摘 要

随着我国在桥梁建设领域以及高强度复合材料和悬臂施工工艺的飞速发展,大跨径预应力混凝土连续梁桥已然成为了桥梁建设领域的重要桥型之一。平稳舒适的使用性能和强大的跨越能力等特点使得预应力混凝土连续梁桥成为当下桥型的主流，在各国被广泛采取。桥梁施工的质量在极大程度上影响着整座梁桥的使用性能及寿命，为提高梁桥使用性能及寿命就得狠抓施工环节，严格控制各个施工阶段。因而，很有必要对施工过程进行研究分析，同时这也是一个重要的课题。

本文以Aroley五号大桥为例，利用桥梁计算软件Midas Civil进行施工模拟，以此为基础进行施工监控计算。本论文梁桥采用正装分析法。论文的主要任务如下：

(1)根据设计和施工组织方案，拟定预应力连续梁桥悬臂浇筑施工工况；

(2)采用Midas Civil有限元软件建立Aroley五号大桥力学模型，模拟桥梁施工的过程。在建模时应考虑混凝土的收缩徐变、钢筋的预应力损失，体系转换过程中边界条件变化等因素；

(3)采用正装分析，对施工阶段工况下结构变形及应力展开数值计算；

(4)根据计算结果，分析各阶段受力和变形状态。

关键词：大夸度桥梁；悬臂施工；模拟分析；正装分析

【Abstract】

With the rapid development of high strength composite materials and cantilever construction technology in the field of bridge construction in China, long-span prestressed concrete continuous beam bridge has become one of the most important bridge types in the field of bridge construction. The characteristics of smooth and comfortable use and strong span ability make prestressed concrete continuous beam bridge become the mainstream of bridge type and widely adopted in many countries. The quality of bridge construction greatly affects the performance and service life of the whole beam bridge. In order to improve the performance and service life of the beam bridge, it is necessary to pay close attention to the construction link and strictly control the construction stages. Therefore, it is necessary to study and analyze the construction process, and at the same time, It is also an important subject.

This paper takes Aroley No. 5 Bridge as an example, uses the bridge calculation software Midas Civil to carry on the construction simulation, takes this as the foundation carries on the construction monitoring calculation. This paper adopts the formal dress analysis method for the girder bridge. The main tasks of the thesis are as follows:

1. According to the design and construction organization plan, draw up the construction condition of cantilever construction of prestressed continuous beam bridge;
2. Using the Midas Civil finite element software to establish the mechanics model of Aroley No . 5 bridge , the process of bridge construction is simulated ;
3. Numerical calculation of structural deformation and stress under construction stage is carried out by means of formal fitting analysis.;
4. According to the calculation results, the stress and deformation state of each stage are analyzed.

Key words: Long-span bridge;Cantilever construction;Simulation analysis;Forward analysis

