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| 內容簡介: |
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拱桥具有结构受力合理、刚度大、造型美、经济性和耐久性好等优势,是山区极具竞争力的桥型。《大跨度拱桥建造与运维》针对复杂环境下大跨度拱桥建养重大需求,围绕快速精细设计、高效精准建造、服役性能感知、抗震韧性提升等重大科学技术问题,系统总结了作者团队二十余年科技攻关与工程实践成果。《大跨度拱桥建造与运维》共分为7篇,各篇章既相对*立又相互呼应。第1篇至第3篇分别介绍大跨度拱桥设计计算、建造控制及状态评估的新理论、新方法,第4篇介绍大跨度拱桥建造与运维过程中重点关注的温度场作用,第5篇和第6篇分别介绍大跨度拱桥减震控制方法与性能提升理论和技术,第7篇介绍用于大跨度拱桥建养新理论、新技术和新工艺验证的大比例缩尺模型试验。
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目录序一序二前言绪论 10.1 拱桥发展概述 10.1.1 古代拱桥 10.1.2 近现代拱桥 20.2 我国大跨度拱桥建设成就 50.2.1 钢拱桥 60.2.2 钢管混凝土拱桥 60.2.3 钢筋混凝土拱桥 70.3 拱桥科技创新与发展趋势 80.4 新环境下拱桥建养面临的挑战 120.5 本著作主要内容 12第1篇 大跨度拱桥计算新理论与设计新方法第1章 大跨度拱桥恒载合理拱轴线精确解析 191.1 真实荷载分布模式下大跨度拱桥合理拱轴线模型 191.1.1 裸拱分布荷载作用下拱轴线模型 191.1.2 恒载下的拱轴线模型 221.2 大跨度拱桥合理拱轴线解析计算 241.2.1 基于设计拱顶应力的合理拱轴线求解 241.2.2 基于设计拱顶面积的合理拱轴线求解 251.3 同现有解析方法的对比 261.3.1 合理拱轴线计算 261.3.2 拱轴线形对比 271.3.3 弯矩与偏心矩对比 271.4 案例分析 291.4.1 合理拱轴线计算过程 291.4.2 结果分析 301.5 小结 31第2章 大跨度拱桥成桥状态解析计算与弯矩调幅方法 322.1 合理拱轴线下拱桥成桥状态求解 322.1.1 无铰拱的控制微分方程 322.1.2 合理拱轴线下成桥位移与弯矩表达式 342.1.3 弹性中心解析 362.1.4 赘余力解析 372.1.5 算例验证 392.2 合理拱轴线下主拱弯矩与挠度变化规律 402.2.1 弯矩变化 402.2.2 拱顶位移变化 412.3 大跨度拱桥成桥弯矩调幅法 422.3.1 基于轴向压缩补偿的弯矩调幅法 422.3.2 基于影响矩阵的弯矩调幅法 442.4 弯矩调幅方法验证 472.4.1 恒载与长期效应弯矩调幅法验证 472.4.2 活载弯矩调幅法验证 502.5 小结 51第3章 合理拱轴线下拱桥线性屈*失稳解析计算方法 523.1 合理拱轴线下的反对称屈*解析 523.2 基于能量变分原理的线弹性稳定系数求解 543.3 算例验证 563.3.1 反对称失稳模态 563.3.2 稳定系数 573.4 拱桥稳定影响性分析 583.4.1 稳定系数影响性分析 583.4.2 计算长度系数影响性分析 593.5 小结 61第4章 大跨度拱桥几何非线性响应解析计算方法 624.1 拱结构非线性响应解析方程 624.2 拱结构非线性响应求解 644.3 几何非线性仿真验证 674.3.1 总挠度对比 674.3.2 总弯矩对比 694.4 大跨度拱桥非线性弯矩变化规律 704.4.1 总弯矩 704.4.2 非线性增量弯矩 724.4.3 弯矩增大系数 