摘 要

　大跨径预应力混凝土桥梁有着桥梁梁体结构受力稳定、使用年限较长、运营维护成本低、经济效益高等优点在目前被广泛应用，而挂篮悬臂施工受施工环境影响较小、施工效率高等原因被广泛应用于大跨径预应力混凝土桥梁的施工，由于材料参数、温度荷载、混凝土收缩徐变、施工误差等因素存在，此外在施工过程中还存在不确定因素，使得桥梁在施工过程中必须进行施工控制，以便控制桥梁的施工过程中的桥梁受力和桥梁线形状态。

本文以下垄舞水高速铁路桥为依托工程，对桥梁的施工控制和施工监控、以及桥梁的线形控制进行了理论探讨分析，利用Midas　civil建立有限元模型对桥梁受力和桥梁挠度、预拱进行分析计算。

关键词：结构施工控制；线形分析；悬臂施工；大跨度预应力混凝土桥梁

Abstract

　Long-span prestressing concrete bridges have the advantages of stable stress, long service life, low cost of operation and maintenance, and high economic benefits. The hanging basket cantilever construction is widely used in the construction of long-span prestressing concrete bridges due to the less impact of construction environment and high construction efficiency. Because of material parameters, temperature load and coagulation, it is widely used in the construction of long-span prestressing concrete bridges. Soil shrinkage, creep, construction errors and other factors exist. In addition, there are uncertain factors in the construction process, which make the bridge construction control in the construction process, in order to control the bridge stress and bridge line shape in the construction process.

　In this paper, the construction control, construction monitoring and linear control of the bridge are theoretically discussed and analyzed, and the finite element model is established by Midas Civil to analyze and calculate the force, deflection and pre-arch of the bridge.

Key word：Structural Construction Control；Linear analysis；Cantilever construction；Long Span Prestressed Concrete Bridge

目录

第一章 绪论

1.1研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 本文研究工作 2

第二章 桥梁施工控制 3

2.1 施工控制理论的目的意义 3

2.2施工结构计算分析方法 3

2.2.1 正装计算分析法 3

2.2.2 倒装计算分析法 4

2.2.3 无应力状态计算分析法 4

2.3 桥梁结构挠度分析和预拱度分析 5

2.3.1 桥梁结构挠度分析 5

2.3.2 桥梁预拱度分析 5

2.4 施工监控方法 6

2.5 桥梁线形监控和标高测量 6

第三章 桥梁施工控制结构分析 8

３.１ 工程概况 8

3.1.1适用范围 8

3.1.2设计荷载 9

3.1.3 桥梁施工要点 10

3.1.4 施工方法及注意事项 12

第四章 桥梁结构有限元计算分析 13

4.1 概述 13

4.2 桥梁结构受力分析 16

4.2.1 施工最大悬臂受力状态分析 16

4.2.2 成桥后恒（恒载＋钢束）载应力分析 18

4.2.3 活动荷载应力分析 19

第五章 桥梁结构线形控制 21

５.1 恒载作用下挠度分析和预拱度分析 21

5.2 活载作用下的挠度分析和预拱度分析 21

5.3成桥后挠度分析和预拱度分析 22

5.4 总结 26

第六章 结论与展望 28

6.1 结论 28

6.2展望 28

参考文献 28

致谢 29

1. 绪论

1.1研究背景

近年来我国经济蒸蒸日上，基建也大面积普及，高速铁路的发展也越发迅速。而我国地形复杂，幅员辽阔，而高速铁路干线多穿过山涧河流，告诉铁路的建设数量越发增加。截止2008年，我国已经建成2500km高速铁路，而其中桥梁占总长45.2%^[1]。作为高速铁路不可或缺的在载体，高速铁路桥必须，满足高铁运行过程中的安全以及让乘客有一个舒适的乘车体验。混凝土桥梁优点诸多，例如；刚度大、强度高、成本低、稳定性好、养护方便等，结合我过国情。目前建设大跨度高速铁路桥桥梁时，预应力混凝土桥梁时主要桥型。

