【摘要】：新世紀以來,伴隨我國城市化快速發(fā)展的進程,城市橋梁建設規(guī)模與日俱增,橋梁已被納入城市建筑的構成元素,除滿足基本的交通功能外,被賦予更多的象征功能和文化內(nèi)涵,具有復雜空間造型美學感染力的大跨度鋼塔斜拉橋受到廣泛關注,橋梁自身的安全性、美學對幾何外觀的敏感性均對復雜造型的斜拉橋建造精度提出了嚴格的要求,傳統(tǒng)的斜拉橋施工控制技術面臨新的挑戰(zhàn),本文旨在對具有復雜空間造型的城市斜拉橋施工監(jiān)控中面臨的技術難題進行研究和探討,以期豐富和發(fā)展該類斜拉橋施工控制技術。本文主要研究工作和成果如下:⑴為獲取異形鋼塔斜拉橋制造及架設幾何形態(tài)控制數(shù)據(jù),可建立板殼單元與梁單元混合的三維空間有限元模型;索塔制造幾何形態(tài)可基于生死單元技術進行計算;現(xiàn)場節(jié)段拼裝的架設幾何形態(tài)復核時需考慮當前安裝節(jié)段的重量影響;計算拉索無應力長度時應考慮塔梁制造幾何形態(tài)及車道荷載預拱度的影響并校核其無應力長度調(diào)整范圍。⑵本文提出的異形鋼塔幾何形態(tài)關鍵測量技術由三點法節(jié)段空間快速定位、“雙棱鏡”異形構件表面坐標遠距離測量、“地面全站儀豎向高程傳遞+端口正負壓力變送器高差測量”傾斜端口高程測量等部分組成,三點法節(jié)段空間快速定位推算點位差與三點最大位差比值為1.5,異形構件表面坐標遠距離測量額外附加標準偏差為0.94mm,在200m高差范圍內(nèi)傾斜端口高程測量標準偏差為1.64mm。⑶本文提出了融合待架節(jié)段制造與已架節(jié)段安裝誤差的幾何姿態(tài)動態(tài)預測與誤差優(yōu)化調(diào)整鋼塔幾何形態(tài)架設控制方法,實現(xiàn)了背景橋梁鋼塔成形后軸線偏差小于H/4000、高程偏差不大于20mm架控精度要求。該方法全程由三維模型驅(qū)動,其變形修正模塊基于特征點距離偏差最小構造目標函數(shù),采取BFGS擬牛頓優(yōu)化算法尋求待架設節(jié)段最優(yōu)姿態(tài),避免了僅考慮無應力狀態(tài)的虛擬預拼裝無法對現(xiàn)場架設狀態(tài)進行預測的缺陷;其姿態(tài)預測模塊考慮已架設節(jié)段焊接后的實際誤差,采用最小二乘法對變形后平面進行擬合,在構建于擬合平面的局部坐標系內(nèi)基于連接端口錯變量最小構造目標函數(shù),設置優(yōu)化參數(shù)限制條件,采取BFGS擬牛頓優(yōu)化算法預測待架設節(jié)段姿態(tài),基于姿態(tài)偏差指導節(jié)段加工調(diào)整;其誤差調(diào)整模塊基于解析算法可精確計算實現(xiàn)節(jié)段上端口軸心調(diào)整的角點墊高量。⑷本文提出了考慮已成合龍口架設偏差的空間扭曲型合龍段精確配切計算方法。方法遵循合龍口壁板錯變量最優(yōu)原則,以已成合龍口特征點至合龍段端口棱線距離構造目標函數(shù),以合龍段自身姿態(tài)滿足架設偏差設置約束條件,基于內(nèi)點罰函數(shù)法驅(qū)動優(yōu)化模型獲取合龍段最優(yōu)安裝姿態(tài),精確計算合龍段各棱線配切量;背景橋梁合龍口變形敏感性分析指出溫度場是關鍵影響因素,通過連續(xù)72小時溫度場與變形的關聯(lián)分析,確定了合龍時機;基于環(huán)境溫度與溫度場關聯(lián)分析及天氣預報,提出了配切量的溫度影響修正方法;通過合龍段端口8條棱線多特征點坐標采集和空間擬合,計算了合龍段配切量,實現(xiàn)了鋼塔零附加應力精確自然合龍。⑸針對背景橋梁矮塔臨時固結(jié)系統(tǒng)承擔鎖定功能的錨桿力變化偏離預期的問題,結(jié)合“支座+砂箱+錨拉桿”臨時固結(jié)系統(tǒng)特點,對臨時固結(jié)系統(tǒng)多元物理量進行專項測試,數(shù)據(jù)表明承壓板變形滿足空間平截面假定的特點,平面擬合校正決定系數(shù)_(6(95)=0.9320;基于空間平截面假定與位移法構建平衡方程,進行支座及砂箱豎向承壓剛度參數(shù)識別,結(jié)果表明支座壓縮剛度為30083kN/mm,砂箱壓縮剛度為3370kN/mm,支座壓縮彈性模量為8278MPa;為確保錨拉桿鎖定效果的可靠性,對背景橋梁施工步序進行了調(diào)整,實測及理論計算表明該調(diào)整是必要和有效的;矮塔架設幾何形態(tài)控制時應考慮實際剛度參數(shù)的影響。
【學位授予單位】：中國鐵道科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：U446
【圖文】：

