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本文为建筑市场论文，主要论述广州市简支钢桁架桥——海珠桥的大修施工为研究背景，介绍总结了适用于该桥型的受力特性分析方法以及施工监控的内容。
第1章 绪论
1.1 选题背景
从近 20 年世界各国和我国的桥梁发展历程可以看出，随着交通运输需求的日益增长和科技的飞速发展，未来的桥梁结构发展将更加精巧、纤细、大跨、大负荷[1]，因此钢桥在公共交通中的作用将日益增强。虽然钢桥有很多优点，但是钢桥同时具有以下缺点：一是车辆尤其是火车行驶在钢桥上时，会产生较大噪音以及振动；二是钢桥容易被腐蚀，需要经常喷漆等护理；三是钢桥局部如铆钉、螺栓连接处易发生疲劳损伤，导致构件破坏；四是钢桥的造价比较高[2]。
近年来，我国政府大力增加基础设施建设的投资力度，钢桥也越来越多的出现。但与此同时，一定数量的旧钢桥长期或者超期服役，比如建国前，中国服役超过 50 年的铆接钢桥就有 1 万多孔，其中一部分是德、日、英等国所造[3]。旧钢桥在使用过程中，会受到自然环境和车辆荷载等影响，导致承载力日益下降，不同程度的出现了锈蚀与疲劳等影响其寿命的问题。通过维修加固等措施不仅可以减缓其功能下降速度，延长钢桥的使用寿命，更重要的是确保其使用安全[4, 5]。
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1.2 海珠桥的工程概况
本课题来源于广州市海珠桥危桥大修工程。海珠桥是广州市首座跨江大桥，1933 年建造完毕，之后在两次战争中遭受了破坏，因此其在交通运输以及历史研究方面有着重要意义，是“羊城八景”之一。
该桥于 1950 年重建，迄今已有近 80 年历史。上世纪五十年代，建造海珠桥的钢材由广州市政府从英国购入，历经半个世纪的使用，构件锈蚀严重，已有安全隐患。处于安全考虑，应进行疲劳强度测试，并根据测试结果采取加固维修的措施。检测结果显示主桥已成为四类桥，属于不合格桥，主引桥为第三类。全桥状态不容乐观，必须进行全面的维修与加固。2011 年，有关部门通过检测和论证，决定对该桥进行加固维修，以保证其承载能力和使用安全。
海珠桥是广州市的近代历史标志性建筑之一，见证了广州工业文明和城市发展的历史过程，作为历史文化的传承，应保留 1950 年重建时的基本风貌，在“修旧如旧”的基本原则下，主桥的维修加固按以下共同原则进行：
1、主桥大修后恢复到之前的三孔简支梁，总体布置见图 1.1。大修后的跨径为 67.79+49.10+67.79=184.68m，维修加固后桥梁能通行公路-Ⅱ级；
2、加固完成过后桥梁景观恢复 1950 年修复后的原貌，结构采用铆钉连接；
3、采用先进可靠的防腐措施，确保旧桥维修后的耐久性（25 年以上防腐年限）；
4、减少现场施工工期，不占用主航道，保证东西向滨江路和沿江路道路通畅；尽可能减轻大修过程对交通的影响，选择有利于交通疏散的施工方法；
5、勘察报告对桥梁的基础进行加固，对杆件简历合理的监测、替换标准，使结构的整体使用寿命不小于 50 年。
该危桥采用在原址进行维修加固的方案，对于主桥桥面以上依然能继续使用的杆件予以保留，替换桥面以下锈蚀严重的构件。将大修过后的海珠桥分为三段进行安装施工。
中跨钢桁梁提升时的重量约为 560t，整体重量由固定在两个边跨贝雷梁上的四个吊架承担。在此过程中如果四个吊点不能保持协调同步，就可能造成其中的一个或几个吊架上的应力过大甚至失稳。边跨钢梁新制钢梁杆件 400t，桥门架重15t，铆钉约 18t，2 根分配梁 2 重 2×6=12t，施工阶段总重约 445t，其施工采用整体浮运顶推法。为保证三跨在施工过程的安全性，同时满足应力和变形等力学要求，首先在施工准备阶段利用有限元仿真分析得到该钢桁架桥施工阶段的各种力学特性，接着在施工中对各数据进行实时监控。
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第2章 钢桁架桥的受力特性研究
2.1 钢桁架桥的力学构造
