大跨度橋梁工程施工質(zhì)量控制與風(fēng)險研究教材

1、大跨度橋梁工程施工質(zhì)量控制與風(fēng)險研究摘要大跨度橋梁橋半個世紀(jì)來在世界圍大量建造，已成為世界橋梁的發(fā)展趨勢。大跨度橋梁一般采用分段施工的方法，在施工過程中主梁的結(jié)構(gòu)、力、荷載都在不斷發(fā)生變化。各階段產(chǎn)生的誤差涉與因素繁雜，需要對各階段的施工參數(shù)不斷監(jiān)測、校驗(yàn)、修正。施工質(zhì)量控制技術(shù)在連續(xù)梁橋的建設(shè)過程中是不可或缺的一部分，對其研究比較重要。本文對大跨度橋橋在國外的發(fā)展情況進(jìn)行了比較，并且通過對施工控制技術(shù)的發(fā)展情況的述，闡述了連續(xù)梁橋建設(shè)和施工控制的不足。然后介紹了施工控制理論與方法，尤其是采用自適應(yīng)控制方法，結(jié)合相應(yīng)的施工手段和檢測方法，對主梁線形、力等關(guān)鍵指標(biāo)實(shí)施控制。隨著橋梁的發(fā)展和跨徑的

2、不斷增大,各種不確定性對結(jié)構(gòu)的影響也越來越大。但是,現(xiàn)有研究大多是針對結(jié)構(gòu)中的確定性問題,對于影響結(jié)構(gòu)安全的各種不確定性問題研究較少。而事實(shí)上,和其它結(jié)構(gòu)物一樣,大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中存在著大量的不確定性。大跨度橋梁施工風(fēng)險有必要進(jìn)行分析。本文的工程背景是天池特大橋。以大型通用軟件Midas civil為基礎(chǔ)，建立了全橋有限元模型。通過仿真計算分析，得到主梁各節(jié)段在每一步施工步驟中的預(yù)拱度和應(yīng)力值，作為施工過程中對立模標(biāo)髙的調(diào)整依據(jù)和應(yīng)力監(jiān)測的預(yù)判依據(jù)。通過實(shí)測數(shù)據(jù)同有限元計算結(jié)果的對比分析，可以有效地證明有限元模型的準(zhǔn)確性和在施工過程中的指導(dǎo)性。橋梁在建設(shè)期間直至成橋狀態(tài)的力都在安全圍之，主梁實(shí)際

3、高程均高于設(shè)計高程，符合建設(shè)要求和目標(biāo)。并對天池特大橋施工中存在的各種風(fēng)險進(jìn)行識別，通過現(xiàn)場實(shí)測調(diào)研與監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了5 項主要的風(fēng)險因素，根據(jù)風(fēng)險發(fā)生概率和風(fēng)險損失，確定了本橋施工過程中的風(fēng)險等級，為高度風(fēng)險，并通過采取有效控制措施和制定的應(yīng)急預(yù)案，完成達(dá)到將項目建設(shè)風(fēng)險降低到最低程度，保證安全實(shí)施的目標(biāo)本文所得結(jié)論可為今后同類橋梁的建設(shè)提供有意義的借鑒。1緒論1.1引言目前采用的大跨橋梁施工技術(shù)一般為分段施工法。分段施工中橋梁結(jié)構(gòu)的最終形成必然要經(jīng)過許多的施工階段,盡管每個階段都嚴(yán)格控制施工時的結(jié)構(gòu)幾何尺寸、容重、收縮、徐變、彈性模量、預(yù)加力和索力等可以人為控制的因素,但是不可避免地會出現(xiàn)

4、實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)與理想結(jié)構(gòu)狀態(tài)的偏差。這種偏差可能來自于施工本身的誤差,也可能是環(huán)境誤差的干擾,還可能是測量系統(tǒng)的誤差。隨著橋梁結(jié)構(gòu)跨徑和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增大,這種誤差已經(jīng)到了影響結(jié)構(gòu)的幾何線形、改變結(jié)構(gòu)力狀態(tài)、甚至威脅結(jié)構(gòu)施工的安全。如何消除或修正這些誤差,確保施工過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全,力求最終成橋受力狀態(tài)基本符合理想狀態(tài)要求,已經(jīng)成為目前橋梁結(jié)構(gòu)分段施工中的關(guān)鍵問題。橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量控制是現(xiàn)代控制理論與橋梁工程結(jié)合的必然產(chǎn)物,隨著橋梁跨徑的不斷增大,以與新材料、新工藝、新的施工方法在橋梁工程中的應(yīng)用,橋梁結(jié)構(gòu)施工控制所涉與的圍越來越廣。橋梁施工質(zhì)量控制是指在各施工階段通過測量關(guān)鍵參數(shù)識別結(jié)構(gòu)的狀

5、態(tài)參數(shù),預(yù)測估計實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài),最優(yōu)控制成橋狀態(tài)。確保施工質(zhì)量是工程的關(guān)鍵,施工質(zhì)量控制的目的在于保證施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力分布、撓度變化都能處于安全合理的圍之,特別是確保大橋順利合攏,使合攏段兩懸臂端實(shí)際標(biāo)高與設(shè)計相應(yīng)標(biāo)高目標(biāo)的偏差不大于監(jiān)控允許值,合攏后橋面線形良好,結(jié)構(gòu)受力合理。同時，隨著橋梁的發(fā)展和跨徑的不斷增大,各種不確定性對結(jié)構(gòu)的影響也越來越大。但是,現(xiàn)有研究大多是針對結(jié)構(gòu)中的確定性問題,對于影響結(jié)構(gòu)安全的各種不確定性問題研究較少。而事實(shí)上,和其它結(jié)構(gòu)物一樣,大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中存在著大量的不確定性。由于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜,施工難度大,尤其是大跨度混凝土橋梁,多采用懸臂澆注的施工

6、方法,施工工序多,施工工藝復(fù)雜,施工周期又短,這些不利因素進(jìn)一步增加了大跨度橋梁在施工過程中的不確定性。天池特大橋一座橋型布置為520228.8320m的大跨度上承式拱橋，本文將以該橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量控制問題和風(fēng)險問題。1.2工程背景1.2.1工程概況天池特大橋（原行對岔大橋）是世行貸款公路項目省省道S303線連接市與屏南縣的八都橋頭至屏南城關(guān)公路焦城段二期工程中的一座特大橋，大橋位于市蕉城區(qū)洪口鄉(xiāng)。橋梁長度405.40米, 橋?qū)?0.0米，橋梁高度142.0米。橋梁起點(diǎn)樁號K43+474.53，終點(diǎn)樁號K43+879.93，橋型布置為:520228.8320m。主拱圈橫截面

7、采用單箱三室箱型截面，采用節(jié)段預(yù)制、纜索吊裝工藝施工。橋梁總體布置圖如圖1-1。圖1-1 天池特大橋總體布置圖1.2.2總體布置受峽谷兩岸地形限制，本橋上承式鋼筋混凝土空腹箱型拱主橋采用了較大的矢跨比，為1/4?？傮w布置為：凈跨徑L0=204.959m，凈矢高f0=51.227m；計算跨徑L=207.2m，計算矢高f=51.73m。橋?qū)挒?0m，其中車行道凈-9m。為減少主拱分段長度，拱上結(jié)構(gòu)跨度布置采用12.66m、12.68m兩種跨度形式，共布置18孔。橋面系由8片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁組成。主橋左岸設(shè)5孔20m預(yù)應(yīng)力空心板引橋與道路連接，右岸設(shè)3孔20m預(yù)應(yīng)力空心板引橋與隧道出口道路連接。

