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1、航道桥梁整体同步顶升成套关键技术研究,2011 年 4 月,浙江省港航管理局汤修华,浙江省交通运输厅科技计划项目（2010H39）,内 容,本课题工作完成情况,研究展望,3,研究背景,1,2,1 研究背景及现状,通航孔净高限制,得天独厚的内河运输条件,改造成本低，施工周期短对周边环境影响小资源利用率高，社会效应好,新建结构可靠度高改造后桥梁使用年限长,1 研究背景及现状,建筑物位移,桥梁顶升,整体同步顶升工程应用,天津狮子林桥 上海吴淞大桥北引桥 湖州岂风大桥 湖州南林大桥,上海音乐厅整体平移上海清水湾保留建筑 顶升平移,屺风大桥,桥梁顶升技术的成功应用，为今后我省航道升级中老桥改造提供技术支
2、撑。,屺风大桥顶升前（通航净高4.5m),屺风大桥顶升后（通航净高7m),3.2 技术创新,(1)运用桥梁整体顶升技术完成了屺风大桥顶升,屺风大桥原貌,屺风大桥是2002年建成的公路桥，净高4.5m，主跨73m。通过桥梁结构检测，经多次论证，确定对桥梁实施顶升工程。,顶升控制室,顶升液压控制系统,通过计算机同步控制技术，实现桥梁整体同步顶升。,顶升过程：在立柱间浇筑钢筋混凝土抱柱梁，再在上下抱柱梁之间安装千斤顶，将立柱切断后，顶升抱柱梁来改变桥面标高。,抱柱梁结构,千斤顶,临时钢垫块,首次试顶升10cm,顶升80cm时,顶升高度2.5m时,顶升长度：255米顶升重量：4320吨顶升高度：2.5
3、米缩短工期：12个月节约资金：近1000万元节约用地：30亩,顶升完成的屺风大桥,2 本课题工作完成情况,合同工期：2010年1月20日2010年8月31日,2 本课题工作完成情况,3 研 究 展 望,抱柱梁结构形式及设计理论尚需研究,墩柱接高技术有待完善,技术指南有待补充与完善,研究报告,技术指南,工程经验,技术,航道桥梁整体同步顶升成套关键技术研究,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,1 航道桥梁桥型统计分析,典型航道桥梁主要结构形式,航道桥梁统计资料,典型航道桥梁及其比例,当通航净宽无法满足升级后航道需要时，单纯抬高航道桥梁高程也无济于事。,确定研究对
4、象,航道等级提高，其通航孔的净宽与净高均呈不同程度的增长；,内河通航规范,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,浙江省内河航道桥型统计,内河航道桥梁中以梁式桥和拱式桥为主，罕见大跨径的缆索支承桥梁仅说明受力主桥受力特征，未给出具体的航道桥梁结构形式,依据浙江省内河航道图册统计分析获得,连续梁桥,刚构桥,系杆拱桥,其他,连续梁桥,桁架梁桥,系杆拱桥,其他,预应力混凝土连续梁桥、系杆拱桥以及刚构桥是航道桥梁中主要的结构形式PC连续梁桥是梁氏桥的主要结构形式；系杆拱桥为拱桥的主要结构形式,杭甬运河及申张线航道桥梁形式统计分析,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,不同功能航道桥梁的结构形式分析,连续梁桥
5、,刚构桥,系杆拱桥,其他,桁架梁桥,桁架拱桥,系杆拱桥,普通拱桥,公路及市政桥梁以系杆拱桥、连续梁桥以及 刚构桥为主；机耕及人行桥以桁架梁桥、系杆拱桥、桁架拱桥以及普通拱桥为主。,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,2 施工可行性分析,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,特点：结构简单，布置灵活 施工简单，承载力较高 受桥墩形态影响较大 混凝土结构浇筑拆除麻烦,特点 布置灵活，装卸方便 自身承载力较低,特点 原桥利用率高 施工成本低 施工空间受限,特点-安装拆除方便-单次成本较高,2.1 顶升反力系统,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,盖梁,抱柱梁,钢托架
6、,钢牛腿,顶升反力系统选用原则,2.2 顶升限位支架系统,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,2.3 临时支承系统,钢管支撑墩,混凝土支撑墩,承载力高，稳定性好，标准化施工，通用性好。便于施工，适用范围广；在满足基本要求的前提下，原则上采用钢管支撑墩；,承载力极高，稳定性好；但施工复杂，周期长；当钢管支撑墩无法满足整体稳定要求时采用混凝土支撑墩；,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,2.4 墩柱接高技术,墩柱接高流程,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,顶升控制系统 顶升过程中单点内同步与多点同步尚未完全解决,顶升后原桥结构可靠度不足桥墩高度增大，稳定性下降；节点刚度突变不利于结构抗震；新老混
