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1、航道桥梁整体同步顶升成套关键技术研究航道桥梁整体同步顶升成套关键技术研究2011 年年 4 月月浙江省港航管理局浙江省港航管理局汤修华汤修华浙江省交通运输厅科技计划项目浙江省交通运输厅科技计划项目（2010H39）内内 容容本本课题工作完成情况工作完成情况研究展望研究展望3研究背景研究背景121 研究背景及现状研究背景及现状通航孔通航孔净高限制净高限制得天独厚的内得天独厚的内得天独厚的内得天独厚的内河运输条件河运输条件河运输条件河运输条件u改造成本低，施工周期短改造成本低，施工周期短u对周边环境影响小对周边环境影响小u资源利用率高，社会效应好资源利用率高，社会效应好l新建结构可靠度高新建结构可
2、靠度高l改造后桥梁使用年限长改造后桥梁使用年限长1 研究背景及现状研究背景及现状建筑物位移建筑物位移桥梁顶升桥梁顶升整整体体同同步步顶顶升升工工程程应应用用 天津狮子林桥天津狮子林桥 上海吴淞大桥北引桥上海吴淞大桥北引桥 湖州岂风大桥湖州岂风大桥 湖州南林大桥湖州南林大桥u上海音乐厅整体平移上海音乐厅整体平移u上海清水湾保留建筑上海清水湾保留建筑 顶升平移顶升平移屺风大桥屺风大桥桥梁顶升技术的成功应用，为桥梁顶升技术的成功应用，为桥梁顶升技术的成功应用，为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今后我省航道升级中老桥改造今后我省航道升级中老桥改造今后我省航道升级中老桥改造提供技术支
3、撑。提供技术支撑。提供技术支撑。提供技术支撑。屺风大桥顶升前屺风大桥顶升前（通航净高（通航净高4.5m)4.5m)屺风大桥顶升后屺风大桥顶升后（通航净高（通航净高7m)7m)3.2 3.2 技术创新技术创新(1)(1)(1)(1)运用桥梁整体顶升技运用桥梁整体顶升技运用桥梁整体顶升技运用桥梁整体顶升技术完成了屺风大桥顶升术完成了屺风大桥顶升术完成了屺风大桥顶升术完成了屺风大桥顶升 屺风大桥原貌屺风大桥原貌 屺风大桥是屺风大桥是屺风大桥是屺风大桥是2002200220022002年建成的公路桥，净高年建成的公路桥，净高年建成的公路桥，净高年建成的公路桥，净高4.5m4.5m4.5m4.5m，主跨
4、，主跨，主跨，主跨73m73m73m73m。通过桥梁结构检测，经多次论证，确定对桥梁实施顶升工程。通过桥梁结构检测，经多次论证，确定对桥梁实施顶升工程。通过桥梁结构检测，经多次论证，确定对桥梁实施顶升工程。通过桥梁结构检测，经多次论证，确定对桥梁实施顶升工程。顶升控制室顶升控制室顶升液压控制系统顶升液压控制系统 通过计算机同步控通过计算机同步控制技术，实现桥梁整体制技术，实现桥梁整体同步顶升。同步顶升。顶升过程：在立柱间顶升过程：在立柱间浇筑钢筋混凝土抱柱梁，浇筑钢筋混凝土抱柱梁，再在上下抱柱梁之间安装再在上下抱柱梁之间安装千斤顶，将立柱切断后，千斤顶，将立柱切断后，顶升抱柱梁来改变桥面标顶升
5、抱柱梁来改变桥面标高。高。抱柱梁结构抱柱梁结构千斤顶千斤顶临时钢垫块临时钢垫块首次试顶升首次试顶升10cm顶升顶升80cm时时顶升高度顶升高度2.5m时时顶升长度：顶升长度：顶升长度：顶升长度：255255255255米米米米顶升重量：顶升重量：顶升重量：顶升重量：4320432043204320吨吨吨吨顶升高度：顶升高度：顶升高度：顶升高度：2.52.52.52.5米米米米缩短工期：缩短工期：缩短工期：缩短工期：12121212个月个月个月个月节约资金：近节约资金：近节约资金：近节约资金：近1000100010001000万元万元万元万元节约用地：节约用地：节约用地：节约用地：3030303
6、0亩亩亩亩顶升完成的屺风大桥顶升完成的屺风大桥2 本课题工作完成情况本课题工作完成情况合同工期：2010年1月20日2010年8月31日合同要求合同要求完成情况完成情况研研究究报报告告整体同步顶升适用桥型分析整体同步顶升适用桥型分析典型适用桥型桥墩截断位置分析典型适用桥型桥墩截断位置分析液压缸数学模型分析液压缸数学模型分析液压顶升与电动顶升的经济性比液压顶升与电动顶升的经济性比较较监控数据的桥梁姿态调整策略研监控数据的桥梁姿态调整策略研究究不均匀位移差的桥梁结构安全性不均匀位移差的桥梁结构安全性分析分析航道桥梁典型桥型统计分析航道桥梁典型桥型统计分析航道桥梁整体同步顶升适用桥型分析航道桥梁整体
7、同步顶升适用桥型分析桥墩截断位置分析桥墩截断位置分析施工桥墩稳定性分析施工桥墩稳定性分析液压缸数学模型分析液压缸数学模型分析同步顶升算法研究（姿态调整策略研究）同步顶升算法研究（姿态调整策略研究）不均匀位移数值分析不均匀位移数值分析整体同步顶升系统经济性分析整体同步顶升系统经济性分析同步顶升工程造价编制同步顶升工程造价编制技术技术指南指南编写编写航道桥梁整体同步顶升技术航道桥梁整体同步顶升技术指南指南 省交通运输厅（省交通运输厅（20112011）3232号文印发号文印发合同要求合同要求完成情况完成情况科科技技成成果果发表科技论文发表科技论文23篇篇1、科技论文、科技论文 6 篇篇 英文论文英