8、橋面系簡支空心板梁支撐在拱上立柱的蓋梁上。橋面設(shè)2的雙向橫坡，橫坡通過拱上立柱帽梁形成，鋪裝采用C40鋼纖維混凝土，厚為12cm。1.2.3主拱結(jié)構(gòu)主拱圈采用寬8.0m，高3.0m的單箱三室普通鋼筋砼箱型斷面，頂板、底板和腹板厚度均為25cm。主拱結(jié)構(gòu)采用預(yù)制吊裝法施工。主拱圈截面分三次形成，其中兩個邊室采用分段預(yù)制拼裝成拱，中室采用拱上現(xiàn)澆頂、底板施工。預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)段邊箱寬2.8m，頂板預(yù)制部分厚度為10cm，腹板和底板厚度均為25cm。拱腳根部段設(shè)置一定長度的實(shí)體段，實(shí)體段通過變厚截面拱箱與標(biāo)準(zhǔn)斷面連接，形成過渡段。上下游拱肋共預(yù)制34節(jié)段，各節(jié)段長度不一。最長節(jié)段為2節(jié)段，沿拱軸線長度為15

9、.881m，最大吊重118T。1.3大跨度橋梁施工的質(zhì)量控制的研究現(xiàn)狀1.3.1國外大跨度橋梁施工質(zhì)量控制的研究現(xiàn)狀 國外最早采用橋梁施工質(zhì)量控制技術(shù)，世紀(jì)年代初，日本在修建日野預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋時，建立了橋梁施工監(jiān)測所需的應(yīng)力、曉度等參數(shù)的觀測系統(tǒng)，應(yīng)用計算機(jī)對所測量參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場處理，然后將處理后的實(shí)測參數(shù)送回控制室進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，最后再將分析結(jié)果返回到橋梁施工現(xiàn)場進(jìn)行橋梁施工控制。上述方法也是國外傳統(tǒng)的橋梁施工質(zhì)量控制方法。國外在橋梁施工質(zhì)量控制技術(shù)方面的研究和應(yīng)用起步較早，現(xiàn)今眾多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成了較為完善的橋梁施工質(zhì)量控制系統(tǒng)，并已將橋梁施工質(zhì)量控制納入到常規(guī)的橋梁施工管理工作之中

10、橋梁施工質(zhì)量控制方法已從人工測量、分析與預(yù)報，發(fā)展到由計算機(jī)自動控制的自動測量、分析與預(yù)報、參數(shù)調(diào)整等，并已形成了較為完善的橋梁施工控制系統(tǒng)。由于影響橋梁施工的因素太多、太復(fù)雜，目前尚有很多問題還亟待進(jìn)一步解決；同時不斷涌現(xiàn)的新型橋梁、規(guī)模（跨徑）更大的橋梁也對橋梁施工質(zhì)量控制工作提出了更高的要求，因此國外對橋梁施工質(zhì)量控制技術(shù)的研究還在繼續(xù)。 20年代時首座的橋梁Stromsund把怎樣讓索力以與標(biāo)高符合規(guī)劃納入建造中。在修TheodonNess橋梁時對橋的標(biāo)高與初始索力中第一次加入了后退剖析法，這種核算發(fā)法在加拿大等國建橋時也納入。在日本的橋梁項目建造期中真實(shí)對比全部詳盡地把橋梁施工操控理

11、論使用起來，施工操控中請求的應(yīng)力與撓度各方面元素的檢查辦法是由日本構(gòu)建預(yù)應(yīng)力的混凝土中的接連梁橋工程時創(chuàng)立， 把這些得出來的參數(shù)用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際演算接著把這些處理過的參數(shù)用來結(jié)構(gòu)核算處理然后又把處理得出的成果轉(zhuǎn)到施工中用在工程操控方面。1.3.2國大跨度橋梁的施工質(zhì)量控制的研究現(xiàn)狀我國在橋梁施工質(zhì)量控制技術(shù)方面的研究相對起步較晚，然而發(fā)展卻較為迅速。懸臂澆筑施工的橋梁施工質(zhì)量控制容主要為結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制個方面。橋梁施工質(zhì)量控制的工作重心一般放在結(jié)構(gòu)變形控制上，由于影響應(yīng)力測量精度的因素較多，直接測試得到的應(yīng)力不能精確反映結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，必須采用一定的修正措施對測試得到的應(yīng)

12、力進(jìn)行修正，修正后的應(yīng)力方能近似反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，因此應(yīng)力控制一般起安全預(yù)警的作用。文獻(xiàn)1以東客站跨成渝右線立交連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，?shí)施了該橋的施工質(zhì)量控制，獲得了較好的效果。文章總結(jié)了懸臂澆筑施工的連續(xù)梁橋施工質(zhì)量控制中存在的主要問題，指出連續(xù)梁橋施工質(zhì)量控制的工作重點(diǎn)為應(yīng)力監(jiān)測和線形控制，其中影響應(yīng)力監(jiān)測效果的因素復(fù)雜，很難獲得精確結(jié)果，往往作為一種“安全預(yù)警”作用，而橋梁線形控制較為精確，能夠反映梁體真實(shí)狀態(tài)，應(yīng)作為橋梁施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)控制對象。作者計算分析了該橋梁結(jié)構(gòu)受力情況，得出梁底最大應(yīng)力位置在懸臂根部、四分點(diǎn)和中跨跨中，因此應(yīng)在這些位置處布置應(yīng)力測點(diǎn)，保證梁體的施工安全和施工

13、質(zhì)量。文獻(xiàn)2以滄德特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，成功?shí)施了該橋的施工質(zhì)量控制。作者制定了該橋梁的施工質(zhì)量控制方案，實(shí)施了具體的橋梁施工質(zhì)量控制，保證了該橋成橋的線形和力滿足規(guī)要求。作者研究了連續(xù)梁橋懸臂澆筑的施工工藝，對影響橋梁施工質(zhì)量的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了驗(yàn)算，提出了掛籃、臨時固結(jié)、0號塊施工、合龍段施工為關(guān)鍵工藝，直接影響到橋梁成橋質(zhì)量和施工安全，論述了0號塊施工的具體步驟，強(qiáng)調(diào)了0號塊施工中的預(yù)壓方案，這些措施為橋梁的順利建成提供了保障；作者利用有限元軟件建立了掛籃的仿真計算模型，根據(jù)掛籃實(shí)際受力情況施加荷載，對掛籃的安全性和變形能力進(jìn)行了計算，驗(yàn)算了掛籃各個部件的強(qiáng)度，計算結(jié)果表明，該掛籃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠。

14、臨時固結(jié)是保證懸臂澆筑施工的連續(xù)梁橋抵抗傾覆力矩的構(gòu)造措施，它對保證橋梁施工安全性至關(guān)重要文獻(xiàn)討論了臨時固結(jié)措施的計算方法，對丹西納公路大橋墩梁臨時固結(jié)的設(shè)計進(jìn)行了驗(yàn)算，證明了該橋梁臨時固結(jié)的安全性。文獻(xiàn)3以南水北調(diào)丹江口大橋?yàn)楣こ瘫尘?。作者在文章中詳?xì)分析了懸臂澆筑施工方法中的體系轉(zhuǎn)換對施工控制的影響和臨時固結(jié)措施對主梁撓度的影響，計算結(jié)果表明，計算模型誤差引起的主梁撓度誤差在懸臂段施工時小，體系轉(zhuǎn)換后變大，誤差主要出現(xiàn)在體系轉(zhuǎn)換后，且體系轉(zhuǎn)換后的模型誤差不能在施工控制過程中進(jìn)行修正，所以建立的計算模型應(yīng)盡量與實(shí)際情況相吻合，這是保證橋梁施工控制計算理論值與實(shí)測值相吻合的重要條件；關(guān)于臨時固

