系杆拱桥双层桥面施工控制.pdf

系杆拱桥双层桥 面施 工控制 孙建渊 耿绪长 李志胜 ( 1 同济大学桥梁工程系； 2 铁道部第三勘察设计院； 3 浙江公路水运工程咨询监理公司) 摘要本文简要介绍了国内第一座双层桥面城 市桥梁钱江四桥的施工控制技术及其成果， 得 到的结论可作为今后同类桥梁设计与施工的重要参 考 。 关键词系杆拱桥双层桥面施工控制 一 、概述 钱江四桥为城市道路与轻轨交通结合方 式的双层桥面越江桥梁， 其中上层为 6车道 汽车快车道 ， 下层 为轻轨列车 和公 交车辆专 用道。钱江四桥主桥跨径组合为 2 x 8 5 +1 9 0 +5 x 8 5+1 9 0+2 x 8 5 m， 其中 8 5 m跨可看作 下承式系杆拱桥 与上 承式拱 桥 的结合 ， 1 9 0 m 跨可看作下承式系杆拱桥 与中承式拱 桥的结 合。钱江四桥是复杂的拱梁组合结构桥梁， 跨越钱塘江 ， 为不影 响通航 ， 施工过程采用缆 索搬运及 吊装 ， 拱圈采用斜拉 索辅助节段拼 装方法安装 ， 施工工艺复杂 ， 对施工的技术要 求较高。拱肋 、 吊杆 、 下层 结构纵梁 、 上层结 构立柱 、 上下层桥面等结 构的安装是本桥施 工中的关键步骤 ， 保证上述 各种组合构件具 有足够的强度及稳 定性 ， 是大桥顺利建成 通 车的重要保证。因此 ， 在建设过 程 中施工 控 制技术及其方法的正确选择对大桥的施工期 安全及满足设计 目标具有十分重要 的意义。 二、 施工流程及施工工艺 大型桥梁的施工首先应 以满 足桥梁成桥 状态内力合理、 结构线型正确及确保施工期 桥梁结构安全为 目标 ， 另外必须依 据桥梁施 工所选定的施工方法及详细 的施工计划进行 施工控制 ， 钱 江四桥 主桥 的施工 流程总体如 下 ： 1 总体施工方案 ( 1 ) 全桥上部结 构采用缆索 吊装 方案 实 施结构构件的运输与拼装； ( 2 ) 8 5 m跨径 的钢管混凝 土拱首 先施工 并完成上层桥面 以下 的结构 ， 各跨施 工相互 独立 ； ( 3 ) 1 9 0 m跨径的桁架式钢管混凝土系杆 拱桥采用塔架扣索拼装拱肋 ， 两跨独立施工。 2 8 5 m跨施工 ( 1 ) 设置拱座 、 拱 脚段支 架 ， 安装拱 脚钢 管拱肋及拱脚钢骨 系梁 ， 现浇拱脚 、 拱座 和端 横梁 ， 张紧拱脚局部预应力 ， 拱座与桥墩 临时 联结 ； ( 2 ) 缆索对称吊装第一段钢管拱肋， 斜拉 扣挂安装钢 管拱 肋并调整高程 ， 法兰螺栓 临 时连 接 ； ( 3 ) 缆索吊装中间段钢管拱肋 ； ( 4 ) 扣索 调整 标高 、 安 装横撑 ， 拱肋焊 接 合拢， 放松拱肋扣索； ( 5 ) 安装 下层系梁 吊杆 ， 安装 临时 吊杆 ， 分 6段 缆索 吊装拼接钢骨系梁及临时横撑 ， 吊杆内力初张 ， 安装临时模板 ； ( 6 ) 浇注上下游拱肋钢管砼 ， 同时根据荷 载增加的数量在砼浇注过程 中分次将相应预 应力张拉至锚下控制力 ； ( 7 ) 从两端向中间一次完成 系梁砼浇注， 同时根据荷载增加的数量在砼浇注过程 中分 次将相应纵 向预应力 张拉至锚下控制力 ， 达 到强度后浇注系梁湿接头砼 ； ( 8 ) 系梁砼达到设计强度后第一次张拉 吊杆 ， 完成临时吊杆 与永久 吊杆的受力转换 ， 拆除系梁模板及 临时 吊杆 ， 张拉相应纵 向预 应力至控制力 ； ( 9 ) 拆除拱座满堂支架 ， 可靠释放拱墩临 时联结 ， 同时张拉相 应预应力 ， 以临时约束受 力最小为原则 ， 逐渐增至锚下控制力 ； ( 1 0 ) 体 系转换后 ， 张拉相应 纵 向预应力 至锚下控 制力 ， 按对称 均匀的原则缆索安装 拱上立柱 、 墩上 立 柱钢管 ， 并 灌注 立柱 混凝 35 维普资讯 土 ： ( 1 1 ) 按对称均匀 的原则安装墩上立柱盖 梁 、 拱上立柱盖梁( 或下层横梁 ) ， 张拉相应纵 向预应力至锚下控制力 ； ( 1 2 ) 按从 跨 中向两侧或桥 端 向跨 中、 多 点对称 的原则安装下层横梁 ( 或上层盖梁 ) ； ( 1 3 ) 第二次 吊杆 张力调 整优化 ， 并 张拉 相应纵向预应力至锚下控制力； ( 1 4 ) 按照跨中、 桥两端 ， 全桥对称原则安 装上下层桥面板 ， 然后第三次 吊杆 张力调整 优化 ； ( 1 5 ) 上、 下层 桥面铺装 等桥 面附属设施 施工 ； ( 1 6 ) 成桥 状态 ， 第 四次 吊杆张力优 化调 整。 3 1 9 0 m跨施工 ( 1 ) 端横梁及拱脚段混凝 土施工 ， 拱墩临 时联结并第一次张拉纵 向临时预应力 ； ( 2 ) 塔架扣索分 1 3段安装拱肋钢管， 并 安装对应横撑 、 风撑 ， 采用半动态 调索法调整 拱轴线 ， 拱肋各段 由铰接转为固定焊接 ， 安装 拱顶段风撑 ， 焊接风撑接头 ； ( 3 ) 第二次张拉纵 向临时预应力 ， 放松拱 肋扣索、 拆除拱肋临时横撑； ( 4 ) 第三次张拉纵 向临时预应力 ， 灌注 吊 杆锚箱和锚座混凝土 ， 安装墩上立柱 、 拱上立 柱并 与底座焊接 ， 浇注柱 内混凝土 ； ( 5 ) 安装上下层 吊杆 ， 吊装钢系梁两端各 7 段 ( 含拱脚 尚未安装 的一段 ) ， 从两端向跨 中 安装 ， 第 四次张拉纵 向临时预应力 ， 再 吊装钢 系梁 中间 7段 ( 含 中间合拢段 ) ； ( 6 ) 以控制钢 系梁安装高程为 目标 ， 第一 次调整下层吊杆张力 ， 焊接钢 系梁接头 ， 完成 钢系梁合拢 ； ( 7 ) 缆索吊装拱肋横梁、 拱上立柱横梁， 安装永久体外预应力束， 第一次张拉相应永 久体外预应力束， 张拉时同步卸除临时预应 力 ； ( 8 ) 解除拱座 临时联结及拱脚段支架 ， 完 成体系转换， 并第二次张拉相应体外预应力 3 6 束 ； ( 9 ) 灌注拱脚哑铃型弦管平联仓混凝土 ； ( 1 o ) 对 称灌注下方 钢管混凝 土。 达 到设 计强度后， 对称灌注上方钢管混凝土； ( 1 1 ) 第三次张拉相应体外预应力束， 从 两端向跨 中或跨 中向两端对称施工安装下层 钢横梁 ； ( 1 2 ) 第四次张拉相应体外预应力束， 从 两端 向跨 中或跨中向两端对称施工安装上层 钢横梁 ； ( 1 3 ) 第五次张拉相应体外预应力束， 安 装下层桥面板 ； ( 1 4 ) 第六次张拉相应体外预应力束， 安 装上层桥面板 ； ( 1 5 ) 第七次张拉相应体外预应力束， 现 浇上 、 下层桥面板湿接 头， 完成桥面铺装等桥 面附属设施 ； ( 1 6 ) 成桥状态 ， 进行 吊杆张力优化调整。 三、 施工控制的主要 内容 大跨度系杆拱桥的施工控制一般有三个 方面的主要任 务 ， 一是使 结构在建成时 达到 设计所希望 的几何形状 ， 二是使结构在建成 时达到合理 的内力状态 ， 三是在施工过程 中 保证结构的安全。