734.4.4 弯矩增大系数的适用性分析 754.5 小结 78第5章 考虑强度与稳定的主拱截面自适应设计方法 795.1 对称恒载主导下大跨度拱桥高轴力水平破坏状态 795.1.1 双重非线性仿真模型建立 795.1.2 大跨度拱桥高轴力水平破坏状态 815.2 主拱强度与稳定的自适应匹配 835.3 联合强度与稳定的截面设计 845.4 大跨度拱桥截面自适应设计方法 845.5 案例与验证 855.5.1 应力对比 865.5.2 反力对比 885.6 小结 88第6章 考虑双重非线性的大跨度拱桥承载力计算方法 906.1 考虑几何非线性的无铰拱内力及位移计算方法 906.1.1 差分法基本理论 906.1.2 悬链线无铰拱任意竖向荷载下考虑几何非线性的差分解法 926.1.3 钢筋混凝土拱桥算例 956.2 基于自适应刚度的无铰拱承载力几何-材料双重非线性计算方法 996.2.1 基于材料非线性的内力计算方法 996.2.2 拱截面的变形与刚度 1066.2.3 基于自适应刚度的双重非线性算法 1106.2.4 钢筋混凝土拱桥算例 1136.3 悬链线拱承载力试验研究 1166.3.1 劲性骨架混凝土拱破坏试验研究 1176.3.2 悬链线拱双重非线性承载力算法验证 1256.4 小结 130参考文献 132第2篇 大跨度拱桥成拱新理论与控制新技术第7章 大跨度拱桥精准快速成拱新理论 1377.1 原形成拱原理 1377.1.1 拱桥分阶段成拱状态的唯一性原理 1377.1.2 原形成拱控制方法 1397.2 成拱前后力学状态连接 1407.2.1 施工过程与成拱后力学状态连接 1407.2.2 多源误差量化 1477.3 全过程*优原形成拱计算方法 1497.3.1 方法基本框架 1497.3.2 力学状态连接 1507.3.3 约束方程 1507.3.4 目标函数 1527.3.5 *优成拱索力计算 1527.4 小结 152第8章 大跨度拱桥施工状态监测新方法 1548.1 基于三维激光扫描的拱桥线形监测方法 1548.1.1 三维激光扫描概述 1548.1.2 大跨度拱桥三维激光扫描数据获取 1558.1.3 点云数据的处理 1598.1.4 拱轴线特征提取 1618.1.5 拱桥变形监测方法 1648.2 基于红外摄影的拱桥温度场监测方法 1698.2.1 红外测温原理 1698.2.2 红外测温影响因素 1738.2.3 拱肋整体温度场获取方法 1768.3 基于机器视觉的拱桥大临结构施工变形监测方法 1808.3.1 单目视觉的图像测量基础理论 1818.3.2 自动定位合作特征的索塔位姿解算理论 1838.3.3 理论模拟和室内场景的拱桥评估验证试验 1898.4 小结 197第9章 大跨度拱桥精准制造控制技术 1999.1 制造节段数字模型高精重建 1999.1.1 拱桥节段精确配准方法 2009.1.2 拱肋节段逆向参数提取与BIM重建 2079.1.3 法兰盘逆向参数提取及重建 2099.2 数字预拼计算方法 2129.2.1 刚性拼接 2129.2.2 考虑力形耦合的预拼计算 2139.2.3 数字拼装计算方法实验验证 2159.3 基于数字预拼的拱桥制造控制技术 2189.3.1 多轮次预拼线形传递原理及精确接续控制技术 2199.3.2 大规模预拼制造快速成形控制技术 2219.3.3 拱肋节段全数字预拼制造技术 2269.4 小结 230第10章 大跨度拱桥成拱过程调控新技术 23210.1 大跨度拱桥原形复位安装控制方法 23310.1.1 拱肋节段基准原形 23310.1.2 拱肋节段安装目标姿态 23510.1.3 拱肋节段姿态调整计算方法 23710.2 大跨度拱桥节段安装一次精调技术 