15、結(jié)解除后邊界條件的模擬，采用固定鉸支座模擬會引起結(jié)構(gòu)誤差，誤差的大小取決于橋墩剛度的大小，橋墩剛度大誤差小，橋墩剛度小誤差大；建議對橋梁柱也采用有限元模擬，連接采用彈性連接模擬支座真實(shí)情況，剛度系數(shù)參照。文獻(xiàn)4以田螺大橋?yàn)楣こ瘫尘?，進(jìn)行了該橋的施工質(zhì)量控制。釆用自適應(yīng)控制理論實(shí)施了該橋的施工質(zhì)量控制，獲得了較好的成果。由于實(shí)際施工中結(jié)構(gòu)自重與理論值普遍存在偏差，該偏差對橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響較大，是引起結(jié)構(gòu)狀態(tài)偏差的主要來源，為了保證橋梁施工安全和成橋質(zhì)量，必須在橋梁施工中嚴(yán)格控制自重誤差；混凝土彈性模量直接影響到結(jié)構(gòu)的剛度，對結(jié)構(gòu)變形有影響，彈性模量大，結(jié)構(gòu)剛度則大，結(jié)構(gòu)變形相應(yīng)要小，反之相反，

16、但是其對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況影響不大；預(yù)應(yīng)力損失是預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋施工質(zhì)量控制誤差產(chǎn)生的另一個主要因素，預(yù)應(yīng)力損失不僅影響到橋梁變形，還影響到結(jié)構(gòu)應(yīng)力，因此正確選取預(yù)應(yīng)力參數(shù)是保證準(zhǔn)確估計預(yù)應(yīng)力影響的前提條件，在大跨度橋梁施工中，必須對預(yù)應(yīng)力管道磨阻系數(shù)與偏差系數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測；混凝土收縮徐變對主梁跨中變形影響較明顯，對結(jié)構(gòu)力也有一定影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差是引起結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)和理想狀態(tài)偏差的主要因素。通過參數(shù)識別和修正，減小誤差，進(jìn)而達(dá)到計算模型能較為真實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)情況的要求，可以很好地預(yù)測結(jié)構(gòu)下一階段變形，達(dá)到橋梁施工控制的目標(biāo)。文獻(xiàn)5以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，?shí)施了該橋的施工質(zhì)量控制，獲得了

17、較好的效果。采用自適應(yīng)法進(jìn)行施工質(zhì)量控制，介紹了利用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)計算模型時關(guān)鍵參數(shù)的選取，以與利用有限元軟件進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的敏感性分析，獲得主要參數(shù)為混凝土自重和預(yù)應(yīng)力荷載；得出施工初期在懸臂根部底板可能會出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力，因此應(yīng)采取措施避免橋梁施工過程中出現(xiàn)混凝土開裂，造成結(jié)構(gòu)的損壞。文獻(xiàn)6以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘啊Ｗ髡哚娪糜邢拊浖υ摌蚴┕み^程進(jìn)行有限元模擬，分析結(jié)果作為標(biāo)高控制和應(yīng)力監(jiān)測的依據(jù)。監(jiān)控結(jié)果表明，利用有限元軟件仿真分析得到的計算結(jié)果作為理論計算結(jié)果是可行的和有效的；提出了在無實(shí)測箱梁溫度場數(shù)據(jù)的情況下修正溫度引起的測量數(shù)據(jù)偏差的經(jīng)驗(yàn)方法。文獻(xiàn)7以楠溪江大橋?yàn)楣?/p>

18、程背景。文獻(xiàn)總結(jié)了懸臂澆筑施工的連續(xù)梁橋施工質(zhì)量控制方法和主要影響因素，以與施工控制的計算方法，給出了主梁立模標(biāo)髙的計算公式，作者實(shí)際測量了溫度對最大懸臂狀態(tài)的影響，選擇早上最低溫時刻和下午橋面最高溫時刻，溫差導(dǎo)致的懸臂端曉度差值達(dá)到可見溫度對主梁線形影響很大，應(yīng)在監(jiān)控中給予高度重視。作者分析了施工工期變異對主梁曉度的影響，在楠溪江大橋工期延長天的情況下，計算表明成橋后主梁下曉，跨中曉度最大增加，邊跨處累計曉度平均增加。應(yīng)力方面，施工工期延長后，計算表明楠溪江大橋全橋頂板應(yīng)力稍微變小，差值在左右；底板應(yīng)力稍微變大，跨中和邊跨變化較明顯，最大差值。文獻(xiàn)8以關(guān)口斑號橋?yàn)楣こ瘫尘啊Ｗ髡哐芯恐赋鰬?yīng)力監(jiān)

19、測的結(jié)果受各種因素影響較大，其結(jié)果與梁體真實(shí)應(yīng)力值有較大偏差；現(xiàn)有的有限元軟件對溫度因素的考慮不合適，我國公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)關(guān)于日照溫度荷載引起的橋梁力的計算規(guī)定多有不合適，計算結(jié)果與實(shí)測值相差很遠(yuǎn)；作者計算分析了混凝土收縮徐變對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的影響程度，指出現(xiàn)有的混凝土收縮徐變計算公式均是半經(jīng)驗(yàn)公式，精度較差，而根據(jù)我國公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)關(guān)于混凝土收縮徐變的規(guī)定計算的結(jié)果較實(shí)測值小，該差值隨懸臂施工節(jié)段的伸長而變大。1.4大跨度橋梁施工風(fēng)險分析研究的必要性1.4.1大跨度橋梁施工存在大量的不確定性隨著橋梁的發(fā)展和跨徑的不斷增大,各種不確定性對結(jié)構(gòu)的影

20、響也越來越大。但是,現(xiàn)有研究大多是針對結(jié)構(gòu)中的確定性問題,對于影響結(jié)構(gòu)安全的各種不確定性問題研究較少。而事實(shí)上,和其它結(jié)構(gòu)物一樣,大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中存在著大量的不確定性。同時,由于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜,施工難度大,尤其是大跨度混凝土橋梁,多采用懸臂澆注的施工方法,施工工序多,施工工藝復(fù)雜,施工周期又短,這些不利因素進(jìn)一步增加了大跨度橋梁在施工過程中的不確定性。大跨度橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中的各種不確定性按其成因可分為決策的不確定性、現(xiàn)象的不確定性、物理的不確定性、模型的不確定性、統(tǒng)計的不確定性、預(yù)測的不確定性以與人為不確定性等,如圖1-2所示。1.4.2大跨度橋梁施工存在著高風(fēng)險大跨度橋梁施工期間大

21、量不確定性的存在,直接影響了橋梁整個建造過程的安全性。而傳統(tǒng)的定性設(shè)計與分析方法未能考慮眾多不確定性對結(jié)構(gòu)安全度的影響,不能真正反映結(jié)構(gòu)的安全儲備。同時,由于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性,以與施工階段工序多、周期短、工藝復(fù)雜等諸多不利因素的影響,進(jìn)一步增加了橋梁工程建設(shè)的風(fēng)險而我國現(xiàn)行的橋梁設(shè)計、施工規(guī)主要是針對中小跨度橋梁制定的,已不能適應(yīng)大跨度橋梁設(shè)計、施工的安全需要,更為大跨度橋梁的工程建設(shè)埋下了安全隱患。橋梁的施工建造是一項龐大的系統(tǒng)工程,結(jié)構(gòu)設(shè)計過程和施工過程中的任一環(huán)節(jié)的錯誤和疏忽,都會大大降低結(jié)構(gòu)施工期間的安全性,以至導(dǎo)致各類工程事故的發(fā)生國外橋梁結(jié)構(gòu)尤其是大跨度橋梁的施工事故屢見