针对钱江四桥桥型及施工 方法的特点 ， 总 的施工控制 原则是确保施工 期结构安全， 保证结构的稳定性并综合考虑 主要结构的变形及内力的控制， 以最终满足 结构 内力及桥面线 型的设计 目标。因此 ， 钱 江四桥的施工控制包括对主要承重结构工作 状态的现场监测 ， 以及根 据监测结果调整计 算参数确保结 构线型 、 结 构 内力满足设计 目 标的施工控制分析计算， 其主要内容可概括 为 ： 监测 主要承重结构 的应力 、 应变实 际 工作状态， 分析承重结构的高程测量数据； 配合 施工单位对缆 索搬运 吊装 、 塔架 斜拉扣索 的施 工方案提 出合理 建议 ， 提供 扣 索的计算张力 ， 指导拱肋塔架扣索拼装 ； 验算施工过程 中各断面的应力状态及 结构的稳定性能 ， 对危险施工工况提 出警告 ； 维普资讯 复核设计单位提供的主要工况 的挠度 变化值 ； 协助设计单位提供施工期合理的吊杆 调整张拉力 ； 提供合理 的构件拼装及混凝土浇注方 案建议 ； 协助设计单位提供成桥状态 吊杆调整 张拉力 ； 协助设计单位提供施工期及成桥状态 桥面标高变化预测值； 从施工 角度优化设计 方案 ， 并对横 向 和局部应力 、 变形提供参考意见 ； 对施工 工艺提供参 考意见 ， 并对施 工 中出现的问题和意外事故会 同有关部 门提出 处理方案。 施工 中主要控制技术包括 ： 1 同步模拟施工过程仿真计算 大跨度双层桥面拱梁组合结构 的施工过 程比较复杂， 组合结构构件采用预制、 现浇等 措施逐步形成 ， 结构体系可能多次变化 。 各种 荷载以不 同 的方式 出现 或消除 ， 形 成一个持 续多变的施工荷载工况。对于不同的施工方 法 ， 组合结构 的构件截面可能采用一次成型 、 部分预制部分现浇、 分层多次现浇等施工工 艺 ， 因而同一截面上 ， 在时间序列上参与结构 受力的不同截面组成部分， 存在着内力重分 布作用， 即构件后浇部分的重量先作为一种 荷载作用在已建构件上， 然后与预制或已现 浇结硬部分形成组合截面。为了反映实际桥 梁结构的形成过程， 必须采用一种能够真实 描述结构 构件截 面形 成过程 的方法 ， 确保整 个桥梁结构在施工过程及运营阶段的安全可 靠。因此。 在施工期结构模拟仿真计算过程 中， 我们采用了如下控制计算技术： 同步模 拟结构组合 截 面的形 成过程 ， 考虑组合截面不同组成部分 的内力重分布变 化 ； 同步考虑施工期混凝土的时效性引起 的组合截面内力重分布， 即模拟应力随时间 变化 的混凝 土 的收缩徐变 ， 同步模拟结构 体 系转换及临时结构构件 的拆除 ； 模拟温度场变化对结构状态的影响。 2 吊杆张力多次调整控制技术 双层桥面拱梁组合桥的施工过程比较复 杂 ， 吊杆张力 的变化对结构 内力 的分布及结 构的线形具有重要影响， 为确保施工期结构 的安全必须对吊杆张力进行多次张拉 。对于 大跨度的梁拱组合结构桥梁， 由于施工过程 复杂。 仅利用位移作为确定成桥状态的主要 手段往往是不合适的。结构的成型状态包含 了成型的内力状态及成型线形状态。采用 以 能量最小为目标结合结构状态参数约束范围 的非线性规划方法来考虑成 型 内力优化 ， 以 线形偏差最小为目 标及附带线形调整约束条 件的线性优化方法来考 虑成型线形优化 ， 这 两种成型状态的优化组合， 便能形成一种较 为合理的成桥状态 。