（工程力学专业论文）大跨度钢管混凝土拱桥施工过程的力学分析.pdf

武汉理一 大学硕士学位论文 摘要 近年来，钢管混凝土拱桥作为一种新兴的桥型，由于它自身的优点及其 与我国桥梁建设过程中实际情况相适合的特点，从1 9 9 0 年起，在我国境内 的第一座钢管混凝土拱桥一四川旺苍大桥胜利建成以后，得到了极大的发 展。 钢管混凝土拱桥在施工过程中，由于其系杆拱桥中系杆、吊杆预应力索 分批、分次张拉，拱圈所产生的推力是由系杆所承担，而系杆所受拉力是随 着施工工况的递增而逐渐形成的，所以，其施工工艺较为复杂，在旌工过程 中常常会有许多难以预料和估计的因素，可能导致某些构件中的应力或变形 过大，理论值与实际值会产生较大的偏差，并且具有累计性。 本文是以我国某铁路线上第一座大跨度的尼尔森体系提篮式钢管混凝 土拱桥( 东苕溪特大桥) 为例，针对其施工工艺，运用通用的有限元软件进行 了结构的静力计算与分析。施工前对大桥的施工全过程进行了仿真，在旌工 中采用实时跟踪、监测监控的方法来配合大桥的现场施工，有效地保证了大 桥的施工安全和施工质量，起到了指导施工的作用。根据其设计的技术要求， 在全桥施工过程中，对各种工况下的各控制截面上的应变、变形、挠度以及 各索的索力都进行了严格的监测，控制其在设计的允许范围内。开展施工中 监测监控工作，通过对各控制断面的应力、应变及变形的测量能准确地了解 该结构的各种构件在施工的每个阶段其实际受力状况，能及时发现问题，并 采取相应的补救措施，可以确保大桥施工的安全和质量。 钢管混凝土拱桥具有自重轻、强度大、抗变形能力强、承载能力大的优 点，并且用料省、安装重量轻、施工简便、工期短、养护工作量小，是大跨 度拱桥的种比较理想的结构形式。近十年来，我国各地相继建成的钢管混 凝土拱桥已超过1 2 0 座，在大跨度钢管混凝土拱桥的设计与施工方面有许多 成功经验。但是，钢管混凝土拱桥的理论研究远远滞后于工程实践，所以， 必须注意总结经验，防止在旌工过程中发生事故。最近，东苕溪特大桥的钢 管拱在灌注腹腔混凝土时，腹板与上弦管焊接处的纵向出现开裂事故，事故 的因素是多方面的，本文仅从结构的角度去分析，提出处理方案。 关键词：尼尔森拱桥，钢管混凝土，监测监控，有限元分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a san e w - t y p eb r i d g e ，c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b u l a r ( c f s t ) a r c hb n d g eh a sb e e nd e e p l yd e v e l o p e di no u rc o u n t r y sc o n s t r u c t j o n ，f o ri t so 、v n m er i t sa i l dc a nl u c k i l ym a k ea g r e e m e n tw i t ht h ef a c t u a ls i t u a t j o no fb r i d g e e n g i n e e r i n gs i n c et h es i c h u a nw a n g c a n gb r i d g eh a sb e e nb u i l ti n1 9 9 0 i nt h ec o n s t r u c t i o no fc f s ta r cbr i d g e ，t h et i eb a f sa n dp r e s l r e s s i n gc a b l e s a f es t a i n e di nd i f f e r e n tg r o u p sa n dd j 彘r e n tt i 眦t h et h r u s t j n gf o r c e0 nt h ea r c i sb o m eb yt l eb a r s ，s ot h et e n s i i ef o r c eo nt j eb a ri sk e e p i n gi n c r e a s i n gi n c o n s t r u c t i o np r o c e s s t h e r e f o f e ，t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s si sc o m p l e xa n dm a n y f a c t o r so c