22、不鮮。大跨度橋梁施工期間存在著高風(fēng)險,必須引起足夠的重視,否則極易發(fā)生工程事故,而這些工程事故的發(fā)生往往會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,以與帶來不良的社會影響。因此,為了降低大跨度橋梁施工期間的結(jié)構(gòu)風(fēng)險,避免工程事故的發(fā)生,開展大跨度橋梁施工風(fēng)險分析研究是十分必要的。通過施工風(fēng)險分析,人們可以了解和掌握大跨度橋梁施工期間可能面臨的各種風(fēng)險,以采取積極有效的風(fēng)險應(yīng)對策略,控制和降低風(fēng)險水平,保障結(jié)構(gòu)施工安全。另外,開展大跨度橋梁施工風(fēng)險分析研究,對于確保大跨度橋梁工程建設(shè)的安全性和科學(xué)性,對于提高橋梁工程結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和合理性,對于推動橋梁設(shè)計理論與保險體系的發(fā)展等,都具有十分重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)

23、意義。1.5風(fēng)險分析的國外發(fā)展和研究現(xiàn)狀1.5.1風(fēng)險分析的發(fā)展和研究現(xiàn)狀風(fēng)險的概念最早出現(xiàn)在西方的經(jīng)濟(jì)管理領(lǐng)域中。世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命時,法國人首次把風(fēng)險管理的思想引進(jìn)了企業(yè)經(jīng)營領(lǐng)域,由于人們對此還沒有足夠的認(rèn)識，所以當(dāng)時并沒有得到廣泛的應(yīng)用。上世紀(jì)50年代,美國和歐洲一些國家將風(fēng)險分析方法應(yīng)用于核電廠的安全性評估之中。風(fēng)險管理才開始發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。將概率理論引入風(fēng)險研究是在上世紀(jì)60年代，在此期間以概率理論為基礎(chǔ)的風(fēng)險評估研究得到了快速發(fā)展。比如在英國就建立了專門的研究機(jī)構(gòu)一故障數(shù)據(jù)庫和可靠性服務(wù)所進(jìn)行概率風(fēng)險研究。1973年3月,美國一核電廠發(fā)電機(jī)組發(fā)生事故,核電廠的概率安全評價開始為人

24、們所關(guān)注。1975年,首次發(fā)表了商用核電站輕水反應(yīng)堆的風(fēng)險分析報告。1979年,英國和德國的一些機(jī)構(gòu)對荷蘭的一些工業(yè)設(shè)施進(jìn)行了風(fēng)險評價。隨后,關(guān)于此類的風(fēng)險分析評價技術(shù)在西方許多發(fā)達(dá)國家的諸多工業(yè)項目中得到了廣泛的應(yīng)用,并且先后研究推出一系列風(fēng)險評價方法,至此,以風(fēng)險理論為基礎(chǔ)的風(fēng)險分析方法才真正進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。1986年,發(fā)生了兩起震驚世界的重大事故,一個是美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)發(fā)生爆炸,另一個是前聯(lián)切爾諾貝利核電站爆炸事故,這兩起事故使人們開始重視工程領(lǐng)域存在的風(fēng)險問題,從某種意義上說促進(jìn)了風(fēng)險分析與評價技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。上世紀(jì)年代,隨著發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)的起飛,風(fēng)險管理愈加為這些國家所

25、重視,風(fēng)險管理研究也從發(fā)達(dá)國家逐步向發(fā)展中國家擴(kuò)散。為了將風(fēng)險管理科學(xué)推廣和普與到廣大發(fā)展中國家,年聯(lián)合國有關(guān)機(jī)構(gòu)編輯出版了有關(guān)風(fēng)險管理方面的專題研究報告。目前,風(fēng)險分析方法已經(jīng)應(yīng)用到諸如機(jī)械工程、醫(yī)藥化工、電子工程、土木工程、與經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域,取得了一系列研究成果。隨著時間的推移,可以想象風(fēng)險分析理論的研究與應(yīng)用將會更加深入與廣泛。1.5.2大跨度橋梁風(fēng)險分析的研究現(xiàn)狀橋梁運(yùn)營階段的風(fēng)險研究,主要是對運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)安全性與可靠性進(jìn)行風(fēng)險評估,如對船撞風(fēng)險、車撞風(fēng)險、超載風(fēng)險、地震風(fēng)險、洪災(zāi)與火災(zāi)風(fēng)險等風(fēng)險問題的研究。這方面研究較多,且大部分是對某單項風(fēng)險問題的研究。在船撞橋方面。此方面的風(fēng)

26、險研究相對較多,如文獻(xiàn),對船撞等橋梁風(fēng)險評估加以介紹,同時針對船撞,提出了在設(shè)計方面應(yīng)采取的保護(hù)性措施。介紹了日本學(xué)者基于故障樹方法建立的船撞風(fēng)險分析系統(tǒng),并認(rèn)為船撞事故中人為因素占很大一部分。項海帆指出了中國規(guī)與歐美規(guī)或指南在處理船撞問題上的異同。戴彤宇首次建立了我國的船撞橋事故數(shù)據(jù)庫,并對在建的松花江斜拉橋進(jìn)行了初步的船撞橋風(fēng)險分析,提出了降低船撞風(fēng)險的具體建議。在車撞橋方面。文獻(xiàn),對車撞橋的風(fēng)險進(jìn)行了詳細(xì)研究,研究認(rèn)為,車撞引起的損失可以從對橋梁造成的損失,對車輛與其運(yùn)送貨物造成的損失,對人員造成的傷害,在維修期間造成的交通堵塞等間接損失,交通系統(tǒng)不暢造成的社會和經(jīng)濟(jì)損失,對環(huán)境造成的損

27、失等方面考慮對法國車輛撞擊橋梁墩柱問題進(jìn)行了比較詳盡的研究,對車橋碰撞概率、碰撞后倒塌等各種概率進(jìn)行了分析。在抗震、抗風(fēng)方面。文獻(xiàn)11給出了一個多階段地震風(fēng)險評估的流程,包括快速風(fēng)險檢查、風(fēng)險嚴(yán)重性計算和風(fēng)險回避研究等容。在第一階段,主要用“風(fēng)險水平”來區(qū)分風(fēng)險等級,并在第二階段引入了投資一收益比來輔助決策。文獻(xiàn)12介紹了一個橋梁結(jié)構(gòu)的地震風(fēng)險評估系統(tǒng),它應(yīng)用馬爾可夫過程并基于概率計算,對橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用過程中結(jié)構(gòu)性能的變化過程給出了定量的評價,從而可以方便地確定損失函數(shù)。文獻(xiàn)13從風(fēng)險的角度對纜索承重橋梁的抗風(fēng)性能評估進(jìn)行了研究,建立了相應(yīng)的評估方法和評價體系,并對通長江公路大橋的抗風(fēng)風(fēng)險

