發(fā)布時(shí)間：2014-09-30 20:16

【摘要】 新世紀(jì)加快了鐵路建設(shè)的步伐,這對(duì)鐵路橋梁建設(shè)提出了更高的要求。鋼桁梁斜拉橋以其合理的受力特點(diǎn),不俗的跨越能力,得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。鋼桁梁斜拉橋桿件較多,目標(biāo)要求值高,施工及控制過程極其復(fù)雜,因此必須對(duì)整個(gè)橋梁的施工過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制。論文在學(xué)習(xí)和總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上,以貴廣鐵路北江特大橋?yàn)楣こ瘫尘?對(duì)鐵路鋼桁梁斜拉橋的施工控制進(jìn)行了研究。首先,介紹了斜拉橋和鋼桁梁斜拉橋的發(fā)展現(xiàn)狀以及鐵路斜拉橋的特點(diǎn),接著對(duì)斜拉橋施工控制的重要性、任務(wù)和內(nèi)容、原則和方法、影響斜拉橋施工控制的因素和施工控制計(jì)算的方法進(jìn)行了深入的研究。其次,針對(duì)正在施工中的北江特大橋,應(yīng)用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Civil建立計(jì)算模型,對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行計(jì)算分析。研究了各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,得出較敏感的結(jié)構(gòu)參數(shù),并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果利用卡爾曼濾波法進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。再次,對(duì)關(guān)鍵的施工階段進(jìn)行了分析,通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對(duì)比,分析了誤差產(chǎn)生的原因,提出改進(jìn)的措施和方法。最后,對(duì)北江特大橋的各個(gè)施工階段進(jìn)行穩(wěn)定分析,得到了結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài),并驗(yàn)證橋梁穩(wěn)定性是否滿足要求。 更多還原

第1章緒論

1.1斜拉橋的發(fā)展概況
斜拉橋的支承體系由受拉的鋼索組成，橋面體系由受壓的加勁梁構(gòu)成。早在幾個(gè)世紀(jì)之前斜拉橋的雛形就己出現(xiàn)過。在很早的時(shí)候，爪哇和老捉就己有原始的竹制斜拉橋，這種斜拉橋剛出現(xiàn)時(shí)是斜吊在樹上，到后來慢慢發(fā)展成在竹柱上斜吊。用繩索斜拉的工作天橋曾出現(xiàn)在古埃及的海船上。1617年，意大利人設(shè)計(jì)了一種近似于斜拉橋和懸索橋的混合結(jié)構(gòu)，它是用眼桿鐵鏈吊拉的橋梁，斜鏈的松她垂度非常明顯。由于技術(shù)和材料的限制，在后來的300余年中，斜拉橋的發(fā)展非常緩慢。此外，早期，幾座斜拉橋出現(xiàn)了倒塌。所以在后來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期，斜拉橋的發(fā)展曾處于停滯的境地。
1938年，基辛格首先認(rèn)識(shí)到斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)越性，并大力提倡。他指出，為了消除長(zhǎng)索自重垂度帶來的柔性影響必須對(duì)斜拉索施加足夠高的應(yīng)力，以使梁體的變形保持在較低范圍內(nèi)。1956年，瑞典的斯特倫松德橋拉開了現(xiàn)代斜拉橋建設(shè)的序幕。1958年，主跨為260m的西奧多修斯橋在原聯(lián)邦德國(guó)的Dusseldorf建成，它鞏固了現(xiàn)代斜拉橋的地位。
隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，上世紀(jì)60年代密索體系的斜拉橋開始被采用，這解決了疏索體系斜拉橋主梁較重而且配筋較多的缺點(diǎn)。
1967年，主跨280m的福瑞德里西一埃伯特橋在前德意志聯(lián)邦共和國(guó)的波恩建成，它采用了單索面的密索體系。這樣不僅使得錨固點(diǎn)的集中力減小，而且易于懸臂施工，后來許多斜拉橋都釆用了這種構(gòu)思。
1975年，跨徑為76m的云陽橋在中國(guó)四川省云陽縣建成，它揭開了中國(guó)建造斜拉橋的序幕。1991年，在中國(guó)上海建成主跨為423m的南浦大橋，是雙塔雙索面的，拉索呈扇形布置的疊合梁斜拉橋。
2005年建成通車的主橋跨徑組成為63m+257m+648m+257m+63m的南京長(zhǎng)江三橋，是雙塔雙索面的鋼斜拉橋，漂浮體系，采用了鋼箱斷面的主梁和人字形曲線的鋼索塔。
蘇通長(zhǎng)江公路大橋，位于江蘇省南通市和蘇州市之間，在江陰大橋以東82公里，在長(zhǎng)江入�？�以西108公里，路線全長(zhǎng)為32.4公里。主要由南岸接線、跨江大橋和北岸接線三部分組成。其中，南接線長(zhǎng)約9.2公里，北接線長(zhǎng)約15.1公里，跨江大橋長(zhǎng)8146米�？缃�大橋的主橋?yàn)橹骺?088米的雙塔斜拉橋。
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1.2鋼析梁斜拉橋的發(fā)展
1977年，日本建成了世界第一座鋼桁梁斜拉橋一一神戶六甲橋，該橋主跨220in，衍高8m，是雙層公路橋。主衍采用箱形斷面的上下弦桿，與正交異性的橋面板共同作用，提高了橋梁的整體剛度。
1988年，日本建成了世界著名的瀨戶大橋，它位于四國(guó)到本州之間，跨越瀨戶內(nèi)海。全橋由多座斜拉橋、懸索橋與梁橋連結(jié)，構(gòu)成了壯觀的橋梁群。其中有全長(zhǎng)792m的柜石島橋和巖黑島橋兩座雙層結(jié)構(gòu)公鐵兩用鋼衍梁斜拉橋。