8、文论文2篇（篇（EI 检索）、中文核心期刊检索）、中文核心期刊论文论文3篇、年会论文篇、年会论文1篇篇2、专利、专利 3 项（发明项（发明&实用新型）实用新型）3、顶升工程造价估算方法、顶升工程造价估算方法2 本课题工作完成情况本课题工作完成情况3 研研 究究 展展 望望抱柱梁抱柱梁抱柱梁抱柱梁结结构形式构形式构形式构形式及及及及设计设计理理理理论论尚需研究尚需研究尚需研究尚需研究墩柱接高技墩柱接高技墩柱接高技墩柱接高技术术有待完善有待完善有待完善有待完善技技术指南有待指南有待补充与完善充与完善研究研究研究研究报报告告告告技技技技术术指南指南指南指南工程工程经验经验技术技术航道桥梁整体同步顶升
9、成套关键技术研究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 第三部分：顶升配套设备关键技术研究第三部分：顶升配套设备关键技术研究第四部分：姿态调整及结构安全性分析第四部分：姿态调整及结构安全性分析第五部分：整体同步顶升经济性分析第五部分：整体同步顶升经济性分析研究内容研究内容研究内容研究内容u 边界条件u 简支体系u 连续体系u 刚构体系u 拱式体系3 受力可行性分析受力可行性分析第一部分：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n顶升反力系统n限
10、位支架系统n临时支承系统n墩柱接高技术n施工技术局限性2 施工可行性分析施工可行性分析l通航规范分析l典型航道桥梁统计l典型航道桥梁结构形式分析1 航道桥型统计分析航道桥型统计分析第一部分：整体同步顶升适用桥型分析1 航航道道桥桥梁梁桥桥型型统统计计分分析析典型航道典型航道桥梁主要桥梁主要结构形式结构形式航道桥梁航道桥梁统计资料统计资料典型航道典型航道桥梁及其桥梁及其比例比例 当通航净宽无法满足当通航净宽无法满足升级后航道需要时，单纯升级后航道需要时，单纯抬高航道桥梁高程也无济抬高航道桥梁高程也无济于事。于事。确定研究确定研究对象对象 航道等级提高，其通航道等级提高，其通航孔的净宽与净高均呈不
11、航孔的净宽与净高均呈不同程度的增长；同程度的增长；内内河河通通航航规规范范第一部分：整体同步顶升适用桥型分析浙江省内河航道桥型统计浙江省内河航道桥型统计浙江省内河航道桥型统计浙江省内河航道桥型统计1.内河航道桥梁中以梁式桥和拱式桥为主，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罕见大跨径的缆索支承桥梁2.仅说明受力主桥受力特征，未给出具体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预应力混凝土力混凝土连续连续梁梁桥桥、系杆拱、系杆拱桥桥以及以及刚刚构构桥桥是航
12、道是航道桥桥梁中梁中主要的主要的结结构形式构形式PC连续连续梁梁桥桥是梁氏是梁氏桥桥的主要的主要结结构形式；系杆拱构形式；系杆拱桥为桥为拱拱桥桥的主的主要要结结构形式构形式杭甬运河及申张线航道桥梁形式统计分析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不同功能航道桥梁的结构形式分析连续梁桥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。行桥以桁架梁桥、系杆拱桥、桁架拱
13、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墩柱接高墩柱接高墩柱接高墩柱接高技技技技术术顶顶升反力系升反力系升反力系升反力系统统限位支架体系限位支架体系限位支架体系限位支架体系临时临时支承支承支承支承系系系系统统顶顶升升升升监测监测技技技技术术及及及及同步控制系同步控制系同步控制系同步控制系统统整体同步整体同步顶升升施工技施工技术2 施工可行性分析施工可行性分析第一部分：整体同步顶升适用桥型分析构件构件类型类型特点：特点：结构简单，布置灵活结构简单，布置灵活 施工简单，承载力较高施工简单，承载力较高 受桥墩形态影响较大受桥墩形态影响较大 混凝土结构浇筑拆除麻烦混凝土结构浇筑拆除麻烦特