高速铁路桥跨越山涧江河，环境多复杂险峻，会使施工更加艰巨，另外材料的性能（容重、弹性模量等）、受力部位以及昼夜环境温差等因素均会对桥梁的稳定性造成影响，至使其出现结构变形。高速铁路桥梁上部同普通桥梁相比横向和竖向应该具有更高的强度和刚度，因此对桥梁的设计施工保养提出了相当严格的要求^[2]。就施工而言，高速铁路桥一般有：先交法、预制法、悬臂施工法、顶推施工法等。而预制法和悬臂施工法则是用于对于大跨度预应力混凝土梁。若采用大跨度混凝土连续梁，多数拼装施工或采用悬灌，伴随梁的跨度逐渐增大，施工结构分析和线形控制就成了施工过程中应当重点关注的问题。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1937年，我国建成第一座铁路桥——钱塘江大桥。武汉长江大桥和南京长江大桥的建成标志着我国大跨度铁路桥建设技术工艺趋于成熟。直到2000年芜湖长江大桥建成世界上第一座主跨312m的斜拉桥，我国铁路桥梁以钢桁梁桥为主^[3]。在一定的跨度范围和场地条件下，结构形式有多种选择。我国高铁特殊跨距按主跨距的长短可分为中等跨距 (100-200m) 和大跨距 (200-500m) 两类。几座主跨超过 500m 的斜拉桥也包括在大跨中。我国高铁目前没有采用悬索桥。经过多年研究、探索和实践，我国的高速铁路桥在设计、施工、结构、和施工装备等方面取得了系统、创新、可靠的成果，初步建成了我国高速铁路的建设体系。中短跨度高速铁路中，我国掌握了徐变控制、生产建设大型装备以及配套施工技术。我国已经掌握900吨级箱梁预制、架设并且已经实现规模化生产和高度机械化。正在推进1000吨级箱梁和40m整孔箱梁运架设备工程应用，我国高速铁路桥中跨度200m及200m以上的桥梁多达100余座，超越2000m的两座，跨度超过500m的13座，超过400m的27座，桥的形式包括：拱桥、梁式桥、悬索桥和斜拉桥等,包含钢筋混凝土结构、钢结构、混凝土结构、钢筋混凝土混合结构^[4]。我国高速铁路桥建设处于世界前列。

1.2.2 国外研究现状

世界上第一个高速铁路旅游运营专线的国家是日本，也被称为新干线。1964年，第一个新干线为东京奥运会开通了东京——大阪段。欧洲的高铁首先在几个国家发展起来，现在扩展为区域性的服务网络。在过去的几十年里，共有13个国家发展了高铁网络，主要分布在欧洲和东亚。这些国家的国际实例证明，高速列车在高速客运专线上的时速可达250km以上，大大缩短了旅行时间^[5]。大跨度铁路桥梁的结构形式在过去的两个世纪中不断发展，主要特点是跨度较大，形式较为多样。随着蒸汽铁路的诞生，铁桁架桥被广泛建造，以支撑这些最早的铁路列车。19世纪后期，相继建成了三座具有里程碑意义的铁路桥梁，以支撑火车的较大活载，包括布鲁克林桥 (1883年，486.3m)和福斯特铁路桥(1889年，521m)。20世纪初，随着铁路在全世界范围内的扩张，工程师们竞相设计更坚固、更长的桥梁，但并没有增加太多的重量。一些较长的跨度被开发出来，如悉尼港大桥（1932年）。20世纪70年代，日本开始建设本州——国岛大桥项目，连接本州岛和四国岛。共建成6条大跨度桥梁，既支撑公路，又支撑铁路，包括1座连续桁架桥、2座斜拉桥和 3座悬索桥。

1.3 本文研究工作

本文以下垄舞水高速铁路桥为依托工程背景，论文将针对无砟轨道高速铁路大跨径预应力混凝土桥梁的施工特点：大跨、挂篮悬臂分段施工、预应力索张力、混凝土收缩徐变等，通过建立有限元模型对预应力混凝土桥梁结构的计算分析，特别是考虑到材料对时间和温度的效应，模拟施工过程，分析大跨径预应力混凝土连续刚构桥结构受力与变形，以及相应的桥梁线形控制，以保证桥梁施工各阶段结构的施工品质和施工安全性。运用施工控制理论，对大跨度预应力混凝土桥梁进行线形研究和各阶段施工结构受力，主要包括以下内容：

1. 第一章主要介绍了本文的研究背景，对国内外高速铁路桥的建设现状和发展进行了概述。
2. 第二章介绍桥梁施工控制理论，概述施工控制的目的、意义，主要探讨施工控制的理论和方法以及桥梁施工中的计算分析方法以及施工监控方法。
3. 第三章主要讨论了下垄舞水高速铁路桥的概况、施工技术标准以及施工注意事项。
4. 第四章先叙述下垄舞水高速铁路桥有限元模型的建立过程以及模型部分参数，对桥梁受力进行了分析。

