复杂桥梁结构分析与施工安全监控的发展现状

周晓满

科学技术的发展和人们审美要求的不断提高，促使桥型不断的推陈出新。外形美观、形式新颖的桥型使得桥梁结构更加的复杂化。近年来，国内外都兴建了大量结构形式复杂、外观新颖的桥梁，如中国的广东虎门大桥、江阴长江大桥以及美国的Verrazano Narrows大桥、英国的firth of Forth大桥、澳大利亚的Sydney Harbour大桥、日本的Tatara大桥和挪威的Skarnsundet大桥等。

由于缺少相对细致的结构分析与相应的施工安全监控技术，在复杂结构桥梁大量兴建的同时，有相当一部分桥梁在施工和使用阶段都发生了很严重的问题及事故[1]。事故的发生说明复杂结构桥梁在设计、制作、施工、使用和管理等各方面还存在着很多的问题。有必要认真的分析事故发生的原因，提出预防和处理的措施，消除事故隐患，以保护人民生命和国家财产安全。目前复杂结构的分析和施工安全监控技术的研究也越来越多的受到业界的重视，已经成为国内外科研单位争相研究的热点。世界各国也都成立了专门的科研基金用来分析和解决复杂桥梁结构中的技术和工程问题[2]。

1 进行复杂桥梁结构分析与施工安全监控的必要性

复杂结构桥梁的大规模发展是对结构设计和施工技术的一次严峻挑战。其主要受力构件是三维钢网架，这种三维钢网架通过简单的几何构成复杂的优美的容积较大的造型。要实现这种三维钢网架结构，其主要的技术难点在于钢网架节点的复杂受力状况的分析与相应的构造处理措施。此外还应运用内力对钢网架尤其是拱肋和横拱交点处进行局部力学分析，得出重要节点的受力模式和规律，并按此分析进行节点的优化设计。同时由于拱肋为多道三维曲线造型，材料采用厚钢板，厚钢板三维曲线加工的难度相当大，并且焊接变形难以控制，造成空间三维曲线拱的成桥线形控制难度加大。这些复杂的构造形式都加大了结构计算和施工的难度。风荷载和地震动的空间变化对复杂结构桥梁多维空间管架结构的影响是不可忽视的。有研究结果表明，地震波的传播效应对大跨度网架结构有显著的影响，在地震荷载作用下，各个复杂节点的受力状况以及变截面杆件的力学性能将会有很大的变化，这些关键部位的受力分析将成为复杂结构桥梁安全运行的基础。

大型桥梁结构在施工过程中，结构的内力状态与分布很难通过理论计算事先作出准确估计，总会有可能发生一些人们事先预计不到的情况，有些则是只有通过实际测试才能了解清楚，而结构在施工过程中的安全则要求有绝对保证。特别对于结构形式或地形条件比较复杂的桥梁，施工过程中结构内力状态的变化可能会相当大。施工监控的目的就是要在施工过程中，随时掌握结构的实际状况，在理论计算的基础上，实际量测结构应力和变形，使之控制在安全的范围内，以确保结构安全和工程质量。施工监控工作贯穿于工程施工的全过程中，并与桥梁建成后的运营也存在着密切联系。对桥梁进行施工监控是桥梁施工质量和建设安全的重要保证措施。能够保证监控工作系统、全面地掌握施工过程中桥梁的受力、变形等力学性能，将监控结果反馈于施工中并更好地指导施工成桥后的受力状况;施工监控对于研究施工过程中的应力变化和变形规律，验证设计理论，完善桥梁结构设计分析方法具有十分重要的意义[3]。

对于复杂结构桥梁这样的多维空间管架结构，施工监控在建设和运行的过程中尤为重要。在施工中对复杂结构桥梁拱肋内力、变形及系杆张拉力进行监控，通过对监控数据的分析，及时对施工方案进行调整，协调拱肋及桥面荷载关系，指导系杆的张拉是保证拱肋处于最佳受力状态的必要手段。复杂结构桥梁空间结构复杂，其所采用的施工方法和安装程序与成桥后的结构恒载内力有着密切的联系。在施工阶段随着桥梁结构和荷载状态的不断变化，结构内力和变形随之不断发生变化。因此需对桥梁的每一施工阶段进行详尽的分析和实测验证，并采用一定的方法对结构变形、应力加以控制，以确保设计的施工过程得以准确实现。

综上所述，对复杂结构分析结果的偏差以及施工过程中的实际内力与设计值不吻合，可能会导致结构的破坏甚至整体结构的倒塌。复杂结构桥梁多维空间管架结构的结构计算分析和施工监控技术的研究是大桥能否顺利建设、安全运营的基础。

2 复杂结构桥梁计算分析和施工安全监控的主要研究领域

现阶段的主要研究领域为:对复杂结构桥梁多维空间网架结构的几何构成进行优化，给出合理、安全的结构形式;对其抗震、抗风安全性做出全面评价;给出各变截面杆件的受力分析;给出复杂节点在动、静载作用下的具体受力模式;选择合理的监控阶段，确定正确的控制参数和内容，提出切实可行的监控方法。其中主要分为以下几部分。