14、点特点 布置灵活，装卸方便布置灵活，装卸方便 自身承载力较低自身承载力较低特点特点 原桥利用率高原桥利用率高 施工成本低施工成本低 施工空间受限施工空间受限特点特点 -安装拆除方便安装拆除方便 -单次成本较高单次成本较高2.1 顶顶升反力系升反力系统统第一部分：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盖梁抱柱梁抱柱梁钢托架钢托架钢牛腿钢牛腿顶升反力系统选用原则顶升反力系统选用原则 施工方便，布施工方便，布置灵活，绝大多置灵活，绝大多数桥梁采用数桥梁采用 适用于墩台适用于墩台尺寸较大的桥尺寸较大的桥梁梁 自身刚度小，自身刚度小，与其他限位措施与其他限位措施联合使用联合使用
15、易和其他易和其他限位措施联限位措施联合使用合使用格构支架格构支架悬臂桁架悬臂桁架斜撑支架斜撑支架混凝土挡块混凝土挡块2.2 顶升限位支架系统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 临时支承系统临时支承系统使用功能使用功能使用功能使用功能顶升垫块顶升垫块千斤顶千斤顶支撑墩支撑墩临时临时支承墩支承墩钢管钢管钢管钢管支撑墩支撑墩支撑墩支撑墩混凝土混凝土混凝土混凝土支撑墩支撑墩支撑墩支撑墩u承载力高，稳定承载力高，稳定性好，标准化施性好，标准化施工，通用性好。工，通用性好。便于施工，适用便于施工，适用范围广；范围广；u在满足基本要求在满足基本要求的前提下，原则的前提下，原则上采用钢管
16、支撑上采用钢管支撑墩；墩；u承载力极高，承载力极高，稳定性好；但稳定性好；但施工复杂，周施工复杂，周期长；期长；u当钢管支撑墩当钢管支撑墩无法满足整体无法满足整体稳定要求时采稳定要求时采用混凝土支撑用混凝土支撑墩；墩；第一部分：整体同步顶升适用桥型分析2.4 墩柱接高技墩柱接高技术术墩墩墩墩柱柱柱柱接接接接高高高高流流流流程程程程接高段混凝土标接高段混凝土标号高于原桥墩号高于原桥墩12个等级；个等级；适当增大混凝土适当增大混凝土桥墩截面面积；桥墩截面面积；接高段混凝土外接高段混凝土外侧设置钢护筒侧设置钢护筒；墩柱接高墩柱接高加固措施加固措施第一部分：整体同步顶升适用桥型分析顶升控制系统顶升控制
17、系统 顶升过程中单点顶升过程中单点内同步与多点同步内同步与多点同步尚未完全解决尚未完全解决 顶升后原桥结构顶升后原桥结构可靠度不足可靠度不足u桥墩高度增大，桥墩高度增大，稳定性下降；稳定性下降；u节点刚度突变不节点刚度突变不利于结构抗震；利于结构抗震；u新老混凝土性能新老混凝土性能相差大，连接可相差大，连接可靠度低。靠度低。限位支架体系限位支架体系功能仍需扩展功能仍需扩展l仅约束桥跨结构的仅约束桥跨结构的水平位移，不承水平位移，不承担竖担竖 向作用；向作用；l未考虑因上部结构未考虑因上部结构调坡引起的角度调坡引起的角度变更；变更；抱柱梁结构有待优化抱柱梁结构有待优化 混凝土抱柱梁结构浇混凝土抱
18、柱梁结构浇筑拆除麻烦，影响其适筑拆除麻烦，影响其适用范围用范围No.2No.3No.4整体顶升整体顶升整体顶升整体顶升施工局限性施工局限性施工局限性施工局限性No.1 第一部分：整体同步顶升适用桥型分析简支梁桥、简支梁桥、PC连续梁桥、系杆拱桥连续梁桥、系杆拱桥现有技术可较好地实现该类现有技术可较好地实现该类桥型的整体同步顶升改造桥型的整体同步顶升改造上部结构上部结构重度大重度大顶升控顶升控制点多制点多多跨多联多跨多联带坡度的带坡度的桥梁桥梁采用目前施工采用目前施工技术存在一定技术存在一定的风险与难度的风险与难度整体同步顶升整体同步顶升关键技术有待关键技术有待进一步优化进一步优化2.5 施工可
19、行性分析施工可行性分析结论结论第一部分：整体同步顶升适用桥型分析不能进行顶升改造不能进行顶升改造适合整体顶升改造适合整体顶升改造相差较大相差较大相差较小相差较小3 3 结构体系可行性分析结构体系可行性分析第一部分：整体同步顶升适用桥型分析u利用托换结构；u原支座仍需工作；u上部结构约束位置不变；3.1 边界条件分析边界条件分析桥墩顶升桥墩顶升桥墩顶升桥墩顶升桥跨顶升桥跨顶升桥跨顶升桥跨顶升u千斤顶直接作用于上部结构；u原支座退出工作；u桥跨结构的约束位置小幅更改；桥墩顶升桥墩顶升桥跨顶升桥跨顶升第一部分：整体同步顶升适用桥型分析l边界约束类型不改变边界约束类型不改变l桥墩顶升时全桥结构内力不变
20、化桥墩顶升时全桥结构内力不变化l桥跨顶升时内力变化幅度小桥跨顶升时内力变化幅度小u边界约束类型不改变边界约束类型不改变u桥墩顶升时全桥结构内力不变化桥墩顶升时全桥结构内力不变化u桥跨顶升时内力减少桥跨顶升时内力减少施工前施工前施工截断施工截断施工前施工前施工截断施工截断3.2 简简支体系支体系&连续连续体系体系适合顶升适合顶升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 刚构体系桥梁刚构体系桥梁顶升前受力情况顶升前受力情况施工阶段受力状态施工阶段受力状态第一部分：整体同步顶升适用桥型分析u结构体系改变，但可以通过一定结构体系改变，但可以通过一定的措施予以缓解；的措施予以缓解；u施工