根据成桥状态 目标及约 束条件。 考虑把施工期结构的吊杆张力变量 与成型结构状态 的 目标直接 、 正 向 的联系在 一 起。 可以得到最优 目标的施工期结构状态 变量吊杆 张力 、 结构位 移等。表 1为桥面铺 装前。 8 5 m跨吊杆张力优化调整值与实测值 的比较。 8 5 m跨桥面板安装结束后吊杆张力调整及实测值 表 1 吊杆编号 吊杆张力调整值 调整后实测值 1 ( 拱 脚处) 6 2 4 l 0 e+0 2 6 l 1 6 2 7 8 3 7 3 e+0 2 7 7 2 7 3 1 1 9 6 9 e+0 b l 1 7 8 9 4 1 3 2 4 l e +0 3 l 3 4 5 3 5 1 4 o 7 9 e +0 3 l 4 ： 6 6 1 3 9 1 4 e +03 l 3 7 4 7 7 ( 跨中 ) 1 3 7 7 8 e+ 0 3 l 4 0 1 2 单位 ： l 【 n 3 多段拱肋拼装扣索张力调整技术 钱江四桥 1 9 0 r n主跨采用工 厂分段 预制 钢结构拱肋 ， 现 场分 1 3段缆索 吊运 ， 通过塔 架扣索拼装成拱 的施 工方法 ， 施工 结构布置 见图。 各段拱肋 间以法兰联结 ， 吊装 i +1段 时， i 段与 i 一1段间的法 兰由铰接变为 固结。 为保证主拱肋结构的安装精度， 采用了半动 3 7 维普资讯 态调索法进行多段拱肋 的拼装 ， 即考虑到拱 脚附近段 的刚度 相对较大 ， 扣 索张力张拉 到 位后不再调整 ， 跨 中段拱肋扣 索根据安装精 度进行扣索力的动态调整， 以确保拱肋线形。 扣索力的确定 同步考虑 了结 构体系 的转换及 扣索垂度 的影响 ， 同时现场测量塔架 的空间 位置， 利用强迫位移法进行结构修正， 使计算 参数符合结构的真实状态。 1 9 0 m跨多段拱肋塔架扣索安装示意图 4 桥面线性及高程预测技术 施工监控的 目的就是通过施工过程 中对 桥梁结构进行实时监测， 根据监测结果， 评估 各主要施工阶段拱肋等主要构件 的变形及材 料应力变化状态是否符合设计 要求 ， 判断施 工过程是否安全 ， 结构是 否正常工作 ； 当出现 较大误差时， 应对结构进 行误差调整 ， 并对设 计的施工 过程进行重新安排 ， 从而保 证桥梁 建成时最 大可能地接 近理想设 计状态 ， 同时 也确保施工期间 的结 构安全、 施工 质量和施 工工期 。钱江四桥主要采用 自适应控制 的方 法进行桥面高程的预测及修正。当结构测量 与模 型计 算结果不 相符时 ， 通过将 误差输入 到参 数辨识 系统 中 自动调节 计算 模 型的参 数 ， 使模 型的输 出结果与实际测量结果一致 ， 由此得到修正的计算模型参数后， 重新计算 调整各施工 阶段 的理想状 态。这样 ， 经过几 3 8 个工况的反复辨识后 ， 计算模 型就基本 上与 实际结构相一致 了， 在此基础上 可以对施工 状态进行预测控制 。 正确预测双层桥面拱梁组合桥的桥面高 程变化对于保证成桥状态满足设计目标十分 重要 ， 特别是承重结构成型后 ， 上下层桥面系 的施工顺序对桥 面高程互相影 响， 必须根据 施工方案不断调整桥面系结构 的安装方法及 其高程。桥面系构件安装 的高程抛高预测 主 要由构件 因后 续荷载引起 的结 构变位决定。 