钢桁架在桥梁工程领域有着非常广泛的应用范围，既可以形成钢桁架桥的主要承重结构，又可以作为悬索桥和斜拉桥的主梁、拱桥的拱肋等结构形式而存在；除此之外，工业与民用建筑中的钢屋架、桁架式吊车梁、电视塔、输电线路支架和其余的临时性结构也都可以采用该结构[1, 2]。
钢桁架桥的主梁是由许多位于不同平面内的钢桁架依靠铆钉、螺栓或者焊接等形式连接而成的整体空间结构，它是可以用来承受荷载作用的空腹式受弯结构。
本节根据钢桁架桥的结构特点，概括地总结了其总体布置和主要的一些结构参数的选取对受力性能的影响，旨在对结构参数的选取提供一定的参考。本节从以下几个方面对钢桁架的结构进行了讨论，分别为：钢桁架桥的组成；主桁架的图式选择；主桁架的主要尺寸。
2.1.2 钢桁架桥的组成
钢桁架桥根据不相同的桥面位置，可以分为上承式桁架桥、下承式桁架桥和双层桁架桥。桁架桥由主桁、联结系、桥面系以及桥面组成[1, 2]，如图所示。
1、 主桁
主桁是桁架桥的主要承重结构，起到了承受竖向荷载的作用，荷载最终由支座传给钢桁架桥的桥墩。构成主桁架的结构包括上弦杆、下弦杆和腹杆（腹杆包括上下弦杆间的斜杆、竖杆）。杆件交汇的地方用节点板连接形成节点。如果在节点上有斜杆与之相交，这种结构不仅形式复杂，而且荷载传递也较为繁琐，因此需要面积较大的节点板，即通常所说的大节点；当节点处只有竖杆和弦杆，无斜杆时，其结构形式和荷载传递情况相对简单，节点板的尺寸也较小，即为小节点。节点间的距离为节间，因此钢桁架的横梁间距、纵梁的跨度都等于节间长。
2、 联结系
联结系分为两种，纵向和横向联结系。设置水平桁架把两片或者多片桁架连接成空间受力结构，这样可以把主桁架形成空间稳定的受力结构，该水平桁架即为纵向联结系。其中纵向联结系位于主桁架上弦杆平面内的叫做上平纵联，位于下弦杆平面内的为下平纵联。位于桥梁的横向平面内的联结系叫做横向联结系。设在桥梁端部的称为端横联，下承式桁架桥上的端横联称为桥门架。中横联设在桥跨结构中间位置。横向连接系的设置增加了桁架桥的抗扭刚度，并使横断面的稳定性得以提升，从而确保各片主桁架共同受力。中间横联的间距通常不大于两个节间。
3、 桥面系
钢桥的桥面系包括横梁、纵梁及两者之间各自的联结系。桥面荷载的传递路径大致为：纵梁—横梁—主桁架各节点—支座—桥墩。
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2.2 钢桁架桥的受力特性研究现状
钢桁架桥的杆件内力是其施工阶段中需要重点考虑的因素。如果桥梁受力合理，则可以保证桥梁的施工过程的受力状态是合理安全的。但是钢桁架桥的空间构成以及节点的刚性连接，都是影响杆件内力的因素。
现今对空间构成的研究方法是把空间构成简化为一定数量的平面，最后将得到的简化计算结果进行空间构成的修正，将其影响考虑进去[17]。
主桁架的各杆件通常由铆钉、高强度螺栓或焊接等方式连接在节点板上，形成了刚性的连接，杆端的自由转动受到约束。因此，当主桁架受到荷载作用时发生变形，刚性的节点板迫使连接在一起的各杆件会有一定的弯曲，在桁架的杆件上会产生附加的应力，即通常我们所说的节点刚性次应力。对于节点的次应力，国内外专家曾进行了多次的探讨研究，给出了一些降低次应力的建议，如减少杆件的宽度，避免采用再分式杆件，尽量把节点板做成紧凑的构件以及限制杆件长细比等方法[18-20]。在实际应用中，各国规范也给出了如何处理次应力的相关规定，这些规定适用于常规中等跨度桥梁，对于大跨径的还在分析研究中。下面只介绍我国规范对于节点次应力的相关规定，如《铁路桥梁钢结构设计规范》中：
第
随着计算机的发展进步，桥梁结构仿真分析技术使得桥梁的受力特性分析更加完善便利，桥梁结构的计算方法在日益改进，很多本质性的问题都会涉及到，因此结构计算的精度也大大提高。但同时也存在一些问题，比如：
桥梁仿真模拟时，大多都是由节点相连形成单元，再由单元形成整个构件，但是节点仅能从构件本身的刚度考虑仿真模拟中相连构件的支撑和约束情况，而忽略了节点本身的力学性质，比如钢桁架中节点板和拼接板的刚度造成的次应力给全桥应力计算带来的影响，而节点位置恰恰是钢桁架结构的关键位置[21, 22]。有时边界条件的施加难以准确反映实际的约束条件。因此钢桁架桥梁的受力特性研究中对于节点板位置的研究越来越多。