21、技术复杂，施工步骤繁琐；施工技术复杂，施工步骤繁琐；u水平推力难以确定，顶升风险大水平推力难以确定，顶升风险大3.5 拱式体系拱式体系结结构构不适合顶升不适合顶升第一部分：整体同步顶升适用桥型分析简支体系简支体系连续体系连续体系l简支梁桥、连续梁桥、桁架梁桥、系杆拱桥以及桁架拱桥等l整体顶升施工前后全桥结构内力变化幅度较小l适合顶升改造拱式体系拱式体系n带水平推力的拱桥n水平推力的解除导致结构体系内力大幅更改n采用整体同步顶升技术风险较大，不适合顶升改造刚构体系刚构体系u墩梁固结解除，全桥内力变化较大u施工难度较大，整体顶升改造亦存在一定的风险u慎重选用整体顶升进行净空改造结构体系结构体系可行
22、性分析可行性分析结论结论第一部分：整体同步顶升适用桥型分析桥墩截断位置及稳定性分析桥墩截断位置及稳定性分析第二部分第二部分桥墩截断位置分析墩截断位置分析桥墩施工墩施工阶段段稳定性分析定性分析21第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析n以承受水平作用为主；以承受水平作用为主；n用于带水平推力拱桥用于带水平推力拱桥桥墩以及柔性排架墩；桥墩以及柔性排架墩；n航道桥梁中大都为前航道桥梁中大都为前者；者；特点特点特点特点特点特点特点特点特点特点特点特点u承受承受竖竖向作用向作用为为主；主；u使用范使用范围围最最为为广泛，广泛，简简支梁支梁桥桥、连续连续梁梁桥桥以及无水平推力等均以及无水平推力等均采用采用该类
23、桥该类桥墩墩；u具有较大的变形能力；具有较大的变形能力；u多用于斜拉桥的辅助墩多用于斜拉桥的辅助墩以及刚构桥主墩；以及刚构桥主墩；柔性墩柔性墩垂直力墩垂直力墩水平力墩水平力墩1 截断位置分析截断位置分析结构结构形式形式1.1 桥墩截断位置影响因素桥墩截断位置影响因素桥墩截断位置桥墩截断位置桥墩截断位置桥墩截断位置顶升后桥墩顶升后桥墩顶升后桥墩顶升后桥墩加固区域位置加固区域位置加固区域位置加固区域位置第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析1.2 垂直力墩垂直力墩&水平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 柔性墩柔性墩第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析垂直力墩垂直力墩柔
24、性墩柔性墩l在墩底附近截断原桥桥墩n在墩梁固结部位将原桥桥墩截断。水平力墩水平力墩u在拱肋固结区域将主拱拱肋截断。简简支梁支梁支梁支梁桥桥连续连续梁梁梁梁桥桥桁架梁桁架梁桁架梁桁架梁桥桥系杆拱系杆拱系杆拱系杆拱桥桥拱式体系拱式体系拱式体系拱式体系刚刚构构构构桥桥柔性排架墩柔性排架墩柔性排架墩柔性排架墩1.5 桥桥墩截段位置分析墩截段位置分析结论结论第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析2 桥梁稳定性分析桥梁稳定性分析桥墩高度桥墩高度桥墩高度桥墩高度增大增大增大增大稳定性稳定性稳定性稳定性降低降低降低降低桥墩桥墩桥墩桥墩失稳失稳失稳失稳全桥全桥全桥全桥失稳失稳失稳失稳纵桥向：桥墩失稳纵桥向：桥墩失稳
25、横桥向：全桥失稳横桥向：全桥失稳第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析2.1 基本原理基本原理稳定稳定稳定稳定问题问题问题问题极值稳定极值稳定极值稳定极值稳定 极限状态下荷极限状态下荷载不增长但体系载不增长但体系的变形继续增长的变形继续增长 临界状态下任临界状态下任意扰动都将使结意扰动都将使结构丧失稳定性构丧失稳定性临界界值：初始荷初始荷载F欧拉稳定欧拉稳定欧拉稳定欧拉稳定结构的弹性结构的弹性刚度矩阵刚度矩阵结构的几何结构的几何刚度矩阵刚度矩阵扰动荷载引起的扰动荷载引起的附加位移向量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有限元分析模型的建立三维梁单元三维梁单元
26、Beam 189Beam44 单元单元2m2m的的实实体体桥桥墩截面墩截面Taper 命令实现变截面弹弹性模量性模量E=35000MPa 泊松比泊松比=0.1667 材料密度材料密度=2600kg/m3第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析不同不同工况工况墩高墩高(m)支承方式支承方式稳定稳定特征值特征值屈曲理论荷载屈曲理论荷载线性线性 （kN）临界屈曲荷载临界屈曲荷载非线性非线性 Fcr：107轴向力轴向力N：105工况一工况一5.6一端固结一端固结一端自由一端自由280.35359.8277.66108.74工况二工况二6.6同上同上203.22264.06181.22110.14工况三工况三
