1、航道橋梁整體同步頂升成套關鍵技術研究,2011 年 4 月,浙江省港航管理局 湯修華,浙江省交通運輸廳科技計劃項目（2010H39）,內(nèi) 容,本課題工作完成情況,研究展望,3,研究背景,1,2,1 研究背景及現(xiàn)狀,通航孔 凈高限制,得天獨厚的內(nèi)河運輸條件,改造成本低，施工周期短 對周邊環(huán)境影響小 資源利用率高，社會效應好,新建結構可靠度高 改造后橋梁使用年限長,1 研究背景及現(xiàn)狀,建筑物位移,橋梁頂升,整體同步頂升工程應用,天津獅子林橋 上海吳淞大橋北引橋 湖州豈風大橋 湖州南林大橋,上海音樂廳整體平移 上海清水灣保留建筑 頂升平移,屺風大橋,橋梁頂升技術的成功應用，為今后我省航道升級中老橋改

2、造提供技術支撐。,屺風大橋頂升前（通航凈高4.5m),屺風大橋頂升后（通航凈高7m),3.2 技術創(chuàng)新,(1)運用橋梁整體頂升技術完成了屺風大橋頂升,屺風大橋原貌,屺風大橋是2002年建成的公路橋，凈高4.5m，主跨73m。通過橋梁結構檢測，經(jīng)多次論證，確定對橋梁實施頂升工程。,頂升控制室,頂升液壓控制系統(tǒng),通過計算機同步控制技術，實現(xiàn)橋梁整體同步頂升。,頂升過程：在立柱間澆筑鋼筋混凝土抱柱梁，再在上下抱柱梁之間安裝千斤頂，將立柱切斷后，頂升抱柱梁來改變橋面標高。,抱柱梁結構,千斤頂,臨時鋼墊塊,首次試頂升10cm,頂升80cm時,頂升高度2.5m時,頂升長度：255米 頂升重量：4320噸

3、頂升高度：2.5米 縮短工期：12個月 節(jié)約資金：近1000萬元 節(jié)約用地：30畝,頂升完成的屺風大橋,2 本課題工作完成情況,合同工期：2010年1月20日2010年8月31日,2 本課題工作完成情況,3 研 究 展 望,抱柱梁結構形式 及設計理論尚需研究,墩柱接高技術有待完善,技術指南有待 補充與完善,研究 報告,技術 指南,工程 經(jīng)驗,技術,航道橋梁整體同步頂升成套關鍵技術研究,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,1 航道橋梁橋型統(tǒng)計分析,典型航道橋梁主要結構形式,航道橋梁 統(tǒng)計資料,典型航道橋梁及其比例,當通航凈寬無法滿足升級后航道需要時，單純抬高航

4、道橋梁高程也無濟于事。,確定研究 對象,航道等級提高，其通航孔的凈寬與凈高均呈不同程度的增長；,內(nèi) 河 通 航 規(guī) 范,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,浙江省內(nèi)河航道橋型統(tǒng)計,內(nèi)河航道橋梁中以梁式橋和拱式橋為主，罕見大跨徑的纜索支承橋梁 僅說明受力主橋受力特征，未給出具體的航道橋梁結構形式,依據(jù)浙江省內(nèi)河航道圖冊統(tǒng)計分析獲得,連續(xù) 梁橋,剛構橋,系桿拱橋,其他,連續(xù) 梁橋,桁架梁橋,系桿拱橋,其他,預應力混凝土連續(xù)梁橋、系桿拱橋以及剛構橋是航道橋梁中主要的結構形式 PC連續(xù)梁橋是梁氏橋的主要結構形式；系桿拱橋為拱橋的主要結構形式,杭甬運河及申張線航道橋梁形式統(tǒng)計分析,第一部分：整體同步頂升

5、適用橋型分析,不同功能航道橋梁的結構形式分析,連續(xù) 梁橋,剛構橋,系桿拱橋,其他,桁架梁橋,桁架拱橋,系桿拱橋,普通拱橋,公路及市政橋梁以系桿拱橋、連續(xù)梁橋以及 剛構橋為主；機耕及人行橋以桁架梁橋、系桿拱橋、桁架拱橋以及普通拱橋為主。,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,2 施工可行性分析,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,特點： 結構簡單，布置靈活 施工簡單，承載力較高 受橋墩形態(tài)影響較大 混凝土結構澆筑拆除麻煩,特點 布置靈活，裝卸方便 自身承載力較低,特點 原橋利用率高 施工成本低 施工空間受限,特點 - 安裝拆除方便 - 單次成本較高,2.1 頂升反力系統(tǒng),第一部分：整體同步頂升適用

6、橋型分析,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,蓋梁,抱柱梁,鋼托架,鋼牛腿,頂升反力系統(tǒng)選用原則,2.2 頂升限位支架系統(tǒng),第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,2.3 臨時支承系統(tǒng),鋼管 支撐墩,混凝土 支撐墩,承載力高，穩(wěn)定性好，標準化施工，通用性好。便于施工，適用范圍廣； 在滿足基本要求的前提下，原則上采用鋼管支撐墩；,承載力極高，穩(wěn)定性好；但施工復雜，周期長； 當鋼管支撐墩無法滿足整體穩(wěn)定要求時采用混凝土支撐墩；,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,2.4 墩柱接高技術,墩柱接高流程,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,頂升控制系統(tǒng) 頂升過程中單點 內(nèi)同步與多點同步 尚未完全解決,頂升后