23810.2.1 三维千斤顶多点同步调整法 23910.2.2 扣背索多点张拉同步调整法 24010.3 大跨度拱桥封铰与合龙体系转换控制 24110.3.1 原形封铰控制方法 24110.3.2 原形合龙控制方法 24410.4 小结 246第11章 基于红外热成像的管内混凝土灌注监控技术 24711.1 基于红外热成像的管内混凝土灌注实时监测技术 24811.1.1 基于红外热成像的液位检测原理 24811.1.2 混凝土液位实时追踪和定位方法 24911.1.3 混凝土液位监测系统 25311.1.4 灌注过程结构力学状态实时评估方法 25411.2 基于红外热成像的钢管混凝土脱空检测技术 25511.2.1 钢管混凝土脱空红外检测原理 25511.2.2 钢管混凝土红外脱空检测分析方法 25711.2.3 红外脱空检测分析方法试验验证 26811.2.4 基于降温激励的CFST脱空红外检测方法 27311.3 小结 275第12章 工程应用案例 27612.1 贵州德余乌江特大桥 27612.1.1 工程概况 27612.1.2 全过程*优成拱计算效果 27712.1.3 数字预拼制造控制效果 28012.1.4 原形复位安装控制效果 28212.1.5 大桥建造控制效果 28412.2 重庆双堡特大桥 28812.2.1 工程概况 28812.2.2 管内混凝土灌注过程可视化监测 28912.2.3 管内混凝土脱空红外检测 29212.3 小结 295参考文献 297第3篇 大跨度拱桥服役状态评估方法第13章 考虑真实性态的服役拱桥几何非线性分析模型 30113.1 样条函数基本理论 30113.1.1 样条函数的基本概念 30113.1.2 B样条函数的构造 30213.1.3 B样条函数的数值方法 30313.1.4 样条基函数 30313.2 考虑真实性态的拱几何非线性分析基本方程 30513.2.1 基于真实拱轴线形的几何方程 30513.2.2 考虑温度变化的内力合成 30613.2.3 考虑刚度退化的平衡方程 30613.2.4 约束方程 30713.3 服役拱桥几何非线性控制微分方程及求解 30713.3.1 控制微分方程 30813.3.2 方程离散化及求解 31013.4 算例分析 31413.4.1 工程概况 31413.4.2 模型有效性验证 31413.4.3 服役拱桥力学性能演化规律探究 31813.5 小结 323第14章 基于截面本构关系的服役拱桥极限响应快速分析方法 32514.1 服役拱桥截面刚度退化识别 32514.1.1 问题描述 32514.1.2 刚度识别方法 32614.2 截面本构关系实用计算公式 32814.2.1 纤维模型法 32814.2.2 本构关系特征模式 33114.2.3 实用计算公式 33614.3 服役拱桥极限响应快速分析方法 33714.3.1 拱肋位移与截面变形的关系 33714.3.2 截面破坏准则 33814.3.3 方法实施步骤 33914.4 算例分析 34014.4.1 截面初始刚度识别 34014.4.2 截面本构关系建立 34514.4.3 极限响应计算 34814.5 小结 352第15章 多种失效模式耦合下服役拱桥可靠度评估方法 35415.1 截面失效概率高效获取 35415.1.1 截面功能函数