27、7.6同上同上153.26199.15138.39111.51第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析2.3 桥桥墩墩稳稳定性分析定性分析 桥桥梁梁顶顶升期升期间临间临界屈曲界屈曲荷荷载载与墩与墩轴轴向力比向力比值值大于大于1，桥桥墩不墩不发发生失生失稳稳破坏破坏桥墩墩高桥墩墩高（m）折算临界折算临界屈曲荷载屈曲荷载Fcr（106）轴向力轴向力N（106）比值比值Fcr/N10225.1411.4119.7315101.3212.048.422057.2312.674.522536.7213.312.763025.5213.951.823518.7614.621.283615.1414.761.03
28、第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析桥桥墩墩临临界失界失稳稳高度高度计计算算稳稳定系数随墩高的增加而降低定系数随墩高的增加而降低当墩高接近当墩高接近36m时时，桥桥墩所承墩所承受的受的轴轴向力接近向力接近临临界屈曲荷界屈曲荷载载2.4 全桥稳定性分析全桥稳定性分析第二部分：桥墩截断位置及稳定性分析全桥高度全桥高度（m）工况一工况一工况二工况二失稳模态失稳模态稳定判断稳定判断1097.87497.863横桥向侧倾稳定1543.61343.612横桥向侧倾稳定2024.00924.009横桥向侧倾稳定2515.01315.013横桥向侧倾稳定3010.19810.198横桥向侧倾稳定357.3397
29、.339横桥向侧倾稳定405.5115.511横桥向侧倾稳定415.2265.226横桥向侧倾稳定424.9614.961横桥向侧倾失稳工况一：工况一：结结构自重构自重 工况二：工况二：结结构自重横向构自重横向风风荷荷载载临界稳定特征值：临界稳定特征值：=5u当特征值 5时，结构稳定；u当特征值 5时，全桥结构可能发生失稳破坏；zzzzzzzzz第三部分：顶升设备配套关键技术研究第三部分：顶升设备配套关键技术研究第三部分：顶升设备配套关键技术研究第三部分：顶升设备配套关键技术研究液压缸数学模型研究液压缸数学模型研究液压缸数学模型研究液压缸数学模型研究同步顶升算法研究同步顶升算法研究第三部分：顶
30、升设备配套关键技术研究1.1 液压缸基本原理液压缸基本原理u当PAP1时，液压缸无杆腔供油，活塞伸出，顶升;u当PAP1时，液压缸无杆腔回油，活塞在外荷载作用下缩回;u当PAP1时，液压缸停止运动;1.2 高压油管流量分析高压油管流量分析 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，微小圆柱体长为为l，半径为，半径为r，作用在小圆柱体两端的压力为，作用在小圆柱体两端的压力为p1和和p2，微圆柱体表面作用，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：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
31、究1.3 非对称液压缸负载流量非对称液压缸负载流量工作原理工作原理工作原理工作原理负载流量理论流量负载流量理论流量Q Qt t泄漏流量泄漏流量Q Ql l压缩流量压缩流量Q Qy y理论流量理论流量理论流量理论流量无杆腔连续方程：无杆腔连续方程：有杆腔连续方程：有杆腔连续方程：紊流性泄漏紊流性泄漏层流性泄漏层流性泄漏压缩性流量压缩性流量压缩性流量压缩性流量第三部分：顶升设备配套关键技术研究惯性力惯性力粘滞粘滞阻力阻力弹簧力弹簧力外荷载外荷载活塞力活塞力1.4 活塞力平衡方程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拉拉拉普普普普拉拉拉拉斯斯斯斯变变变变换换换换第三部分：顶升
32、设备配套关键技术研究液压缸顶升系统工作流程图液压缸顶升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，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，采用在顶升点位置信息采集过程中，采用kalman滤波对位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，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，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。从而保证顶