7、凝土性能相差大，连接可靠度低。,限位支架体系功能仍需扩展仅约束桥跨结构的水平位移，不承担竖 向作用；未考虑因上部结构调坡引起的角度变更；,抱柱梁结构有待优化 混凝土抱柱梁结构浇筑拆除麻烦，影响其适用范围,No.2,No.3,No.4,整体顶升施工局限性,No.1,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,简支梁桥、PC连续梁桥、系杆拱桥,现有技术可较好地实现该类桥型的整体同步顶升改造,上部结构重度大,顶升控制点多,多跨多联带坡度的桥梁,采用目前施工技术存在一定的风险与难度,整体同步顶升关键技术有待进一步优化,2.5 施工可行性分析结论,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,3 结构体系可行性分析,第一
8、部分：整体同步顶升适用桥型分析,利用托换结构；原支座仍需工作；上部结构约束位置不变；,3.1 边界条件分析,桥墩顶升,桥跨顶升,千斤顶直接作用于上部结构；原支座退出工作；桥跨结构的约束位置小幅更改；,桥墩顶升,桥跨顶升,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,边界约束类型不改变桥墩顶升时全桥结构内力不变化桥跨顶升时内力变化幅度小,边界约束类型不改变桥墩顶升时全桥结构内力不变化桥跨顶升时内力减少,施工前,施工截断,施工前,施工截断,3.2 简支体系&连续体系,适合顶升,适合顶升,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,3.4 刚构体系桥梁,顶升前受力情况,施工阶段受力状态,第一部分：整体同步顶升适用桥型
9、分析,结构体系改变，但可以通过一定的措施予以缓解；施工技术复杂，施工步骤繁琐；水平推力难以确定，顶升风险大,3.5 拱式体系结构,不适合顶升,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,第一部分：整体同步顶升适用桥型分析,桥墩截断位置及稳定性分析,第二部分,桥墩截断位置分析,桥墩施工阶段稳定性分析,2,1,第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析,以承受水平作用为主；用于带水平推力拱桥桥墩以及柔性排架墩；航道桥梁中大都为前者；,特点,特点,特点,承受竖向作用为主；使用范围最为广泛，简支梁桥、连续梁桥以及无水平推力等均采用该类桥墩；,具有较大的变形能力；多用于斜拉桥的辅助墩以及刚构桥主墩；,柔性墩,垂直力墩,
10、水平力墩,1 截断位置分析,结构形式,1.1 桥墩截断位置影响因素,桥墩截断位置,顶升后桥墩加固区域位置,第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析,1.2 垂直力墩&水平力墩,第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析,垂直力墩,水平力墩,1.4 柔性墩,第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析,垂直力墩,柔性墩,在墩底附近截断原桥桥墩,在墩梁固结部位将原桥桥墩截断。,水平力墩,在拱肋固结区域将主拱拱肋截断。,简支梁桥连续梁桥桁架梁桥系杆拱桥,拱式体系,刚构桥柔性排架墩,1.5 桥墩截段位置分析结论,第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析,2 桥梁稳定性分析,桥墩高度增大,稳定性降低,桥墩失稳,全桥失稳,第二部分：桥
11、墩截断位置及稳定性分析,2.1 基本原理,稳定问题,极值稳定,极限状态下荷载不增长但体系的变形继续增长,临界状态下任意扰动都将使结构丧失稳定性,临界值：初始荷载F,欧拉稳定,结构的弹性刚度矩阵,结构的几何刚度矩阵,扰动荷载引起的附加位移向量,第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析,2.2 有限元分析模型的建立,三维梁单元 Beam 189,Beam44 单元,2m2m的实体桥墩截面,Taper 命令实现变截面,弹性模量E=35000MPa 泊松比=0.1667 材料密度=2600kg/m3,第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析,第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析,2.3 桥墩稳定性分析,桥梁顶升期间
12、临界屈曲荷载与墩轴向力比值大于1，桥墩不发生失稳破坏,第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析,桥墩临界失稳高度计算,稳定系数随墩高的增加而降低当墩高接近36m时，桥墩所承受的轴向力接近临界屈曲荷载,2.4 全桥稳定性分析,第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析,工况一：结构自重 工况二：结构自重横向风荷载,临界稳定特征值：=5,当特征值 5时，结构稳定；当特征值 5时，全桥结构可能发生失稳破坏；,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,1.1 液压缸基本原理,当PAP1时，液压缸无杆腔供油，活塞伸出，顶升;当PAP1时，液压缸无杆腔回油，活塞在外荷载作用下缩回;当PAP1时，液压缸停止运动;,1.2 高压
