题主要有两点: 一是从人体工程学的角度看, 如果桥面不是太宽的话, 单柱塔相对宽大的塔柱会对汽车驾驶员的运动视线产生一些阻断,给人某种程度的压迫感。二是从建筑美学的角度看, 由于单柱塔上塔柱和下桥墩的剖面尺寸有时相差悬殊, 给人以整体不协调的感觉.单索面的使用通常有两个前提条件: 一是主梁(桥身)要有固定拉索的中央分割带;二是主梁本身要有比较大的抗扭刚度。虽然采用单索面的日本鹤见翼大桥, 其主梁跨度达到了510 m , 但对于大多数桥梁设计师来说, 在设计大跨度斜拉桥时, 处于技术和心理感受两方面的考虑, 他们通常更倾向于选择双索面布置。和单索面桥构造上最接近的是双侧单索面桥, 即在桥面的两侧各布置一根互不相连的塔柱, 每根塔柱独立张拉出一面索。象荷兰的Waal 大桥这样采用双根单柱桥塔的斜拉桥实际上并不多见, 原因有技术方面的, 也有心理感受方面的。从技术的角度看, 由于垂直索面的结构刚度相对比较弱, 风载作用下存在发生振动发散的可能。从心理学的角度看, 设计师通常更倾向于结构在横桥向存在某种形式上的连接。一方面是出于结构受力方面的考虑, 另一方面是出于寻找视觉上的支撑, 两种因素汇合起来的结果, 使设计师们更倾向于用横梁将两根独立的单柱联接在一起, 以形成垂直于桥面纵轴的框架型桥塔支撑体系。当横梁在塔顶将两根独立的单柱联接在一起时, 便形成了门型桥塔。而当横梁在塔的中部将两根独立的单柱联接在一起时, 便形成了H 型桥塔。将门型桥塔的塔柱向内侧倾斜至极限,可形成倒V 型桥塔;将H 型桥塔的塔柱向内侧倾斜至极限, 则形成了倒A 桥塔。究竟是什么原因促使设计师纷纷将塔柱向内倾斜? 塔柱向内倾斜的直接好处是什么? 不利之处在哪里? 有什么办法能够平衡兼顾, 扬长避短。加斜拉索的最初目的是给主梁提供一个竖向支撑, 从而减小主梁由于重力荷载而产生的竖向弯矩和变形, 使主梁在跨度增加的同时, 并不显著增加梁的内力和变形。仅从抵抗重力荷载的角度考虑, 索平面应尽可能地和主梁平面垂直, 以保证斜拉索在沿桥向(纵向)铅垂面上的投影, 和水平面的夹角最大。因此, 单柱塔、双根单柱塔、门型塔和H 型塔是该条件下比较合适的塔型选择。但实际面对的问题是, 主梁除了要承受竖向重力荷载外, 还必须承受横向风荷载等其它方向的荷载, 并且横向风荷载的影响程度随主梁跨度的增加迅速增长。从力学分析的角度看, 要有效地抵抗横向风荷载, 索平面应和主梁平面保持比较适当(注意, 不是最大)的夹角, 以保证索力在横桥方向上的投影, 有比较合适的大小。因此, 此时的最优塔型,应当是适度扁平的倒V 型或倒A 型桥塔。随着桥面宽度的增大, 相对扁平的倒V 型和倒A 型桥塔, 会使桥墩基础的占用空间增大。比较简单的解决办法有两种: 一是在增大塔柱陡度的同时增大索力;二是将柱塔在主梁以下向内收缩间距, 形成所谓的钻石型塔身。显然, 抵抗竖向重力荷载和抵抗横向风荷载对最优塔型的要求存在一些矛盾。另外, 大跨度斜拉桥还需要考虑抗扭曲的问题。综合几个方面的因素, 人们发明了一种最简单和最直接的解决办法, 即在倒V 型(包括钻石型)桥塔的顶部向上增加一根垂直立柱, 并将斜拉索锚固在新增加的垂直立柱上。倒V 型桥塔加垂直立柱形成的新塔型, 就是目前在大跨度斜拉桥建设中广
泛采用的倒Y型桥塔
当桥梁跨度比较大的时候(500 m～600 m 以上), 倒Y型桥塔中的垂直立柱会变得比较粗, 结果使桥塔沿桥向和横桥向的风阻大大增加。降低桥塔风阻的最简单、也是最实用的办法之一, 是将倒Y型桥塔中的垂直立柱横桥向压扁、沿桥向镂空,也就是将立柱变成横桥向的比较细长的H 型或日型框架, 由此形成的桥梁塔型, 本文称之为分离式倒Y型桥塔。事实上, 倒A 型桥塔也可以归类为分离式倒Y型桥塔。
当桥梁跨度低于500 m 时, 同样可以采用分离式倒Y型桥塔。分离式倒Y型桥塔近年来得到广泛采用的原因主要有以下几点: 一是桥塔本身的造型比较美观;二是对桥面宽度变化的适应能力比较强;三是垂直立柱分离使正桥向原先存在的索面空间闭合状态被打破, 由此形成的开放式视觉空间,可以有效降低倾斜索面对行车人视觉可能产生的压迫感。
从拓扑关系看, 分离式倒Y型桥塔可根据变形路径的不同, 退化演变为倒Y型、H 型和门型桥塔中的任何一种。换句话说, 从分离式倒Y型塔型出发进行结构拓扑优化, 可以发现目前已知常用塔型中的最优塔型。
斜拉桥的跨度最大能够达到多少是人们非常关心的一个话题。在正面回答这个问题之前, 我们先分析一下影响斜拉桥跨度急速增大的因素主要有哪些。显然, 有技术方面的因素, 也有经济和美学方面的因素。事实上, 正是多因素的复合限制了斜拉桥跨度的急速增大。从力学的角度看, 斜拉桥跨度急速增大带来的主要问题是: 第一, 由于斜拉索索力的水平分量需由主梁中的内力来平衡, 随着斜拉桥跨度的增加, 塔处主梁根部的压应力急剧增大,因此, 主梁的抗压稳定性将成为制约斜拉桥跨度急速增大的一个主要因素。第二, 长柔的拉索比较容易发生独立索振动, 加稳定索和抗风阻尼器虽在一定程度上可以缓解这一问题, 但因此付出的经济代价是否值得则有待商榷。从经济学和美学的角度看, 限制斜拉桥跨度急速增大的主要因素是: 第一, 斜拉索的最小倾斜角有一个合理的下限, 这个下限值大致在20 度左右。第二, 斜拉桥索塔的高度有一个合理的上限, 这个上限值大致在300 m～350 m左右。综合这两个因素, 我们估计斜拉桥最大可以接受的跨度应当在1 250 m～1 500 m 左右。3 现代悬索桥的发展与演变 3.1大跨度悬索桥的出现与流行
悬索桥通常由主塔、主缆、吊索、加劲梁、锚碇五部分组成。悬索桥自古就有, 但近代意义上的大跨度悬索桥则出现在十九世纪中叶。1855 年, J1A1 Roebling 建成了世界首座跨度为250 m 的铁路悬索桥。1883 年, 美国布鲁克林桥的跨度达到了486m。1931 年, 乔治·华盛顿大桥的跨度首次超过1000 m。1937 年, 跨度1 280 m 的金门大桥在美国建成。1981 年, 英国建造了跨度1 410 m 的亨伯桥。1998 年, 日本明石海峡大桥的跨度接近2 千米, 达到1 991 m。
悬索桥跨度的不断增大一方面来源于材料科技和建造技术的进步, 但最主要的原因恐怕直接来源于设计思想的根本性转变。
在近代悬索桥的发展历史上, 曾经出现过3 次比较大的设计思想变革。第一次变革出现在二十世纪初。1888 年, Me2len 提出了考虑载荷引起的变形对结构内力计算影响的挠度理论, 奠定了近代悬索桥设计的理论基础。挠度理论发现, 悬索桥的整体刚度主要由主缆的重力刚度构成, 加劲梁自身的刚度对结构整体刚度的贡献不大。因此, 随着桥梁跨度的增加, 加劲梁的高度可基本维持不变。1909 年, 采用挠度理论设计的曼哈顿桥在美国建成。
第二次变革出现在二十世纪四十年代。1940年, 美国建成了塔科玛桥。4 个月之后, 在19m·s-1的风速下, 发生剧烈弯扭振动而坍塌。塔科玛桥坍塌的事故导致了两个积极的结果: 第一, 人们开始重新审视挠度理论, 发现加劲梁保持必要的刚度, 特别是抗扭刚度十分必要。第二, 桥梁的抗风设计, 或者说桥梁的抗风稳定性问题开始引起人们的高度重视。试验发现, 风引起的扭转或弯扭耦合模态的发散性振动是导致塔科玛桥坍塌的主要原因。为加强结构的抗扭刚度, 加劲梁的高度开始出现大幅反弹, 普遍达到7 m～12 m。桁架式加劲梁几乎成了大跨桥加劲梁的固定做法。
第三次变革出现在二十世纪六十年代。塔科玛旧桥坍塌事件对桥梁设计思想的影响, 在北美和在欧洲是完全不同的。美国人的做法是采用桁架式加劲梁解决减小风阻的问题, 并将加劲梁的高度大幅增加以提高断面的抗扭刚度。英国人则认为, 改善桥梁气动稳定性的合理方式, 应当是采用合理的加劲梁剖面形式, 主要通过降低风阻和控制气流分离的办法减小扭矩, 通过将横剖面闭合的办法增加箱梁的抗扭刚度。1966 年, 英国人的设计思想在塞文桥中得以实现。当时, 塞文桥988 m的跨度虽然并不起眼, 但它首次采用的流线型扁平钢箱梁设计却使整个桥梁界产生了强烈的震撼。塔科玛旧桥垮桥事件后, 对于大跨悬索桥, 桁架式加劲梁曾被认为是最有效的加劲梁形式, 这一看法由于塞文桥的出现而开始受到人们的质疑。塞文桥的设计思想, 在土耳其的博斯普鲁斯I 桥上得以再次展现。1981 年, 英国人建造了跨度1 410 m的亨伯桥。亨伯桥不仅从美国的维拉扎诺海峡桥(, 跨度1 298 m , 建于1964 年)那里夺走了跨径世界第一的宝座, 而且在造型上的特征异常鲜明: 一是桥塔很矮, 只有155 m。二是边跨比很小, 且左右不对称(分别为0120 和0138)。
塞文桥的著名并不在于它的跨度是否曾经达到过世界第一, 而在于它首创了一个全新的设计理念。唯其如此, 著名德国桥梁设计师F1 Leonhardt认为, 塞文桥的出现标志着现代悬索桥设计风格的开始[4 ]。3.2索桥主塔的造型与选择