1989年，日本建成了一座三跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋一一橫濱港大橋，該橋全長(zhǎng)860m，主跨為460rn，主塔高172m，析高12m，主桁距31m，雙層公路橋面。
2000年，丹麥建成世界著名的主跨490m的厄勒桑特海峽大橋，是一座雙層結(jié)構(gòu)公鐵兩用橋，是跨徑最大的鋼桁梁斜拉橋。
2011年開工修建的費(fèi)馬恩海峽大橋，為雙層結(jié)構(gòu)的公鐵兩用鋼衍梁斜拉橋，主跨為3 ×724m，預(yù)計(jì)2018年完工，鋼衍梁斜拉橋?qū)��?huì)有新的發(fā)展。
隨著交通事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)出現(xiàn)了很多鋼析梁斜拉橋。
2000年建成通車的完湖長(zhǎng)江大橋位于安徽省憲湖市，是國(guó)內(nèi)首座公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋，主跨為312m，在世界上首創(chuàng)低塔斜拉公鐵橋。
武漢天興洲長(zhǎng)江大橋于2004年開工建設(shè)，2009年建成通車，是雙塔三索面三主衍的公鐵兩用斜拉橋，為世界首座按四線鐵路修建的同類型的斜拉橋，是世界最大的公鐵兩用橋。
2011年9月30日，國(guó)內(nèi)首座公路雙塔雙索面的鋼桁梁斜拉橋一一果子溝大橋正式通車。橋梁全長(zhǎng)為700米，主塔高度分別是215. 5米和209米，橋面距谷底高達(dá)200米。
黃網(wǎng)長(zhǎng)江大橋于2010年開建，預(yù)計(jì)2014年建成通車。全長(zhǎng)4008米，其具有均居世界己建成同類型橋梁之首的主跨跨度、主析桿件傾斜度、斜拉索破斷力和抗壓抗拉支座。
瓊州海峽跨海大橋目前正在規(guī)劃修建，是我國(guó)首座公鐵兩用鋼衍梁斜拉跨海大橋，預(yù)計(jì)2020年建成通車，總投資約1400多億。


1. 3鐵路斜拉橋的特點(diǎn)
屬于柔性結(jié)構(gòu)的斜拉橋用于鐵路，由于鐵路活載比公路活載大很多，為了行車的安全性和平穩(wěn)性，索塔要求采用較大的塔高和截面，加勁梁也要采用比較大的截面剛度。當(dāng)主梁采用鋼析梁時(shí)，自重較輕，斜拉索用量較小，這將導(dǎo)致斜拉橋的整體剛度下降，就需要用其他方式來彌補(bǔ)。當(dāng)在斜拉橋中跨滿載時(shí)，由于鐵路荷載大，往往需要采用較大的邊跨來解決邊壤很大負(fù)反力的問題，但會(huì)導(dǎo)致剛度下降以及受力的不利。采用混凝土箱梁的邊跨用壓重解決邊墩負(fù)反力的問題比釆用鋼桁梁時(shí)要相對(duì)容易。典型的三跨斜拉橋的邊跨梁端轉(zhuǎn)角往往會(huì)比較大，為了滿足梁端轉(zhuǎn)角的要求，就必須要有更高要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在影響結(jié)構(gòu)整體剛度的各種因素中，首要的是結(jié)構(gòu)體系布置，其次是索塔梁構(gòu)件。斜拉索剛度增加，結(jié)構(gòu)整體剛度會(huì)有效提高，但它必須具備足夠的初始應(yīng)力，而梁和塔剛度的增加對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響相對(duì)遲緩。此外，斜拉橋尾索的設(shè)計(jì)往往是疲勞控制，因其受到幅度較大的交變應(yīng)力。
由上述可見，鐵路斜拉橋必須要構(gòu)思采用新技術(shù)，綜合考慮各種因素來設(shè)計(jì)。
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第2章斜拉橋施工控制理論