7、原橋結構可靠度不足 橋墩高度增大，穩(wěn)定性下降； 節(jié)點剛度突變不利于結構抗震； 新老混凝土性能相差大，連接可靠度低。,限位支架體系 功能仍需擴展 僅約束橋跨結構的水平位移，不承擔豎 向作用； 未考慮因上部結構調(diào)坡引起的角度變更；,抱柱梁結構有待優(yōu)化 混凝土抱柱梁結構澆筑拆除麻煩，影響其適用范圍,No.2,No.3,No.4,整體頂升 施工局限性,No.1,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,簡支梁橋、PC連續(xù)梁橋、系桿拱橋,現(xiàn)有技術可較好地實現(xiàn)該類橋型的整體同步頂升改造,上部結構重度大,頂升控制點多,多跨多聯(lián)帶坡度的橋梁,采用目前施工技術存在一定的風險與難度,整體同步頂升關鍵技術有待進一步優(yōu)化,

8、2.5 施工可行性分析結論,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,3 結構體系可行性分析,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,利用托換結構； 原支座仍需工作； 上部結構約束位置不變；,3.1 邊界條件分析,橋墩頂升,橋跨頂升,千斤頂直接作用于上部結構； 原支座退出工作； 橋跨結構的約束位置小幅更改；,橋墩頂升,橋跨頂升,第一部分：整體同步頂升適用橋型分析,邊界約束類型不改變 橋墩頂升時全橋結構內(nèi)力不變化 橋跨頂升時內(nèi)力變化幅度小,邊界約束類型不改變 橋墩頂升時全橋結構內(nèi)力不變化 橋跨頂升時內(nèi)力減少,施工前,施工截斷,施工前,施工截斷,3.2 簡支體系 當PAP1時，液壓缸無桿腔回油，活塞在外荷載

9、作用下縮回; 當PAP1時，液壓缸停止運動;,1.2 高壓油管流量分析,在高壓軟管中取一軸線與管道軸線重合的微小圓柱體，微小圓柱體長為l，半徑為r，作用在小圓柱體兩端的壓力為p1和p2，微圓柱體表面作用有切應力，在軸線方向上的受力平衡方程為：,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,1.3 非對稱液壓缸負載流量,工作原理,負載流量理論流量Qt泄漏流量Ql壓縮流量Qy,理論流量,無桿腔連續(xù)方程： 有桿腔連續(xù)方程：,紊流性泄漏,層流性泄漏,壓縮性流量,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,慣性力,粘滯 阻力,彈簧力,外荷載,活塞力,1.4 活塞力平衡方程,牛頓第二定律,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究

10、,拉 普 拉 斯 變 換,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,液壓缸頂升系統(tǒng)工作流程圖,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,引入位移傳感器網(wǎng)絡對頂升施工過程進行監(jiān)測，在頂升點位置信息采集過程中，采用kalman濾波對位移傳感器網(wǎng)絡的數(shù)字信號進行濾波處理，得到每步頂升點最優(yōu)位移估計值。然后基于此位移最優(yōu)估計值，運用位移差值平均算法，對橋梁的頂升姿態(tài)進行調(diào)整，從而保證頂升過程的高度同步性。,2 頂升同步算法研究,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,開環(huán)頂升系統(tǒng)，其同步完全依靠液壓系統(tǒng)的同步，不對頂升點的位移差進行饋，所以頂升點的位移差不能消除反而會越來越大，甚至導致結構傾覆、斷裂。,2.1 同步頂

11、升原理和建模,開環(huán)頂升系統(tǒng),閉環(huán)頂升系統(tǒng),第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,設將橋梁分成n個頂升點，令k表示第k步頂升，xi(k)表示在第k步開始的時候頂升點i的實際累積頂升高度，ui(k)表示在第k步中頂升點i的期望調(diào)整距離，i=1,n。那么在第k+1步開始的時候，頂升點i的累積頂升高度為,xi(k+1)=xi(k)+ui(k)+vi(k),其中vi(k)表示液壓系統(tǒng)中千斤頂運動的干擾。這里假設干擾vi(k)服從均值為零的高斯分布,頂升點運動建模,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,2.2 傳感器網(wǎng)絡和Kalman濾波,液壓系統(tǒng) 1,頂升點 1,液壓系統(tǒng) 2,頂升點 2,液壓系統(tǒng) n,頂升