13、油管流量分析,在高压软管中取一轴线与管道轴线重合的微小圆柱体，微小圆柱体长为l，半径为r，作用在小圆柱体两端的压力为p1和p2，微圆柱体表面作用有切应力，在轴线方向上的受力平衡方程为：,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,1.3 非对称液压缸负载流量,工作原理,负载流量理论流量Qt泄漏流量Ql压缩流量Qy,理论流量,无杆腔连续方程：有杆腔连续方程：,紊流性泄漏,层流性泄漏,压缩性流量,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,惯性力,粘滞阻力,弹簧力,外荷载,活塞力,1.4 活塞力平衡方程,牛顿第二定律,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,拉普拉斯变换,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,液压缸顶升
14、系统工作流程图,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,引入位移传感器网络对顶升施工过程进行监测，在顶升点位置信息采集过程中，采用kalman滤波对位移传感器网络的数字信号进行滤波处理，得到每步顶升点最优位移估计值。然后基于此位移最优估计值，运用位移差值平均算法，对桥梁的顶升姿态进行调整，从而保证顶升过程的高度同步性。,2 顶升同步算法研究,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,开环顶升系统，其同步完全依靠液压系统的同步，不对顶升点的位移差进行馈，所以顶升点的位移差不能消除反而会越来越大，甚至导致结构倾覆、断裂。,2.1 同步顶升原理和建模,开环顶升系统,闭环顶升系统,第三部分：顶升设备配套关键技术
15、研究,设将桥梁分成n个顶升点，令k表示第k步顶升，xi(k)表示在第k步开始的时候顶升点i的实际累积顶升高度，ui(k)表示在第k步中顶升点i的期望调整距离，i=1,n。那么在第k+1步开始的时候，顶升点i的累积顶升高度为,xi(k+1)=xi(k)+ui(k)+vi(k),其中vi(k)表示液压系统中千斤顶运动的干扰。这里假设干扰vi(k)服从均值为零的高斯分布,顶升点运动建模,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,2.2 传感器网络和Kalman滤波,液压系统 1,顶升点 1,液压系统 2,顶升点 2,液压系统 n,顶升点 n,同步协调控制,传感器(1,1)传感器(1,n1),传感器(2,1
16、)传感器(2,n2),传感器(n,1)传感器(n,nn),Kalman滤波器 1,Kalman滤波器 2,Kalman滤波器 n,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,假设在顶升点i上放置了ni个位移传感器，每个传感器是同步的。中央控制器接收到的顶升点i的第j个传感器在第k步测量到的数据含有白噪声，其形式为,其中wij(k)为测量误差，由传感器本身特性决定,kalman滤波算法,yij(k)=xi(k)+wij(k),Kalman滤波可以有效处理随机白噪声，得出最优估计值,Qi(K)和Pi(k)分别为相应的最优估计误差和预测误差,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,部分学者选择一个顶升点作为参考
17、点，调整其他顶升点的位移,我们采用基于所有顶升点的Kalman最优估值的平均值来调整各顶升点的位置，即：,其中d(k)表示在第k步设定的顶升距离。,2.3 基于平均位移的同步算法,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,结合顶升点运动建模：xi(k+1)=xi(k)+ui(k)+vi(k),基于平均位移的同步算法,基于平均位移的调整机制与基于某一顶升点作为参照的调整机制其优点在于前者的最大调整距离差小于后者的，即,推出：,这有利于提高整个桥梁顶升的效率,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,同步顶升算法流程,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,桥梁顶升点的划分：,主桥的主墩周围布置的20个千斤顶作为