c u ri nc o n s 仃u c t i o ni sd i m c u l lt oe s t i m a t e t h e s ef a c t o r sm a yc h a “g e t h es t r e s sa n dd e f o r m a t o nv a l u eg r e a t i yj ns o m ec o 巾o n e n t s ，s dt h eg a p b e t w e e n 血o o r e t i c a lv a l u ea n da c t u a lv a i u em a yb eb i ga n dc u m u l a t i v e t a k i n gt h ee x 咖p l eo ft h e6 r s tl a r g e s p a t i r a 订r o a dc f s ta r c hb r i d g e ( n ij c s e b r i d g e xa c c o r d j n gt ot b ec o n 5 t n 】c t j o np r o c e s s ，t h es t a l i cc a l c u l a n o n s a r ep e r f o r m e di n c h i st h e s i sw i c hl h eh e i po fau n i v e r s a lf e ms o f t w a r e b e f o r e t h ec o n s t r u c t i o n ，t h ew h o l ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o ni ss i m u l a t e da n di nt h e c o n s t r u o t i o np r o c e s s ， t h er e a l 一t i m e t f a c k i n g a n dm o n n o r i n ga r eu s e dt o c o o p e r a t ew i t bc o n s t n l c t i 。n t h e s em e t h o d si n s u r et h ec o n s t r u c t i o ns a f e t ya n d f i i g hq u a i f t yo ft l eb r i d g ea n da i s og u i d ct h ec o n s 亡r u c t i o n b a s e do nt h e t e c h n i c a lr e q u i r e m o n t so fd e s i g n ，t h es t r e s s ，s t r a i a n dd e f o r m a t i o ni 】1 e v e r y c o n t r o l l i n gs e c t i o na n dt e n s l i ef o r c eo ne v e r yc a b l ei sm o n i t o r e ds t f i c t l ya n d r e s t r i c t e dw i i h i na l l o w a b l er a n g e s m o n “o r n gi n 曲ec o n s t f u c t i o np r o c e s sa c c o r d i n gt ot h et e s tr e 3 u i t so fs t r e s s s t r a i na n dd e f o r m a t i o nj ne v e r yc o n t r o l l i n gs e c t i o n ，e a c hc o m p o n e n to ft h e s t r u c t u r ec a nb e i pu sf i n dm e c h 明i c a lb e h a v i o r so fc o m p o n e n t si ne v e r ys t a g eo f c o n s t m c t i o n s o ，t h ep r o b l e m sc a nb ef o u n da n dt h er e m e d i a im e a s u r ec a nb e t a k e ni nt i m ea cl a s c ，t h ec o n s t r