復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)分析與施工安全監(jiān)控的發(fā)展現(xiàn)狀

周曉滿

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們審美要求的不斷提高，促使橋型不斷的推陳出新。外形美觀、形式新穎的橋型使得橋梁結(jié)構(gòu)更加的復(fù)雜化。近年來，國內(nèi)外都興建了大量結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、外觀新穎的橋梁，如中國的廣東虎門大橋、江陰長江大橋以及美國的Verrazano Narrows大橋、英國的firth of Forth大橋、澳大利亞的Sydney Harbour大橋、日本的Tatara大橋和挪威的Skarnsundet大橋等。

由于缺少相對細(xì)致的結(jié)構(gòu)分析與相應(yīng)的施工安全監(jiān)控技術(shù)，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁大量興建的同時，有相當(dāng)一部分橋梁在施工和使用階段都發(fā)生了很嚴(yán)重的問題及事故[1]。事故的發(fā)生說明復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁在設(shè)計、制作、施工、使用和管理等各方面還存在著很多的問題。有必要認(rèn)真的分析事故發(fā)生的原因，提出預(yù)防和處理的措施，消除事故隱患，以保護(hù)人民生命和國家財產(chǎn)安全。目前復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析和施工安全監(jiān)控技術(shù)的研究也越來越多的受到業(yè)界的重視，已經(jīng)成為國內(nèi)外科研單位爭相研究的熱點。世界各國也都成立了專門的科研基金用來分析和解決復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)中的技術(shù)和工程問題[2]。

1 進(jìn)行復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)分析與施工安全監(jiān)控的必要性

復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的大規(guī)模發(fā)展是對結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工技術(shù)的一次嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其主要受力構(gòu)件是三維鋼網(wǎng)架，這種三維鋼網(wǎng)架通過簡單的幾何構(gòu)成復(fù)雜的優(yōu)美的容積較大的造型。要實現(xiàn)這種三維鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其主要的技術(shù)難點在于鋼網(wǎng)架節(jié)點的復(fù)雜受力狀況的分析與相應(yīng)的構(gòu)造處理措施。此外還應(yīng)運用內(nèi)力對鋼網(wǎng)架尤其是拱肋和橫拱交點處進(jìn)行局部力學(xué)分析，得出重要節(jié)點的受力模式和規(guī)律，并按此分析進(jìn)行節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計。同時由于拱肋為多道三維曲線造型，材料采用厚鋼板，厚鋼板三維曲線加工的難度相當(dāng)大，并且焊接變形難以控制，造成空間三維曲線拱的成橋線形控制難度加大。這些復(fù)雜的構(gòu)造形式都加大了結(jié)構(gòu)計算和施工的難度。風(fēng)荷載和地震動的空間變化對復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁多維空間管架結(jié)構(gòu)的影響是不可忽視的。有研究結(jié)果表明，地震波的傳播效應(yīng)對大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有顯著的影響，在地震荷載作用下，各個復(fù)雜節(jié)點的受力狀況以及變截面桿件的力學(xué)性能將會有很大的變化，這些關(guān)鍵部位的受力分析將成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁安全運行的基礎(chǔ)。

大型橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)與分布很難通過理論計算事先作出準(zhǔn)確估計，總會有可能發(fā)生一些人們事先預(yù)計不到的情況，有些則是只有通過實際測試才能了解清楚，而結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全則要求有絕對保證。特別對于結(jié)構(gòu)形式或地形條件比較復(fù)雜的橋梁，施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的變化可能會相當(dāng)大。施工監(jiān)控的目的就是要在施工過程中，隨時掌握結(jié)構(gòu)的實際狀況，在理論計算的基礎(chǔ)上，實際量測結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形，使之控制在安全的范圍內(nèi)，以確保結(jié)構(gòu)安全和工程質(zhì)量。施工監(jiān)控工作貫穿于工程施工的全過程中，并與橋梁建成后的運營也存在著密切聯(lián)系。對橋梁進(jìn)行施工監(jiān)控是橋梁施工質(zhì)量和建設(shè)安全的重要保證措施。能夠保證監(jiān)控工作系統(tǒng)、全面地掌握施工過程中橋梁的受力、變形等力學(xué)性能，將監(jiān)控結(jié)果反饋于施工中并更好地指導(dǎo)施工成橋后的受力狀況;施工監(jiān)控對于研究施工過程中的應(yīng)力變化和變形規(guī)律，驗證設(shè)計理論，完善橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法具有十分重要的意義[3]。