５）第五章对下垄舞水高速铁路桥施工挠度和预拱度进行了分析，即线形控制。

第二章 桥梁施工控制

2.1 施工控制理论的目的意义

大跨径预应力混凝土桥梁建设时间较长，特别是多跨和单跨长度大的桥梁，施工期间材料的特性会发生变化，如：混凝土的容重、钢筋的弹性模量、温度荷载、混凝土浇筑偏差、预加应力、节点连接和结构重量等影响，以及工人施工过程中会不合理之处，或所使用原材料质量与预期不符等，通常桥梁施工过程和成桥后的应力水平和线形同理论计算所得存在一定的差异，导致成桥之后的状态和设计状态不符，容易造成施工事故。为了达到施工效果，在预应力混凝土桥梁悬臂挂篮施工过程中，混凝土需进行分节浇筑，这样可以使得预应力分散，这对结构受力体系和各个阶段连接十分重要。故而对每个施工段悬臂桥梁结构变形大小以及各部位所受内力状况进行计算就显得十分重要，在预应力混凝土桥梁施工过程中，保证了每个施工阶段悬臂梁结构以及所受内力状况都和设计方案模拟计算所得相符，这样才能保证施工完成之后，桥梁线形情况和桥梁结构受力情况满足设计方案，保证桥梁的平稳性和安全性。施工监控中的预埋点也可以为之后的桥梁运营和养护提供科学、可靠的数据依据。

2.2施工结构计算分析方法

悬臂施工的分析计算方法是指建立理论模型，然后使用相应的计算分析方法，如正装计算分析法、倒装计算分析法，对其进行计算分析，计算分析内容包括施工过程中各个阶段形变大小以及相应应力、计算调整控制参数等。悬臂施工是按照施工阶段逐步对称进行施工，整个过程持续时间较长，而每个阶段的混凝土收缩徐变、混凝土弹性模量、结构受力状态、预应力施加、温度荷载等各不相同，为了保证成桥以后的线形和应力状态避免因为误差积累而超出设计标准，以下介绍几种施工结构计算方法。

2.2.1 正装计算分析法

正装计算分析法，是桥梁施工控制计算分析中常用的方法。正装计算法按照桥梁悬臂施工的加载先后顺序对桥梁结构所受应力以及线形变化分析，按照施工顺序，施加施工相同的应力等，计算出各个阶段的形变与应力，用于指导桥梁悬臂施工，与此同时为桥梁施工控制提供可靠的理论支持。在正装计算分析法中，可优先考虑与桥梁结构内力和形变关系较大因素，如：钢筋的弹性模量、混凝土的容重变化、温度荷载、钢筋混凝土收缩徐变、非线性结构等问题，选择适合的理论参数。正装计算分析法有以下特点：

1）正装计算分析法在计算之初需要有一个比较合理的施工方案，这样一来就能结构一开始的结构受力状态以及桥梁在该受力状态之下的形变，之后按照施工顺序逐步分析，得到每个节块实际受力状态和形变，从而得出最后成桥的实际受力状态和形变，验证是否在设计允许范围之内。

2）上一计算的节块位移变化量是本节块的基准点，即确定节块的最初状态，这样使计算所得处于一个动态变化的过程，整个施工过程中结构形式或者荷载形式的改变都会对最后成桥结果造成影响^［6］；

3）将预加应力、混凝土徐变等影响在各阶段施工中逐步加入；

4）用本节块荷载作用下结构受力状态与以前各节块结构受力平衡求出本节块结束时的结构受力状态和形变，并且注意非线性几何结构效应的计入。

但正装计算分析法有一个比较大的缺点，就是无法确定成桥时的标高，造成线形不平直，若是误差累计过大，最终会使桥梁最后的合拢阶段无法进行。

2.2.2 倒装计算分析法

与正装计算分析法相反，倒装计算是分析法是以最终成桥的目标标高和线形为起始点，然后按逆施工方向逐步进行，每拆除一个施工节块，便计算对剩下节块产生的形变和位移。倒装计算分析法一开始假设Ｔ_０时刻为施工完成成桥时状态，然后拆除成桥状态即初始合拢状态，此时得出的状态便是初始合拢状态的受力状态和线形结构及形变都是理想状态。如上述操作以此按照施工相反步骤进行计算分析，直到最初的施工状态则结束计算，得到每个施工节块所需的受力状态和形变情况等相关参数。倒装计算分析法有以下特点：

１）倒装计算分析法需利用正装计算分析法的来确定计算分析的最开始的线形状态,一开始桥梁构件的计算分析位置可以设置为标高位置；

２）每拆除一个节块都要用相当的作用力替代；

３）倒装计算分析法具有很强的目的性，以成桥标高作为起始点，逐步拆除构件，以满足各施工阶段每个节块达到设计标高的要求，不会超出误差范围。

４）倒装计算分析法难以将混凝土徐变、收缩以及非线性几何影响计入计算，成桥的受力状态和线形情况与施工方法、施工工艺、施工人员等诸多因素有关，倒装计算分析法难以得到初始结构的受力状态。