结构变位 主要包括纵 梁的结构变位 、 上下层 横梁的变位 、 拱上立柱的变位 、 吊杆长度的变 化 、 桥面板安装引起的变位 、 桥 面铺装及其 附 属设施引起的变位。桥面高程 的预测与施工 工序密切 相关 ， 同时应考 虑桥梁施工 临时荷 载 、 多种材料叠合断面的刚度计算 、 混凝土浇 注阶段温度 的影响、 混凝 土配合 比及弹性模 维普资讯 量的确定及混凝土参与受力龄期的影响等因 素。表 2 、 表 3为 1 9 0 m跨首先 进行 上层桥 面 铺装施工 时 ， 对上下层桥 面高程影 响幅度 的 预测控制值报表。 现场测量表 明， 实测值 与施 工控制 预测 值基本一致 。 1 9 0 m跨双层桥面铺装引起的上层桥面高程各吊杆处变化预测值 表2 吊杆编号 拱 上立柱 拱上横梁 1 吊杆 2 3 4 5 6 7 8 9 l o 跨 中 预测值 一o 0 o 4 0 0 1 0 一o 0 2 l o 0 2 8 一o o 3 6 0 0 4 3 0 0 4 8 一o 0 5 3 一o 0 5 7 一o 0 6 l o o 6 3 一o o 6 5 实测值 一o 0 o 3 0 0 1 2 0 0 1 8 一o 0 2 7 一o o 3 9 0 0 3 5 一 o o 4 2 一o 0 5 5 一o 0 5 2 一o o 5 9 一o 0 5 8 一o o 6 l 单位 ： i n 1 9 0 m跨双层桥面铺装引起的下层桥面高程各吊杆处变化预测值 表 3 吊杆编号 1 拱座处 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l 1 l 2跨中 预测值 一o 0 o 5 0 0 1 0 0 0 1 6 一 o 0 2 2 一o 0 2 7 0 0 3 3 一o o 3 9 0 0 4 5 一 o 0 5 o 一0 0 5 4 一o 0 5 7 一 o 0 5 8 实测值 一o 0 0 2 0 0 0 8 一o o l 3 一o 0 2 o o 0 2 6 一 o o 3 0 一o o 3 7 一 o o 4 6 一o q 5 o o 0 5 l o 0 5 一o 0 5 5 单 位 ： i n 5 施工期安全稳定性分析 钱江四桥是 国内第一座双层桥面大跨度 拱梁组合桥梁， 作为以压弯杆件为主要受力 特征的主拱圈的稳定性对施工的安全 与大桥 的成桥状态满足设计 目标 十分重要 ， 因此应 对大桥 的主要受力状态及施工过程进行施工 稳定模拟分析 ， 保 证结构 的空 间稳定系数满 足施工安全的要求。施工过程 中的结 构稳定 除了利用现场监测系统所反映的结构材料应 力状态进行综合判 断结构 的稳定性 能外 ， 还 应提前分析主要施工状态 的理论安全稳定 系 数。考虑到结构的应力应变状态在施工期基 本处于弹性状态 ， 采用空间有限元程 序， 考 虑 结构 的安装状态及相关施工临时荷载等的影 响来分析全 桥结构弹性稳定 系数 ， 以确定 沿 主拱圈平 面 内外 的稳定性 。1 9 0 m跨 稳定分 析的主要施工状态 如下 ： 主桥主拱 圈刚合 拢时 ， 对应一 阶稳定系数 2 0 8 ； 纵梁安装后 张拉预应力时段 ， 对应一阶稳定 系数 1 0 7 ； 拱圈灌注混 凝土时， 对应一 阶稳定 系数 5 7 ； 安装下层 横梁结束 时， 对应一 阶稳定 系数 8 3