2.1 复杂结构桥梁复杂结构分析关键技术研究

1)复杂结构桥梁多维空间网架结构的几何构成与优化。2)零荷载线性坐标分析与全桥静力和动力分析。3)结构延性与抗震设计研究。4)各连接节点、变截面杆件的受力性能研究。

2.2 复杂结构桥梁施工安全监控关键技术研究

1)复杂结构桥梁施工全过程受力分析。2)复杂结构桥梁施工各阶段安全预警值的确定。3)复杂结构桥梁施工安全监控体系。4)复杂结构桥梁成桥安全检测。

3 复杂结构桥梁计算分析和施工安全监控的研究方法及技术路线

目前该领域的主要关键技术和创新点包括:复杂结构桥梁多维空间网架结构的几何构成与优化;复杂结构桥梁多维空间网架结构延性与抗震设计研究;多维连接节点、变截面杆件的受力性能研究;复杂结构桥梁施工安全监控体系优化方案研究。可以采用的研究方法如下[4，5]。

3.1 复杂结构桥梁复杂结构分析关键技术研究

1)埠桥多维空间网架结构的几何构成与优化。基于神经网络的网架结构初步优化设计的基本原理和步骤，根据复杂结构桥梁多维空间网架结构的特点，确定截面尺寸这一简单而又实用的优化目标，并将结构构件的一些简单特征(如杆长及受力特点等)作为神经网络的输入信息，对复杂结构桥梁多维网架结构的杆件规格和截面尺寸进行优化选择。2)零荷载线性坐标分析、全桥静力与动力分析。分析确定合理坐标系统，应用大型有限元分析软件ANSYS，建立复杂结构桥梁空间钢网架结构的三维有限元计算模型，分别对其进行静力与动力分析，计算结构在各种工况下的响应。3)结构延性与抗震设计研究。主要分析地震波的行波效应，多点激震对复杂结构产生的影响。采用自行设计的MATLAB程序作为有限元结构分析软件ANSYS输入多点激震的接口程序，对该桥结构进行时程地震反应分析，得出复杂结构桥梁的动力参数。通过运用考虑几何非线性的结构弹塑性极限分析方法，对桥梁中的钢筋混凝土桥墩的极限承载能力及结构延性等进行研究。结合结构的抗震对其延性系数进行计算，分析其非线性空间稳定性。根据计算所得的地震响应制定复杂结构桥梁的减震、隔震措施。并运用MATLAB软件对减震、隔震效果进行数值仿真。4)各连接节点、变截面杆件的受力性能研究。运用前述计算所得内力对管架结构尤其是拱肋和横拱交点处等节点进行局部力学分析，得出重要节点的受力模式和规律，并按此分析进行节点的设计。在有限元原理分析过程中，分析杆件时，由于杆件截面是线性变化的，在计算中，对变截面部分进行细致划分，每一段取中间截面作为这节杆件的计算截面。三维有限元分析中采用 8节点的块体单元对计算模型进行细致剖分。

3.2 复杂结构桥梁施工安全监控关键技术研究

1)施工全过程受力分析。运用ANSYS，ABAQUS，SAP等大型有限元软件对复杂结构桥梁各施工段进行跟踪结构模拟分析。为明确受力状态，仅考虑结构自重作用。分析时，纵横向单元划分结合施工实际，采用空间梁单元和实体单元，按照施工阶段逐渐加载，从而改变结构的受力体系，得出各施工阶段不利截面和节点的力学指标。2)复杂结构桥梁施工各阶段安全预警值的确定。根据有限元软件在各施工阶段的仿真计算结果，设定结构各控制部位内力变化的影响程度和各控制部位内力的安全范围。3)复杂结构桥梁施工安全监控体系。建立基于光纤传感器的智能结构监控的理论与方法，在Kammer提出的有效独立法(Effective Independence A 1gorithm)和Guyan模型缩减法等已有的测点优化布置方法基础上为采集复杂结构桥梁施工和健康监测所需的模态动态信息提供切实可行的传感器布设方案。4)确定合理的成桥检测方案对复杂结构桥梁进行成桥安全检测。

4 结语

本文综合讨论了复杂桥梁结构分析与施工监控技术的发展现状;探讨了面临的主要问题及关键技术;提出了系列的研究方法与技术路线。本文的研究成果可直接应用于复杂结构桥梁的设计、施工和使用过程中，从而保证桥梁设计、施工和使用阶段的安全性。本文所介绍的分析方法和施工监控技术可为复杂结构桥梁的设计和施工提供理论依据和积累经验，为结构分析理论和施工监控技术开辟新的研究发展领域。

[1] 彭 琦，李 亮，赵炼恒.高墩大跨度连续刚构箱梁桥的施工监测与仿真分析[J].铁道建筑，2008(2):47-48.

[2] 周 峰，王慧东.大跨连续箱梁桥悬臂施工监控研究与实践[J].石家庄铁道学院学报(自然科学版)，2009(2):104-105.

[3] 叶 新，李欣然，陈德伟.城闸大桥施工的监测与监控[J].中国市政工程，2008(3):4-6.

[4] 侯希承.预应力连续梁悬臂施工控制技术探讨[J].西部探矿工程，2005(7):20-21.

[5] 董 成.连续梁桥悬臂施工过程中的控制截面应力分析[J].内蒙古科技与经济，2007(22):59-60.