现代悬索桥的主塔形式主要有三种: 第一种是使用水平杆件将两根塔柱相连的刚架式;第二种是使用水平横杆和交叉斜杆将两根塔柱相连的桁架式;第三种是路面以上为刚架, 加劲梁下用交叉斜杆连接的混合式。在悬索桥(同样适用于斜拉桥)桥塔的设计中, 有几点是需要仔细处理的: 第一, 要合理安排下、中、上三个塔段的高度分割比例。依据美学原则, 类似甘蔗的节, 按由短到长顺序设置的塔段高度给人以稳重、流畅的感觉。如果做到下短上长有困难, 则应逐步减小上层塔柱的截面尺寸。第二, 如果桥面以上塔柱的高度低于桥面以下塔柱高度的2 倍,则桥面以上的塔柱间应使用单横梁。强度不够时可将顶部横梁的高度加大, 横梁下缘做成拱型曲面。第三, 桥上、桥下的塔段设计风格应当尽可能地和谐。适度的变化是允许的,只要构造上蕴涵的内在节奏和韵律不遭到破坏。第四, 需要仔细安排塔柱剖面尺寸、横梁剖面尺寸和塔高间的相对比例关系, 不要使塔柱和横梁显得过于笨重, 给人以不舒服的沉重感。
塔型设计是一门综合性的艺术, 是结构工程学和建筑美学的有机结合。塔型设计同时又是一门个性化的艺术, 她的身上不可避免地镌刻着建筑传统和设计师个人风格的烙印。前者要求塔型构造除了本身各部分之间应相互协调之外, 还必须和加劲梁的设计风格相协调。而两者的综合则可以解释一些令人费解的现象。
伊藤学发现了一个有趣的现象: 日本的大跨悬索桥比较多地采用了桁架式的塔型设计, 而欧美的同类桥梁则比较多地采用了刚架式的塔型设计。比较典型的有桁架式的日本明石海峡大桥和刚架式的美国金门大桥等。伊藤学认为,造成这一现象的主要原因是, 日本的地震和强风等横向荷载比较大, 采用桁架式的塔型设计比较经济。我们认为, 日本明石海峡大桥和美国金门大桥设计风格上的差异更多地源于设计传统和设计师的个人风格, 而不是源于地理上的差异。日本人的确喜欢使用交叉桁架式的塔型, 如日本的关门桥、南、北备赞濑户大桥、因岛大桥等, 但未必源于地理环境上的差异。第一, 金门大桥的桥位位于著名的加利福尼亚强地震带上, 并且和明石海峡大桥一样, 曾经遭受过强地震的洗礼。第二, 欧洲和美国也都有一些桁架式塔型的大跨度悬索桥, 如葡萄牙里斯本的塔古斯河桥、美国的奥克兰海湾桥、英国苏格兰福斯湾公路大桥(图15)等。第三, 日本人采用刚架式塔型的大跨度悬索桥也不少, 如日本的来岛大桥、大岛大桥、东京港彩虹桥、下津井濑户大桥等。还有一个有趣的现象: 美国人设计的桥塔比较刚劲, 而英国人设计的桥塔则比较纤柔。我们对这一现象的解释是: 美国人设计的这些桥梁采用了高度7m～12 m 的高大的桁架式加劲梁, 无论从美学还是从力学的角度看, 桥塔都应该设计得比较刚劲。而英国人设计的这些桥梁采用了高度为310 m～415 m的扁平的钢箱梁, 无论从美学还是从力学的角度看, 桥塔都应该设计得比较纤柔。事实上, 由英国人设计的香港青马大桥, 由于加劲梁的高度为717m , 其桥塔同样设计得刚劲有力(图17)。因此,对桥梁设计而言, 体现设计师的个人风格和魅力固然重要, 但桥型设计和桥梁的内在功能及与周边环境的关系保持协调则更为重要。我们的看法是, 如果采用扁平的钢箱梁为加劲梁, 则桥塔造型以采用刚架式为宜.4 结语
人类已开始向跨海工程挑战。世界上宽度在100km以内的海峡有20多处。独立于大陆之外，具有开发价值的近海岛屿无数。它们将是21世纪人类用桥梁去征服的目标。
21世纪桥梁将实现大跨、轻质、灵敏的国际桥梁发展新目标，意大利与西西里岛之间墨的西拿海峡大桥，主跨3300米悬索桥，其使用寿命200年。高强度铝合金、玻璃钢、碳纤维等太空材料将取代当代的桥梁钢、混凝土，成为桥梁建筑的主体材料，从而实现轻质目标；不同类型轻质材料组合拼装的各类新型斜拉桥、悬索桥、轻质拱桥将一跨而过大川巨流或小海湾，实现1500米以上大跨目标；桥梁上装配的计算机系统、传感器系统将可以感知风力、气温等天气状况，同时可以随时得到并反映出大桥的承载情况、交通状况。综观大跨径桥梁的发展趋势，可以看到世界桥梁建设必将迎来更大规模的建设高潮。
参考文献
某大跨度建筑结构设计 篇3
关键词：建筑；大跨度；结构；设计；外挑桁架；楼盖
一、方案选型
工程在初步设计阶段原拟采用如下方案：边跨采用型钢混凝土桁架，屋面采用网架屋面。该方案存在下列问题：①左右外墙端部型钢混凝土构件承受了33.6m跨度的屋面荷载，即使采用型钢混凝土构件，仍然存在荷载大、截面大、安全储备不足等诸多问题；②由于屋面必须用混凝土重载屋面，网架杆件截面大，含钢量也较大，且网架屋面难以实现建筑的整体效果。
为了解决上述问题，最终通过在中间另外设置4榀钢筋混凝土斜腹杆桁架，实现结构受力与外形及功能要求的统一。由于采用了6榀桁架联合受力，因此单榀受荷面积的明显减少，采用普通的钢筋混凝土构件就能满足要求。该方案由于上部斜柱框架体系刚度较大，底部仅设置框架柱刚度较小，容易形成薄弱层，因此底层斜柱与地面相交位置布置部分钢筋混凝土剪力墙，提高结构的抗震性能，解决结构上下层刚度突变，屋面采用正交斜放的钢筋混凝土梁板体系能有效地解决屋面板开洞后造成的屋面刚度损失。通过综合比较，该方案不仅可以保证建筑的外立面效果，而且用普通的钢筋混凝土体系解决了大悬挑的难题，大幅度减少了工程造价。
二、结构总体计算分析
采用空间结构软件SATWE及通用有限元软件MIDAS/GEN进行结构计算分析，设计参数为：建筑安全等级二级，结构重要性系数1.0，结构使用年限50年，设计基准期50年，抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类。主楼框架抗震等级三级，剪力墙抗震等级三级。
1.结构动力特性
由于6榀钢筋混凝土斜柱框架的存在，结构x，Y向刚度相差较大，结构在地震组合下x向的位移角为1/1802，Y向的位移角则达到了1/9999。因此虽然第二周期为扭转周期，但考虑到工程本身为多层结构，抗扭刚度也较大，在偶然偏心地震力的作用下的扭转位移比为1.34，可满足抗震规范的要求。
2.楼层侧向刚度及抗剪承载力验算
楼层侧向刚度比及抗剪承载力比见表1，其中。，R为x，Y方向本层的侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者。R，R表示本层的抗剪承载力与上一层的比值。从表中可以看出，通过调整各层的剪力墙的布置、截面厚度，楼层侧向刚度及抗剪承载力均可满足规范要求。
三、外挑桁架分析及设计
1.外挑桁架结构布置
经过计算分析，确定了工程最终的桁架形式及截面。左右外墙桁架（以下简称轴②，⑩桁架）如图1所示。轴⑤，⑦桁架形如图2所示，轴③，⑨桁架如图3所示。
2.外挑桁架分析与设计
工程钢筋混凝土桁架为整体现浇，且上下弦杆均承受楼面荷载，因此均为拉弯或者压弯构件，桁架的设计采用的是MIDAS/GEN的计算结果。工程在弹性楼板假定下对桁架进行了内力计算及配筋。以下仅以轴③，⑨桁架为例介绍桁架的计算结果。考虑到混凝土桁架的特殊性，桁架节点按刚接计算。表2中分别列出了桁架中受力较大的几根杆件的内力设计值。由表中可见，虽然节点按刚接考虑，各杆件一般仍存在较小的弯矩，这些弯矩主要是由构件自重及作用在其上的荷载引起。桁架上弦杆的轴向拉力较大，考虑到该结构构件为非常重要的承重构件，一旦出现裂缝，内力重分配会影响桁架的整体受力特性。故决定用更严格的抗裂设计原则，裂缝值控制在0.2mm以内进行配筋计算。
3.桁架构造及施工
桁架是通过节点将各杆件组成整体的，正确处理节点构造是保证桁架质量的关键。为了锚固杆件内的纵向受力钢筋，工程在节点处均应将混凝土截面局部加大。为保证节点混凝土浇筑质量，腹杆中间部分钢筋伸至水平弦杆顶部在水平锚固，角筋伸至水平弦杆底部锚固。
四、钢一混凝土组合楼盖设计
屋面跨度25.2m，采用钢一混凝土组合楼盖，主钢梁采用H1500×300×25×30焊接型钢，楼板采用C35混凝土浇筑，厚度120mm。为避免组合结构与普通钢筋混凝土楼面连接处因变形相差较大而出现变形裂缝，工程在钢梁支座混凝土楼板与四周楼板交接处均设置宽1000的施工后浇带，待周边混凝土构件达到设计强度并拆模后方进行后浇带混凝土施工。这样可有效释放端部弯矩，避免使用阶段屋面出现变形裂缝。
结束语
大跨度空间是结构设计中的难点和重点，通过方案比较及优化，该工程采用了6榀钢筋混凝土斜腹式桁架、钢一混凝土组合楼盖实现了建筑方案与结构受力与经济性的统一。通过SATWE和MIDAS/GEN有限元分析计算，对抗震性能及受力配筋进行了校核，保证了结构的安全性及经济性。同时预先考虑了施工中的难点与重点，保证设计意图能在施工环节中得到贯彻及实现。
参考文献
[1]GB50011—2O10建筑抗震设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社.2010.
[2]GB50010-2010混凝土结构设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社，2011.