28、進(jìn)行了綜合評價。在超載、洪災(zāi)與火災(zāi)方面。文獻(xiàn)14給出了一個對座橋梁組成的道路系統(tǒng)進(jìn)行超載和洪水風(fēng)險評價的例子。采用的基本方法是,對超載和洪水分別建立極限狀態(tài),使用基于概率的方法驗(yàn)算各個橋梁在各種極限狀態(tài)下的失效概率,然后先后利用兩次悲觀法則,分別確定結(jié)構(gòu)在某種風(fēng)險狀態(tài)下的失效概率和洪水與超載聯(lián)合作用下的最終失效概率。所謂悲觀法則就是取各種結(jié)果中的最不利的作為最終結(jié)果,顯然,這種決策過于保守。1.6本文主要研究的容和思路 本文以大跨度拱橋天池特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，對該橋的施工質(zhì)量控制問題和風(fēng)險問題進(jìn)行研究，主要的研究容和思路如下：1、介紹大跨度橋梁施工質(zhì)量控制的容與常用方法。對大跨度橋梁施工質(zhì)量控制

29、方法、有限元分析方法、施工質(zhì)量控制影響參數(shù)加以說明，并以天池特大橋?yàn)楸尘?，介紹其施工質(zhì)量控制的容和分析計算方法。2、利用有限元分析軟件MIDAS CIVIL對天池特大橋建立了有限元模型，為天池特大橋的線性控制、索力控制等施工質(zhì)量控制容作準(zhǔn)備工作。3、分析各個施工工況下天池特大橋的變形和受力狀態(tài)，以研究該橋的預(yù)拱度設(shè)置和吊索索力值，為天池特大橋現(xiàn)場施工質(zhì)量控制提供依據(jù)。4、介紹大跨度橋梁施工風(fēng)險評估的主要方法和主要容，并對天池特大橋的施工作出風(fēng)險評估。2 大跨度橋梁施工質(zhì)量控制的容與方法2.1 前言在施工過程中，由于荷載是由各節(jié)段吊裝完成而逐步施加的，混凝土的收縮徐變、溫度變化等因素，會使橋梁結(jié)

30、構(gòu)的變形、應(yīng)力狀態(tài)與其變化規(guī)律更為復(fù)雜。因此對于這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)，僅僅依靠事后檢查是無法保證的，所以必須對橋梁結(jié)構(gòu)施工過程這一系統(tǒng)實(shí)行實(shí)時控制，這樣才能保證最佳成橋狀態(tài)，這一點(diǎn)對于大跨度橋梁來說尤為如此。施工質(zhì)量控制的首要任務(wù)是對所監(jiān)控橋梁的應(yīng)力、位移等參數(shù)進(jìn)行分析計算，并與施工過程中所監(jiān)測到的應(yīng)力、位移進(jìn)行對比，以保證橋梁施工工藝的準(zhǔn)確性和安全性。本章將主要介紹大跨度橋梁施工質(zhì)量控制方法、有限元分析方法、施工質(zhì)量控制影響參數(shù)加以說明，并以天池特大橋?yàn)楸尘?，介紹其施工質(zhì)量控制的容和計算方法。2.2 大跨度橋梁施工質(zhì)量控制方法針對橋梁結(jié)構(gòu)的不同、施工技術(shù)的區(qū)別以與控制容的特點(diǎn)，大跨度上承式拱橋

31、的施工控制分析方法也各有特色不盡一樣?？偟膩碚f，施工控制方法可以分為：開環(huán)控制法、反饋控制法、自適應(yīng)控制法和其他方法。2.2.1 開環(huán)控制法對于結(jié)構(gòu)線形和施工技術(shù)相對簡單的橋梁工程，通常直接按照設(shè)計施工圖進(jìn)行施工，施工完成后的結(jié)構(gòu)就基本上能達(dá)到設(shè)計所要求的線形和力狀態(tài)，這種控制方法就是開環(huán)控制法。開環(huán)控制法的控制方向是單向不可逆的，這一方法無需根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的力和變形來調(diào)整施工中的預(yù)拱度和力。當(dāng)橋梁的施工精度較高，構(gòu)件制作精良時，誤差控制得當(dāng)時，這是一種快速高效的施工控制方法，因此這一方法廣泛應(yīng)用于中小型橋梁的施工建設(shè)當(dāng)中。2.2.2 反饋控制法對于橋梁跨度較大、施工技術(shù)難度較高、工

32、程結(jié)構(gòu)計算復(fù)雜的橋梁，在每個施工階段的累計誤差是不可忽略的。如若不與時對橋梁結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行控制，累計誤差不能夠與時修正，將導(dǎo)致最終合攏時橋梁的線形和力與設(shè)計圖理想的成橋狀態(tài)存在明顯差異，甚至無法順利進(jìn)行合攏。因此誤差糾正在施工控制的過程中就顯得尤為重要，而糾正的方法和改變量的大小是必須由誤差經(jīng)反饋計算所得而出，從而形成了一個閉環(huán)反饋控制過程。2.2.3 自適應(yīng)控制法自適應(yīng)控制法也可稱作參數(shù)識別修正法，參數(shù)識別是通過觀測一個系統(tǒng)或過程的輸入與輸出關(guān)系來確定對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型的方法。然而在實(shí)際的工程施工過程中，結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)幾乎很難與設(shè)計狀態(tài)完全吻合，也就是說，橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)間存在著

33、一定的誤差。原因主要是由于設(shè)計參數(shù)誤差(例如材料特性、截面特性、容重等)、施工誤差(如架設(shè)誤差、制作誤差等)、測量誤差、結(jié)構(gòu)分析模型誤差以與若干難于預(yù)計的隨機(jī)誤差等因素影響所致。結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)之間的誤差，可以通過理論方法和誤差分析來調(diào)整，控制其影響，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測和分析，進(jìn)而發(fā)出預(yù)拱度控制指令、確定肋拱各節(jié)段的安裝標(biāo)高，調(diào)整好扣索和錨索的拉力來控制拱肋線形和應(yīng)力。在現(xiàn)代系統(tǒng)工程學(xué)理論的研究背景下，把拱橋施工過程視為一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)施工圖的設(shè)計狀態(tài)、現(xiàn)場施工時測量的實(shí)際狀態(tài)和誤差影響因素進(jìn)行誤差分析，并由此制定最佳修正方案，用以指導(dǎo)施工現(xiàn)場調(diào)整作業(yè)，使結(jié)構(gòu)施工的實(shí)際狀態(tài)盡可能擬

34、合設(shè)計狀態(tài)。以上一施工階段擬合完畢為基礎(chǔ)，運(yùn)用正裝計算法和倒裝計算法結(jié)合運(yùn)算當(dāng)前施工工況下的應(yīng)力和變形狀態(tài)直至成橋合攏，即為施工控制的兩大任務(wù)：即結(jié)構(gòu)的后期調(diào)整和前期預(yù)報。為了達(dá)到這一目標(biāo)，橋梁施工控制慣常采用的理論和方法有：設(shè)計參數(shù)的識別和調(diào)整、Kalman濾波法、灰色理論法和最小二乘法。前兩種方法主要是運(yùn)用隨機(jī)統(tǒng)計和估計理論；而最小二乘法在回歸分析方面用得比較成熟和廣泛；灰色理論近年來較熱門。圖2-1 自適應(yīng)控制系統(tǒng)組成2.2.4 其他方法除了上述提到的一些施工控制分析方法以外，還存在許多其他的分析方法，比如：專家系統(tǒng)控制法、最大寬容度法、模糊控制法等等。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)施工技術(shù)、設(shè)計線形、具