12、點 n,同步協(xié)調(diào)控制,傳感器(1,1) 傳感器(1,n1),傳感器(2,1) 傳感器(2,n2),傳感器(n,1) 傳感器(n,nn),Kalman 濾波器 1,Kalman 濾波器 2,Kalman 濾波器 n,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,假設在頂升點i上放置了ni個位移傳感器，每個傳感器是同步的。中央控制器接收到的頂升點i的第j個傳感器在第k步測量到的數(shù)據(jù)含有白噪聲，其形式為,其中wij(k)為測量誤差，由傳感器本身特性決定,kalman濾波算法,yij(k)=xi(k)+wij(k),Kalman濾波可以有效處理隨機白噪聲，得出最優(yōu)估計值,Qi(K)和Pi(k)分別為相應的最優(yōu)估

13、計誤差和預測誤差,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,部分學者選擇一個頂升點作為參考點，調(diào)整其他頂升點的位移,我們采用基于所有頂升點的Kalman最優(yōu)估值的平均值來調(diào)整各頂升點的位置，即 ：,其中d(k)表示在第k步設定的頂升距離。,2.3 基于平均位移的同步算法,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,結合頂升點運動建模： xi(k+1)=xi(k)+ui(k)+vi(k),基于平均位移的同步算法,基于平均位移的調(diào)整機制與基于某一頂升點作為參照的調(diào)整機制其優(yōu)點在于前者的最大調(diào)整距離差小于后者的，即,推出：,這有利于提高整個橋梁頂升的效率,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,同步頂升算法流程,第三

14、部分：頂升設備配套關鍵技術研究,橋梁頂升點的劃分：,主橋的主墩周圍布置的20個千斤頂作為一組，由一個液壓泵驅動，組成一個液壓系統(tǒng)，每個邊墩周圍布置的8臺千斤頂也作為一組； 南北引橋的每個垮的2個抱柱梁上的4臺千斤頂作為一組，所以這2個抱柱梁視為1個頂升點。,2.4 實橋整體頂升數(shù)值仿真,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,在每個頂升點設置4個位移傳感器,顯然設置多個傳感器比設置1個更能準確地測量頂升點的位移。,千斤頂和傳感器的布置,主橋中墩千斤頂布置,主橋邊墩千斤頂布置,引橋橋墩千斤頂布置,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,Kalman濾波后的測量誤差和實際測量誤差,第三部分：頂升設備配套關

15、鍵技術研究,頂升過程中所有頂升點的最大運動位移差,所有頂升點的最大位移差小于4.5mm,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,設在達到最終目標頂升距離3米前，每步調(diào)整100mm 使用matlab編制程序，頂升過程為,第三部分：頂升設備配套關鍵技術研究,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,建立有限元模型,計算結果與分析,小結,1,2,3,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,1 有限元模型,根據(jù)施工施工圖，建立南林大橋有限元模型?？紤]縱橋向和橫橋向的不均勻位移，對于頂升點設置有所不同。（上圖為縱橋向，下圖為橫橋向。）,縱橋向模型,橫橋向模型,評定依據(jù),注：由于頂升的過程中，沒有考慮活荷載的影響，

16、當橋梁頂升就位后，橋梁將重新承受活荷載作用，同時也將附加承受不均勻位移引起的次內(nèi)力，這對橋梁受力是不利的。為了更加合理的評定橋梁頂升施工的安全性及考慮橋梁頂升后的受力特點，由不均勻位移引起橋梁結構應力 ，規(guī)定拉應力值不超過于混凝土的抗拉強度 。,僅由不均勻位移引起的邊緣混凝土的法向拉應力,混凝土 抗拉強度,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,縱橋向不均勻位移組合,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四

17、部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,縱橋向的不均勻位移的最大限值各不相同。橫橋向的不均勻位移的最大限值為5mm和11mm。 不均勻位移與拉應力關系曲線表明，隨著不均勻位移增長，拉應力呈線性增長。,縱橋向拉應力變化規(guī)律,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,橫橋向不均勻位移組合,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,橫橋向拉應力變化規(guī)律

18、,橫橋向不均勻位移的控制值要小于縱橋向，在整體同步頂升過程中，橫橋向不均勻位移作為控制指標。 在橋梁頂升過程中，要對每個頂升階段都進行實時控制，參照以上的數(shù)據(jù)結果，及時對橋梁的不均勻位移進行調(diào)整，確保施工質(zhì)量。,第四部分：南林大橋不均勻位移數(shù)值模擬,整體同步頂升經(jīng)濟性分析,第五部分,頂 升 系 統(tǒng) 經(jīng) 濟 性 分 析,頂升系統(tǒng)設備分析,頂升工程造價分析,兩種頂升系統(tǒng)設備介紹,兩種頂升系統(tǒng)工作性能比較,南林大橋頂升工程造價編制,橋梁頂升工程造價估算,同步頂升設備用量清單,第五部分：整體同步頂升系統(tǒng)經(jīng)濟性分析,研 究 思 路,3,2,1,3,2,1,液壓油缸,油泵,PLC 控制系統(tǒng),發(fā)電設備,其他,螺旋千斤頂,1頂升設備經(jīng)濟性分析,第五部分：整體同步頂升系統(tǒng)經(jīng)濟性分析,1.2 兩種設備的性能比較,第五部分：整體同步頂升系統(tǒng)經(jīng)濟性分析,1.3 基于電動設備的頂升可行性分析,第五部分：整體同步頂升系統(tǒng)