2. 1施工控制的必要性
斜拉橋是高次的超靜定結(jié)構(gòu)，施工方法和安裝順序不同，則成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)也不相同。隨著施工的不斷進(jìn)行，結(jié)構(gòu)的形式、荷載的形式、約束的條件等不斷地變化。而且結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移在施工階段中具有繼承性，后一施工階段計(jì)算分析的基礎(chǔ)是前一施工階段的主梁線形和內(nèi)力。所以，必須對(duì)斜拉橋的施工階段進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和分析，求得主梁線形、內(nèi)力、索力和橋塔偏位等的理論計(jì)算值，并在施工中進(jìn)行有效的控制，才能保證結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力始終處于控制范圍內(nèi)。
對(duì)斜拉橋的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)來說，施工控制是非常重要的：
1.施工控制保證了斜拉橋建設(shè)的質(zhì)量。建設(shè)一座斜拉橋，外觀和材質(zhì)強(qiáng)度是重要的，但斜拉橋的內(nèi)力和線形也是同等重要的。斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，且有比較顯著的非線性效應(yīng)，故在施工過程中，線形和內(nèi)力是不斷變化的。只靠普通的手段來監(jiān)督質(zhì)量己經(jīng)無法滿足要求。
2.施工控制過程中埋設(shè)的監(jiān)控設(shè)備和建立的監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地服務(wù)于后期運(yùn)營(yíng)。所以，斜拉橋必須進(jìn)行施工控制。
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2.2施工控制的任務(wù)和內(nèi)容
橋梁施工控制圍繞上述的控制任務(wù)而展幵。從總體上來看，橋梁施工控制工作內(nèi)容，包括以下幾個(gè)方面。
1：幾何控制
在施工過程中，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形會(huì)受到很多因素的影響，所以橋梁結(jié)構(gòu)的立面標(biāo)高和平面位置狀態(tài)會(huì)偏離預(yù)期，橋梁有可能難以順利合龍，成橋線形無法滿足設(shè)計(jì)要求。所以必須對(duì)橋梁實(shí)施幾何控制，調(diào)整結(jié)構(gòu)實(shí)際位置與理想狀態(tài)之間的誤差在控制范圍內(nèi)，并使成橋線形滿足設(shè)計(jì)要求。
2:應(yīng)力控制
施工控制的一個(gè)重要的問題是施工過程和成橋狀態(tài)的橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況是否滿足設(shè)計(jì)要求。一般通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的方法來獲取實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值和理論值誤差超限時(shí)要及時(shí)查找原因，然后進(jìn)行調(diào)整，將誤差控制在允許范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制好壞一般不容易被發(fā)現(xiàn)，但應(yīng)力控制不好將危害結(jié)構(gòu)，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。因此，應(yīng)力控制是非常重要的，必須對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力實(shí)施嚴(yán)格的控制。
3：穩(wěn)定控制
曾經(jīng)有過許多橋梁在施工中由于失穩(wěn)而發(fā)生全橋破壞的先例。洲河大橋位于我國(guó)四川省，它在吊裝主跨中段時(shí)發(fā)生了失穩(wěn)破壞，因?yàn)閼冶垠w系的主梁承受著過大的軸力。加拿大的Quebec橋的南側(cè)錨錠桁架快要架完時(shí)，發(fā)生了突然的崩塌，因?yàn)閼冶鄱讼孪覘U的腹板屈曲。橋梁結(jié)構(gòu)的安全跟橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著很大的關(guān)系。所以，在施工過程中要控制橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。應(yīng)該建立完整的穩(wěn)定監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)動(dòng)荷載或突發(fā)情況的影響作出快速反應(yīng)，以保證橋梁施工的安全。但施工中可能發(fā)生的失穩(wěn)目前還沒有可靠的監(jiān)測(cè)手段，主要是注重于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算，求得穩(wěn)定安全系數(shù)，同時(shí)依據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形和應(yīng)力情況，來判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并加以控制。規(guī)范中有關(guān)結(jié)構(gòu)最小穩(wěn)定系數(shù)的規(guī)定有待今后完善。還有，施工過程中所用的施工設(shè)施（纜索吊裝系統(tǒng)、掛籃、支架等）的穩(wěn)定系數(shù)也應(yīng)滿足要求。
4：安全控制
施工中的安全控制是非常重要的。只有保證施工中的安全，才能保證其他控制的有效實(shí)施和施工的不斷推進(jìn)；反過來說，變形控制、應(yīng)力控制和穩(wěn)定控制如果能夠有效實(shí)施，安全也就得到了保障。所以，安全控制與其他控制是相輔相成的。影響施工安全的因素隨著結(jié)構(gòu)形式的不同而不同，在施工控制中要根據(jù)實(shí)際的情況，確定安全控制重點(diǎn)。