35、體控制容的差異，往往會選擇不同的施工控制分析方法。通常來看，大跨度橋梁的施工控制總是選擇多維并舉，綜合多種方法進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控。一般流程主要分為：參數(shù)識別修正計算模型預(yù)測控制各個施工階段確定最大容許誤差最終確定成橋。2.3 大跨度橋梁有限元分析方法大跨度橋梁施工會經(jīng)歷一個十分漫長而復(fù)雜的施工過程和結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程。橋梁控制的基本容之一是對各個階段施工工況劃分下，結(jié)構(gòu)力和變形進(jìn)行計算。因此，通過科學(xué)的計算和理論分析來修正橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中每個階段在受力和變形直到達(dá)到理想設(shè)計狀態(tài)。綜上所述，施工控制中的結(jié)構(gòu)計算不但能夠描述整個施工過程，反映整個施工過程中結(jié)構(gòu)的受力行為，同時還能準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)各個施工工況

36、下的理想狀態(tài)，為施工過程控制提供中間目標(biāo)狀態(tài)。目前橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析方法主要包括：正裝分析法、倒裝分析法和無應(yīng)力狀態(tài)計算法。上述的幾種方法針對不同橋梁型式結(jié)構(gòu)具有普遍適用性，然而正是由于橋梁結(jié)構(gòu)型式有所差異，各具特點(diǎn)，因此這幾種方法對于不同橋型各有側(cè)重。橋梁建設(shè)人員應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確分析橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的施工控制計算方法。2.3.1 正裝計算法正裝計算法是根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和受力分析，其較好地模擬橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工過程，計算得出結(jié)構(gòu)在各個施工階段的位移和受力狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)不但可以預(yù)測下一施工階段橋梁結(jié)構(gòu)的變形受力狀態(tài)，對橋梁施工控制提供數(shù)據(jù)支持，還可以用來指導(dǎo)橋梁設(shè)計和施工

37、。同時，在正裝計算中，能較好地考慮一些與橋梁結(jié)構(gòu)建筑材料時間歷程有關(guān)的影響因素，如結(jié)構(gòu)的非線性問題和混凝土收縮徐變問題。特別是對于大跨度上承式拱橋，為準(zhǔn)確了解橋梁結(jié)構(gòu)在各個施工階段的變形受力狀態(tài)，都必須采用正裝計算法先行計算。正裝計算法可以完整地擬合工程結(jié)構(gòu)施工過程，對于采用懸臂拼裝法施工的鋼筋混凝土拱橋，其正裝計算法可按照如下步驟計算分析：（1） 確定橋梁結(jié)構(gòu)的原始狀態(tài)，主要包括主跨和邊跨的大小、橋梁線形、橋墩與立柱的高度、橋梁約束、截面參數(shù)、拉索錨索信息、施工荷載、體系轉(zhuǎn)換等等。這些數(shù)據(jù)或者信息可以通過施工設(shè)計圖和施工組織設(shè)計獲得。（2） 橋墩、基礎(chǔ)、0號塊澆筑完成：計算已澆筑部分在自重和

38、外加荷載作用下的變形和力。（3） 在各個工況下纜索吊裝各部分塊件，直到吊裝完成，拆除設(shè)備。計算各個施工工況下橋梁結(jié)構(gòu)的變形和力，每一階段計算均依照上一施工工況結(jié)束時結(jié)構(gòu)變形后的線形為基礎(chǔ)。（4） 進(jìn)行拱肋拱圈合攏，計算這幾個階段的結(jié)構(gòu)力和變形。（5） 橋面鋪裝時的二次恒載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的變形和力，控制其與設(shè)計線形保持一致。2.3.2. 倒裝計算法倒裝計算法是根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序的逆過程來進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力行為分析。倒裝計算的目的是為了獲得橋梁結(jié)構(gòu)在各施工階段理想的安裝位置(主要指標(biāo)高)和理想的受力狀態(tài)。通常而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計圖只給出了橋梁最終成橋狀態(tài)下的設(shè)計線形和設(shè)計標(biāo)高的具體數(shù)據(jù)，然而橋梁結(jié)

39、構(gòu)施工中，各個施工工況下的標(biāo)高并沒有準(zhǔn)確給出，如果想要獲得橋梁結(jié)構(gòu)施工初始狀態(tài)和施工中間各個工況下的目標(biāo)狀態(tài)，就必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計圖中給出的最終成橋狀態(tài)開始，逐步逆推地通過倒裝計算法來獲得各施工中間階段的目標(biāo)狀態(tài)，最終算出橋梁結(jié)構(gòu)施工的初始狀態(tài)。只有按照倒裝計算出的橋梁結(jié)構(gòu)各階段中間目標(biāo)狀態(tài)去指導(dǎo)施工，才能使橋梁的成橋狀態(tài)符合最佳理想設(shè)計要求。當(dāng)然，在橋梁結(jié)構(gòu)的施工控制階段，除了結(jié)構(gòu)的標(biāo)高和線形需要計算來控制以外，結(jié)構(gòu)的受力行為同樣需要計算得到并加以控制，它與橋梁線形控制同等重要。倒裝計算法對于各種類型的橋梁結(jié)構(gòu)具有普遍適用性，可以應(yīng)用于不同型式的橋梁結(jié)構(gòu)安裝計算中。2.3.3 無應(yīng)力狀態(tài)法無應(yīng)力

40、狀態(tài)法是以橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的無應(yīng)力長度和曲率不變?yōu)榛A(chǔ)，將橋梁結(jié)構(gòu)的成橋狀態(tài)和施工各階段的中間狀態(tài)聯(lián)系起來，在結(jié)構(gòu)分階段施工工況下，建立力學(xué)平衡方程，當(dāng)結(jié)構(gòu)外荷載、結(jié)構(gòu)體系、支承邊界、單元無應(yīng)力長度、無應(yīng)力曲率一定的情況下，其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)力和變形是確定的。2.4 大跨度橋梁施工質(zhì)量控制影響參數(shù)能夠引起結(jié)構(gòu)狀態(tài)（主要是指力和變形）變化的因素稱為結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。因此，在橋梁施工控制中，對結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行識別和修正是十分必要的。建造不同型式橋梁結(jié)構(gòu)時，各個類型的設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)行為的影響程度是不同的，即使同一設(shè)計參數(shù)對不同的結(jié)構(gòu)體系也有不同的影響程度。因此，必須弄清結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)類型。對于拱橋來說，主

41、要的設(shè)計參數(shù)包括以下幾個方面：(1)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)主要是指：橋梁結(jié)構(gòu)的跨徑、拱肋的矢跨比、拱軸線形等。它們揭示了結(jié)構(gòu)的形狀和結(jié)構(gòu)最初的狀態(tài)。(2)截面特性參數(shù)截面特性參數(shù)主要包括：（1）拱肋截面的抗彎慣矩I0和截面面積A0；（2）橋墩截面的抗彎慣矩I1、截面面積A1；（3）橋面行車道板截面的抗彎慣矩I2、截面面積A2；（4）拱上立柱的截面面積A2等。截面特性參數(shù)對于橋梁結(jié)構(gòu)在各個工況下施工控制階段能否達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)也存在著較大影響。(3)時間相關(guān)參數(shù)與時間歷程相關(guān)的參數(shù)主要是指混凝土收縮徐變和溫度變化?；炷恋氖湛s徐變特性是這筑材料獨(dú)有的，在混凝土結(jié)構(gòu)計算中，需考慮收縮徐變帶來的力變形