山区大跨度桥梁设计 篇4
大临工程的建设是修建大跨度桥梁的首要任务, 是保证桥梁主体结构顺利施工的最为重要的环节。在山区修建大跨度混凝土拱桥, 由于地形条件及施工场地的限制, 大临工程的选址及设计显得尤为重要, 将直接决定了主体工程施工进度及施工质量。因此, 在施工进场之初应结合实际的地形及施工条件, 合理布置施工场地, 优化大临工程设计。本文以正在施工的沪昆客运专线北盘江特大桥为例, 对大临的规划及设计进行研究, 为同类工程的建设提供一些参考。
2 工程概况
沪昆客运专线北盘江特大桥位于贵州省关岭县与晴隆县之间, 线路穿岗乌隧道后横跨北盘江河谷, 桥尾紧接光照隧道进口。桥址位于光照水电站下游约1.5km处, 两岸均有贵州省光照水库库区公路从桥下通过。
桥梁中心里程为D1K881+943.0, 桥梁全长:721.25m。主桥为中心跨度445m上承式钢筋混凝土拱桥, 引桥及拱上孔跨布置为:1×32m简支箱梁+2×65m预应力混凝土T构+8×42m预应力混凝土连续梁+2×65m预应力混凝土T构+2×37m预应力混凝土连续梁, 建成后为世界最大跨度的混凝土拱桥, 其总体布置见图1所示。
北盘江特大桥为本线重 (难) 点桥梁工程, 桥址区两岸岸坡地势陡峻, 岸坡自然坡度为37°～62°, 局部为陡崖, 河谷深切, 为典型的山区“V”形峡谷地形, 桥面距离谷底约300m, 两侧均与隧道相连, 施工场地十分狭小。
3 施工场地的整体规划
下面以北盘江特大桥为例, 讨论施工场地的整体规划因考虑的主要因素。
3.1 场地整体规划考虑的主要因素
(1) 、材料运输通道
桥址区两岸桥下均有电站公路通过, 桥址上游约1.0公里处有光照电站的吊桥, 可使两岸公路相通。外地材料进场可依靠公路运输, 从贵黄高速经岗乌到达上海岸工地, 而昆明岸工地材料周转可通过桥址上游吊桥昆明岸侧公路到达。材料到达两岸后, 再通过施工临时便道, 达到施工作业面。但在施工进场后, 经调研该桥为原电站临时施工便桥, 已不能通行重型施工车辆, 因此施工场地布置时需考虑如何将材料运输至昆明岸。
(2) 、施工期间两岸公路安全防护
桥下公路现状为上海岸桥下为路基路面, 昆明岸桥下为200m左右的隧道交通洞。在桥墩及基础施工期间, 如何保证桥下公路的通行安全。特别是拱座基础的施工, 两岸拱座的开挖方量达到了30多万方, 拱座与公路面高差为120m, 拱座开挖对桥下公路的影响范围达到了500m;其次, 两侧拱座开挖出的大量土石方如何外运, 均需要在场地布置中予以重点考虑。
(3) 、混凝土拌合站的位置
本桥为混凝土拱桥, 混凝土圬工方量达到13万多方。因此拌合站的场地位置决定了整体的材料运输通道的设计。拌合站选址时需考虑以下几个方面:a、周密考虑临时设施, 具有满足生产及生活需要的水电供应;b、方便原材料进场和成品混凝土出场的运输通道以及便利的生活设施;c、根据混凝土的需求量, 考虑要有足够的堆料面积, 以满足原材料的贮藏和堆放。d、拌合站周围要有较为完善的排水设施, 尽可能减少污染。综合以上考虑及两岸公路的运输条件、场地条件, 选择在上海侧下游5km处建设混凝土拌合站, 同时供应两岸的混凝土施工。
3.2 场地的综合最优布置
从两岸公路施工防护来看, 上海侧公路路面暴露于拱座开挖的作业面下, 且影响范围达到了500m, 如果对公路进行常规的临时棚架防护, 则防护范围过长, 另一方面, 拱座距离路面高差达120m, 落石冲击力大, 临时棚架结构无法满足拱座开挖期间公路行车的安全, 同时防护棚架将影响到拱座基坑弃渣的外运。因此综合考虑搅拌站位置、材料运输等, 修建一座临时过江通道是十分必要。
本工程综合考虑上海岸公路的施工安全距离及现场实际情况, 在桥址下游约450m处修建了一座施工临时钢便桥。首先可作为上海岸与昆明岸之间的互通的材料运输通道的同时, 其次在施工期间可以将上海岸桥下500m范围的公路进行封闭, 行人及地方车辆通过该便桥到昆明岸, 再通过电站临时吊桥回到上海岸, 为上海岸陡坡上拱座基础开挖创造的条件, 一举两得。场地整体布置平面见图2所示。
而对于昆明岸的公路防护, 桥下为既有公路200m长交通洞已将公路行车面覆盖, 结合实际地形, 在既有交通洞上游有一冲沟, 在拱座开挖期间, 弃渣会从冲沟下泄, 影响行车安全, 本工程在冲沟下公路80m范围修建永久性棚洞, 即可拦截开挖下泄的弃渣, 也可保证桥梁建成后的公路行车安全。棚洞结构防护照片如图3所示。
4 劲性骨架预拼场的选址
对于山区大跨桥梁, 相邻均为长大隧道工程, 隧道的弃渣量大, 弃渣场的设置主要以考虑隧道弃渣为主, 山区常规桥梁一般采用与隧道公用弃渣场。但对于本文桥例, 如与隧道公用弃渣场, 则运距基本达到10km以上, 不但增加成本, 且耽误工期。
大跨度混凝土拱桥采用钢管混凝土劲性骨架施工, 钢管桁架需设置较大的预拼场地, 为方便钢管桁架的运输及吊装, 预拼场地不宜离桥位太远, 根据现场踏勘, 在桥位下游约500m上海侧河岸有一较大的洼地, 可作为预拼场地。因此, 结合现场实际地形的情况及施工工期安排, 大临设计时, 将弃渣场与预拼场合并。即在施工前期, 将该下游洼地作为拱座开挖的弃渣场地, 待拱座施工完毕, 将其改造为劲性钢桁架的预拼场地。并利用弃渣, 将预拼场与桥下吊装平台之间的公路面拓宽, 满足钢管桁架节段运输的需要, 节省了土地, 节约了投资。建成的预拼场地及过江栈桥如图4所示。
5 缆索吊跨度、吊重的设计
大跨度混凝土拱桥采用劲性骨架施工, 骨架的吊装及外包混凝土施工期间均需采用缆索吊机进行作业, 一般缆索吊机的覆盖范围主要以考虑主桥的施工为主, 因此在设计之初考虑缆索吊机的主跨为746m, 上海侧塔高43.6m, 昆明侧塔高83.4m, 缆索跨度为50+746+155m, 昆明侧缆塔位于6#桥台上, 如图5所示。进场详细踏勘现场实际地形后, 上海岸山体地形较高, 可充分利用地形, 将缆索吊机跨度加大, 直接将上海侧锚于山体内, 省去上海侧43.6m高缆塔, 昆明侧缆塔降到71m, 节省了安装时间及投资, 如此主缆跨度加大到827m, 缆索吊机跨度变为827+155m, 其布置见图6所示。
对于缆索吊机的吊重主要取决于拱脚段劲性骨架的吊装重量, 骨架三维图如图7所示。拱脚段骨架全断面重约120t (未含模板工程) , 如整体吊装, 则缆索吊机吊重在150t。虽然整体吊装可以节省吊装次数, 节省时间。但受桥位地形、预拼场、吊装平台等场地的限制, 要实现整宽26.8m劲性骨架的预拼装、运输及吊装十分困难。预拼场也无法再扩容。结合以上情况, 设计采用了分三次吊装的方案, 即拱肋和平联单元从预拼场通过平板车运输至桥梁下方的吊装平台。先起吊拱肋单元起吊, 完成与前一节段主弦管的连接, 再起吊横联单元与拱肋拼接, 完成一个节段的吊装。拱肋单元起吊重量38.5～48t, 横联单元重量19t, 吊装示意见图8所示。采用三次吊装方案, 缆索吊机的吊重只需要65t, 大大节省了缆索的用量, 且能够适应狭小的场地地形条件。
6 结束语
目前北盘江特大桥项目预拼场、搅拌站、缆索吊机等大临工程均已建设完成, 工程施工进展顺利, 很好的保证工程的施工进度及施工质量。
因此, 在山区地质、地形艰险的峡谷环境进行大临项目施工, 必须详细踏勘现场, 根据现场实际情况, 并结合工程的施工特点, 利用先天条件, 科学规划大临布置。最大限度的发挥临时设施的效能, 保证工程顺利施工的同时, 节省大临设施的投资。
摘要：本文结合北盘江特大桥项目实例, 介绍了山区复杂地形地区修建大跨度混凝土拱桥, 预拼场、缆索吊机等大临设施规划及设计时应考虑的主要因素。并结合详细踏勘的情况, 讨论如何充分利用仅有的先天条件, 最大限度的发挥临时设施的效能, 保证主体结构顺利施工。望能为山区狭小地形条件下修建大跨度桥梁的大临设计提供参考。
大跨度桥梁非线性分析的论文 篇5
关键词：桥梁非线性颤振抖振时程分析
一、前言
时程分析方法是桥梁风工程中的主要方法之一。过去的非线性时域分析方法都局限于抖振。其基本流程是首先模拟桥梁风场的脉动风速时程，根据脉动风速计算抖振力和自激力，然后将抖振力和自激力的计算编入非线性有限元程序中，最后再运用这样的程序进行计算。在这个流程中，非线性有限元程序是比较成熟的，但在脉动风速模拟和自激力的计算方面都还存在着对分析有重要影响的缺陷。由于时域中耦合自激力的计算比较困难，过去的时程分析中都没有考虑耦合的自激力，因此，这样的分析方法不能用来分析耦合颤振[2]。
本文在此对时程分析方法进行了改进。首先是改进了模拟随机风场的谐波合成法，提高了模拟的效率。然后本文实现了时域中耦合自激力的计算，从而在时域中实现了比较完善的风荷载计算。利用这样的风荷载，本文在时域中统一了抖振和颤振的分析方法。在时域中实现了耦合颤抖振和颤振分析。根据这一方法，本文运用可视化编程技术，编制了大跨度桥梁非线性颤振和抖振时程分析的有限元程序Nbuffet，并对程序进行了验证。最后本文对江阴长江大桥进行了非线性颤振和抖振分析，得出了一些有益的结论。
二、脉动风送的模拟
要进行抖振时程分析就必须首先模拟作用在桥梁上的脉动风速时程。本文采用经作者改进的谐波合成系列中的一种方法，大大提高了模拟效率，为在后文进行颤振时程分析中不断变换风速计算节约了时间。作用在大跨度桥梁上脉动风速可视为一维多变量随机过程。众所周知，用谐波合成法模拟一维多变量随机过程需要计算互谱密度矩阵的Cholesky分解。该分解通常采用迭代法求借，计算最大，常常影响模拟的规模的效率。本文作者利用桥梁上各点的互谱密度近似相等的特点，导出了显式的分解公式，并且采用了FFT技术，从而极大地提高了模拟效率。
三、风荷载计算
引起桥梁风振的荷载可以分为静力风荷载、抖振力和自激力。其中静力荷载按常规静力三分力系数计算，抖振力常按Scanlan的准定常理论计算。
自激力的计算一直是研究得较多的课题之一。传统频域抖振和颤振分析方法中的自激力都采用Scanlan提出的气动导数的线性表达式。由于该表达式是频域和时域的混合表达式，不能在时域中求解。为了在时域中顺利计算耦合自激力，Lin提出了一种用单位脉冲响应函数表达的统一自激力表达式[4]。本文按Lin的理论计算耦合自激力。Lin的理论基于二自由度耦合。然而，三自由度耦合对结构振动的影响最近也引起了一些学者的关注。虽然并非所有的自由度之间都具有耦合特性，但从理论和形式完备的角度出发，本文将Lin的理论从二自由度推广到三自由度，成功地实现了时域内三自由度耦合自激力的计算。
用脉冲响应函数表达的自激力适合于任意形式的振动，也适用于正余弦振动（颤振）。根据在正余弦振动形式下，脉冲响应函数表达的自激力与气动导数表达的自激力相等价的关系，Lin导出了用脉冲响应函数表达的自激力的具体表达形式。
四、统一的额报和抖报时域分析方法