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绪论 0.1 拱桥发展概述 拱桥是*基本的桥梁结构形式之一,其通过自重产生免费的预压力,具有刚度大、受力合理、经济性优、耐久性好等诸多优势,是极具竞争力的桥型[1-3]。拱桥的发展历程堪称人类智慧与自然规律深刻互动的典范,以其*特的结构美学与卓越的承载能力,在桥梁史上留下了浓墨重彩的一笔[4-5]。本章将从历史发展脉络出发,系统梳理拱桥技术的演进历程,着重探讨古今中外拱桥建造技术的重要成就与突破。 0.1.1 古代拱桥 0.1.1.1 国外古代拱桥的发展 早在公元前4000年左右,美索不达米亚地区就开始出现了拱形结构雏形,公元前3000年左右的古埃及文明也留下了拱形建筑的印记。这些早期实践为后世拱桥技术的发展奠定了基础。 古罗马时期是拱桥发展史上具有划时代意义的重要阶段。罗马人不仅继承和发展了早期文明的拱形建造经验,更是在材料、工艺等方面实现了重大突破。在施工技术上,他们创造性地发展出木质支架施工技术,解决了拱桥施工难题。这一时期建造的多座宏伟拱桥成为人类文明的杰出代表。建于公元前1世纪的加尔桥(Pont du Gard)采用三层拱券叠加结构,总高度达49m,展现了罗马工程师卓越的设计智慧和精湛的建造技艺。公元105年建成的阿尔坎塔拉桥(Puente de Alcántara)是一座六孔石拱桥,最大跨度达28.2m,其精确的几何设计和完美的力学性能令人叹服。公元134年建成的圣安杰洛桥(Ponte SantAngelo)采用创新的圆拱设计,经过近两千年的考验,至今仍在服役,充分证明了罗马拱桥技术的先进性。在理论研究方面,维特鲁威的《建筑十书》系统总结了拱桥设计与建造原理,为后世留下了宝贵的技术文献。 进入中世纪后,欧洲各地在继承罗马拱桥技术的基础上实现了新的突破。建筑风格上,哥特式尖拱的应用不仅提高了结构效率,也创造出*特的审美价值。一些地区发展出融合宗教功能的教堂桥建筑形式,如法国的圣贝内泽桥(Pont Saint-Bénézet)就是其中的典型代表。在结构技术方面,中世纪工匠们发展出空腹拱技术,有效减轻了拱上建筑的重量。同时,改进的基础处理方法和防洪设计提高了桥梁的整体稳定性和耐久性。这一时期的代表性工程包括建于996年(后于1345年重建)的佛罗伦萨老桥(Ponte Vecchio),它是世界上*古老的石拱桥之一。 0.1.1.2 中国古代拱桥的发展 中国古代拱桥技术的发展形成了*具特色的技术体系,其演进过程体现了中国传统建造智慧的精髓。早在汉代,我国就掌握了规模较大的石拱桥建造技术。随后的魏晋南北朝时期,拱桥建造技术不断改进,为隋唐时期拱桥的蓬勃发展奠定了基础。 隋唐时期是中国古代拱桥发展的重要阶段。这一时期,随着经济的繁荣和交通需求的增长,拱桥建设进入高潮。在建造技术上,工匠们创造性地发展出纵向并列砌筑法、楔形拱石标准化加工等关键技术,解决了大跨度拱桥的受力问题。其中,赵州桥的建成代表了中国古代拱桥技术的*高成就。该桥采用敞肩式布局、双*线拱形等创新设计,其设计理念和结构形式对后世桥梁建造产生了深远影响。同时,北方地区开创性地采用了砖拱结构,丰富了拱桥的建造形式。在工程实践中积累的经验逐步上升为理论,形成了系统的营造规范。 北宋时期,李诫在《营造法式》中对拱桥建造技术进行了系统总结,标志着中国古代拱桥理论逐渐趋向成熟。该著作详细记载了拱桥的设计原理、构造要求和施工工艺,为后世桥梁建造提供了重要参考。理论的成熟推动了实践的创新,这一时期修建的石拱桥在跨度和造型上都取得突破。 明清时期,拱桥建造技术在传承中创新。福建地区发展出*具特色的廊桥建造体系,将桥梁功能与人文空间有机结合,其典型代表有坑坪桥、远济桥等。此外,1757年建成的五亭桥(又名莲花桥),全长58m,桥墩由12块青石砌成,形成厚重有力的“工”字形桥基。建于清乾隆年间的颐和园玉带桥,单孔跨径达11.38m,桥面是双反向*线,组成波形线桥型。清代重建的北京卢沟桥,其精美的石狮雕刻、优美的桥身*线以及复杂的多孔连拱结构,展现了当时工匠的卓越技艺。