但是一般情况下正装计算分析法与倒装计算分析法所得结果通常不会完全相符，这是因为混凝土桥梁结构的收缩、徐变,混凝土容重、非线形几何、预加应力以及材料等问题,因此在施工控制过程中,通常交替使用这两种计算分析方法,直到得出相吻合的结果^[7]。

2.2.3 无应力状态计算分析法

无应力状态计算分析法的一般思路：釆用线性理论对桥梁结构进行拆解，需要保证单元无应力长度和曲率保持不变，无论按照何种程序恢复还原后的结构内力和线性将与原结构保持不变。通过无应力状态计算分析法把悬臂桥梁施工各阶段状态与初始状态及成桥后的最终状态连接起来，是分析桥梁的一种可靠的方法。无应力状态法主要适用于大跨度拱桥及悬索桥^［8］。

2.3 桥梁结构挠度分析和预拱度分析

2.3.1 桥梁结构挠度分析

下垄舞水高速铁路桥为悬臂施工的预应力混凝土桥梁，在桥梁施工过程中会有许多不稳定的因素存在，使得桥梁上挠或者下挠，其中主要为造成下挠，其影响因素有：施工人员和机械材料荷载、温度荷载、混凝土容重、桥梁自重、混凝土的收缩徐变、还有施工过程中风力带来的荷载、地基沉降等。按造成原因不同，挠度大致分为以下几种：第一类，混凝土材料所固有的物理特性，混凝土浇筑时长不同会出现不同程度的收缩徐变，然后导致挠度发生变化，呈现指数分布，前期迅速而后期缓慢；第二类，悬臂挂篮施工，会随着施工工序次序不同而出现不同程度的上挠或者下挠，此类挠度的由供需进展速度造成；第三类，有温差引起的变化，由于温度具有周期性、变化无常、波动性等特点，此类挠度也表现出同样特征^［9］。就如下垄舞水高速铁路桥桥梁施工过程来说，此桥一共三跨，从中间桥墩开始悬臂浇筑，桥梁梁体不断增长，而桥梁自重以及在施工过程中添加的预应力也在增加，这使得桥梁会产生一定的下挠，并且这种下挠程度会随着施工的进行逐渐变得更加严重，但由于桥梁的各阶段施工的截面和预应力施加不同等，会导致同一跨中出现不同的挠度值，呈现出不规则的挠度曲线图。而温度是造成桥梁线形出现挠度的重要原因，特别是在昼夜温差大的施工条件下，在温度高的时间段，桥梁顶面浇筑的混凝土膨胀，而底面由于没有太阳直射则出现一定的收缩，这样一来加重了桥梁的下挠程度。挠度的计算主要需要考虑受力情况和温度荷载，但是挠度的计算是一项十分复杂的工作，考虑诸多因素，计算中选择的模式有多种选择，根据桥梁实际情况选择不同的计算模式方法。桥梁挠度测量传统方法有百分表和位移计测量法，这两种方法测量简单，也能得到比较可靠的挠度测量值。然而这两种方法操作要求比较高，且检测过程中的人为误差比较大。为了避免温度的影响，在早上六点办左右对桥梁进行挠度监测是比较合适的。

2.3.2 桥梁预拱度分析

桥梁预拱度是为了抵消桥梁在施工过程中出现的位移，以使桥梁的施工过程和成桥之后线形能够比较平直，且符合设计要求^[10]。一个设计良好的桥梁，在使用有限元软件分析后，得到的预拱度曲线和在各种荷载作用下的桥梁各节点位移曲线图应该是互补的。设置预拱度要考虑的主要因素施工误差，其中包括混凝土容重、混凝土的收缩徐变、混凝土的配比、混凝土浇筑时间、悬臂施工挂篮重量、施工人员的施工操作等；另外也要考虑施工环境因素，桥梁施工是一个比较长期的过程，此间气候变化以及昼夜温差、风力、湿度、雨雪等均要考虑进去。

2.4 施工监控方法

随着桥梁工程的发展，桥梁的施工监控越发越发重要，而预应力混凝土梁桥悬臂工，此过程中需要浇筑混凝土，而且施工过程中需要先树立支撑而后待混凝土成型后解除，此外加之温度荷载、混凝土容重、钢筋弹性模量、结构参数等因素的影响，会导致各阶段桥梁的线形和同一个节块的受力状态不断发生变化，这些不确定因素出现导致误差，若不及时发现并且纠正将会导致误差不断积累，使得成桥时超出设计允许误差范围。因此施工监控在悬臂施工中十分重要。我们可以在施工过程中设置预埋点，这对于桥梁的施工、投入运营后的检测和维护都起着重要作用^[11]。桥梁监控方法主要有以下三种：

1）开环监控法：此方法是早期施工监控方法，只能单向监控而无法做到很好的反馈纠正，现已经很少使用。

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