42、影響。此外，橋梁施工是一個漫長的過程，不論是同一天的溫度變化或者持續(xù)幾個月的季節(jié)性溫度變化，都對橋梁結(jié)構(gòu)的位移和變形有著較大的影響。然而人們對于溫度的影響至今不能完全準(zhǔn)確模擬，只能采用定時觀測結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)減小溫度影響。(4)荷載參數(shù)荷載參數(shù)主要指結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重、施工臨時荷載和扣索錨索拉力。對于拱肋吊裝施工過程來說，拱肋節(jié)段自重和施工臨時荷載是相對穩(wěn)定的量，在施工過程常不會有較大的改變。對于扣索錨索體系中的有效索力，可以通過計算獲得。由于節(jié)段吊裝的不斷推進(jìn)，后續(xù)拱段的自重將陸續(xù)作用在已經(jīng)安裝好的拱段上，相應(yīng)的扣索索力和錨索索力也將陸續(xù)施加于墩柱和扣塔上，這些荷載將使扣索錨索體系中的有效索力隨著施工

43、工況的不同而變化。成拱后，需現(xiàn)場澆筑立柱混凝土，經(jīng)常會由于立模引起構(gòu)件荷載的變化，但其沒有一定的變化規(guī)律。相對的，橋面系自重和施工臨時荷載是比較穩(wěn)定的量，在施工過程常不會有較大改變。(5)材料特性參數(shù)材料特性參數(shù)主要是指材料的彈性模量E和剪切模量G。鋼材的彈性模量和剪切模量比較穩(wěn)定，不會發(fā)生較大改變，而混凝土材料恰恰相反，波動幅度相對較大。所以在橋梁的施工控制中要對其進(jìn)行參數(shù)識別。針對不同橋梁體系，以上提到的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的影響程度是不同的。在橋梁施工過程的計算中，要對主要影響參數(shù)進(jìn)行識別和修正。2.5 天池特大橋施工質(zhì)量控制的容與計算方法選擇2.5.1 天池特大橋施工質(zhì)量控制容在施工監(jiān)測與控制

44、過程中，為了掌握每一具體工序完成后結(jié)構(gòu)的受力、變形等情況，需對上述主要施工過程進(jìn)一步細(xì)化，列出細(xì)化了的施工工況、施工容，并給出相應(yīng)的施工工況模型圖。從而為施工過程的結(jié)構(gòu)有限元計算分析、各施工工況監(jiān)測監(jiān)控的測量時機(jī)、控制容等，給出明確的監(jiān)控過程控制。天池特大橋施工控制的主要容是綜合考慮主拱圈的穩(wěn)定性、變形和力，在施工安全和主拱圈穩(wěn)定性的前提下，重點(diǎn)控制主拱圈的變形、應(yīng)力和扣索索力。以變形控制為主，嚴(yán)格監(jiān)控各控制截面的撓度和拱軸線偏移，監(jiān)測各控制截面應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)展情況，監(jiān)測扣索索力大小，預(yù)測單肋拱圈合龍后的穩(wěn)定安全系數(shù)。 2.5.2 天池特大橋計算方法的選擇對于大跨度拱橋懸臂施工,施工計算中如不考

45、慮混凝土收縮、徐變的影響,計算結(jié)果將發(fā)生較大的偏差,但是混凝土的徐變與結(jié)構(gòu)形成的過程有關(guān),原則上倒拆法無法進(jìn)行徐變計算。這是因?yàn)樾熳冇嬎阍跁r間上只能是順序的,不可逆的,而倒拆法在時間上則是逆序的。一般可應(yīng)用迭代法來解決這個問題。即第一輪倒拆計算時不計與混凝土的收縮、徐變,然后以倒拆結(jié)果進(jìn)行正裝計算,逐階段計算混凝土的收縮、徐變影響,再進(jìn)行倒拆法計算時,按階段疊加入正裝計算時相應(yīng)階段的混凝上的收縮、徐變影響,如此反復(fù)迭代,直至計算結(jié)果收斂。因此，本文將采用正裝計算法對天池特大橋進(jìn)行有限元分析，為天池特大橋的質(zhì)量控制提供依據(jù)。2.6 本章小結(jié)本章主要對大跨度上承式拱橋懸臂拼裝施工控制分析方法進(jìn)行了

46、分析和闡述，并著重介紹了正裝分析法、倒裝分析法和無應(yīng)力分析法。結(jié)合天池特大橋?yàn)閷?shí)例背景，根據(jù)工程的經(jīng)驗(yàn)得出天池特大橋施工控制的主要容和計算方法的選擇，最終達(dá)到精度的要求，實(shí)現(xiàn)施工控制目標(biāo)。3 天池特大橋施工工況劃分與結(jié)構(gòu)仿真計算 3.1 引言結(jié)構(gòu)仿真計算分析能夠保證橋梁結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。在進(jìn)行有限元分析時，運(yùn)用科學(xué)的思維方法，按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行建模。通常而言，這類橋型可按空間(或平面)梁單元進(jìn)行分析。在選用計算分析軟件時，還應(yīng)該考慮到工程應(yīng)用的簡便，在保證計算精度一樣的情況下，優(yōu)先選擇原始數(shù)據(jù)工作量小、力學(xué)概念清楚、模型簡單的分析軟件。天池特大橋的結(jié)構(gòu)建模仿真計算分析采用了MADIS /C

47、IVIL 2012橋梁專業(yè)分析軟件進(jìn)行施工過程結(jié)構(gòu)計算分析，MADIS /CIVIL 2012軟件能夠很好地模擬施工進(jìn)度，準(zhǔn)確地考慮各個工況下線形控制影響因素的問題。天池特大橋肋拱安裝采用節(jié)段吊裝施工方法，結(jié)構(gòu)的最終成橋合攏建成通車，經(jīng)歷了一個漫長而又復(fù)雜的施工過程與結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程。橋梁施工控制的基本容之一是針對施工過程中各個工況下結(jié)構(gòu)受力行為的計算分析。因此，在橋梁施工過程中各個施工階段結(jié)構(gòu)的變形和受力可以運(yùn)用有限元理論分析計算預(yù)測結(jié)構(gòu)的目標(biāo)狀態(tài)，以便指導(dǎo)施工過程，使其最終的成橋線形和受力狀態(tài)達(dá)到符合設(shè)計要求，達(dá)到最佳理想狀態(tài)。3.2 天池特大橋施工工況劃分根據(jù)設(shè)計圖紙和施工單位提出的施工

48、組織設(shè)計文件，天池特大橋主橋的主要施工過程為：（1）采用分段預(yù)制拱箱節(jié)段（上下游肋拱各17節(jié)段，共34節(jié)段），纜索吊裝進(jìn)行懸臂拼裝，直至上、下游單肋拱箱分別合攏；（2）現(xiàn)澆拱箱中室頂板、底板，形成完整的單箱三室主拱圈整體截面；（3）立?，F(xiàn)澆拱上立柱和蓋梁，并吊裝主橋空心板；（4）澆筑防撞墻，橋面鋪裝。3.2.1單肋分節(jié)段吊裝上、下游單肋拱箱吊裝施工過程的工況劃分，與實(shí)際吊裝施工過程一致。按照吊裝施工的先后順序，劃分為10個工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算和監(jiān)測監(jiān)控。各工況下的主要施工容如表3.1。工況號施工主要容工況1吊裝1、1節(jié)段，拉扣索KS1、KS1和錨索MS1、MS2。工況2吊裝2、2節(jié)段，拉扣索K

49、S2、KS2和錨索MS2、MS2，調(diào)錨索力。工況3吊裝3、3節(jié)段，拉扣索KS3、KS3和錨索MS3、MS3，調(diào)錨索力。工況4吊裝4、4節(jié)段，拉扣索KS4、KS4和錨索MS4、MS4，調(diào)錨索力。工況5吊裝5、5節(jié)段，拉扣索KS5、KS5和錨索MS5、MS5，調(diào)錨索力。工況6吊裝6、6節(jié)段，拉扣索KS6、KS6和錨索MS6、MS6，調(diào)錨索力。工況7吊裝7、7節(jié)段，拉扣索KS7、KS7和錨索MS7、MS7，調(diào)錨索力。工況8吊裝8、8節(jié)段，拉扣索KS8、KS8和錨索MS8、MS8，調(diào)錨索力。工況9吊裝9#合攏段，施加雙向水平推力，現(xiàn)澆接縫成拱，松吊索。工況10對稱松扣索和錨索，完成肋拱體系轉(zhuǎn)換，形成邊