33、升过程的高度同步性。2 顶顶升同步算法研究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，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同步顶升原理和建模液液压压系系统统 1顶顶顶顶升点升点升点升点 1 1液液压压系系统统 2顶顶顶顶升点升点升点升点 2 2液液压压系系统统 n顶顶顶顶升点升点升点升点 n n开环顶升系统开环顶升系统液压系统 1顶
34、升点 1液压系统 2顶升点 2液压系统 n顶升点 n中央控制器传感器传感器传感器闭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研究 设设将将桥桥梁梁分分成成n个个顶顶升升点点，令令k表表示示第第k步步顶顶升升，xi(k)表表示示在在第第k步步开开始始的的时时候候顶顶升升点点i的的实实际际累累积积顶顶升升高高度度，ui(k)表表示示在在第第k步步中中顶顶升升点点i的的期期望望调调整整距距离离，i=1,n。那那么么在在第第k+1步步开开始始的的时时候候，顶顶升升点点i的的累积顶升高度为累积顶升高度为xi(k+1)=xi(k)+ui(k)+vi(k)其中其中vi(k)表示液压系统中千斤顶运动
35、的干扰。这里假设干扰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服从均值为零的高斯分布 顶升点运动建模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 传感器网络和传感器网络和Kalman滤波滤波液压系统 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)传感器(2,n2)传感器(n,1)传感器(n,nn)Kalman滤波器 1Kalman滤波器 2Kalman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假设在顶升点i上放置了上放置了ni个位移传感器，每个传感器是同步的。中央控
36、制器个位移传感器，每个传感器是同步的。中央控制器接收到的顶升点接收到的顶升点i的第的第j个传感器在第个传感器在第k步测量到的数据含有白噪声，其形式为步测量到的数据含有白噪声，其形式为 其中其中wij(k)为测量误差，由传感器本身特性决定为测量误差，由传感器本身特性决定kalman滤波算法滤波算法yij(k)=xi(k)+wij(k)nKalman滤波可以有效处理随机白噪声，得出最优估计值滤波可以有效处理随机白噪声，得出最优估计值yi1(k)yi2(k)yin1(k)Kalman滤波Qi(K)和和Pi(k)分分别为别为相相应应的最的最优优估估计误计误差和差和预测误预测误差差 第三部分：顶升设备配
37、套关键技术研究 部分学者选择一个顶升点作为参考点，调整其他顶升点的位移部分学者选择一个顶升点作为参考点，调整其他顶升点的位移 我们采用基于所有顶升点的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最优估值的平均值来调整各顶升点的位置，即升点的位置，即：其中其中d d(k k)表示在第表示在第k k步设定的顶升距离。步设定的顶升距离。2.3 基于平均位移的同步算法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 结合结合顶升点运动建模：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同步算法基于平均位移的调整机制与基于
38、某一顶升点作为参照的调整机制其优点在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，即于前者的最大调整距离差小于后者的，即推出：推出：这有利于提高整个桥梁顶升的效率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同步顶升算法流程第三部分：顶升设备配套关键技术研究n 桥梁顶升点的划分：桥梁顶升点的划分：u主桥的主墩周围布置的主桥的主墩周围布置的2020个千斤顶作为一组，由一个液压泵驱动，组个千斤顶作为一组，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成一个液压系统，每个边墩周围布置的8 8台千斤顶也作为一
39、组；台千斤顶也作为一组；u南北引桥的每个垮的南北引桥的每个垮的2 2个抱柱梁上的个抱柱梁上的4 4台千斤顶作为一组，所以这台千斤顶作为一组，所以这2 2个个抱柱梁视为抱柱梁视为1 1个顶升点。个顶升点。2.4 实桥实桥整体整体顶顶升数升数值值仿真仿真第三部分：顶升设备配套关键技术研究在每个顶升点设置在每个顶升点设置4个位移传感器个位移传感器显然设置多个传感器比设置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。个更能准确地测量顶升点的位移。千斤顶和传感器的布置千斤顶和传感器的布置主桥中墩千斤顶布置主桥中墩千斤顶布置主桥边墩千斤顶布置主桥边墩千斤顶布置引桥桥墩千斤顶布置引桥桥墩千斤顶布置