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第3章有限元模型的建立及計(jì)算分析...........................................15
3.1工程背景...........................................15
3. 1. 1工程概況...........................................15
3. 1. 2主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)...........................................18
3. 1. 3施工流程...........................................19
3. 2計(jì)算模型的建立...........................................19
3. 2. 1斜拉橋各構(gòu)件的模擬...........................................19
3. 2. 2混凝土收縮徐變及強(qiáng)度發(fā)展的模擬...........................................20
3. 2. 3邊界條件的模擬...........................................22
3. 2. 4施工階段劃分...........................................23
3. 3斜拉索的計(jì)算分析...........................................25
3. 3. 1斜拉索初張力的確定...........................................25
3. 3. 2調(diào)索計(jì)算...........................................26
3. 4中跨合龍誤差調(diào)整計(jì)算...........................................28
3. 5橋梁應(yīng)力極值分析...........................................30
3. 6本章小結(jié)...........................................32
第4章結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析和識(shí)別...........................................33
4. 1參數(shù)敏感性分析...........................................33
4. 2卡爾曼濾波法參數(shù)識(shí)別...........................................36
4. 2. 1基本理論...........................................36
4. 2. 2卡爾曼濾波法的應(yīng)用...........................................39
4. 2. 3參數(shù)識(shí)別........................................... 39
4. 3本章小結(jié)...........................................47
第5章施工控制結(jié)果分析...........................................48
5. 15#斜拉索張拉完成后的數(shù)據(jù)分析...........................................48
5. 1. 1線形數(shù)據(jù)...........................................48
5. 1. 2索力數(shù)據(jù)...........................................49
5. 1. 3數(shù)據(jù)分析...........................................50
5. 2 7#斜拉索張拉完成后的數(shù)據(jù)分析...........................................51
5. 2. 1線形數(shù)據(jù)...........................................51
5. 2. 2索力數(shù)據(jù)...........................................52
5. 2. 3數(shù)據(jù)分析...........................................53
5. 3 8#斜拉索張拉完成后的數(shù)據(jù)分析...........................................54
5. 3.1線形數(shù)據(jù)...........................................54
5. 3. 2索力數(shù)據(jù)...........................................55
5. 3. 3數(shù)據(jù)分析...........................................57
5. 4中跨合龍階段分析...........................................57
5. 4. 1線形數(shù)據(jù)...........................................57
5. 4. 2索力數(shù)據(jù)...........................................59
5. 4. 3數(shù)據(jù)分析...........................................60
5. 5橋塔偏位分析...........................................61
5. 6應(yīng)力數(shù)據(jù)分析...........................................62
5. 7本章小結(jié)...........................................63