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第 3 章 海珠桥大修阶段的施工技术......................................................17
3.1 钢桁架桥的施工技术 ..................................................17
3.1.2 悬臂拼装法 .............................................18
3.1.3 拖拉架设法 ................................................19
3.1.4 浮运架设法 .........................................................20
3.2 海珠桥边跨大修的施工技术...........................................21
3.2.1 边跨钢桁梁大修施工过程 .......................................21
3.2.2 边跨钢桁梁大修施工要点 .........................................23
3.3 海珠桥中跨大修的施工技术......................................24
3.3.1 中跨钢桁梁大修施工过程 .............................................24
3.3.2 中跨钢桁梁大修施工要点 ..........................................27
3.4 本章小结 ........................................28
第 4 章 海珠桥大修施工受力特性仿真分析........................................29
4.1 边跨大修施工受力特性仿真分析...............................................29
4.1.1 边跨钢桁梁模型的建立和原则 .....................................29
4.1.2 边跨大修施工的工况分析 .........................................32
4.1.3 边跨大修施工受力特性仿真分析 .....................................33
4.2 中跨大修施工受力特性仿真分析......................................38
4.2.1 提升吊架模型的建立和原则 ...................................38
4.2.2 中跨大修施工的工况分析 ............................................39
4.2.3 中跨大修施工受力特性仿真分析 ..................................................40
4.3 本章小结 .............................................49
第5章 海珠桥大修施工受力特性监控
5.1 施工监控综述
5.1.1 施工监控目的
随着交通建设的快速发展，很多暨有桥梁不能完全满足现行交通的需要，需要对其进行加固。同时，暨有桥梁加固后的结构安全可靠性也逐渐被人们所关注和重视。为保证加固改造工程的安全性、可靠性、耐久性等，实施加固改造施工过程的监控，具有非常重要的意义。