u c t i o ns a f e t ya i l dq u a l i t yo ft h eb r i d g ec a nb e g u a r a n t e e d k e yw o r d $ ：n i l e s e ns y s t e ma r c hb r i d g e ；c f s tc o n s t r u c t i o nm o r n i t o 打ng ： f i n i t ee i e m e n tm e m o d u 武汉理_ 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 钢管混凝土拱桥的发展和现状 钢管混凝土结构最早出现在1 9 世纪8 0 年代。英国18 7 9 年建造的赛文 f s e v e m l 铁路桥就已经开始采用了钢管混凝土的桥墩，当时是在钢管内填入 混凝土，主要目的是为了对钢管的内部进行防锈，后来人们又逐渐认识到混 凝土的存在也能提高柱的强度。1 9 0 7 年美国的l a l l y 公司首次给出了圆管混 凝土柱的承载力计算公式，于是这种柱被称为l a l l yc o l u n m ，它在许多单层 和多层厂房中得到了应用。在桥梁方面应用最早的应该是前苏联，在3 0 年 代苏联就已建成了跨列宁格勒涅瓦河，跨度l o l m 钢管混凝土拱梁组合体系 的桥和位于西伯利亚，跨度1 4 0 m 钢管混凝土桁拱体系的桥。 我国是从2 0 世纪6 0 年代起，才开始使用了铜管混凝土结构。1 9 6 3 年 北京地铁车站首次采用了钢管混凝土柱，1 9 7 2 年本钢轧钢车间的刚架柱、 首钢二号炉的构架柱等也相继采用了钢管混凝土的结构。进入8 0 年代，钢 管混凝土又在商层建筑中得到了迅速发展，如2 8 层的厦门金源大厦、8 8 层 的深圳地王大厦和6 8 层的深圳赛格广场等。 我国原是拱桥的故乡。虽然最早的钢管混凝土拱桥建造在前苏联，但真 正发展壮大却在中国。自1 9 9 0 年在四川省旺苍县最先采用吊装和无支架施 工法建成一座跨度为1 1 5 m ，拱肋断面为哑铃形下承式刚架系杆拱桥，这也 是我国第一座钢管混凝土拱桥。经过短短数年间，这种新型的钢管混凝土拱 桥就如雨后春笋一般不断地在全国兴建。据不完全统计，从1 9 9 0 年到现在 全国已建成了近2 0 0 座之多，其速度之快，为中外建桥史所罕见。尤以重庆 万县的长江公路大桥，跨度已达4 2 0 m ，一跨过江，成为当今混凝土大跨度 拱桥的世界之最。旺苍大桥的建成对我国公路拱桥的发展起到了巨大的推动 作用，是我国桥梁史上的一座里程碑。 钢管混凝土分为内填型和外包型。内填型是指在圆钢管( 也有在方钢管) 中灌入混凝土，外包型是将钢管置于混凝土中间，也称劲型混凝土。钢管混 凝土目前之所以能得到如此迅速发展，我们认为是其具有以下几大特点【2 】【3 】 武汉理工大学硕十学位论文 所造成的： l 承载力高； 对于薄壁钢管来说，其临界承载力很不稳定，因为它对局部缺陷很敏感。 实验证明：薄壁钢管的实际承载力往往只有理论计算值的l 3 l 5 ，当有焊 接残余应力存在时，影响会更大。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后， 钢管约束了混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压，可延缓其受 压时纵向开裂。同时混凝土可以延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲。两种 材料相互弥补了彼此的缺点，可以充分发挥彼此的长处，从而使钢管混凝土 具有较高的承载能力，一般高于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土单独 承载力之和。 2 塑性和韧性好； 混凝土脆性较大，对于高强度混凝土( 各国对于高强度混凝士的定义有 所不同，在我国，目前一般认为立方试块强度f c u 大于6 0 m p a 的混凝土为高 强混凝土) 更是如此，其工作的可靠性因而有所下降。如果将混凝土灌入钢 管中形成钢管混凝土，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了 它的弹性性质，而且在破坏时具有较大的塑性变形。此外，这种结构在承受 冲击载荷和振动载荷时，也具有较大的韧性。 3 施工方便： 与钢筋混凝土相比，采用钢管混凝土时没有绑扎钢筋、支模和拆模等工 序，施工简便。