第6章施工階段穩(wěn)定性分析

6. 1引言
結(jié)構(gòu)或構(gòu)件處于平衡位置時(shí)，外界的微小的擾動(dòng)使之偏離平衡位置。當(dāng)擾動(dòng)去除后，能自動(dòng)恢復(fù)到初始平衡狀態(tài)的稱其具有穩(wěn)定的初始平衡狀態(tài)；若不能回復(fù)到初始平衡狀態(tài)，則稱其具有不穩(wěn)定的初始平衡狀態(tài)。
結(jié)構(gòu)失穩(wěn)指的是受外力作用下，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)開始喪失，稍有擾動(dòng)，變形就迅速增大，最終使結(jié)構(gòu)遭到破壞。橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象有以下幾類：
1：個(gè)別構(gòu)件的失穩(wěn)；
2：部分結(jié)構(gòu)或整個(gè)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)；
3：構(gòu)件的局部失穩(wěn)；局部失穩(wěn)通常會(huì)導(dǎo)致整體失穩(wěn)。
斜拉橋的壤塔梁承受著巨大的彎矩和軸力，在施工階段可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。
斜拉橋的穩(wěn)定分析比較復(fù)雜。研究表明，由于斜拉橋結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，受力也十分復(fù)雜，其整體失穩(wěn)很難說是面外失穩(wěn)或面內(nèi)失穩(wěn)。世界對(duì)斜拉橋的穩(wěn)定大多定義為：
K=極限荷載/設(shè)計(jì)荷載
K為穩(wěn)定安全系數(shù)。按照這個(gè)定義，斜拉橋穩(wěn)定的問題可以歸為結(jié)構(gòu)承載能力的問題。

6. 2穩(wěn)定分析理論
彈性穩(wěn)定的問題可以分成兩類：一類是歐拉穩(wěn)定問題，一類是極值穩(wěn)定問題；歐拉穩(wěn)定問題指的是，初應(yīng)力處于某種臨界狀態(tài)時(shí)的系統(tǒng)，任何的擾動(dòng)都有可能使其喪失穩(wěn)定性；斜拉橋的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，失穩(wěn)的原因也比較復(fù)雜，它的面內(nèi)、面外失穩(wěn)可能是親合的；通常用有限元法來精確計(jì)算斜拉橋的穩(wěn)定性。
單元內(nèi)任意一點(diǎn)的位移可表示為：

式中：[N]—一位移形函數(shù)矩陣；
{u}e單元節(jié)點(diǎn)的位移向量�？紤]到位移跟應(yīng)變的非線性關(guān)系，應(yīng)變{εL}可表示成線性應(yīng)變與非線性應(yīng)變{εNL}之和：

由最小勢(shì)能原理，可得到有限元平衡方程：

其中：[K0]——結(jié)構(gòu)的彈性剛度矩陣；
[KNL]一一結(jié)構(gòu)的幾何剛度矩陣；
[KLD]—一結(jié)構(gòu)大位移產(chǎn)生的剛度矩陣。
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第7章總結(jié)

7. 1總結(jié)
本文以貴廣鐵路北江特大橋?yàn)楣こ瘫尘�，采用理論和�?shí)踐相結(jié)合的方式進(jìn)行探索，探討了鋼桁梁斜拉橋的施工控制。論文的主要結(jié)論如下：
(1)本文關(guān)于橋梁施工控制的任務(wù)和內(nèi)容、原則和方法、影響施工控制的因素和施工控制計(jì)算方法的研究，可以用于指導(dǎo)施工實(shí)踐。
(2)本文關(guān)于鋼桁梁斜拉橋的建模過程、各構(gòu)件的模擬以及建立計(jì)算模型時(shí)一些細(xì)節(jié)的處理，可以為同類型橋梁的建模提供借鑒。
(3)設(shè)計(jì)參數(shù)誤差是引起橋梁施工控制誤差的主要因素之一。通過參數(shù)敏感性分析的結(jié)果可以得出，在鋼桁梁斜拉橋的主要參數(shù)中，影響程度最大的是主梁容重，其次為主梁剛度，再次為拉索剛度，主塔剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最小。
(4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用卡爾曼濾波法對(duì)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，將識(shí)別后的結(jié)構(gòu)參數(shù)重新代入到計(jì)算模型中，使理論計(jì)算更能接近橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際表現(xiàn)，從而更好的保證施工控制質(zhì)量。
(5)在北江特大橋施工監(jiān)控過程中，通過施工階段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析了誤差產(chǎn)生的原因，提出有效的調(diào)整措施，并研究了中跨合龍的誤差調(diào)整方法，實(shí)現(xiàn)了施工全過程的精確控制，最終北江特大橋順利合龍。
(6)正裝迭代法用于二次調(diào)索計(jì)算簡(jiǎn)單有效，計(jì)算得到的成橋索力與設(shè)計(jì)索力相比，誤差在±2%以內(nèi)。
(7)本文對(duì)各個(gè)施工階段進(jìn)行了第一類穩(wěn)定分析。通過計(jì)算結(jié)果可知，在施工過程中，橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下具有較高的穩(wěn)定性。
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