在传统的步域分析方法中，抖振和颜振是通过完全不同的方法来分析的。其中，抖振分析用的是基于随机振动理论的响应谱方法，颤振分析用的是与特征值问题有关的半逆解法或复模态解法。风振时程分析的初衷是为了解决非线性情况下的抖振响应计算。但是颤振分析中所需要的计算自激力的公式在抖振时程分析中都要用到，所以从理论上讲，利用计算抖振时程分析的方法同样可以在时域中计算颤振。实际上，抖振和颤振并不是完全独立的。在任何风速之下，桥梁都受到抖振力和自激力的作用。当风速较低时，自激力很小，不起控制作用，桥梁的振动就体现为抖振。当风速增加到一定程度时，自激力逐渐发散，并控制桥梁的运动，桥梁就发生了颤振。因此，只要正确地描述了抖振力和自激力，运用时程分析这一仿真的分析方法，就可以算出一定风速之下桥梁的真实运动状态。如果表现为随机振动，则说明是抖振，我们就可以得到响应时程统计指标。如果是发散振动，就说明桥梁发生了颤振。只要不断进行搜索计算，我们就能在时域中找到桥梁的颤振临界风速。
根据以上设想，本文设计并首次成功地实现了时域中统一的颤振和抖振分析算法。
流程中，耦合自激力的计算是个关键。过去的一些抖振时程分析方法中常只近似考虑非耦合的自激力。而大跨度桥梁的颤振发散大多是受耦合自激力控制的，因此，过去的抖振时程分析方法不能用于计算颤振的原因就在于此。颤振发散的判断依据也是关键之一。考虑到结构在接近颤振临界状态时，振动形式逐渐从随机振动过渡到谐波发散振动，其振幅将逐渐增大，相应振动的阻尼将逐渐减小。因此，本文先通过位移时程曲线观察振幅的变化规律，当结构的振动明显过渡为谐波振动时，则根据计算结构的阻尼系统，当阻尼系统为负时，则认为结构进入颤振临界状态。计算实例表明，这种判断方法与其他方法计算得到的结果一致。
五、非线性颤振和抖振时程分析的程序设计
除了在时域中统一颤振和抖振分析方法以外，本文研究时程分析方法的目的还在于分析不同非线性因素对桥梁颤振和抖振响应的影响。与大跨度桥梁抖振和颤振有关的非线性现象主要有：
（1）几何非线性，包括平均风荷载引起的位移：由于大跨度桥梁相对细长，几何非线性现象不能忽视；
（2）有效攻角效应：由平均风荷载引起的位移使风对桥梁的攻角发生变化，从而使静力三分力系统和气动导数发生变化，因此附加攻角对桥梁的影响不能忽视。
根据以上分析流程并考虑这些非线性因素，借鉴一些通用有限元程序的理论和源代码[5]，本文作者编制了大跨度桥梁颤振和抖振分析程序Nbuffet。该程序以FortranPowerStation（FPS）4。0为平台，采用Fortran90语言编程。作者运用了FPS的Windows编程技术，使Nbuffet成为一个基于Windows95／NT平台具有丰富的交互式功能的实用程序。
由于目前非线性有限元技术相对比较成熟，该部分在理论上不是本文的重点，因此这里不再详述。
六、实例分析
在以上理论的基础上，本文作者编制了相应计算机程序Nbuffet。该程序考虑了结构的几何非线性和气动非线性（有效攻角引起的三分力和气动导数等变化），以便可以考虑这些非线性对结构风振行为的影响。本文作者在程序中采用鱼骨架式模型建立大跨度桥梁模型，采用杆梁的切线刚度矩阵和Newton—Raphson方法并引入平衡迭代来处理结构几何非线性。运用所编制的程序，本文分析了江阴长江大桥主桥的非线性颤振和抖振行为。
江阴长江大桥主跨1385m，是我国目前在建的跨度最大的桥梁。丰文运用Nbuffet程序，分析了该桥不同参数下的颤振和抖振响应，并与用其他方法得到的结果进行了比较。结果显示，本文建立的统一的颤振和抖振分析方法在理论上和实践上都是成功的。本文所编制的Nbuffet程序也是实用可靠的。以下分别是运用传统频域分析方法、风洞模型试验和本文的方法分析得出的一些结果对比情况。限于篇幅所限。从结果对比可以看出本文的计算结果与频域分析方法、风洞模型试验的结果基本吻合。本文的主要目的是建立一套时域内颤振和抖振统一分析的方法和流程。从比较结果来看，这种方法和流程是成功的。
从比较结果中还可以得到以下一些现象：
（1）本文竖向响应略小于风洞试验结果，本文的扭转结果又略大于风洞试验结果。考虑到目前的风振试验和分析方法体系都尚未达到比较精确的程度，这些误差可能来源于试验、频域、时域三者之间的模型误差。
（2）素流对该桥的颤振临界风速没有影响，即考虑抖振项的参与不影响该桥额振临界风速。
（3）只有气动导纳因素对抖振结果影响显著。可见，几何非线性和有效三分力及有效气动导数对悬索桥的影响可能要到更大的跨度才能表现出来。
七、结语
大跨度桥梁在非线性情况下的颤振和抖振分析是目前桥梁风工程研究的热点之一。本文着重提出了时域中统一的颤振和抖振方法，同时解决了脉动风速的高效率模拟、结构几何非线性和气动非线性的处理方法。在此基础上，本文编制了计算程序Nbuffet并用该程序分析了江阴长江大桥非线性颤振和抖振响应。结果表明本文提出的方法及所编制的程序在理论和实践上都是正确的。
在此基础上，我们就可以在时域中增加考虑各种非线性因素对结构进行分析从而寻找结构对这些因素的敏感性；我们也可以根据时程计算来进行非线性的振动控制。而这些研究工作在频域范围内是难以开展的。如果与CFD技术相结合，将可望实现从参数识别到结构宏观计算和控制的全过程分析。从而达到与风洞试验互为补充的目的。
浅析大跨度建筑结构形式与设计 篇6
关键词：大跨度建筑结构;形式;设计
一、引言
大跨度建筑结构在设计时，主要是注重安全性的设计，因为这种类型的建筑物，对安全性要求比较高，因此要选择适宜的大跨度建筑结构形式，设计人员首先要掌握建筑结构要求，其次要了解各个大跨度形式的优势与劣势，最后，在考虑建筑物的外部环境，这样才能保证设计合理，大跨度结构安全可靠。
二、大跨度建筑结构形式与设计
建筑结构多样，大跨度结构就是其中之一，实际上大跨度结构形式比较多，其应用范围也比较广，比较常见的有三种，第一种是网架结构;第二种是网壳结构;第三种是膜结构，这三种大跨度建筑结构形式以及特点都不相同，其制作工艺与设计方法也有比较大的差别，因此在具体选择时，需要全面考虑，根据建筑工程特点及其周围的环境来选择合理的结构。
1、网架结构形式与设计
大跨度建筑结构有很多形式，但是无论哪一种形式都要满足大跨度的要求，网架结构作为其中的结构形式，其设计要点有很多，优势也比较明显，首先我们来了解一下网架结构的形式。如果按形状来划分，网架结构可以分为四种，第一种是平面桁架系网架，第二种是四角椎体形式的网架;第三种是三角锥形式网架;第四种是六角椎体网架。这几种网架也有不同的形式，根据设计要求来选择即可，从整体上讲，网架主要有以下几点优势：
首先，网架结构在设计时，注重的是空间设计原则，这种设计方式传力非常简便，这对大跨度建筑结构形式来说意义重大，因为如果建筑结构属于大跨度形式，对传力的要求非常高，而网架结构的方式正好能够满足其要求;其次，网架结构重量比较轻，而且刚度非常大，具有非常好的抗震性能，不必因为是网架而影响其抗震效果;再次，便于施工，因为网架结构主要的施工步骤就是安装，只要在设计时注重要点，安装很少出现差错;第四，网架生产成本比较低，而且原材易得，因此可以进行大批量的生产，商品化的程度比较高;第五，后期装饰比较方便，因为网架形式的建筑结构，外表美观大方，利用建筑装饰方法的选择，其整体效果比较好。
2、网壳结构的形式与设计
网壳结构形式多样，我们也可以将其称作是曲面形网格结构，一般情况下有单层与双层之分，该结构所使用的重要的材料有三种，一是钢材;二是木材;三是钢筋混凝土。如果按形状来划分其形式可以分为以下几种：首先是球面网壳，也是形状类似于或者是接近于球面的网壳形式;其次是双曲面网壳，这种网壳是双层网壳的一种;再次是圆柱面网壳，形状是圆柱体的网壳;最后是双曲抛物面形式的网壳，这种形式的网壳也是比较常用的网壳形式。网壳结构设计注意要点如下：
首先，在设计时，可以根据强度来对其进行计算，尽管网壳通常都是由轻质高强材料制作而成，一般情况下，这种材料制作而成的建筑结构都不能使用强度计算的方法，因为其劣势比较明显，就是剖面尺寸与原来相比会减少的程度比较明显，剖面尺寸越小，承载力就会出现问题，这样造成的最严重的后果就是建筑会失去稳定性，进而发生事故。但是网壳结构却不必担心这个问题，因为网壳结构拥有不同的外形，而每种外形都能够将建筑结构内部产生的应力非常均匀的分配，这样建筑结构就能够一直保持在稳定安全的状态中，因此尽管网壳结构一般情况下，厚度都是非常小的，但是因为其空间承载力却非常大。
其次，注重外形的设计，因为网壳结构最重要的功能都在外形上，因此要注重对外形的设计，外形设计的越合理，其功能发挥的越大，而且注重外形设计，就不需要加大断面，这样就不需要使用过多的材料就能够取得很好的效果，进而节省了设计成本。
最后，壳体结构按其受力情况不同可以分为折板、单曲面壳和双曲面壳等多种类型。在实际应用中，壳体结构的形式更是丰富多彩的。例如悉尼歌剧院，其外观为三组巨大的壳片，耸立在一南北长186米、东西最宽处为 97米的现浇钢筋混凝土结构的基座上。而壳体结构既可以单独使用又可以组合起来使用;既可以用来覆盖大面积空间，又可以用来覆盖中等面积的空间;既适合方形、矩形平面要求，又可以适应圆形平面、三角形平面，及至其他特殊形状平面的要求。因为壳体结构属于高效能空间薄壁结构范畴，可以适应于力学要求的各种曲线形状，所以其承受弯曲及扭转的能力远比平面结构系统大。另外，因结构受力均匀，因而可充分发挥材料的材耗，所以壳体结构体系非常适用于大跨度的各类建筑。
3、膜结构的形式与设计
3.1膜结构特点
膜结构性能优势比较明显，首先，质量比较轻，而跨度与前两种相比更大，因此适合于大跨度建筑结构;其次，膜结构建筑造型并没有严格的限制，设计人员可以自由发挥，不受约束，因此使用膜结构形式也能够为建筑增添情趣性，使其更富有张力;再次，施工比较方便简单，其施工工艺比较简单，没有复杂的工艺，这在无形中就增加了施工的安全性，施工人员经过培训都能够掌握施工要点;第四，造价比较低，因为膜结构制作材料易得，成本比较低，所以降低了膜结构整体的成本造价，一般情况下，膜结构主要是由柔软织物构成，这种材料性能优良，安全叙述也比较高，再加之，利用钢索作为支承结构，其预张力非常大，进而使得膜结构无论是刚度，还是空间都满足建筑工程要求;第五，上述四点主要阐释了其优势，但是膜结构有一个非常严重的劣势，即耐久性能不强，这是大多数设计人员没有选择此种大跨度建筑结构的主要原因。
3.2形式与设计
膜结构形式多样，每种形式设计要点都有所不同，其主要可以分为以下几种：
3.2.1空气膜结构
这种膜结构形式，主要是利用空气将建筑物内部空间充满，但是这种形式对屋面拱度有一定要求，一般都要求屋面拱度不宜过高，避免气压过大，影响其使用性能，如果建筑工程要求的跨度非常大，也可以选择气承式。为了满足跨度要求，通常都会在建筑物对角位置安装钢索，其钢索成交叉形式，进而提高膜面加劲能力。如果选择的是气胀式空气膜结构，则需要双层膜材料，最终形状有些类似于飞碟。空气膜结构因为一定条件的限制，所以只能应用在临时性建筑中，这主要是因为这类建筑跨度相对来说比较小。
3.2.2悬挂模结构
这种结构通常是利用桅杆或者其他能够起到支承作用的结构，将钢索以及膜材以悬挂的模式进行设计，因为钢索有一定的张力，而将这种张力施加到膜面中，这样就能够有效的提高膜面的绷紧度，进而提高屋盖的刚度，以便延长期使用时间。