圖 1-2 Verrazano Narrows 橋鉚接鋼塔Fig.1-2 Riveted steel pylon cross section of Verrazano Narrows Bridge圖 1-3 南京長江三橋焊接鋼塔Fig.1-3 Welded steel pylon cross section of Nanjing No.3Yangtze River Bridge鋼塔節(jié)段之間連接方式，既要確保傳力的可靠性，又要便于安裝，另外不同的連接方式對鋼塔整體的垂直度有很大影響。從連接方式演變和發(fā)展看，可分為早期的鉚接、摩擦型高強度螺栓連接，到現(xiàn)在的焊接、“端面金屬接觸＋摩擦型 HTB”連接、“端面金屬接觸＋張拉型 HTB”連接等。表 1-3 給出了國內(nèi)外典型橋梁鋼塔的連接方式，資料表明應用最為廣泛的連接方式有“端面金屬接觸＋摩擦型 HTB”與“全熔透

1-3 南京長江三橋焊接鋼塔 cross section of Nanjing No.3Yangtze River Bridge確保傳力的可靠性，又要便于安裝，另外不同的連接響。從連接方式演變和發(fā)展看，可分為早期的鉚在的焊接、“端面金屬接觸＋摩擦型 HTB”連接、連接等。表 1-3 給出了國內(nèi)外典型橋梁鋼塔的連接方方式有“端面金屬接觸＋摩擦型 HTB”與“全熔透 HTB”方式具有受環(huán)境影響小施工工期短、架設精精度，但節(jié)段端口在工廠內(nèi)需進行精密的機加工，垂直度要求較高，如日本多多羅大橋及中國南京長于 1/10000（等同于軸心線與端面的直角度≤20″），力，這就要求切削面有較高的平面度（≤0.2mm）和密加工對切削參數(shù)的選用、環(huán)境溫度的變化及工件有很高的要求，為了實現(xiàn)這些高精度要求，不單純

(d) Millennium Bridge (e) Sundial Bridge (f) Serrería Bridge圖 1-5 國外著名的城市斜拉橋Fig.1-5 World famous urban cable-stayed bridges伴隨我國橋梁用高強度鋼的發(fā)展，自 2005 年南京三橋索塔采用鋼結(jié)構以來，國內(nèi)已先后修建了 30 余座采用鋼塔的斜拉橋，這些橋梁大部分跨越城市河流，在設計過程中為凸顯橋梁景觀的需求，橋塔外形及布局大多進行了有別于傳統(tǒng)直立式斜拉橋的設計，國內(nèi)已建采用鋼塔的城市斜拉橋信息見表 1-6，這些橋梁主跨徑處于 80m~280m范圍內(nèi)，主梁大多采用鋼箱梁，部分采用預應力混凝土箱梁，鋼塔高度處于 51m~124m 范圍內(nèi)，節(jié)段之間均采用焊接連接。

本文編號：2789702