對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁這樣的多維空間管架結(jié)構(gòu)，施工監(jiān)控在建設(shè)和運行的過程中尤為重要。在施工中對復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁拱肋內(nèi)力、變形及系桿張拉力進(jìn)行監(jiān)控，通過對監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析，及時對施工方案進(jìn)行調(diào)整，協(xié)調(diào)拱肋及橋面荷載關(guān)系，指導(dǎo)系桿的張拉是保證拱肋處于最佳受力狀態(tài)的必要手段。復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其所采用的施工方法和安裝程序與成橋后的結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力有著密切的聯(lián)系。在施工階段隨著橋梁結(jié)構(gòu)和荷載狀態(tài)的不斷變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形隨之不斷發(fā)生變化。因此需對橋梁的每一施工階段進(jìn)行詳盡的分析和實測驗證，并采用一定的方法對結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力加以控制，以確保設(shè)計的施工過程得以準(zhǔn)確實現(xiàn)。

綜上所述，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的偏差以及施工過程中的實際內(nèi)力與設(shè)計值不吻合，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞甚至整體結(jié)構(gòu)的倒塌。復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁多維空間管架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算分析和施工監(jiān)控技術(shù)的研究是大橋能否順利建設(shè)、安全運營的基礎(chǔ)。

2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁計算分析和施工安全監(jiān)控的主要研究領(lǐng)域

現(xiàn)階段的主要研究領(lǐng)域為:對復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁多維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)成進(jìn)行優(yōu)化，給出合理、安全的結(jié)構(gòu)形式;對其抗震、抗風(fēng)安全性做出全面評價;給出各變截面桿件的受力分析;給出復(fù)雜節(jié)點在動、靜載作用下的具體受力模式;選擇合理的監(jiān)控階段，確定正確的控制參數(shù)和內(nèi)容，提出切實可行的監(jiān)控方法。其中主要分為以下幾部分。

2.1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析關(guān)鍵技術(shù)研究

1)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁多維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)成與優(yōu)化。2)零荷載線性坐標(biāo)分析與全橋靜力和動力分析。3)結(jié)構(gòu)延性與抗震設(shè)計研究。4)各連接節(jié)點、變截面桿件的受力性能研究。

2.2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁施工安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究

1)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁施工全過程受力分析。2)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁施工各階段安全預(yù)警值的確定。3)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁施工安全監(jiān)控體系。4)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁成橋安全檢測。

3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁計算分析和施工安全監(jiān)控的研究方法及技術(shù)路線

目前該領(lǐng)域的主要關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點包括:復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁多維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)成與優(yōu)化;復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁多維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)延性與抗震設(shè)計研究;多維連接節(jié)點、變截面桿件的受力性能研究;復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁施工安全監(jiān)控體系優(yōu)化方案研究?？梢圆捎玫难芯糠椒ㄈ缦耓4，5]。

