英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
高墩大跨连续刚构桥的施工稳定性和监测分析
郑元勋，康海贵，李玉刚
（大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室 大连 116023）
摘要：基于实际工程项目并且考虑结构的几何非线性和材料非线性，可以通过当前比较先进的有限元分析软件ansys来建立高墩大跨连续刚构桥的数值模型。在桥梁上传感器的优化布置的研究理论基础上，首先对高墩大跨连续刚构桥不同的施工阶段和不同的环境下的施工进行实时监控，然后将实际的测量数据与理论计算的结果进行比较并对有限元模型进行修正，然后建立更加准确的高墩大跨连续刚构桥数值模型。在建立了这个更加准确的有限元模型之后，我们再考虑静载、施工荷载、施工机械荷载、风载、温度变化等因素对结构的影响。本论文对高墩大跨连续刚构桥不同施工阶段进行了稳定性的分析，最终的计算结果显示高墩大跨连续刚构桥在各个施工阶段都是安全的。
关键词：高墩大跨、刚构桥、传感器的优化布置、施工稳定性分析
绪论：
施工监测和控制是桥梁施工技术的重要组成部分,它以完成每一施工阶段为目标并通过监控桥梁结构在每一阶段施工过程中的实际应力状态和环境情况来比较出桥梁实际状态和理想状态之间的不同，然后使用现代控制理论去识别、调整、预测在施工中可能出现的误差，然后调整施工结构的应力状态以适应桥梁施工和设计的要求，以确保施工中的结构可靠性和结构安全。因为连续刚构桥采取墩梁固结，即桥梁的上箱梁和下面的高墩刚性连接在一起，所以当竖向荷载作用在桥面上时，将在主梁端部产生负弯矩，因而将减少跨中正弯矩，跨中截面尺寸也相应减小。刚构桥在竖向荷载作用下，支柱将承受压力外，还承受弯矩。支柱一般也用混凝土构件做成，其在竖向荷载作用下，一般都产生水平推力，因此大跨度刚构桥的抗推刚度也设计的比较小以便于减小由于混凝土收缩、混凝土徐变、温度变化、不同的基础沉降、预加应力、系统体系转换等因素所带来的附加内力。由于所需的结构抗推刚度比较小导致了桥墩的沿桥向尺寸相对于横向尺寸较小。由于实际工程中的刚构桥大多数采用悬臂施工方法施工，因此刚构桥在施工过程中的结构监控和稳定性分析是十分重要的。在本论文中，通过有限元分析软件ansys对feng shi河超级高墩大跨连续刚构桥建立数值模型并在对传感器优化布置研究后在桥上建立了实时监控系统，在此基础上使用实际的力学测量数据对数值模型进行不断的修正以使数值误差在其允许范围以内，在分析的最后阶段还对悬臂施工状态的稳定性进行了研究。
一、解决问题的方法
1、项目概况
Feng shi河超级大桥位于河南省西北方，桥墩采用双肢墩横向对称布置。上部建筑物是预应力混凝土变截面连续刚构（66m 5*120m 66m）。连续刚构桥的箱梁形式采用单箱单室型，箱梁的顶面宽度为12.10m，底部宽度为6.6m。墩梁连接处的箱梁高度为8.0m，跨中箱梁高度为3.0m，箱梁底部曲线采取1.5倍抛物线变化。刚构桥的0号块采用支架施工，其它的块在0号块的基础上采用挂篮悬臂施工。
该高墩大跨连续刚构桥的桥墩采用双肢矩形空心薄壁墩，纵向宽度为7.0m，横向宽度为6.6m，墩臂臂厚0.9m，墩高最高为110m，该桥墩墩高突破当年中原地区最高纪录。
Fengshi大桥的现场和施工图
2、高墩长跨连续刚体的数值模型的建立
2.1有限元模型单元的选择
在有限元软件ansys的材料库中有超过200种有限元单元可以用来模拟现实中的工程结构，有限元单元的选取对提高模型计算结果的可靠性来说是非常关键的。根据连续刚构体的结构特点和边界条件，分别应用beam 188和shell 63进行建模。
在选择有限元单元类型时考虑以下因素：
- 有限元梁单元的特征是荷载传递的准确性和结构建模的简便性；此外，因为有限元软件所具备的强大的非线性分析能力和对纤细梁结构的适应性，完全可以用beam 188单元对薄壁箱梁结构进行模拟；
