大型空间异形钢塔斜拉桥施工监控技术研究
发布时间：2020-08-11 23:23
【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。
【学位授予单位】：中国铁道科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U446
【图文】：
图 1-2 Verrazano Narrows 桥铆接钢塔Fig.1-2 Riveted steel pylon cross section of Verrazano Narrows Bridge图 1-3 南京长江三桥焊接钢塔Fig.1-3 Welded steel pylon cross section of Nanjing No.3Yangtze River Bridge钢塔节段之间连接方式，既要确保传力的可靠性，又要便于安装，另外不同的连接方式对钢塔整体的垂直度有很大影响。从连接方式演变和发展看，可分为早期的铆接、摩擦型高强度螺栓连接，到现在的焊接、“端面金属接触＋摩擦型 HTB”连接、“端面金属接触＋张拉型 HTB”连接等。表 1-3 给出了国内外典型桥梁钢塔的连接方式，资料表明应用最为广泛的连接方式有“端面金属接触＋摩擦型 HTB”与“全熔透
1-3 南京长江三桥焊接钢塔 cross section of Nanjing No.3Yangtze River Bridge确保传力的可靠性，又要便于安装，另外不同的连接响。从连接方式演变和发展看，可分为早期的铆在的焊接、“端面金属接触＋摩擦型 HTB”连接、连接等。表 1-3 给出了国内外典型桥梁钢塔的连接方方式有“端面金属接触＋摩擦型 HTB”与“全熔透 HTB”方式具有受环境影响小施工工期短、架设精精度，但节段端口在工厂内需进行精密的机加工，垂直度要求较高，如日本多多罗大桥及中国南京长于 1/10000（等同于轴心线与端面的直角度≤20″），力，这就要求切削面有较高的平面度（≤0.2mm）和密加工对切削参数的选用、环境温度的变化及工件有很高的要求，为了实现这些高精度要求，不单纯
(d) Millennium Bridge (e) Sundial Bridge (f) Serrería Bridge图 1-5 国外著名的城市斜拉桥Fig.1-5 World famous urban cable-stayed bridges伴随我国桥梁用高强度钢的发展，自 2005 年南京三桥索塔采用钢结构以来，国内已先后修建了 30 余座采用钢塔的斜拉桥，这些桥梁大部分跨越城市河流，在设计过程中为凸显桥梁景观的需求，桥塔外形及布局大多进行了有别于传统直立式斜拉桥的设计，国内已建采用钢塔的城市斜拉桥信息见表 1-6，这些桥梁主跨径处于 80m~280m范围内，主梁大多采用钢箱梁，部分采用预应力混凝土箱梁，钢塔高度处于 51m~124m 范围内，节段之间均采用焊接连接。
本文编号：2789702
【学位授予单位】：中国铁道科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U446
【图文】：
图 1-2 Verrazano Narrows 桥铆接钢塔Fig.1-2 Riveted steel pylon cross section of Verrazano Narrows Bridge图 1-3 南京长江三桥焊接钢塔Fig.1-3 Welded steel pylon cross section of Nanjing No.3Yangtze River Bridge钢塔节段之间连接方式，既要确保传力的可靠性，又要便于安装，另外不同的连接方式对钢塔整体的垂直度有很大影响。从连接方式演变和发展看，可分为早期的铆接、摩擦型高强度螺栓连接，到现在的焊接、“端面金属接触＋摩擦型 HTB”连接、“端面金属接触＋张拉型 HTB”连接等。表 1-3 给出了国内外典型桥梁钢塔的连接方式，资料表明应用最为广泛的连接方式有“端面金属接触＋摩擦型 HTB”与“全熔透
1-3 南京长江三桥焊接钢塔 cross section of Nanjing No.3Yangtze River Bridge确保传力的可靠性，又要便于安装，另外不同的连接响。从连接方式演变和发展看，可分为早期的铆在的焊接、“端面金属接触＋摩擦型 HTB”连接、连接等。表 1-3 给出了国内外典型桥梁钢塔的连接方方式有“端面金属接触＋摩擦型 HTB”与“全熔透 HTB”方式具有受环境影响小施工工期短、架设精精度，但节段端口在工厂内需进行精密的机加工，垂直度要求较高，如日本多多罗大桥及中国南京长于 1/10000（等同于轴心线与端面的直角度≤20″），力，这就要求切削面有较高的平面度（≤0.2mm）和密加工对切削参数的选用、环境温度的变化及工件有很高的要求，为了实现这些高精度要求，不单纯
(d) Millennium Bridge (e) Sundial Bridge (f) Serrería Bridge图 1-5 国外著名的城市斜拉桥Fig.1-5 World famous urban cable-stayed bridges伴随我国桥梁用高强度钢的发展，自 2005 年南京三桥索塔采用钢结构以来，国内已先后修建了 30 余座采用钢塔的斜拉桥，这些桥梁大部分跨越城市河流，在设计过程中为凸显桥梁景观的需求，桥塔外形及布局大多进行了有别于传统直立式斜拉桥的设计，国内已建采用钢塔的城市斜拉桥信息见表 1-6，这些桥梁主跨径处于 80m~280m范围内，主梁大多采用钢箱梁，部分采用预应力混凝土箱梁，钢塔高度处于 51m~124m 范围内，节段之间均采用焊接连接。
本文编号：2789702
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