因钢管内无钢筋，混凝土的浇灌更为方便，特别是采用目前 泵送混凝土、高位抛落免振捣混凝土和自密实混凝土等工艺，更可加速钢管 混凝土的施工进度。与预制钢筋混凝土构件相比，钢管混凝土不需要构件预 制场地。另外，与钢结构相比，钢管混凝土构造通常更为简单，因而焊缝少， 更易于制作，特别是在钢管混凝土中可更为广泛地采用薄壁钢管，因而进行 钢管的现场拼接对焊更为简便快捷。此外，由于空钢管构件的自重小，可以 减少运输和吊装费用。 4 耐火性能好； 由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间相互贡献、协同互补和 共同工作的优势，使这种结构具有较好的耐火性能，用于高层建筑时，比钢 结构体系维护费用更低。 5 经济效益好： 综上所述，此种结构形式是较为合理的。钢管混凝土既能很好地发挥钢 材和混凝土两种材料的特性和能力，也能使它们的优点得到更为充分和合理 2 武汉理 大学硕士学位论文 的发挥，因此，采用钢管混凝土一般都具有很好的经济效益。 大量的工程实际表明：采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋混凝土承 压构件可节约混凝土5 0 ，减轻结构自重5 0 左右。钢材用量略高或相等： 和钢结构相比，却可节约钢材5 0 。 正是基于以上特点，钢管混凝土会在我国得到如此广泛的发展。可以预 计随着我国建设速度的加快，钢管混凝土结构的应用将会变得更加广泛。 1 2 当前国内外对桥梁施工的研究概况 钢管混凝土拱桥麓工中最关键的两大工艺应该是钢管拱主拱肋的安装 工艺和钢管拱内混凝土的灌注工艺。钢管拱安装方法有很多：如无支架缆绳 索吊装法，少支架缆索吊装法，整片拱肋或少支架浮吊安装法，吊桥式缆索 吊装法，竖向转体法，水平转体法，支架拼装法及千斤顶斜拉扣索悬拼法等。 钢管混凝土换桥主拱圈的形成分两大步：第一步是安装钢管拱，形成劲性钢 管拱圈，它既是结构的一部分，又兼作浇筑管内混凝土的支架和模板；第二 步是浇筑钢管内混凝土形成最终拱圈，以承受拱上建筑( 上承式) 或拱上吊杆 ( 中承式或下承式) 。 目前，在国内己建成的钢管混凝土拱桥中，主跨跨径在1 0 0 m 以内和l o o m 以上的约各占一半。主跨跨径在2 0 0 m 以上的仅广东南海三山西大桥、广西 岂宁琶江大桥、四川万县长江大桥、广西三岸岂江桥等少量几座。从施工技 术、施工工艺、设汁与施工方案的配合等方面来看，主要表现以下一些特点： 1 从钢管拱设计分段来看：中小跨径的拱桥一般设计分成2 段、3 段、 5 段，施工方案也与之对应，节段安装重量一般仅十几吨。大跨径拱桥一般 设计分成多节段，甚至多达3 6 段( 万县长江大桥) ，施工分段方案则依具体情 况而定。钢管拱的设计分段长度通常为1 2 m 。 2 从钢管拱施工分段来看：大跨径拱桥安装分段长度受设计单节长度与 重量和施工起重能力两方面的控制。通常有依设计分段逐节安装和现场组拼 大节段安装两种情况。 3 从施工方案上看：依据现场地形条件和环境影响因素、不同跨度、矢 高或吊装高度、结构型式( 下承式、中承式或上承式) 等，应采取不同的施工 方案。对于超过2 0 0 m 跨度的特大跨拱桥，现在均采用了缆索吊装斜拉扣定 旄工法。 4 从缆索吊装施工法的角度来看：主索跨度布置依桥型布置的不同有三 武汉理工大学硕士学位论文 跨式和多跨式( 即主跨分单跨式和多跨式) 。主索横向布置依主拱肋宽度不同 有固定式和可横移式。其中，固定式又分单组主索和双组或多组主索。主索 长度分为可调式和不可调式。起重系统分为单点昂、两点吊和抬吊。牵引系 统分为直接牵引、循环牵引和辅助牵引。稳定缆系统则为初安装调试到位后 的固定系统。近几年，缆索吊装施工法在7 0 年代由原交通部公路规划设计 院设计、西安筑路机械厂生产的“公路缆索架桥设备”的基础上有了新的发 展，施工工艺比以往更加灵活多变。 5 从主拱圈安装拼接方法上看：安装节段与节段之间的拼接方法可分为 多段逐节铰接法、多段逐节固接法和分段固接一铰接综合法。对于钢管拱的 接头形式有外法兰盘、内法兰盘、加劲钢圈焊接等。铰接法是先吊装就位、 临时铰接、合拢后焊接成拱。固接法是逐节安装就位、空中焊接、合拢成拱。 综合法是先将小节段固焊成大节段安装就位，大节段与大节段之间临时铰接 以减少铰点数量，合拢后将大接头焊成固结点，它适应于大跨径多节段拱肋 安装。 6 从主拱圈扣定方法上看：依桥型和地理地形条件不同可分为拱座和桥 台直接扣定法、拱座和桥台上支撑架扣定法、高塔扣架扣定法、缆索悬索天 扣法等。