- 壳体单元在非线性分析领域中得到了广泛的应用，在ANSYS有限元程序库中，有限元单元shell 163可以很好地模拟薄壁结构的应力性能和结构失效状态。
针对这一问题，分别建立了feng shi大桥的梁模型和壳体模型
2.2建模过程
最大悬臂状态的稳定性是高墩大跨连续刚构桥施工过程中所以状态稳定性分析中最差的。最大悬臂状态的稳定性分析是连续刚构桥施工控制中的关键环节。本文将把大部分的重点放在悬臂施工模型的建立上面（这里将以第十六个桥墩为研究对象）。
对于梁单元模型来说，运用离散的空间两节点单元beam 188来模拟不规则梁和单室薄壁墩，在此基础上，根据施工进度分段建造了箱梁顶部的梁单元模型。这种梁单元的理论基础为铁木辛柯梁理论并且具有6个自由度，这种梁单元出来可以对梁的拉伸变形进行研究外还可以对剪切变形和自由扭曲进行分析。悬臂模型由49个节点48个单元组成。对于壳体单元模型，运用由四个节点构成的具有六个自由度的可以进行较大的结构变形模拟的空间单元。最大悬臂模型由4个节点的四边形单元组成，模型的两种有限元单元建模如下图所示：
悬臂的两种模型
（a）beam 188桥梁模型；（b）shell 63桥梁模型
边界条件的处理:桥墩根部与地基之间的连接是刚性的，墩顶和箱梁的连接也同样是刚性的。
3、高墩上传感器优化布置研究
传感器布置问题是桥梁监测首先要解决的问题，传感器布置的一般规律是：以最少数量的传感器来获得足够多的桥梁结构响应。
本文采用遗传算法对传感器进行优化布置，由于同一构件不同方向的刚度不同，而且不同构件的刚度也不同，导致不同方向上的位移分量有量级上的差异。为了寻找各方向，各部位测点的联合最优布置，引人下面的适应度函数:
f=
代表介于之间的刚度影响系数，对应刚度矩阵中相应的行和列；risin;m，sisin;m代表r和s限于全部测点。这时传感器的配置则是向着f的最大化发展。
由结构动力学原理可知，结构的各阶模态向量是一组正交向量.但由于测量自由度远小于结构模型的自由度并且受到测试精度和测量噪声的影响，测得的模态向量已不可能保证其正交性因此，在选择测点时有必要使测量的各模态向量保持较大的空间交角。模态置信度MAC是评价模态空间交角的一个很好的工具.其公式如下:
和代表的模态向量；（ine;j）代表非对角模态向量的角度状况。换句话说，当其为0时，则表明第z向量和第j向量相互正交，而当其为1时，表明两向量不可分辨;故测点的布置应力求使MAC矩阵的非对角元素最小。
在获得较高精度的有限元分析模型的基础上，利用了QR矩阵分解技术提取模态矩阵的线性无关的行向量，它们所对应的结构自由度可以用来作为传感器的最佳布置位置自由度。理由是模态矩阵中最线性无关的行向量构成了其最小实现矩阵，由它们构成的模态置信准则矩阵非对角线元素最小，这就是基于模态矩阵QR分解的传感器优化布置算法的基本思想。
E=QR
表示模态矩阵的转置矩阵，
由QR分解技术的性质可知，矩阵E的前几列将是线性无关的列向量，因此观察矩阵E就可以找出最线性无关的列向量所对应的结构自由度，从而确定传感器的最佳位置及数量。由于很难获得较高精度的有限元分析模型存在，因此也很难利用有限元分析得到高精度的解，并经QR分解得到理想化的矩阵E，本论文中使用GA（遗传算法）来优化传感器布置，为了提高算法收敛速度，应用QR矩阵分解技术获得传感器位置作为第一代父群。然后用二进制编码的二维数组，在遗传算子的交叉操作过程中，为了解决这个位置的重复位置而被采用的是另一种不同的变化。
二、模型修正和荷载组合
1、模型的修正
针对实际的工程高墩大跨连续刚构桥项目—feng shi河大桥，在数值模型的基础上运用QR矩阵分解技术获得第一代父群，然后再运用GA（遗传算法）来优化该高墩大跨连续刚构桥feng shi和大桥的桥墩上的传感器布置。建立连续刚构桥的监控系统并使用实际的测量计算数据去反复地修正数值模型直到数值模型的各项误差在允许的范围内。其具体步骤如图3