40、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所有顶升点的最大位移差小于4.5mm第三部分：顶升设备配套关键技术研究设在达到最终目标顶升距离设在达到最终目标顶升距离3米前，每步调整米前，每步调整100mm使用使用matlab编制程序编制程序，顶升过程为，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第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟 建立有限元模型建立有限元模型计算算结
41、果与分析果与分析小小结123第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟1 有限元模型有限元模型 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。）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。）纵桥向模型纵桥向模型横桥向模型横桥向模型评定依据评定依据 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位后，桥梁将重新承受活荷载
42、作用，同时也将附加承受不均匀位移引起的次内力，这对桥梁受力是不利的。为了更加合理的评定桥梁引起的次内力，这对桥梁受力是不利的。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，规定拉应力值不超过于混凝土的抗拉强度。仅由不均匀位移仅由不均匀位移引起的边缘混凝土引起的边缘混凝土的法向拉应力的法向拉应力混凝土混凝土抗拉强度抗拉强度第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟工况工况墩号墩号备注备注工况工况 11 2,3,4号墩同步；1号墩与2,3,4号墩
43、存在向下不均匀位移工况工况 22 1,3,4号墩同步；2号墩与1,3,4号墩存在向下不均匀位移工况工况 31,23,4号墩同步；1,2号墩同步并与3,4号墩存在向下不均匀位移工况工况 41,32,4号墩同步；1,3号墩同步并与2,4号墩存在向下不均匀位移工况工况 51,42,3号墩同步；1,4号墩同步并与2,3号墩存在向下不均匀位移工况工况 62,31,4号墩同步；2,3号墩同步并与1,4号墩存在向下不均匀位移工况工况 71,2,31,2,3号墩同步并与4号墩存在向下不均匀位移工况工况 81,2,41,2,4号墩同步并与3号墩存在向下不均匀位移纵桥向不均匀位移组合纵桥向不均匀位移组合 第四部分
44、：南林大桥不均匀位移数值模拟位置位置工况工况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）纵纵桥桥向向工况一工况一49工况二工况二28工况三工况三41工况四工况四19工况五工况五36工况六工况六29工况七工况七35工况八工况八22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位置位置工况工况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）纵纵桥桥向向工况一工况一49工况二工况二28工况三工况三41工况四工况四19工况五工况五36工况六工况六29工况七工况七35工况八工况八22第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟位置位置工况工况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大
45、控制值（mm）纵纵桥桥向向工况一工况一49工况二工况二28工况三工况三41工况四工况四19工况五工况五36工况六工况六29工况七工况七35工况八工况八22第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟位置位置工况工况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）纵纵桥桥向向工况一工况一49工况二工况二28工况三工况三41工况四工况四19工况五工况五36工况六工况六29工况七工况七35工况八工况八22第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟位置位置工况工况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）纵纵桥桥向向工况一工况一49工况二工况二28工况三工况三41工况四工况四19工况五工况五36工况六工况