该工程的施工监控对象是广州市重要的历史建筑之一，该桥具有施工技术水平高、投资额较大、规定工期短等特点。中跨的整体提升及南北两个边跨的浮运顶推过程是整个工程的重点和难点。中跨钢桁梁提升时整体的重量由固定在两个边跨贝雷梁上的四个吊架承担。在此过程中如果四个吊点不能保持协调同步，就可能造成其中的一个或几个吊架上的应力过大甚至失稳。为保证中跨施工过程的安全性，有必要对提升吊架和支撑立柱的强度实施监控。南北边跨浮运顶推施工涉及纵移滑道安装、钢桁梁提升、水上纵移、岸上纵移等诸多工序，各工序间还存在着边跨钢桁梁的体系转换、姿态控制等关键问题。为保证边跨浮运拖拉过程的安全性，也有必要对边跨钢梁的强度和稳定性实施监控。对海珠桥的施工监控贯穿于中跨及南北边跨的施工过程。
5.1.2 施工控制原理与方法
5.1.2.1 施工控制原理
桥梁施工控制有主动控制和被动控制两种，主动控制，是指首先分析每个工况下的各种可能的风险因素和导致该风险的概率大小，在此基础上确定和应用有效的防范措施；而被动控制是一种事后控制，它表现为实际施工目标已经产生偏差，我们接下来分析其原因，确定和运用一些方法对偏差进行纠正，以尽量保证工程在预定的状态下开展，尽可能地降低严重的偏差带来的损失[47-49]。
在桥梁的施工监控中，一方面，若仅仅等偏差出现后再进行纠偏即只应用事后控制，将造成施工控制的复杂性。因为首先偏差积累后使得风险因素错综复杂，导致运用纠偏方法更加困难；其次偏差会有累积效应，实际工程中表现为即使采取纠偏措施，但偏差不减反增。另一方面，虽然主动控制的效果优于被动控制，但实际工程中有很多偶然性的风险成分，而且其风险程度无法进行定量分析，因此施工中不可能只应用主动控制措施。因此，就桥梁的施工控制而言，主动控制和被动控制两者应同时结合应用，共同发挥作用。图 5.1 为施工控制的过程。
考虑桥梁施工监控的具体实施的情况，主动控制表现为编制工程施工计划，通过理论分析得到计算值等。为了减小偏差的影响或是避免其出现，在编制计划和计算过程中，须全面考虑一切可能出现的情况。如施工过程中边界条件的变化、各施工阶段中可能出现的各种不利状况等，必须尽早确定[50, 51]。
被动控制是对出现偏差后的纠正，具体表现为循环监控过程：施工－量测－判断－修正－预告－施工，为了保证施工过程中各工况下结构的安全和稳定，应该事先进行一系列的准备工作，其内容包括各控制点的位移、所布置控制断面的应力、结构温度场的数据整理工作。在每一施工阶段主要步骤结束时立即记录并保存各类数据，再进行数据的判断和分析，总结概括偏差的程度及原因。这种分析方法的目的是最大程度上减少甚至除去已存在的风险因素，得到接下来合适的施工指令，从而使得该循环监控过程成为良性。
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第6章 结论与展望
6.1 结论
本文以广州市简支钢桁架桥——海珠桥的大修施工为研究背景，介绍总结了适用于该桥型的受力特性分析方法以及施工监控的内容。在此基础上，采用MIDAS/CIVIL 2010 有限元软件建立边跨钢桁架、提升吊架结构的空间有限元模型，对边跨和中跨钢桁架的施工受力特性进行了仿真分析。然后将施工实测数据与分析值进行对比，得到了如下结论：
1、简单介绍了钢桁架桥的受力特性，分析并最终确定了运用有限元法进行海珠桥的受力特性分析。
2、根据施工图纸及资料，采用 MIDAS/CIVIL 2010 对边跨钢桁梁和中跨提升吊架进行了建模。依据实际的大修施工步骤进行了边跨和中跨的工况分析。边跨的仿真结果表明：边跨腹杆的应力普遍大于弦杆的应力，需对腹杆进行监测；有边界约束的位置上的边跨杆件应力较大，但小于容许应力；确定了施工监控时需要布置传感器的杆件。
3、中跨提升吊架的各工况的计算结果表明：贝雷梁在各工况下的强度均满足要求；验算吊架各有关构件的应力得到其强度均满足要求；确定了中跨贝雷梁需要监测的最不利杆件位置。4、对大修过程中应力的监测结果进行了整理与分析，主要成果有：列表计算得出校验系数，其值在 0.7~1.3 之间，说明仿真结果的合理性和准确性；施工中控制截面的各杆件的应力曲线走势平稳，体系转换时有应力变化，但仍在可控范围内，说明施工工艺安全、合理；列表对比分析边跨和中跨提升吊架的横桥向受力情况，结果表明施工过程受力均匀，无突变的不利情况。
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参考文献（略）