4、结语
综上所述，可知对大跨度建筑结构形式与设计进行浅析非常有必要，因为随着大跨度建筑结构形式越来越多，其形式的选择也越来越多样，对其形式进行浅析，能够保证设计人员做出做好的选择，而对设计进行选择，能够帮助设计人员了解注意事项，这对提高大跨度设计质量有着非常重要的作用。这种建筑结构形式，虽然对各方面要求都比较严格，但是因其优势，其推广价值非常高。
参考文献：
[1]潘海军，吴远翔. 大跨度建筑结构形态的审美表现[J].低温建筑技术.2009（10）
[2]胡世德. 北京大跨度建筑的发展与展望[J].建筑技术.2000（10）
大跨度桥梁结构优化设计综述 篇7
关键词：大跨度桥梁结构,优化设计,可靠度,拓扑优化
大跨度桥梁形式多样,有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥及其他的一些新型的桥式,如全索桥、索托桥、斜拉—悬吊混合体系桥、索桁桥等等。其中,悬索桥和斜拉桥是大跨径桥梁发展的主流。本文针对大跨度桥梁结构优化设计这一问题做了综合性的总结和归纳。
1 大跨度桥梁结构优化设计的研究现状
尽管早在19世纪中期就出现了现代意义上的结构优化设计理论,但将其应用于桥梁结构设计的相关研究却出现较晚。国外在20世纪60年代开始有了桥梁结构优化设计的研究,而我国直到20世纪70年代末才开始有这方面的研究。而对大跨度桥梁优化设计的研究却是在20世纪末大跨度桥梁飞速发展后才发展起来的,综合起来主要集中在局部优化和整体优化。
1.1 局部优化
局部最优虽不能等同于整体最优,但却有益于整体最优,并促进桥梁结构的发展。因为对局部的优化设计变量相对较少而使研究的难度大大减小,研究的深度因而能更透彻。目前对大跨度桥梁的局部结构优化研究已涉及到大跨度桥梁结构设计及施工的各个方面,主要有:加劲梁横截面的优化,斜拉索或主缆的动力优化,索力调整优化,索塔的结构优化,斜拉索和吊索锚固的优化,悬索桥锚锭的优化,桥墩及基础优化。
1.2 整体优化
大跨度桥梁都为高次超静定结构,结构复杂,设计变量多,建设和设计又涉及到多方面的因素。因此,要对其进行全面整体的优化或全过程的优化依然存在困难。这种困难不仅在于其目标函数的建立,也在于对已建立的目标函数寻求最优解的计算速度和可能性。为此,对大跨度桥梁结构的优化研究多以局部优化为主。但评价一座桥梁的优劣不是凭借局部而是要看整体效果,因此对整体的优化研究尽管有难度但依然是必须的。目前对大跨度桥梁的整体优化主要有以下几个方面:整体造价最优,整体动力性能优化,整体施工工艺优化,桥梁结构优化设计与景观优化设计相协调。
2 优化理论和方法
2.1 基于可靠度的大跨度桥梁结构优化设计
现有的大跨度桥梁结构优化理论,不论是整体优化还是局部优化,都是以容许应力法为基础建立起来的。随着现代设计理论的发展,即由传统的容许应力设计法到基于可靠度理论的半概率设计法、近似概率设计法、全概率设计法等的发展,也开始有了基于可靠度理论的桥梁结构优化设计。
事实上,由于优化和可靠度概念的本质联系,基于可靠度结构优化设计几乎和可靠度的概念同时出现。早在1924年,Forsell就开始了基于可靠度结构优化设计的研究。其发展过程可分为两个阶段:以元件可靠度或以各失效模式的可靠度为约束条件的优化设计方法和以结构系统的失效概率为约束条件(目标函数)的优化设计方法。
基于可靠度的结构优化设计,具有以下特点:
1)结构设计目标多样性。2)结构约束多重性。3)结构设计不确定性。
基于可靠度的结构优化方法按其设计变量的特性可划分为以下4个优化水平:1)截面优化,以截面尺寸作为设计变量;2)形状优化,以截面尺寸和描述形状的几何尺寸作为设计变量;3)结构优化,以截面尺寸、描述形状的几何尺寸和结构特性参数作为设计变量;4)总体优化,以截面尺寸、描述形状的几何尺寸、结构特性参数和材料参数作为设计变量。
目前,大量的研究工作处于水平:1)这一层次,在水平;2)这一层次也开展了一定的研究,而基于水平;3)这一层次的研究目前还很少涉及,水平;4)则更少。未来的研究将以系统可靠度为约束条件的结构优化方法探讨为主。
基于可靠度的结构优化理论能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素,定量的分析计算安全与经济的各项指标并能很好地协调这两者之间的矛盾,这是传统的定值设计法所做不到的。因此将其应用于桥梁结构的优化设计是一个值得研究的课题。而针对具体的大跨度桥梁结构,怎样根据不同的实际情况,选择实用可行的优化模型和求解方法,还有待我们去研究。
2.2 大跨度桥梁结构拓扑优化
工程结构优化设计可以根据设计变量的类型分为3个不同的层次:尺寸优化、形状优化和拓扑优化。最近20多年来,结构优化设计的研究重点已由尺寸优化转向形状优化和拓扑优化,但对大跨度桥梁结构的优化研究大多数仍停留在尺寸优化这一层次。目前的拓扑优化方法主要有4种:离散化连续体优化准则法、遗传算法、均匀化方法、渐进结构优化技术,其中以渐进结构优化技术适用面最广。它最初是由澳大利亚的YiMingXie和GtantP.Steven提出的。因其概念简洁,计算效率高而受到广泛关注。然而许多工程都是由混凝土和钢材等材料构成的,混凝土有很高的抗压强度,而钢材抗拉性能好,实际工程中也有许多结构主要以压应力或拉应力为主,该优化方法以设计域的相关体积为目标函数,同时考虑应力、位移和频率约束。总之,大跨度桥梁结构的拓扑优化研究才刚刚开始,还有许多问题有待我们去研究。
对于大跨度桥梁结构优化设计,并没有一种特定的能适用于任何问题的优化算法,而应根据具体情况选择合理的优化算法。寻求最优解的方法,据不完全统计目前已超过300多种,大致可分为3类:数学规划法、最优准则法和仿生学法。
3 结语
根据以上分析,未来的大跨度桥梁结构优化设计研究主要应在以下几个方面加大力度:1)多目标结构整体优化设计,以期达到整体结构经济(包括建设费用和维修费用)、安全(可靠耐久)、适用(满足使用要求和行车舒适)和美观的统一,这是大跨度桥梁结构化设计研究的最终目的。2)新型大跨度桥梁结构形式的优化研究,如斜拉—悬吊混合体系桥等。这些类型的桥梁设计经验少甚至没有经验,但却是我们探索更为合理的大跨度桥梁的必经之路,因此对其进行优化设计研究就显得更为重要。3)基于可靠度理论的大跨度桥梁结构优化设计研究,目前的结构设计已普遍采用可靠度理论,基于可靠度理论的结构优化设计理论也早有研究,而将其应用于桥梁结构的研究却才刚刚开始。4)大跨度桥梁结构拓扑优化,拓扑优化目前尚处在理论探索阶段,将其应用于大跨度桥梁结构工程实际还有待开发。5)大跨度桥梁结构的动力优化,对于大跨度桥梁结构来说,动力问题至关重要,而要想跨度有进一步的突破,首先要解决的问题之一便是动力问题。6)适合大跨度桥梁结构的优化算法,大跨度桥梁结构复杂,设计变量多,根据具体的优化问题,建立有效的求解策略和优化算法,甚至对一些现有的优化算法进行改进、重组或推出新的行之有效的优化算法。7)根据优化的特点建立目标函数和约束函数的高精度近似显式。近似函数的建立将大幅度地降低结构重分析的次数,节省计算时间。
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大跨度桥梁挂篮施工技术 篇8
该大跨度桥梁位于广西, 桥梁全长650m。桥型布置为5×40m+ (75+125+75) m+4×40m。主桥上构为三跨预应力砼T型连续刚构桥。单幅箱梁顶面宽度为14.43m, 箱体宽度为7m, 箱梁高度从0#的6.8m变到合拢段的2.5m。每T梁分成16个块段浇注, 最后再浇合拢段。
2 上部构造施工总体方案
采用挂篮悬臂浇注方法施工, 主桥上构箱梁悬浇投入4套挂蓝, 分左、右幅每个T构1套。
0#块、1#块及其他梁段施工。对于0#、1#块挂篮没有支撑点或支撑长度不够, 为了便于挂蓝的拼装, 0#块与1#块在墩上搭设托架浇筑, 托架应经过设计, 计算弹性及非弹性变形, 托架除须满足承重强度要求外, 还须具有一定的刚度。
每个墩上构箱梁分16个箱段。2#~16#块 (悬浇块段长2#~5#块段为3m、6#~9#块段长3.5m, 10#~16#块段长4.0m, 采用挂蓝对称悬臂浇筑施工, 最后再浇合拢段。
3 挂蓝的组成及设计
除了必须满足强度、刚度、稳定性要求外, 还要使、其行走、锚固方便可靠, 重量不得大于设计规定。挂篮设计分主桁架、锚固系统、平衡系统及吊杆、纵横梁等部分组成。挂篮安装时应保证安全、稳定及可靠。
3.1 挂蓝的组成
3.1.1 主桁架
(1) 主桁架:主要是起到承重底篮的作用。
(2) 前、后上横梁:后上横梁用工字钢, 可在两悬臂端焊钢板加强;前上横梁中间部份用工字钢重叠加焊组合受力。
(3) 立柱:用工字钢, 放在后横梁与主桁支点交接位置上, 每个挂篮共两根, 横桥向设横联, 纵桥向与斜拉带连接形成一个三角形的受力结构。
(4) 斜拉带:用钢板焊成, 通过立柱连接形成一个三角形传力到主桁上, 改善主桁的受力结构。
3.1.2 吊挂系统
直接承受悬浇段施工荷载。吊挂系统由前后下横梁、活动铰、底模纵梁组成。
3.1.3 模板系统
由底模、侧模、顶板及翼板模、端头模组成。
3.1.4 锚固系统
后锚是主桁梁自锚平衡装置, 由锚杆、扁担梁及滑槽、滚棒组成。主桁顶面上焊有滑槽, 后锚上扁担梁底放置滑块, 滑槽内有滚棒, 挂篮前移时, 通过后锚扁担梁滑块与滚棒移动, 后锚保持在原位不动。
3.1.5 行走系统
由包括支点、平滚、后锚上滑移装置及拖移收紧设备组成;行走系统通过平滚, 手拉葫芦拖动往前推移。步骤是松动挂篮使底板、顶板与箱梁离开20cm, 用千斤顶将主桁顶起, 安装平滚、上好后锚, 同时拖动两个葫芦, 挂篮即可向前推进。
3.2 内力计算
挂篮设计首先要考滤挂篮的自重、模板支架自重、振动力和冲击力、施工人群荷载、箱梁最大节段砼重量;挂篮主要验算主桁、前上横梁、前后下横梁受力情况:
(1) 前下横梁荷载计算:Q1为前下横梁悬臂端的自重;Q2为前下横梁自重+纵梁、底模平均荷载+箱段腹板砼平均荷载;Q3为前下横梁自重+纵梁、底模平均荷载+箱段砼底板平均荷载;P1为外侧模及模架重;P2—内侧模及模架重;R1、R2、R3为为吊杆所承受的支反力。
前下横梁, 按简支梁中间最大跨度计算其挠度。
(2) 后下横梁荷载计算:Q1为后下横梁悬臂端的自重;Q2为后下横梁自重+纵梁、底模平均荷载+箱段腹板砼平均荷载;Q3为后下横梁自重+纵梁、底模平均荷载+箱段砼底板平均荷载;P1为外侧模及模架重;P2—内侧模及模架重;R1、R2、R3为吊杆所承受的支反力。
后下横梁为工字钢叠加, 按简支梁中间最大跨度计算。
(3) 前上横梁荷载计算:Q1为前上横梁悬臂端的自重;Q2为前上横梁中间段自重;P1为顶板模架及模板+顶板砼重;P2为翼板模架及模板重+翼板砼重;R1、R2、R3为吊杆所承受的力。
前上横梁中间部分为工字钢叠加。
3.3 挂蓝的预压试验
3.3.1 试验目的
挂蓝加载试验, 主要是通过测量挂蓝在各级静力试验荷载作用下的变形, 了解挂蓝结构在工作状态时与设计期望是否相符。