46、六29工况七工况七35工况八工况八22第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟位置位置工况工况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）纵纵桥桥向向工况一工况一49工况二工况二28工况三工况三41工况四工况四19工况五工况五36工况六工况六29工况七工况七35工况八工况八22第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟位置位置工况工况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）纵纵桥桥向向工况一工况一49工况二工况二28工况三工况三41工况四工况四19工况五工况五36工况六工况六29工况七工况七35工况八工况八22第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟位置位置工况工况不均匀位移最大控制值（不均
47、匀位移最大控制值（mm）纵纵桥桥向向工况一工况一49工况二工况二28工况三工况三41工况四工况四19工况五工况五36工况六工况六29工况七工况七35工况八工况八22u纵桥向的不均匀位移的最大限值各不相同。横桥向的不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均匀位移的最大限值为5mm和和11mm。u不均匀位移与拉应力关系曲线表明，随着不均匀位移增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。长，拉应力呈线性增长。纵桥向拉应力变化规律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工况工况墩号墩号备注备注工况工况 92号墩左2号墩左相对于
48、其他墩存在向下不均匀位移工况工况 102号墩右，3号墩左2号墩右，3号墩左同步相对于其他墩存在向下不均匀位移工况工况 111号墩左，3,4墩右1号墩左，3,4墩右同步相对于其他墩存在向下不均匀位移工况工况 121号墩左，2,3墩右1号墩左，2,3墩右同步相对于其他墩存在向下不均匀位移工况工况 131号墩左，2,4墩右1号墩左，2,4墩右同步相对于其他墩存在向下不均匀位移横桥向不均匀位移组合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位置位置工工 况况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）横横桥桥向向工况九工况九11工况十工况十11工况十一工况十一5工况十二工况十二5工
49、况十三工况十三11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位置位置工工 况况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）横横桥桥向向工况九工况九11工况十工况十11工况十一工况十一5工况十二工况十二5工况十三工况十三11第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟位置位置工工 况况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）横横桥桥向向工况九工况九11工况十工况十11工况十一工况十一5工况十二工况十二5工况十三工况十三11第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟位置位置工工 况况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）横横桥桥向向工况九工况九11工况十
50、工况十11工况十一工况十一5工况十二工况十二5工况十三工况十三11第四部分：南林大桥不均匀位移数值模拟位置位置工工 况况不均匀位移最大控制值（不均匀位移最大控制值（mm）横横桥桥向向工况九工况九11工况十工况十11工况十一工况十一5工况十二工况十二5工况十三工况十三11横桥向拉应力变化规律横桥向拉应力变化规律 l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。横桥向不均匀位移作为控制指标。l在桥梁顶升过程中，要对每个顶升阶段都进行实时控制，参照以上在桥梁顶升过程中，要对每个顶升阶段都进行实时控