目录

【摘要】 I

【Abstract】 II

1.1 悬臂施工 1

1.1.1 悬臂施工与设计的原理 2

1.1.2 悬臂施工的特点及适用范围 2

1.2 预应力混凝土连续梁施工过程分析方法 3

1.3 课题的来源和意义 3

1.4 本论文的研究内容 4

第2章 桥梁施工模拟 5

2.1 桥梁施工过程分析模拟软件介绍MIDAS/Civil介绍 5

2.2 MIDAS/Civil在桥梁方面的运用 5

2.2.1 MIDAS/Civil的集成化环境和一体化的设计功能 5

2.2.2 材料和截面特性的定义 6

2.2.3 荷载工况的建立 8

2.3 桥梁施工控制分析方法 9

第3章 Aroley五号大桥施工过程分析 10

3.1 Aroley铁路五号大桥介绍 10

3.1.1 工程概况 10

3.1.2 设计标准 10

3.1.3 梁部构造 11

3.1.4 施工方法 11

3.2 Aroley五号大桥施工模拟分析 14

3.2.1 MIDAS/Civil建模相关数据取值 14

3.2.2 Aroley五号大桥施工过程模拟 16

3.2.3 悬臂浇筑过程混凝土浇筑的质量控制 20

3.3 Aroley五号大桥温度模拟分析 24

3.3.1 温度对预应力混凝土的影响 24

3.3.2 温度应力的计算 25

3.3.3 运用Midas/Civil进行温度模拟 26

3.3.4 温度对桥梁影响结论 29

第4章 总结 30

4.1 总结 30

4.2 展望 31

致谢 32

参考文献： 33

第1章

我国作为桥梁大国，其桥梁史可追溯到古代，古代时期，连续梁桥在我国历史上有过很多记载，有的甚至保留至今。作为一种极为古老的梁桥体系，连续梁桥具备变形小、刚度大、行车顺畅、伸缩缝较少、维护工作量小且简易、抗震能力强等特点。另一方面，在恒载作用下，在连续梁桥支点处产生的负弯矩和跨中正弯矩会相互抵消，从而起到卸载减轻梁体内力的作用，使得内力分布状态均匀合理，梁的高度得以根据需要进行减小，这既节省了建造用料及造价，也大大增强了桥梁的稳定性[^[1]]。

我国的预应力混凝土梁桥起步较晚，但经过近几十年来的大力发展，特别是近几年以来由于经济发展的需要，更是加大桥梁建设方面的投入，兴修路桥，在这一领域取得举世瞩目的成绩。当前我国已经有简支梁、带铰或带挂梁的T构、连续梁、桁架拱等预应力混凝土梁桥体系[^[2]]。就当下而言，连系梁桥已成为我国大跨径预应力混凝土桥梁的重要桥型之一。尽管我国的预应力混凝土连续梁施工技术在不断地提升，预应力混凝土桥梁在设计、结构分析、试验研究、预应力质料及工艺设备、施工工艺等方面与日俱进，在预应力混凝土梁桥的设计技术与施工技术方面都已达到相当高的水准，但是与国际先进水平相比，仍存在较大差距，我国应加大对预应力混凝土梁桥的科研力度，争取缩短与先进国家的距离，在新世纪进行弯道超车，做到从跟跑到领跑的飞跃。

预应力混凝土连续梁桥的施工工艺技术多种多样，囊括支架现浇法、悬臂浇筑以及悬臂拼装法、移动滑模法、顶推法、大型悬吊施工和转体施工法等。其中对悬臂浇筑和悬臂拼装施工法的运用最为广泛。本论文所研究的Aroley五号大桥正是运用了悬臂浇筑的施工方法，下面就悬臂浇筑施工法进行着重介绍。

1.1 悬臂施工

悬臂浇筑法也即无支架平衡伸臂法、逐段施工法, 在大跨度预应力混凝土梁桥建造方面具有广泛的应用。悬臂施工通常包括悬臂浇筑施工和悬臂拼装施工两类。 悬臂浇筑是以已经完成的墩顶段（0#块）为起点，在0号块两侧安装挂篮模板再进行混凝土的浇筑和预应力筋张拉工作，逐段对称地向两侧跨中合拢，形成整桥。

我国预应力混凝土连续梁桥常采用的施工方法主要是平衡悬臂浇筑法：在各主墩上按T构用挂篮分段对称悬臂浇筑（拼装），在落地上浇筑边跨现浇段，在吊架上浇筑跨中合拢段[^[3]]。悬臂浇筑法也叫作无支架平衡伸臂法、分段施工法, 在建设大跨度预应力混凝土桥梁方面广泛应用。悬臂施工法一般分为悬臂浇筑施工和悬臂拼装施工两类。 悬臂浇筑一般是从已经完成的墩顶段（0#块）开始，由悬吊着的挂篮从立模、混凝土浇筑到张拉预应力筋、逐段对称地向两侧跨中进行合拢，最后完成全桥合拢。悬臂拼装则不同，它是把在预制场预制好的强度达到规范要求的梁段，用大型吊送设备运送之施工现场进行拼接和张拉预应力束。相比之下，悬臂拼装的施工周期要比悬臂浇筑的周期要短，但其整体性较差，不如前者好。

我国预应力混凝土连续梁桥所采取最多的施工方式一般是平衡悬臂浇筑法：即在各号主墩上按已制作完成的0号块上，用挂篮分段对称悬臂浇筑（拼装），在支架上浇筑边跨现浇段，在吊架上浇筑跨中合拢段。