(1) 消除挂蓝主桁、吊带及底蓝的非弹性变形。
(2) 测出挂蓝前端在各个块段荷载作用下的竖向位移。
3.3.2 试验方案
挂篮的预压通常采用水箱加压法、试验台加压法及砂袋法, 本桥用水箱加压法, 水箱悬挂于底蓝前横梁上以水箱和水自重作为试验荷载, 采取逐级递增加载逐级测量的试验方法。加载总重量为最不利块段荷载的1.25倍。水箱加载布置示意见图1所示。
利用底蓝拼装平台作为挂蓝加载试验的操作平台。在平台上放置水箱, 一只挂蓝设置2个水箱, 一个水箱上设置2个吊点。然后将水箱与底蓝之间用2根精轧螺纹钢筋连接, 在未加水前用千斤顶提升水箱脱离平台30cm左右。然后采用水泵逐级加水, 加水时两边平衡进行, 直至试验完毕。并用精密水平仪观测挂篮各个部位的变形值, 并观测主桁前端的挠度。两斜拉钢带的受力变形情况及吊杆的受力。
4 悬浇施工影响挠度的因素及标高控制
施工过程中, 影响挠度的主要因素包括:施工阶段的一期恒载, 临时荷载、挂篮、模板、机具设备、人群荷载、温湿度变化、风荷载、桥墩变位、基础沉降、施工误差等, 这些因素还包括了许多模糊不定及随机变化的情况, 如砼材料本身的弹性性能, 收缩徐变、温湿度使得结构内外温差的不均衡, 以及施工荷载及预应力筋张拉锚固的增多而随机变化等。
连续箱梁悬臂浇注时的产让的挠度包括: (1) 各墩上分段悬臂浇注时形成的T构静定体系的挠度。 (2) 体系转换后各阶段连续梁体系的挠度和全联连续体系形成后由于静活载及后期收缩徐变引起的挠度。 (3) 挂篮承载后的弹性变形。
悬浇施工箱梁由于受到上述因素的影响, 使箱梁产生标高变化, 这种变化随着跨度的增大而增加。必须在悬臂浇注时进行标高控制, 随时调整悬浇段的立模高度。
立模标高控制值=箱梁顶面设计标高+设计施工预拱度+挂蓝自重及浇注砼后的变形值±日照温差修正值。
5 结语
浅谈大跨度桥梁结构抗震分析 篇9
1 影响桥梁结构地震响应分析的因素
影响桥梁结构地震响应的主要因素包括地震动的输入、非线性、结构阻尼、结构与地基的相互作用等。
1.1 地震动输入
地震动输入是进行结构地震反应分析的依据, 其对结构的地震响应分析影响显著。结构的地震响应, 除了和结构的动力特性、弹塑性变形性质、变形能力有关外, 还和地震动的特性 (幅值、频谱特性和持续时间) 密切相关, 所以合理的进行地震动的输入才能对结构的地震响应进行合理的分析。
在地震过程中, 地面的运动在时间和空间上一般都具有高度的变化性, 在通常的结构地震反应分析中, 往往只考虑它们的时间变化性, 而不考虑它们的空间变化性。因此, 在结构地震反应分析中, 通常都假定各支承点的地面运动是相同的。然而, 大跨度桥梁的各支承点可能位于显著不同的场地, 由此导致各支承处输入地震波的不同, 因此, 在地震反应分析中就要考虑多支承点不同激励, 即多点激励。即使场地土情况变化不大, 也可能因地震波沿桥纵轴向先后到达的时间差, 引起各支承处输入地震时程的相位差, 即行波效应。目前, 分析结构的多点激振和行波效应的方法主要有两种, 即相对运动法 (RMM) 和大质量法 (LMM) 。大质量法是通过对质量矩阵主对角元充大数的方法实现的, 数学表达式比较简单, 可以得到精确的结果, 但在求解中可能会遇到一些困难。而相对运动法把位移分成动力位移和拟静力位移, 因此可以得到一些重要的附加信息, 即动力反应和拟静力反应, 有助于分析结构在多点激励下的性能。此外, 求解比较简单。因此, 相对运动法应用较广。
1.2 非线性问题
非线性问题一般分为材料非线性、几何非线性和接触问题三类。材料非线性是指结构的应力-应变关系呈非线性关系;几何非线性是指应变-位移呈非线性关系, 又可以分为大位移小应变 (有限位移) 和大位移大应变 (有限应变) 两种情况;接触问题是指受力过程中边界约束呈非线性问题。大跨度桥梁的非线性因素主要有几何非线性、桥墩弹塑性和支承连接条件的非线性。几何非线性问题是由结构的受力特点所导致的, 结构材料的非线性性质也会影响结构响应, 亦即材料非线性问题。比如大跨度桥梁中常用的混凝土是一种非线性性质很强的材料, 只要应力超过0.2～0.3Ra, 混凝土的应力-应变关系就表现为非线性的, 钢材超过弹性极限后其应力-应变也表现为非线性。实际上, 大量的震害调查表明, 在强震下, 桥墩、桥塔及拱肋等构件都有可能进入塑性工作阶段, 此时, 结构的荷载-位移关系当然是非线性的。因此在大跨度的桥梁抗震设计中必须充分考虑非线性的影响。
1.3 阻尼问题
阻尼是结构的一个重要动力特性, 也是结构地震反应中最为重要的参数之一, 其大小和特性直接影响结构的基本动力反应特征。桥梁结构的阻尼主要由两类阻尼组成, 即结构本身所具有的阻尼及周围介质提供的阻尼。结构本身的阻尼主要取决于结构类型、材料、筑构方式及各种部件之间的连接方式;而周围介质提供的阻尼主要是桥梁墩台及台后填土提供的约束阻尼、摩擦耗能等。一般桥梁结构地震响应分析中, 阻尼可用阻尼比的形式计入;而对于非线性地震响应分析, 或具有非均匀阻尼的桥梁的地震响应分析, 则必须采用正确的方法计算阻尼矩阵。目前, 匀质结构一般都采用瑞利阻尼矩阵, 即假定阻尼矩阵为刚度矩阵和质量矩阵的线性组合。为了考虑由结构的非匀质性和各部分耗能机理不同而引起的阻尼非匀质性, Clough提出了非比例阻尼理论, 认为总阻尼矩阵可由分块的瑞利阻尼矩阵叠加而成。要考虑阻尼的影响, 无论是采用阻尼比的形式, 还是阻尼矩阵的形式, 都必须先确定桥梁结构的阻尼比。到目前为止, 还没有一种被广泛接受的用来估算桥梁结构阻尼比的方法。在桥梁结构的动力响应分析中, 只能参考一些实测资料来估算阻尼比。由于目前国内桥梁的实测阻尼资料很少, 而现有阻尼比实测值的离散性又很大, 因此阻尼比的正确估计一直是桥梁结构地震响应分析的难点。
1.4 结构与地基的相互作用
大量的震害资料表明, 结构与地基的相互作用是导致桩基震害的主要原因之一。因此在桩基础的地震反应分析中, 为得到较为符合实际的分析结果就必须考虑土和结构的相互作用。如果地基刚度较大时, 往往用刚性地基模型对结构进行地震响应分析, 这一假设基本上是符合实际的。然而, 当桥梁建于软土层时, 地基的变形会使上部结构产生移动和摆动, 从而导致上部结构的实际运动和按刚性地基假定计算的结果之间有较大的差别, 这是由地基与结构的动力相互作用引起的。在地震中, 上部结构的惯性力通过基础反馈给地基, 使地基发生变形, 从而使结构的平动输入发生改变, 同时还使结构受到转动输入分量的作用。桩-土-结构动力相互作用使结构的动力特性、阻尼和地震反应发生改变, 而忽略这种改变并不总是偏安全的。又由于大多数桩基结构是由群桩构成的, 桩数较多, 分析也变得较为复杂, 因此, 桩基础的地震反应分析是影响桥梁结构地震响应分析的重要因素之一。
2 桥梁结构地震响应分析方法
现行桥梁的抗震分析方法主要为确定性分析方法, 它是以确定性的荷载作用在结构上, 包括静力法、地震反应谱分析方法和时程分析方法, 是目前应用广泛的地震分析方法。
2.1 静力法
以水平向地震动加速度产生惯性力作为惯性力加在结构上。早在1899年, 日本大房森吉提出静力法的概念。它假设结构物各个部分看作与地震动具有相同的振动。此时, 结构物上只作用着地面运动加速度undefined乘上结构物质量M所产生的惯性力, 把惯性力视作静力作用于结构物作抗震计算。惯性力计算公式为:undefined (式中, W为结构物各部分重量, K为地面运动加速度峰值与标准自由落体加速度g的比值) 。1915年, 佐野倡导震度法, 即根据静力法的概念提出以结构的10%的重量作为水平地震荷载, 于1923年关东大地震后的次年建立了最早的桥梁下部结构工程的抗震方法。从动力学的角度, 把地震加速度看作是结构地震破坏的单一因素有极大的局限性, 因为这忽略了结构的动力特性这一重要因素。只有当结构物的基本固有周期比地面运动卓越周期小很多时, 结构物在地震振动时才可能几乎不产生变形而可以被当作刚体, 静力法才能成立, 如果超出了这个范围, 就不可能适用。静力法以地震荷载代替结构在地震强迫振动下的激励外因, 作用于结构计算静力效应代替结构在地面运动激励下的动力效应。
2.2 反应谱法
此法考虑了结构的动力特性, 用静力的方法去解决动力问题。动力反应谱法还是采用“地震荷载”的概念, 从地震动出发求结构的最大地震反应, 但同时考虑了地面运动和结构的动力特性, 比静力法有很大的进步。反应谱方法概念简单、计算方便, 可以用较少的计算量获得结构的最大反应值。但是, 反应谱只是弹性范围内的概念, 当结构在强烈地震下进入塑性工作阶段时即不能直接应用, 因此, 它不能考虑结构的非线性。另一方面, 地震作用是一个时间过程, 但反应谱方法只能得到最大反应, 不能反映结构在地震动过程中的经历。实际上, 对于结构某一截面的各个内力分量, 出现最大值的时间不尽相同, 因而同时取最大值进行抗震验算不太合理。而且, 地震动的持续时间对结构的地震反应也有重要的影响。此外, 反应谱长周期部分的确定也是一个难点。因此, 反应谱方法只能作为一种估算方法。在大跨度桥梁的方案设计阶段可以应用反应谱方法进行抗震概念设计, 以选择一个较好的抗震结构体系。为了扩大反应谱方法的应用范围, 国内外不少学者对反应谱方法进行了很多研究, 主要集中在以下几个方面:①长周期设计反应谱值的正确估计;②反应谱组合方法的研究:先后提出的反应谱组合方法有:SRSS, CQC, IGQC, SUM, DSC, GRP等;③非弹性反应谱的研究:随着延性抗震研究的不断深入, 非弹性反应谱的相关文献也在增多。尽管不少学者对反应谱方法做了很多改进, 但对于复杂、大跨桥梁的地震反应, 反应谱方法目前仍然不能很好的考虑各种复杂的影响因素。
2.3 动态时程分析法
此法是在地震时建立结构振动方程式, 求解每一时刻的结构响应。目前, 大多数国家除对常用的中小跨度桥梁仍采用反应谱方法计算外, 对重要、复杂、大跨的桥梁抗震分析均采用动态时程分析法。动态时程分析法从选定合适的地震动输入出发, 采用多节点多自由度的结构有限元动力计算模型建立地震振动方程, 然后采用逐步积分法对方程进行求解, 计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度响应, 从而可以分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过程。这一计算过程相当冗繁, 须借助专用计算程序完成。动态时程分析法可以精确地考虑地基和结构的相互作用, 地震时程相位差及不同地震时程多分量多点输入, 结构的各种复杂非线性因素以及分块阻尼等问题。此外, 动态时程分析法可以使桥梁的抗震设计从单一的强度保障转入强度变形的双重保障。迄今为止, 对体系复杂的桥梁非线性地震反应, 动态时程分析方法还是理论上唯一可行的分析方法, 最新的日本与美国规范都已将此方法列为规范采用的分析方法之一。
3 结论