50、肋單肋裸拱。表3.1 工況劃分與主要施工容3.3.1.2吊裝施工模型圖相應(yīng)于各施工工況的計算模型如圖3-1圖3-10。圖3-1 工況1吊裝1節(jié)段圖3-2 工況2吊裝2節(jié)段圖3-3 工況3吊裝3節(jié)段圖3-4 工況4吊裝4節(jié)段圖3-5 工況5吊裝5節(jié)段圖3-6 工況6吊裝6節(jié)段圖3-7 工況7吊裝7節(jié)段圖3-8 工況8吊裝8節(jié)段圖3-9 工況9吊裝9節(jié)段圖3-10 工況10 松扣索，單肋成拱3.3.2中箱現(xiàn)澆成拱中箱現(xiàn)澆施工工況與其主要容如表3.2所示。表3.2 工況劃分與主要施工容工況1111號施工主要容工況1現(xiàn)澆1122節(jié)段頂?shù)装迮c加厚層。工況2現(xiàn)澆3344節(jié)段頂?shù)装迮c加厚層。工況3現(xiàn)澆556

51、6節(jié)段頂?shù)装迮c加厚層。工況4現(xiàn)澆78節(jié)段頂?shù)装迮c加厚層。工況5現(xiàn)澆789節(jié)段頂?shù)装迮c加厚層。3.3.2.2中箱現(xiàn)澆施工模型圖中箱現(xiàn)澆施工順序如圖2-11所示，中箱現(xiàn)澆施工日期如圖2-12所示。中箱現(xiàn)澆橫截面如圖2-13所示，分頂板和底板二次澆筑。3.3.3立柱、蓋梁澆注與行車道板安裝立柱和蓋梁施工工況劃分和主要施工容如表2.3所示，共劃分為8個工況。該表依據(jù)實(shí)際施工情況編寫而成，與原監(jiān)控方案相關(guān)容有些出入。表3.3 工況劃分與主要施工容工況號施工主要容工況11#1#立柱澆注18m,8#8#9#立柱蓋梁頂鋼筋籠完成,其余立柱墊梁完成。工況21#立柱澆注24m,1#30m,4#完成6m,5#完成6

52、m,8#9#8#7#6#完成,其余立柱墊梁完成。工況31#1#立柱澆注30m,2#3#4#完成6m,5#6#7#8#9#8#7#6#完成,5#12m,4#3#6m,2#墊梁。工況41#立柱澆注30m,2#3#4#完成12m,5#6#7#8#9#8#7#6#5#完成,4#3#12m,2#墊梁,1#36m，安裝第9、10跨兩跨行車道板。工況51#立柱澆注36m,2#18m，3#12m，4#5#6#7#8#9#8#7#6#5#4#完成,3#12m,2#6m,1#42m，安裝第6、7、8、11、12跨行車道板。工況61#42m，2#柱身完成3#4#5#6#7#8#9#8#7#6#5#4#3#完成，2#

53、30m,1#42m，安裝第5、13、14跨行車道板。工況7拱上立柱全部完成，安裝第4、15跨行車道板。工況8吊裝其余行車道板。立柱和蓋梁施工工況模型如圖3-14圖3-21所示。圖3-14 工況1圖3-15 工況2圖3-16 工況3圖3-17 工況4圖3-18 工況5圖3-19 工況6圖3-20 工況7圖3-21 工況83.3.4 橋面系施工橋面系施工工況與其主要容如表3.4所示，劃分為1個工況。表3.4 工況劃分與主要施工容工況號施工主要容工況1澆注12cm加厚層，澆注防撞護(hù)欄橋面系施工模型圖如圖3-22所示。圖3-22 工況1-橋面系施工3.3 天池特大橋有限元分析方法3.3.1 有限單元法

54、對拱橋施工控制結(jié)構(gòu)計算正裝分析法和倒裝分析法，是以有限單元法原理為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)計算方法。有限單元法是將連續(xù)體理想化為有限個單元的集合體，使單元僅在有限個結(jié)點(diǎn)上相連接，即以一個有限單元體系代替一個無限個自由度的連續(xù)體，作為物理上的近似。先進(jìn)行單元分析，用結(jié)點(diǎn)位移表示單元力，然后將單元再合成結(jié)構(gòu)，進(jìn)行整體分析，建立整體平衡條件。通過結(jié)構(gòu)幾何條件、結(jié)點(diǎn)荷載等求出結(jié)構(gòu)單元中的結(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力。在求解力學(xué)問題時，最普遍的是以單元上結(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量，這種方法稱為位移有限元法。3.3.2 天池特大橋結(jié)構(gòu)有限元模型在對天池特大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時，將其簡化為平面結(jié)構(gòu)。各施工節(jié)段的拱肋、拱上立柱和行車道板離散為梁

55、單元，扣索為桁架單元。拱腳為固定端支座。根據(jù)施工步驟模擬每個施工階段的狀態(tài)，最后的成橋狀態(tài)是，每個施工階段位移、應(yīng)力的疊加。拱肋吊裝施工計算模型（1）計算模型根據(jù)施工圖（文件編號：0275S2004路），以與施工單位所提供的天池特大橋纜索吊裝施工方案（2006.12）,把肋拱圈上扣點(diǎn)、接頭橫隔板等處作為劃分單元的控制節(jié)點(diǎn)，建立主拱圈合攏吊裝施工結(jié)構(gòu)計算分析平面模型，如圖11所示。圖11 主拱圈合攏吊裝施工結(jié)構(gòu)計算分析平面模型（2）單元劃分肋拱、5和6墩設(shè)置為平面梁單元，扣索和錨索設(shè)置為拉索單元。該吊裝施工過程計算模型共劃分為116個單元，有97個結(jié)點(diǎn)。其中，肋拱圈部分劃分為52個單元，有53個

56、結(jié)點(diǎn)。單元劃分如圖12所示。圖12 拱肋吊裝單元劃分圖（3）單元橫截面幾何特性肋拱圈單元橫截面如圖13所示。圖13 主拱圈橫截面形式（4）材料特性主拱圈、橋面行車道板選用C50；交界墩選用C35；蓋梁選用C40、立柱和橫墻（含蓋梁和底座）選用C40。材料特性如表11所示。表11 材料參數(shù)表材料類型材料標(biāo)號彈性模量（Mpa）容重kN/m3線脹系數(shù)1C4032500261.00E-052C353150025.51.00E-053C5035000261.00E-05拱上建筑施工計算模型（1）計算模型根據(jù)施工圖（文件編號：0275S2004路），建立天池特大橋主橋施工結(jié)構(gòu)計算分析模型，如圖14所示。圖14 主橋施工結(jié)構(gòu)計算分析模型（2）單元劃分單元劃分如圖15所示。圖15 有限元計算模型拱肋、拱上立柱和行車道板離散為梁單元，全橋橋共劃分為203個單元，188個節(jié)點(diǎn)（其中主拱圈部分有52個單元，53個節(jié)點(diǎn)）。3.4 計算參數(shù)（1）一恒（D1）：一恒按照結(jié)構(gòu)容重加載。（2）二恒(D2)：按施