1.1.1 悬臂施工与设计的原理

桥梁悬臂施工与流程设计是指桥梁上部构造在设计和施工时，从桥墩顶0号块起步，可对称或不对称地分段进行悬臂浇注或悬臂拼装施工[^[4]]。悬臂浇筑工艺是在墩顶强度达到相关规定的0号块上，逐段对称地悬臂施工。悬臂施工的前提：一是施工时对墩与梁进行临时的固结；二是在施工当中梁体受到不平衡弯矩。随着施工进度的不断向前，梁体内的负弯矩呈不断变大的趋势。因此在混凝土梁桥梁段上缘有必要施加预应力,使梁段连成一个完整的梁体。悬臂施工是由两个相邻的桥墩同时双侧分段进行,逐段推进,直到跨中合拢,各梁段用预应力锚固连成完整的梁体。合拢的次序一般为——先边跨合拢后中跨合拢。

1.1.2 悬臂施工的特点及适用范围

悬臂浇筑法施工预应力混凝土连续梁桥有如下特点：

（1）预应力混凝土连续梁桥构造受力情况有利于悬臂的施工，即悬臂施工时的受力与成桥后的梁段受力较为符合[^[5]]。预应力筋张拉不仅是施工时的必然要求，又是成桥后的构造受力筋的主要组成部分；

（2）作为无支架施工，便于通航河道建桥、便于深山峡谷间桥梁的建设、便于城市立交建桥，对桥下净空不造成太大影响，饿不影响桥下交通；

（3）有利于节省施工费用，降低工程造价。

（4）有利于施工作业，加快施工进度；

（5）有利于变高度箱梁施工；

悬臂施工桥梁的跨越能力一般为60~600m，最经常使用的夸度为70~200m。具体适用跨径见表1-1所示。

悬臂施工方法适用的跨径 表1-1

1.2 预应力混凝土连续梁施工过程分析方法

预应力混凝土连续梁施工过程监控分析主要是通过空间各种力系计算，得出各部分结构之间的相互作用以及施工过程中挂篮等因素的影响，对此进行综合分析施工过程中的最不利的荷载情况及作用位置。由此为施工提供理论依据，指导施工，使施工过程更加合理安全，同时对施工过程的不利情况进行优化处理也大大提高了桥梁的质量。

近年来伴随计算机技术的飞速发展，桥梁结构分析计算的理论、方法、及手段得到了较为突出的进展。当下应用最为普遍的方法是采用有限元计算分析，即运用软件将整座桥划分为若干单元，对各个单元的施工进行必要计算分析，也即对桥梁进行施工过程的模拟与分析。全桥模拟能精确地还原实际构件的空间位置、尺寸、材料性质、连接方式、荷载作用、初始内力和初始变形等，因而获得精确、符合实际的成果。

1.3 课题的来源和意义

近年来，我国在桥梁方面取得较为卓越的发展成果，特别是在特大型梁桥的建设方面更是达到了世界的先进水准。不少地区的交通网络已经非常发达，截至2016年底，全国共有公路桥梁80.53万座。当下在世界上已建成的主跨跨径中最大的前10座斜拉桥、悬索桥、拱桥和梁式桥，我国分别占据7座、6座、6座和5座[^[6]]。中国在桥梁领域已融入了世界桥梁领域发展的方方面面，正在成为中国“走出去”的新名词。

到2016为止，我国所具有的高速铁路里程多达2.2万千米，而高铁桥梁的总长度远超线路总长多达50％。严贺祥说，到2025年我国高速铁路将增加到3.8万千米，2030年将增加到4.5万千米，构成“八纵八横”高速铁路网。铁路建造市场广泛，在桥梁方面大有作为。中国铁路局将加速推进桥梁事业新技术、新装备、新材料、新工艺的研发和运用，实现铁路的绿色发展理念。

鉴于在桥梁领域取得卓有成效的发展，我国不仅在国内建设自己的桥梁网线，现在我国的公路铁路桥梁技术也已经走出国门，特别是随着“一带一路”政策的大力展开，我国更是承包了国外一大批的桥梁项目，在这方面也得到许多国家和人们的一致称赞。本论文所涉及的Aroley五号大桥也是我国在国外所承包设计的一座预应力混凝土连续梁桥。