著名的杭州大石桥(又名望仙桥)、云南锁翠桥、贵州南门桥、杭州拱宸桥、江苏清名桥、浙江长虹桥、北京永通桥、北京通运桥等亦是这一时期的代表性桥梁。该时期的拱桥不仅在结构上追求合理性,还注重与环境的协调统一,体现了中国传统建筑的整体性思维。同时,大量工程实践促进了建造工艺的标准化,为近现代桥梁工程的发展积累了宝贵经验。 0.1.2 近现代拱桥 0.1.2.1 国外近现代拱桥的发展 工业革命开启了拱桥发展的新纪元,材料技术和力学理论的双重突破奠定了现代拱桥技术的基础。18世纪末期,英国工程师达比(Abraham Darby III)在塞文河上建造了世界*座铸铁拱桥。该桥采用半圆形拱肋,跨径达30.5m,其成功建造标志着金属拱桥时代的开始。这一创举不仅体现了工业革命带来的材料工艺进步,更开创了金属结构在桥梁工程中应用的先河。 19世纪中后期,随着钢铁冶金技术的进步,钢材逐渐取代铸铁成为大跨拱桥的主要建造材料。这一时期,工程力学理论取得重大突破,弹性理论和图解法的建立为拱桥设计提供了科学依据。其中,结构静力图解法的提出大大简化了拱桥内力分析过程,弹性理论的提出和发展为拱桥结构的精确计算奠定了基础。这一时期的代表性工程包括:1877年建成的葡萄牙玛丽亚?皮亚大桥(Ponte Maria Pia),该桥主跨160m,是当时世界上单跨*长的拱桥;法国修建的加拉比大桥(Garabit Viaduct),主跨为165m,采用抛物线拱进行设计,该桥创新性地采用了铰接系统,有效地解决了温度应力问题。这些工程实践推动了拱桥理论的发展,催生了一系列重要技术创新。 20世纪初,钢筋混凝土材料的应用掀开了拱桥发展的新篇章。瑞士工程师罗伯特?马亚尔(Robert Maillart)在混凝土拱桥设计领域做出开创性贡献。他设计的薄壳拱桥体系巧妙利用了混凝土材料的特性,创造出轻盈优美的结构形式。同时,预应力技术的发展为混凝土拱桥注入了新的活力。法国工程师尤金?弗雷西内(Eugène Freyssinet)在预应力混凝土技术研究方面取得突破性进展。该技术的应用不仅提高了结构效率,也扩展了混凝土拱桥的适用范围。 第二次世界大战后,计算理论和施工技术的创新推动了拱桥向更大跨度发展。有限元方法的引入使得复杂拱桥结构的精确分析成为可能。美国学者特纳(Turner)等在有限元理论研究方面的开创性工作,为现代桥梁结构分析奠定了基础。计算机辅助设计技术的发展,使得优化设计和参数化建模得以实现,大大提高了设计效率。 施工技术方面,悬臂浇筑、整体吊装等新工艺的应用显著提升了施工效率和质量。1980年建成的克罗地亚克尔克大桥(KRK Bridge)采用新型支架系统,跨径达390m,展现了现代拱桥施工技术的进步。材料技术创新持续推动拱桥结构的优化。高性能混凝土的应用提高了结构的耐久性[6],碳纤维复合材料的引入为拱桥轻量化提供了新的解决方案。 0.1.2.2 中国近现代以来拱桥的发展 中国近代拱桥始于铁路桥梁。据统计,1840年到1912年这一时期共修建各式中小跨度的铁路拱桥2000多座,在这一过程中,石拱桥初露头角,混凝土和钢筋混凝土拱桥开始起步,其中的代表性石拱桥有中东铁路穆棱河桥(跨度10×12.8m)、绥芬河桥(跨度53m)等。同时,国外铁路桥梁修筑技术开始传入中国,并对中国的桥梁建设技术和人才培养起到了一定推动作用。 民国时期(1912年~1949年),城市发展较快,交通运输业取得一定进步。这一时期的桥梁建造技术有较大提高,颁布了《铁路法》和全国划一标准图式,并通过引进外资、技术、设备和聘用外国技术人员等方式,促进了桥梁建造技术的发展。同时,国内水泥产量的增加,使得混凝土和钢筋混凝土拱桥逐步得到发展。随着汽车逐步引入国内,公路开始得以发展,其中的代表性拱桥有湖南新化三拱桥(跨度3×15m)、广西武鸣五海桥(跨度3×14.8m)等。 