大跨度桥梁的地震响应比较复杂, 影响因素繁多, 所以对此进行相应的抗震设计、分析与评估比较困难。阐述了影响大跨度桥梁地震响应分析的基本因素, 并对遇到的问题做出了相应的分析, 总结了几十年来大跨度桥梁的地震响应分析方法。但由于大跨度桥梁空间结构的复杂性和方法的局限性, 所以对大跨度桥梁的抗震分析仍需要进一步的提高。
摘要：地震灾害长期以来危害着人类的生产和生活, 往往造成大量的经济损失, 以及公路桥梁等各种设施的破坏倒塌和人员伤亡。因此, 对大跨径桥梁结构的抗震研究具有重要的意义。主要阐述了桥梁地震分析的主要影响因素, 包括非线性、结构阻尼、结构与地基相互作用等;同时论述了结构抗震方法的演变和每种方法的优缺点;此外, 对抗震方法的发展方向进行了说明和展望。
关键词：大跨径桥梁,结构抗震,地震响应
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大跨度框架模板台车设计与施工 篇10
厦漳公路(厦门段)东孚隧道位于厦门市海沧境内，是国家高速公路“7918”网中厦门到成都高速公路的起点段，总长1000m，隧道洞身结构形式为双幅分离式大跨度框架结构，下穿厦深高铁、东孚铁路编组站39股道及东孚工业区;隧道洞身框架模板采用模板台车加固，台车外模跨度23.25m，高度11.43m，内模净跨18.5m，净高6.9m。
2 模板台车结构设计总模型(见图1)
模板台车受力情况：
(1)模板台车内顶模传力方向为：顶模板→小立柱(台梁)→顶纵梁(中纵梁)→上部千斤顶(升降油缸)→门架横梁→立柱→底梁→行走轮(底部千斤顶)→钢轨→枕木→地面(已浇筑的底板面)。
(2)模板台车内边模传力方向为：边模板→边模横梁→丝杆→门架立柱→门架横梁。
(3)模板台车外模传力方向为：外模板→外模横梁→丝杆→外架立柱→桁架上对拉横梁(外模底梁与底板固定预埋件焊接)。
2.1 内模板及门架整体构造（见图2)
2.1.1 模板及托架（见图3)
模板由顶模和每边一块小边模外和两块竖直边模组成横断面，顶模与顶模之间通过螺栓联接成整体，顶模与边模、边模和边模间采用铰接机构，通过铰接轴相连，用于立模和收模;模板总长10.1m，分为5节，每节2m(其中一节宽2.1m)，模板之间皆由螺栓联接;顶模架体(由小立柱和悬梁构成，与顶模形成一个稳定的三角形结构，加强了顶模)是主要承受浇注时上部的混凝土及模板自重的工作部件;它上承浇注混凝土的重量和模板的自重，下部通过上纵梁(又称水平调平梁)传力于门架系统;小立柱采用20#型工钢制造，悬梁采用25#工钢制造，上纵梁由钢板焊接成“工”字型截面。
模板由面板、法兰、加强角钢、加强弧形筋板等组成(见图4);内外模面板采用10mm厚钢板，各加强筋采用90×56×6的角钢，环向间距250mm，端模面板采用6mm厚钢板，加强筋采用L63×6等边角钢，横纵向间距350mm，侧模间由根槽钢两两双扣焊接成的箱梁(即侧模通梁)连在一起，加固侧模整体刚度;面板强度和刚度检算(经Ansys有限元计算和部分手工计算校核，满足要求)。
2.1.2 门架及立柱（见图5)
门架是整个衬砌台车的主要承重构件。它由门架横梁、门架柱、门架斜支撑及下纵梁(又称大梁)通过螺栓联结而成门字型结构。各门架横梁及门架立柱之间通过连接梁、斜拉杆几剪刀架连接为一体，保证台车在施工中稳定性。门架又分为端门架和中间门架。两端门架支承于行走轮架上，在下纵梁下面板上对应中间门架的地方装有对地支撑丝杆，用于传递所衬砌的混凝土对门架体的作用力。门架横梁(见图6)采用钢板(Q235δ14、腹板δ12、筋板δ10)焊制成“工”字型截面H=1000mm，下纵梁H=500mm采用钢板(材料同门架横梁一致)焊制成箱型截面，各部件的内外部均有分布合理的加强筋板，保证门架横梁、门架立柱和下纵梁的抗弯强度(经Ansys有限元按照平面模型分别建模计算强度、刚度、稳定性满足要求)。
2.1.3 行走系统
行走机构安装在门架的底纵梁下部，采用电机减速器直联驱动系统，保证行走平稳、可靠;走行钢轨设计布置当台车处于非衬砌状态或行进时，两根钢轨承担着车轮传递的模壳质量(约47t)的荷载，此为第一种受力模型;当台车处于衬砌状态时，两根钢轨承担着模壳质量及拱部混凝土的重量，并通过轨枕传到地面，此为第二种受力模型。
2.1.4 台车垂直升降机构
台车垂直升降机构是由竖直升降油缸(由液压系统控制)，四个竖直升降油缸装在滑套顶上，滑套一侧面与下纵梁端面螺栓相联结，下端与行走轮架联结。在立模过程中，竖直升降油缸升高将挑箱抬升，从而将整个台车升至衬砌位置;相对于上部它架车这种设计可简化台车结构，使台车装卸简单方便，易于操作，提高衬砌精度。
2.1.5 工作平台、梯子
工作平台是站人和放机具的地方，设有护栏，上、下台车安全，由槽钢10组焊制作，并设角钢50×5加强，铺设钢板网，梯子由角钢75×50×6和角钢50×5组焊，平台护栏、梯子扶手由钢管32×2.5弯制组焊而成。
2.2 外模板及外桁架（见图7)
外模台车主要由外模门架体、模板、边模通梁(20a槽钢对扣焊制成)、边模丝杆(主要为支撑边模作用)、底部千斤顶组成。
2.2.1 外模板设计
同内模板一样，材料采用Q235δ10型，而板面积却很大，其强度主要靠加劲肋增强，靠撑杆传递，模板总长10.1m，分为5节，每节2m(其中一节宽2.1m)，模板之间皆由螺栓联接(见图8)。
2.2.2 外模门架体及支架（见图9、图10)
外模门架体由底梁、立柱、门架横梁(高600mm，采用面板Q235δ14、腹板δ12、筋板δ10板焊工字型梁)、拉杆、工钢横梁、纵梁、纵斜撑组成，底梁高500mm，材料跟横梁一样，立柱主料为40a槽钢反扣焊接而成，横梁与立柱连接处有δ14的钢板焊成箱型的加强板。
2.2.3 外模底梁
外模底梁组成采用面板Q235δ14、双腹板δ12、筋板δ10加工成高500mm，宽400mm板焊双腹板梁。
2.3 端头板
端模板相对较小，采用Q235δ6钢板面板，加劲肋采用80×63×6角钢，布置方式为横纵向交叉布置，端头板和外模版采用槽钢架拉接螺栓杆方式锁模方式。
(以上外模系统及端头板经Ansys有限元计算和部分手工计算校核，强度、刚度、稳定性满足要求)
3 施工效果
模板台车加工在现场安装后经验收：内部尺寸施工误差控制在5mm以内，钢模表面平整度施工误差控制在3mm以内，相邻板表面高差施工误差控制在2mm以内;在洞身框架混凝土浇注过程中台车稳固，没有出现爆模、跑模现象，经现场观测，最大变形出现外模中间横梁上为6mm(计算允许变形为6.8mm);混凝土浇注后表面平整度控制在5mm以内，洞身框架线条平顺，混凝土质量内实外美(见图11、图12)。
4 结束语
截止到2011年12月1日，已完成600m洞身框架施工，模板台车的使用情况良好，混凝土的表面平整度均符合要求。实践证明该模板台车的强度、刚度、稳定性设计是符合施工要求的。
摘要：模板台车是隧洞内衬砌混凝土板用的一种专用机械施工设备,使用模板台车不仅可以避免施工干扰、提高施工效率,更重要的是大大提高了隧道内的衬砌施工质量。本次设计模板台车为现浇框架洞身结构,既有内模板,同时还有外模板和端模板,本文就模板台车的内外模等设计、施工进行阐述。
关键词：模板台车,内外模板,门架,桁架
参考文献
[1]韩银红.模板台车的有限元分析.工程机械,2003,(12)
[2]GB50017-2003,钢结构设计规范[S]
山区大跨度桥梁设计 篇11
关键词：大跨度建筑；钢结构；大跨度结构；结构设计
0引言
随着社会经济的飞速发展以及人民生活水平提高，大跨度结构是经济和社会发展的需要。在20世纪后半期结构工程所取得的巨大成就下，各国纷纷筹划建造更大、更高、更长的各种超大型复杂结构物，以满足人们对生活空间的追求。
1大跨度钢结构应用
大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》将60m以上定义为大跨度结构，计算和构造均有特殊规定。我国目前最大跨度做到340m，以钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。
大跨与空间钢结构主要用于公共建筑，如大会堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育场、航空港等。大跨度结构也用于工业建筑，如飞机制造厂的总装配车间、飞机库、造船厂的船体结构车间等等。这些建筑采用大跨结构是受装配机器（如船舶、飞机）的大型尺寸或工艺过程要求所决定的。大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。在大跨度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。
在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。通过适当配置拉索，或可使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。这一类“杂交”结构体系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。目前我国已在80余项大跨空间钢结构工程中应用了预应力技术，如广东清远市体育馆(六点支承，对角柱跨度89m，六块组合型双层扭网壳)在周边设6道预应力索后其用钢量44．3kg/m，约比原方案节省钢材32％，其它一些类型的网壳结构采用预应力技术后一般都可节约30％以上的钢材。目前许多高校对索托结构，索网结构等以高强钢索与钢材为主承重结构的预应力钢结构新体系，正在进行理论研究，积极准备工程实践，可以预期新型的预应力大跨空间钢结构不久即将涌现在各类建筑中。
膜结构是当前我国正在兴起的一种空间结构，其中应用较多的是张力膜结构。这是一种以玻璃纤维织物或聚酯纤维织物为基层，以聚四氟乙烯或PVC为涂层的膜材与不同类型的支承体系间的组合，而其支承体系可为索一支柱或索一杆结构,它们常在膜材获得预应力后协同工作。
2项目概况
本项目为某活动中心的屋盖设计，屋盖采用一个三角形钢管大跨桁架，下部结构拟采用现浇钢筋混凝土框架结构，柱截面1200x700mm，框架抗震等级为二级。为了满足屋面开窗要求，屋面采用三角形钢管大跨轻型钢结构桁架；基础拟采用独立基础加防水板。经分析，如果对该屋盖采用混凝土结构，则截面估算约为800x2500mm。而由于屋盖自重的增大，下部结构的柱截面也增大至1500x800mm。
1.建筑结构方案比较分析
对于新型大跨结构的特点整体上是空间结构；其跨度大，可覆盖巨大的室内空间；矢高小、曲率平缓，可有效利用空间；厚度薄、自重轻，节省材料；形式多样，可适合于各种形状的平面
组合。
对混凝土结构来说，其根本不适合用于大跨结构中，其采用的单向板以及双向板随着跨度的增大，将会使楼板的厚度增加，所配置的钢筋量必然增大，显然这不适合用于大跨度结构中。而对于稍微可应用于跨度较大的井式楼盖，其特点由肋梁楼盖演变过来，两个方向梁的高度相等且一般等间距布置，无主次梁之分，四周承重墙支撑或角柱支撑，可以解决一些大跨度空间的设计要求，因此适用于柱网间距或房间平面面积较大时，多用于门厅、会议厅，但是把井式楼盖应用于大跨度空间结构中，必然会使造价较高。