|
建立连续刚构桥的数值模型并输入参数：单元选择，材料特性：密度，弹性模量、泊松比、拉伸强度、抗冲强度、屈服强度、耐疲劳强度 等 |
|
在数值模型的基础上运用QR矩阵分解技术获得第一代父群，然后再运用GA（遗传算法）来优化该高墩大跨连续刚构桥fengshi和大桥的桥墩上的传感器布置。 |
|
运用高墩的实时监测数据（位移、应力、加速度、温度等），在适当的时间分析和处理观测数据，获得高墩的实际应力状态。 |
|
比较数值模型和实际高墩的应力性能（位移、应力、加速度等） |
|
f= |
N
|
数值符合精度要求 |
图3：连续刚构桥数值模型的建立步骤
2、荷载组合
研究表明最大悬臂状态的稳定性是高墩大跨连续刚构桥施工过程中所以状态稳定性分析中最差的。最大悬臂状态的稳定性分析是连续刚构桥施工监控中的关键环节。考虑到长度的限制，在本文中花费更多的篇幅去介绍最大悬臂状态的稳定性分析方法。
荷载组合应该考虑到下面所以的因素：
- 应考虑到箱梁的静载分布是不均匀的：箱梁一侧的静载是箱梁平均静载的1.04倍，另一侧是箱梁平均静载的0.96倍。
- 挂篮、施工机械等对桥梁结构的动力系数也是沿箱梁横向分布不均匀的，其中一侧为1.2，；另一侧为0.8。挂篮的重量为627.2KN。
- 挂篮最后阶段的施工也是不同步的，其中一侧是空载，另一侧是满载。
- 考虑到施工机械和材料的荷载，其中箱梁表面一边的荷载为8.5KN/m的均布荷载，除此之外还有200KN的单向集中力作用在悬臂的最后一部分。然而箱梁的另一边为空载。
高墩大跨连续刚构桥稳定性分析的荷载组合 表1
|
1、一期（平衡） 挂篮和施工机械的荷载（平衡） 横向风载（平衡） |
|
2、一期（不平衡） 挂篮和施工机械的荷载（不平衡） 横向风载（平衡） |
|
3、一期（平衡） 挂篮好施工机械的载荷（平衡） 纵向风载 |
|
4、一期（不平衡） 挂篮和施工机械的荷载（不平衡） 横向风载（平衡） |
三、结果和讨论
考虑所以组合的荷载组合情况，高墩大跨连续刚构桥fengshi大桥第16号墩（墩高160m）的最大悬臂状态的稳定性分析是基于有限元数值模型的，墩顶部对应的前三阶模态和临界负荷如下图所示:
特征值和临界载荷 表2
|
梁单元 |
壳体单元 |
|
第几阶模态 |
特征值 |
临界载荷 |
特征值 |
临界载荷 |
|
1 |
9.4368E 8 |
9.4368E 5 |
7.8245E 8 |
7.8245E 5 |
|
2 |
1.0137E 9 |
1.0137E 6 |
8.6522E 8 |
8.6522E 5 |
|
3 |
8.1282E 9 |
8.1282E 6 |
6.5786E 9 |
6.5786E 6 |
图4：屈曲的一阶模态
图5：屈曲的二阶模态
图5：屈曲的三阶模态
（左边为梁单元的数值模型分析结果，右边为壳体单元的数值模型分析结果）
结论
高墩大跨连续刚构桥的高、大、灵活和挂篮悬臂施工的特点使得悬臂施工稳定性分析是十分有必要的。本文基于实际的工程项目fengshi大桥和运用有限元分析软件ansys所建立的数值模型，在传感器 的优化布置被研究之后建立了高墩大跨连续刚构桥的检测系统。将实时监测到的数据进行理论计算很反馈给数值模型并对数值模型进行反复的修正，并且还建立了更加准确的高墩大跨连续刚构桥数值模型。在论文的最后一部分还对所有种类的荷载组合进行了综合考虑，高墩大跨连续刚构桥的各个阶段的稳定性都进行了分析，也对墩顶所对应的前三阶模态和临界荷载进行了分析，结果表明在施工阶段高墩是比较安全的。施工监测和控制也是施工阶段中最重要的部分，通过实时监测桥梁结构的实际受力和变形，及时确定合理
全文共6184字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[16177]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