新中国成立初期建造的拱桥,以石拱桥和混凝土拱桥为主。其中的代表性铁路拱桥有成渝铁路王二溪大桥(跨度9×6.0m石拱+13×12.6m钢筋混凝土拱)、宝成铁路松树坡石拱桥(跨度2×38m)等;代表性公路拱桥有湖南衡阳拓里渡桥(跨度8×15m)、陕西延安延河桥(跨度3×30m)等。 同时期,钢筋混凝土上承式肋拱桥和下承式系杆拱桥也开始起步。1959年建成的北京门头沟塔岭沟大桥(跨度45m),是新中国成立后华北地区**座单跨无铰拱桥。同年建成的山东临清先锋大桥、武城焕光大桥以及京杭大运河扬州桥,主跨均为50m,是新中国成立后**批钢筋混凝土系杆拱桥。 20世纪60年代初,江苏无锡兴起双*拱桥。该类拱桥的拱圈由纵向的拱肋和横向的拱波组成,因在纵横两个方向均呈*线,故此得名。双*拱桥解决了当时农村桥梁建设在技术、资金和设备等方面的不足,得到应用并强力推广到干线公路桥梁中。其中跨度最大的是1969年建成的河南嵩县前河大桥,跨度达150m。公路双*拱桥的修建,一直延续到20世纪80年代末期。双*拱是中国在经济困难的特殊时期出现的拱桥形式,为交通做出了巨大贡献,但运营经验表明,这种结构的整体性较弱,耐久性较差。 1968年,郑皆连院士针对双*拱桥拱圈架设,开发了钢丝绳斜拉扣挂悬拼松索合龙工法,*次实现了拱桥的无支架施工。该工法因为是在放松扣索和起重索的过程中完成拱的体系转换,即拱肋轴向力形成与失去索力支撑同时发生,类似支架上施工拱肋脱架过程,因此可按支架上施工拱肋计算内力。该工法工艺简单,悬拼速度快,大临费用低。工程实践表明,采用此工法施工的100m左右跨径的混凝土拱桥与30m跨径混凝土简支梁桥的单价持平。此后,郑皆连院士又提出了千斤顶、钢绞线斜拉扣挂合拢后松索悬拼拱桥拱肋的方法,使拱桥悬拼的安全性、经济性、精度大大提高。 改革开放后,中国桥梁建设开始驶入快车道。在这一时期,转体施工法得到发展。1977年,我国**次采用平转法建成四川遂宁建设桥(跨度70m),1987年建成巫山龙门桥(跨度122m),1989年,建造出了跨度达到200m的涪陵乌江大桥。从拱桥建设中发展起来的平转法,也逐渐推广到梁桥和斜拉桥的施工中,为交通受干扰或场地受限处的桥梁施工提供了有效的解决办法[7]。钢管混凝土拱桥也在这一时期开始起步。1990年建成的四川旺苍东河桥(跨度115m),是中国**座钢管混凝土拱,该桥的建成拉开了国内建造钢管混凝土拱桥的帷幕。 20世纪80年代,辽宁开始采用型钢作为内置骨架,外设模板现浇混凝土的方法建造钢筋混凝土拱肋,这在一定程度上提高了钢筋混凝土拱的整体性,推动了钢筋混凝土拱桥的跨径发展。按此方法,1983年建成的辽宁丹东沙河口桥,跨度156m,是当时国内跨度最大的钢筋混凝土肋拱桥。1991年,四川宜宾建成跨度243m的小南门大桥,使中国拱桥跨度**次超过200m。 自1992年开始,桥梁建设进入全面快速发展时期[8]。2001年建成的水柏铁路北盘江大桥,是中国**座铁路钢管混凝土拱桥。该类拱桥所具备的技术优势,使其成为这一时期公路拱桥建设的主导桥型之一,其中的代表性拱桥包括广州丫髻沙大桥(跨度360m)、巫山长江大桥(跨度460m)等。同时,钢筋混凝土箱形拱桥开始大量建设。1996年建成的南宁三岸邕江大桥,单孔跨径达312m。1997年建成的万县(万州)长江大桥,跨径达到420m,**次使中国钢筋混凝土拱桥的跨度跃居世界**。 2007年后,国内拱桥进入创新发展阶段。桥梁技术的进步使钢拱桥的跨度达到500~600m级。2009建成的重庆朝天门大桥,主跨达552m。2020年建成的广西平南三桥,主跨达575m,为目前世界上跨度最大的钢管混凝土拱桥[
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