桥梁施工也即桥梁的整个建造过程，一般是指桥梁施工工艺以及施工组织。桥梁施工是个极为繁琐的过程，施工工序非常之多，例如悬臂梁、钢结构桥梁、连续梁等等都包括在里面，每一个工艺到不到位都严重影响着桥梁的质量[^[7]]，因而对桥梁的施工工艺必须进行严格控制以确保质量过关。控制环节作为桥梁施工过程的主要组成部分，其难度也是施工环节中最大的。控制环节是施工中桥梁的变形和内力分布状况都符合相关的规定要求基本保证，是桥梁达标的根本。在桥梁施工之前要做好充分准备，这包含方案和施工的模拟，如果某个环节准备工作不到位，就会直接影响桥梁的使用质量和寿命，留下了安全隐患，甚至还会增加桥梁的造价成本、影响施工周期。工程人员要注重桥梁的施工过程分析以防范事故的发生，降低成本获取高质量，所以说施工过程的分析在桥梁的建设中占用十分重大的意义。　　

1.4 本论文的研究内容

本论文主要研究的内容：

运用桥梁结构分析软件MIDAS/Civil，模拟施工阶段各个工况，建立相应桥梁结构力学模型；

运用正装分析方法，对施工不同阶段各个工况下构件变形及应力开展数值计算；根据计算结果，分析Aroley五号大桥施工各阶段受力和变形状态；

依据计算结果，分析Aroley五号大桥施工各阶段受力和变形状况；校核结构施工各工况变形及内力；

计算预应力连续梁截面及各施工阶段预应力布束几何特征，划定计算单元及类型；

校核结构施工各工况变形及内力；

提出各阶段挂篮标高理论控制值，保证各阶段施工处于设计要求的范围。

第2章 桥梁施工模拟

2.1 桥梁施工过程分析模拟软件介绍MIDAS/Civil介绍

MIDAS/Civil是近年以来在桥梁领域应用最为普遍的软件之一，研发于韩国的浦项制铁（POSCO)集团，于1989年12月着手研发，1996年11月间发布。除MIDAS/Civil软件以外，还有ANSYS、公路桥梁结构设计系统GQJS、Dr.Bridge系统。鉴于本论文埃塞五号大桥采用MIDAS/Civil建模进行施工分析，因此本论文只对MIDAS/Civil进行简单介绍。

MIDAS/Civil是个通用的空间有限元分析软件，在地下结构、桥梁结构、飞机场、大坝等构造的分析与设计应用得较多。

为了能够高速便捷的完成对土木结构分析与设计，研发一款集以上优点于一身的土木工程结构分析与优化的计算软件为大势所趋，MIDAS/CIVIL因而得以研发面世。特别是对桥梁建设尤为重要。迈达斯不仅整合了我国的技术规范，同时也在模型、分析、后处理、设计等方面提供了诸多快捷的功能，当下已受到各大公路、铁路部门的设计院的青睐和一致赞扬。

MIDAS/CIVIL给用户建模带来了诸多方便快捷的功能，例如提供菜单、表格、文本、导入CAD和其他个别程序文件等灵活多样的快捷功能，并尽量使鼠标在画面上的挪动量达到最少，以便于工作，从而使用户的工作效率提升到最高，可以执行MIDAS Civil Text格式命令输入模型数据。经MCT文件，使得用户在输入模型数据上变得方便快捷，该数据也可以和已有的建模数据结合在一起。除此之外，MIDAS/CIVIL自身还集悬臂施工法桥梁、满堂支架施工法桥梁、顶推施工法桥梁建模功能等优点于一身。梁桥的施工需要许多的工程规范，为此，MIDAS/CIVIL能够为用户提供多国国家技术规范及各国材料和截面的特性值，例如中国、德国、美国、英国、法国、韩国等国家。同时建模所需的各种参数及分析，例如混凝土的收缩和徐变参数、移动荷载参数和静、动力分析、静力弹塑性分析、几何非线形分析、优化索力、屈曲分析、移动荷载分析等功能也随之在MIDAS/CIVIL中得以研发而出。

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