3.1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析關(guān)鍵技術(shù)研究

1)埠橋多維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)成與優(yōu)化?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)初步優(yōu)化設(shè)計的基本原理和步驟，根據(jù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁多維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點，確定截面尺寸這一簡單而又實用的優(yōu)化目標(biāo)，并將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一些簡單特征(如桿長及受力特點等)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信息，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁多維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件規(guī)格和截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化選擇。2)零荷載線性坐標(biāo)分析、全橋靜力與動力分析。分析確定合理坐標(biāo)系統(tǒng)，應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS，建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的三維有限元計算模型，分別對其進(jìn)行靜力與動力分析，計算結(jié)構(gòu)在各種工況下的響應(yīng)。3)結(jié)構(gòu)延性與抗震設(shè)計研究。主要分析地震波的行波效應(yīng)，多點激震對復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。采用自行設(shè)計的MATLAB程序作為有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS輸入多點激震的接口程序，對該橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程地震反應(yīng)分析，得出復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的動力參數(shù)。通過運用考慮幾何非線性的結(jié)構(gòu)彈塑性極限分析方法，對橋梁中的鋼筋混凝土橋墩的極限承載能力及結(jié)構(gòu)延性等進(jìn)行研究。結(jié)合結(jié)構(gòu)的抗震對其延性系數(shù)進(jìn)行計算，分析其非線性空間穩(wěn)定性。根據(jù)計算所得的地震響應(yīng)制定復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的減震、隔震措施。并運用MATLAB軟件對減震、隔震效果進(jìn)行數(shù)值仿真。4)各連接節(jié)點、變截面桿件的受力性能研究。運用前述計算所得內(nèi)力對管架結(jié)構(gòu)尤其是拱肋和橫拱交點處等節(jié)點進(jìn)行局部力學(xué)分析，得出重要節(jié)點的受力模式和規(guī)律，并按此分析進(jìn)行節(jié)點的設(shè)計。在有限元原理分析過程中，分析桿件時，由于桿件截面是線性變化的，在計算中，對變截面部分進(jìn)行細(xì)致劃分，每一段取中間截面作為這節(jié)桿件的計算截面。三維有限元分析中采用 8節(jié)點的塊體單元對計算模型進(jìn)行細(xì)致剖分。

3.2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁施工安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究

1)施工全過程受力分析。運用ANSYS，ABAQUS，SAP等大型有限元軟件對復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁各施工段進(jìn)行跟蹤結(jié)構(gòu)模擬分析。為明確受力狀態(tài)，僅考慮結(jié)構(gòu)自重作用。分析時，縱橫向單元劃分結(jié)合施工實際，采用空間梁單元和實體單元，按照施工階段逐漸加載，從而改變結(jié)構(gòu)的受力體系，得出各施工階段不利截面和節(jié)點的力學(xué)指標(biāo)。2)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁施工各階段安全預(yù)警值的確定。根據(jù)有限元軟件在各施工階段的仿真計算結(jié)果，設(shè)定結(jié)構(gòu)各控制部位內(nèi)力變化的影響程度和各控制部位內(nèi)力的安全范圍。3)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁施工安全監(jiān)控體系。建立基于光纖傳感器的智能結(jié)構(gòu)監(jiān)控的理論與方法，在Kammer提出的有效獨立法(Effective Independence A 1gorithm)和Guyan模型縮減法等已有的測點優(yōu)化布置方法基礎(chǔ)上為采集復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁施工和健康監(jiān)測所需的模態(tài)動態(tài)信息提供切實可行的傳感器布設(shè)方案。4)確定合理的成橋檢測方案對復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行成橋安全檢測。

4 結(jié)語

本文綜合討論了復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)分析與施工監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀;探討了面臨的主要問題及關(guān)鍵技術(shù);提出了系列的研究方法與技術(shù)路線。本文的研究成果可直接應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計、施工和使用過程中，從而保證橋梁設(shè)計、施工和使用階段的安全性。本文所介紹的分析方法和施工監(jiān)控技術(shù)可為復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計和施工提供理論依據(jù)和積累經(jīng)驗，為結(jié)構(gòu)分析理論和施工監(jiān)控技術(shù)開辟新的研究發(fā)展領(lǐng)域。

[1] 彭 琦，李 亮，趙煉恒.高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的施工監(jiān)測與仿真分析[J].鐵道建筑，2008(2):47-48.

[2] 周 峰，王慧東.大跨連續(xù)箱梁橋懸臂施工監(jiān)控研究與實踐[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009(2):104-105.

[3] 葉 新，李欣然，陳德偉.城閘大橋施工的監(jiān)測與監(jiān)控[J].中國市政工程，2008(3):4-6.

[4] 侯希承.預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁懸臂施工控制技術(shù)探討[J].西部探礦工程，2005(7):20-21.

[5] 董 成.連續(xù)梁橋懸臂施工過程中的控制截面應(yīng)力分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2007(22):59-60.