18、一组，由一个液压泵驱动，组成一个液压系统，每个边墩周围布置的8台千斤顶也作为一组；南北引桥的每个垮的2个抱柱梁上的4台千斤顶作为一组，所以这2个抱柱梁视为1个顶升点。,2.4 实桥整体顶升数值仿真,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,在每个顶升点设置4个位移传感器,显然设置多个传感器比设置1个更能准确地测量顶升点的位移。,千斤顶和传感器的布置,主桥中墩千斤顶布置,主桥边墩千斤顶布置,引桥桥墩千斤顶布置,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,Kalman滤波后的测量误差和实际测量误差,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,顶升过程中所有顶升点的最大运动位移差,所有顶升点的最大位移差小于4.5mm,第
19、三部分：顶升设备配套关键技术研究,设在达到最终目标顶升距离3米前，每步调整100mm使用matlab编制程序，顶升过程为,第三部分：顶升设备配套关键技术研究,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,建立有限元模型,计算结果与分析,小结,1,2,3,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,1 有限元模型,根据施工施工图，建立南林大桥有限元模型。考虑纵桥向和横桥向的不均匀位移，对于顶升点设置有所不同。（上图为纵桥向，下图为横桥向。）,纵桥向模型,横桥向模型,评定依据,注：由于顶升的过程中，没有考虑活荷载的影响，当桥梁顶升就位后，桥梁将重新承受活荷载作用，同时也将附加承受不均匀位移引起的次内力，这对桥梁
20、受力是不利的。为了更加合理的评定桥梁顶升施工的安全性及考虑桥梁顶升后的受力特点，由不均匀位移引起桥梁结构应力，规定拉应力值不超过于混凝土的抗拉强度。,仅由不均匀位移引起的边缘混凝土的法向拉应力,混凝土抗拉强度,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,纵桥向不均匀位移组合,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位
21、移数值模拟,纵桥向的不均匀位移的最大限值各不相同。横桥向的不均匀位移的最大限值为5mm和11mm。不均匀位移与拉应力关系曲线表明，随着不均匀位移增长，拉应力呈线性增长。,纵桥向拉应力变化规律,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,横桥向不均匀位移组合,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,横桥向拉应力变化规律,横桥向不均匀位移的控制值要小于纵桥向，在整体同步顶升过程中，横桥向不均匀位移作为控制指标。在桥梁顶
22、升过程中，要对每个顶升阶段都进行实时控制，参照以上的数据结果，及时对桥梁的不均匀位移进行调整，确保施工质量。,第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟,整体同步顶升经济性分析,第五部分,顶升系统经济性分析,顶升系统设备分析,顶升工程造价分析,两种顶升系统设备介绍,两种顶升系统工作性能比较,南林大桥顶升工程造价编制,桥梁顶升工程造价估算,同步顶升设备用量清单,第五部分：整体同步顶升系统经济性分析,研 究 思 路,3,2,1,3,2,1,液压油缸,油泵,PLC 控制系统,发电设备,其他,螺旋千斤顶,1顶升设备经济性分析,第五部分：整体同步顶升系统经济性分析,1.2 两种设备的性能比较,第五部分：整体同
23、步顶升系统经济性分析,1.3 基于电动设备的顶升可行性分析,第五部分：整体同步顶升系统经济性分析,2.1 南林大桥同步顶升造价编制,编制依据,第五部分：整体同步顶升系统经济性分析,7 分部分项工程量清单综合单价分析表,南林大桥顶升造价编制的计价表及价格分析表,第五部分：整体同步顶升系统经济性分析,2.2 基于南林大桥顶升造价的估算方法,抱柱梁工程费用接近总费用的一半,第五部分：整体同步顶升系统经济性分析,抱柱梁,墩柱接长,限位结构,基础与桥面,顶升设备,零星人工材料费,每千吨桥重约耗费17.67万元,每千吨桥重顶升1m约耗费1.08万元,每使用一个千斤顶约耗费0.95万元,每百平米桥梁面积约耗
24、费0.86万元,每千吨桥重每天约耗费0.1万元,包括项目措施费及规费、税金占总造价的10%，将上述6项费用除以0.9即为此项费用,PLC控制系统：2.8万元套油泵台班单价：320元其他设备费：每千吨每顶升1m约300元,其他,第五部分：整体同步顶升系统经济性分析,以岂风大桥为例,南林大桥顶升造价,顶升造价估算方法,第五部分：整体同步顶升系统经济性分析,由墩柱个数决定，原则上每个桥墩均设置一个光栅尺,桥跨50100m内设置一个油泵，且其控制液压缸数目不超过50个,单套控制单价28000元，一次 顶升使用一套控制系统,油缸数目桥跨重度安全系数单个油缸吨数；安全系数通常为22.2,光栅尺,油泵,PLC同步控制系统,液压油缸,2.3 顶升设备用量清单,第五部分：整体同步顶升系统经济性分析,谢 谢！,
