下承式单索面钢管桁架梁拱组合桥施工控制关键问题研究

作     者：程涛 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁南宏

授予年度：2021年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：梁拱组合桥 施工控制 数值模拟 吊杆力优化 等效刚度 

摘      要：钢箱梁拱组合桥由于造型优美、跨越能力大、建筑高度小、景观效应好等优点,使其在国内外现代桥梁建设中得到了广泛应用,但是随着桥梁跨度逐渐增大,施工过程中的诸多问题也随之暴露出来。为了减小由于施工不当造成的误差以及尽可能避免一些施工过程中的不确定因素,保证桥梁结构的安全性,那么就势必要对施工过程进行现场监测控制。本文结合某钢管桁架梁拱组合桥施工控制,对施工控制过程中的一些关键问题进行研究,主要内容如下:(1)根据下承式单索面钢管桁架梁拱组合桥的结构特征,制定了详细的施工控制方案,建立了该桥考虑施工阶段的仿真模型,分析了各个施工阶段中各部件的变形以及受力。通过分析施工控制数据得出:主梁以及拱肋的线形控制较为理想,最大误差不超过2cm;成桥时拱肋全截面受压,其压应力远小于规范规定;两侧短吊杆索力误差略大,其余吊杆力实测值与理论值基本相符,误差不超过5%。(2)采用一次落架法、刚性吊杆法、最小弯曲能法确定了梁拱组合桥的成桥吊杆力,并对几种方法进行了对比。以有约束的最小能量法,通过建立优化模型、编制MATLAB程序优化了成桥吊杆力,在该组吊杆力作用下减小了拱脚处的变形,降低了主梁跨中处的弯矩和挠度。分别采用差值迭代法、影响矩阵法确定出了主梁临时支墩拆除后的吊杆力调整值,通过对比两种方法结果,发现影响矩阵法不论从精度上还是用途上均优于差值迭代法。(3)为了简化研究桁架拱在施工阶段的受力性能,针对三角形截面的空间桁架拱,按横向变形等效原则将其等效为梁单元,通过引入圆弧拱临界屈曲荷载,确定了三肢桁架拱的换算长细比,提出了可用于实际工程的三肢桁架拱考虑剪切变形影响的面内、面外等效抗弯刚度公式,并通过有限元建模验证了公式的合理性。(4)总结了桁架抗扭刚度等效的三种方法(位移等效法、基于剪切刚度相同的等效板法、基于扭转频率变化的动力等效法)。分析了跨高比,弦杆、腹杆刚度比对桁架等效抗扭刚度的影响,研究了三种方法对不同规格桁架抗扭刚度等效的适用情况,最后确定出了能够使每种方法具有较高等效精度的桁架跨高比、刚度比范围:跨高比在8～18之间时,等效板法的误差在5%以内;跨高比大于25时,动力等效法以及位移等效法更加适用;弦杆、腹杆刚度比在50以内时,三种方法均能得到较好的等效效果,但等效板法最优。(5)通过将桁架拱简化为梁单元,建立了拱肋等效刚度拱桥模型。在分析了该桥施工阶段中各部件的受力之后,发现桁架拱桥与拱肋等效刚度拱桥的受力特性相似,整个施工阶段两种模型轴力基本一致,最大误差为2.04%。由于拱肋结构形式不同,二者在拱肋应力以及吊杆索力方面存在一定偏差,但从全桥受力来看,该变化对于整个桥梁的受力性能影响并不大,说明将桁架拱简化为梁单元用于梁拱组合桥施工阶段初步分析是可行的。本文的研究,为今后同类型桥梁在施工控制过程中的吊杆力优化、结构简化分析计算等方面提供了参考。