显然，对于大跨度结构来说，采用钢结构明显优于混凝土结构等，而且随着跨度的不断增大，这种优势尤为突出。尤其是对于柔性屋盖体系来说，混凝土和钢-混凝土组合屋盖暂不适用，而钢结构则具有明显优势。为此，本项目的屋盖最终采用了三角形钢管大跨桁架结构方案。
2.大跨钢结构设计要点
近年来大跨屋盖建筑的数量和规模增长迅速；对大跨屋盖建筑的抗震设计重视不够。一度出现不少造型奇特、结构很不规则、抗震性能差的建筑。为此，结合本项目大跨钢结构屋盖的设计实例，笔者总结了对于大跨空间钢结构来说，其设计要点如下：
5.1结构布置
在结构布置上，强调屋盖结构及其下部支承结构的质量、刚度分布均衡，确保结构的整体性和传力明确。屋盖的地震作用应能有效地通过支座向下传递；避免屋盖内力集中或较大扭转效应，为此屋盖、支承及下部结构的布置宜均匀对称；保证屋盖结构的整体性，因此应优先采用空间传力体系、避免局部削弱或突变的薄弱部位；宜采用轻型屋面系统，因此应严格控制屋面系统的单位自重。结构布置宜避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的内力、变形集中。对于可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。
5.2防震缝设置
对于大跨空间结构来说，设置防震缝往往是有效的。震缝宽度，规范规定不宜小于150mm。这主要是根据下部支承结构为框架结构或框架-抗震墙结构时的最小缝宽综合确定。规范所规定的最小防震缝宽度可能不足。建议最好按设防烈度下两侧独立结构在交界线上的相对位移最大值来复核。
结合工程实践经验，笔者建议大跨屋盖结构防震缝的缝宽可按设防烈度下两侧独立结构在交界线上的相对位移最大值来确定。对于规则结构，缝宽也可将多遇地震下的最大相对变形值乘以不小于3的放大系数近似估计。
5.3计算分析方面
在计算分析方面，重视上部、下部结构的协同工作，应计入多向地震作用的效应。在抗震措施上，定义了关键杆件和关键节点，并规定了相应的加强措施。计算时应进行抗震计算的范围、计算模型、计算方法、计算参数、多向地震、地震效應组合、变形限值、关键杆件和节点。考虑上下部结构协同工作的最合理方法是按整体结构模型进行地震作用计算。下部结构简化必须依据可靠且符合动力学原理，即应综合考虑刚度和质量等效后的有效性。
计算分析时应合理确定计算模型，屋盖与主要支承部位的连接假定应与构造相符。计算模型应计入屋盖结构与下部结构的协同作用。经过计算实践表明，对于大跨钢结构来说适宜采用的方法为多向地震反应谱法、时程分析法、甚至多向随机振动分析方法。建议了一些更精细的分析方法进行复杂大跨屋盖结构的地震作用计算，应该鼓励这些方法的应用，但实际操作还有些深层次问题值得讨论。对竖向地震作用的简化算法的适用范围进行了进一步限定。
3.结论
本文从比较混凝土结构、组合结构以及钢结构出发，分析比较钢结构应用于大跨度空间结构中的优势，结合笔者从事大跨度钢结构设计实践经验，提出大跨度钢结构设计要点，可为大跨度钢结构设计提供参考借鉴。
参考文献：
[1]白永生，许巍，蒋永生，等．对某大跨、重载裙房屋面大梁结构设计方案的比较与分析[J]．江苏建筑，2002，23（03）：31-33．
大跨度桥梁工程施工控制方法分析 篇12
1.1 大跨度桥梁的施工控制的发展历史
大约是在19世纪中期以前的时候, 绝大部分的桥梁都是采用的支架施工的方法。在整个工程施工的过程中主桥梁一直都是处于在一个无应力的状态下。随着交通事业的不断发展, 随着现在桥梁的跨度的不断增大, 特别是需要跨越大江大河, 支架式施工变的相对比较困难, 不太可能, 也不太实现了。在这中情况下, 出现了悬臂桁梁的的施工方法, 在悬臂桁梁的施工中的应力与实际施工中的应力一致。悬索桥成为了19世纪20年代中期采用的最多的大跨度桥型。20世纪70年代的时候, 随着预应力混凝土的发展逐渐趋于成熟, 挂篮悬臂浇筑混凝土的无支架施工方法随即诞生, 随着这种施工控制方法的广泛使用, 促进了大跨度桥梁的建设的发展。
1.2 大跨度桥梁的施工控制的发展趋势
目前, 国外很多的发达国家已经将桥梁的施工控制工作纳入了施工管理工作了。控制方法从以前的人工测量, 分析和预报发展到现在的自动监测, 分析和预报的计算机控制系统, 趋向自动化的发展。现在许多的发达国家除了重视施工中的控制以外还比较重视桥梁服役状态的控制工作。智能控制即将是大跨度桥梁的施工控制的发必然展趋势。
2 大度桥梁的施工控制的重要性
自架设体系施工方法是将桥梁分结构的进行施工。这种施工的方法的使用使桥梁的结构在整个施工中都处于较为复杂的内力与移动的变化状态, 为了保证施工的质量和桥梁的安全, 为了安全可靠的建好每一座桥梁, 施工控制是必不可少的。施工控制的目标就是使桥梁的线性和受力状态符合设计要求, 同样, 这也是衡量一座桥梁的质量的一个标准。施工系统不仅是建设桥梁的安全系统, 更是桥梁在运营中安全性和耐久性的一个综合监测系统。
桥梁施工控制是桥梁建设的过程中能够确保的一种安全保证, 由于桥梁的设计的落著点是桥梁的整体, 所以就难以详细到施工过程中各构件的受力状态, 这样就得对施工过程的每个阶段进行预先分析和跟踪, 及时发现问题, 及时调整解决。
3 施工前的准备工作
测量定位:对桥梁中心线开工之前, 应首先进行施工放样, 并报监理工程师检查批准, 在施工工程中对所有检测数据进行记录, 尽量把误差的值降低到最小, 测量完成后, 测量记录及成果资料提交给监理工程师, 待审查合格后, 作为原始记录保存。在开工前对所需要的材料送到中心试验室中进行复试, 并把结果上交给监理工程师, 等待监理工程师的审判结果, 再进行施工。
4 大跨度桥梁施工控制的3种方法
目前, 施工控制中世界上主要使用的大跨度桥梁的施工方法:1) 采用纠偏终点控制的方法, 就是指在建筑施工中对主桥梁的线形偏差的因素进行跟踪控制, 随时进行纠偏, 最终达到设计试图的理想效果。这种方法是采用kalman滤波法和灰色理论等等。这种施工的方法工作量大, 控制效果还不一定理想;2) 应用现代控制理论中的自我适应控制法, 就是对施工过程中的标高和内力实测值和预测值进行对比, 对桥梁结构的基本主要参数进行识别, 找出产生偏差的原因, 从而对参数进行修正, 进而达到控制参数的目的。使实测值和预测值达到设计的理想状态;3) 方法就是在设计是给主梁标高和内力的宽容度一个最大值, 从而减少了控制的难度。
5 大跨度桥梁的施工控制结构计算方法
5.1 桥梁结构的理论计算
大跨度桥梁一般都是采用分阶段逐步进行施工的方法进行施工的。在施工过程中的每一个阶段的变形计算和进行受力分析是桥梁结构施工中最基本的内容。为了达到施工控制的目的, 必须对桥梁施工中的每个阶段的变形和受力情况进行预测和监控。必须通过合理的运算和理论分析来确定施工中的每个阶段的变形和受力情况的理想状态。以便控制施工过程中每个阶段的结构行为, 使其最终的成桥线形和受力状态满足最原始的设计要求。
5.2 施工控制的结构计算的主要方法
1) 正装分析法
目前世界桥梁施工控制结构的基本计算方法主要包括以下三种:正装分析法、倒装分析法还有无应力状态计算法。在进行正装分析前必须制定详细的施工方案, 正装分析计算法是按照施工方案中确定的施工加载顺序来进行结构变形和受力分析的, 优点是能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程, 得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态。这不仅可以用来指导桥梁的设计和施工还对给施工控制提供了可靠的依据。能较好的考虑一些与桥梁结构形成历程有关的影响因素。为完成桥梁结构施工控制奠定了基础, 对各种样式的大跨度桥梁都得先使用正装分析法。
2) 倒装分析法
施工预拱度应按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为计算和予以确定。其目的就是获得桥梁结构在各个施工阶段的理想安装位置, 只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段中间状态去指导施工, 才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。一般现在大跨度桥梁施工控制结构都采用倒装分析法, 倒装分析法的基本思想是先假定结构的成桥线型满足设计的最初要求, 在次状态下, 按照施工的逆过程对结构进行倒拆。由此得出来的位移和内力状态是施工结构中理想状态。
3) 无应力状态法
无应力状态法是以桥梁结构中各个构件的无应力, 长度和曲率不变为基础, 将桥梁结构的成桥状态和施工中各个阶段的中间状态联系起来。这种计算方法适用于大跨度拱桥和悬索桥的是施工中。在大跨度桥梁的施工控制中, 由于桥梁结构的非线性问题和混泥土的收缩问题, 徐变问题等各种问题, 使无论是倒装分析法还是无应力状态法分析出来的结果都不会和正装分析法分析出来的数据完全吻合。所有在真正的施工控制中会用倒装分析法或无应力状态法与正装分析法交替使用, 直至计算的结果都相互吻合为止。
6 施工监测
对几何形态的监测, 主要内容包括:标高, 跨长, 线形, 结构变形还有位移等内容。结构截面的应力或应变的监测。结构截面的应力或应变的监测是施工监测中的一个最为主要的监测任务, 它是施工过程中的安全预警系统。合理的选择结构截面, 对其应力进行相应的跟踪观测是施工过程中的安全保证。索力监测, 对于悬索桥和斜拉桥来说, 其主缆索以及其索力是施工监测的主要参数之一。
7 参数误差分析和识别
在实际施工中, 桥梁结果的实际状态与理想的状态总是存在误差的。这主要是有设计参数误差, 施工误差, 测量误差, 结构分析模型误差等综合干扰因素所致。误差分析是施工监控的一个难点, 也是施工监测中比较不成熟的一个部分, 主要原因是测量的数据比较少而影响的因素比较多的矛盾引起的。所以, 为了更准确的分析, 必须增加测量点, 增加测试工况, 曾加测试内容。通过不断的试验首先应先找出引起桥梁结构偏差的主要设计参数, 然后就是运用各种理论和方法来识别这些设计参数, 最后得到设计参数的正确估算值。通过修正设计参数的误差, 使桥梁结构的实际状态和理想状态相一致。
8 结论
大跨度桥梁在施工控制之前, 必须建立一个完善的控制管理系统和阻止机构。施工控制是一个难度较高担不是一个孤立的施工技术问题, 它涉及设计, 施工监理等单位的工作。从多方面着手对桥梁的施工进行控制, 以确保桥梁施工的质量问题。桥梁施工控制是桥梁建设的一种安全保证, 为了保证施工的质量和桥梁的安全, 施工控制是必不可少的。
参考文献
[1]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社, 2001.
[2]于长官.现代控制理论[M].黑龙江:哈尔滨工业大学出版社, 1998.