其中，高塔扣架扣定法分对称扣定和非对称扣定：钢丝绳滑车组扣 索扣定、高强钢丝扣索扣定、高强精轧螺纹粗钢筋扣索扣定、钢绞线扣索扣 定等，千斤顶斜拉扣索悬拼施工也是其中的一种方法。 7 从塔架或扣架的结构形式来看：塔底与地基基础的联结方式分固结和 铰结；塔身材料分钢塔架、木塔架、钢筋混凝土塔架、预应力钢筋混凝土塔 架和组合材料塔架；塔顶索鞍分滑动式和固定式；塔体形式分单柱式、双柱 式( 门型) 、框架式等。这里，最关键问题是选择塔底是铰结还是固结，它决 定塔架在承载受力时的结构模型。目前，所有大跨径钢管混凝土拱桥缆索吊 装一斜拉扣定旖工法的缆索系统主索塔架和斜拉索扣定系统的扣架均是分 别独立布置的，吊运吊装系统和斜拉扣定系统各自成一体，互不干扰，独立 工作。 随着拱桥结构跨径的增大，主拱施工分节段相应增多，吊装重量相应增 大；同时，主拱矢高的增高，吊装高度亦相应很高( 尤其是中承式和下承式 拱桥) 。因此，对于缆索吊装施工法来说。施工给缆索系统( 包括主索塔架、 即“塔架”和扣索塔架、即“扣架”) 的强度、刚度及稳定性提出了越来越 高的要求。过去为了增加主拱合拢前各安装节段豹稳定性和拱轴线形调控的 方便，保证整个主拱吊装过程中的安全可靠性，工程施工中通常将“塔架” 4 武汉理工大学硕士学位论文 与“扣架”分开布置，使缆索系统与扣索系统独立工作。显然，布置二组塔 架结构，大大增加了设备的投入和工程量，加大了工程造价，延长了施工周 期；同时给施工监测监控增加了观测点位和仪器的投入，增加了施工控制工 作量；此外还往往受到地形条件的限制，使塔架和地锚难于布置或无法布置 ( 因拱桥通常都座落在地形陡峭斜坡处) 。因此，将塔架、扣架结构合二为一 作整体结构，设计塔架扣架一体化施工技术，具有极大必要性和紧迫性。 在施工控制方面，自2 0 世纪7 0 年代以来，随着预应力混凝土工艺的完 善，德国工程师率先采用挂篮悬臂浇筑修建了预应力砼连续梁桥，为现在广 泛采用的挂篮悬臂浇筑施工法( 或悬臂拼装法) 修建大跨度砼连续梁、t 型刚 构、斜拉桥等奠定了基础。该照工法的重要特征是：桥梁的上部结构分节段 ( 或分层) 进行施工，后期节段( 或后层) 是靠己浇节段( 或己浇层) 来支撑，逐步 完成全桥施工。也就是无支架而靠自身结构进行施工，因此人们又称之为“自 架设体系施工法”。该施工方法必然给桥梁结构带来较为复杂的内力和位移 变化，为了保证桥梁施工质量和桥梁施工安全，桥梁施工的仿真与控制成为 必不可少的环节。 施工的仿真与控制主要研究领域多集中在大跨度连续梁桥、连续刚构桥 和斜拉桥，尤其以近几年发展迅速的大跨度现代斜拉桥的旌工控制最为领 先，部分领域已达到或超过世界先进水平。但是，将现代斜拉桥施工控制等 先进技术应于大跨度钢管混凝土拱桥施工控制，仍有些课题尚待研究。 大跨度钢管混凝土拱桥因其施工工艺和加载程序的变化，结构体系也在 逐步变化。施工过程中，钢管拱和钢管混凝土主拱圈的自重力、内力、拱轴 线的线形、斜拉索的索力、钢管混凝土材料的应力分布、主拱圈整体的稳定 性等等均处在不断变化中，它的施工控制要求与其它自架设体系施工方法的 桥型的施工控制要求是一样的，为了确保结构安全，控制结构变形处于设计 允许的安全范围内，使成桥状态接近或达到设计期望值，必须进行严格的施 工监测监控。通常的做法是：施工一测量一计算分析一修正一预告，循环反复， 确保施工控制目标的实现。 1 3 本论文的主要工作 本文主要以我国某高速铁路线上一座尼尔森体系钢管混凝土提篮式拱 桥为实例，针对其施工工艺和加载程序的变化，对该种桥梁的旄工过程进行 了监测监控，主要有应变监测与应力分析、拱肋线性监测、扣索索力监测等 武汉理上大学硕士学位论文 等。另外，运用有限元法通用a n s y s 软件对该拱桥的结构进行了理论计算 和实验分析，对这座铁路系统中，我国第一座大跨度尼尔森体系的钢管混凝 土提篮式拱桥的施工全过程迸行模拟仿真。 主要研究内容分为： ( 1 ) 、对大跨度钢管混凝土拱桥发展概况以及该类桥梁结构的受力特点 与承载特性进行综述； ( 2 ) 、对我国大跨度钢管混凝土拱桥施工的工艺流程以及采用的监测监 控方法进行述评； ( 3 ) 、运用有限元法，对我国某高速铁路线上一座尼尔森体系钢管混擞 土提篮式拱桥的施工过程进行仿真； ( 4 ) 、针对该桥施工过程中的些特殊力学问题进行力学分析。 6 亟堡里三盔堂婴堂堡丝塞 第2 章钢管混凝土拱桥的施工方案和结构分析 2 ，1 总体施工方案 本文所考虑的方案是该桥钢管拱的施工采用了对接焊接成拱的方法。扣 索施 ：采用斜拉桥的拉索技术来把握其索力分配与拱轴线型双控。缆索吊、 扣旆工体系包括缆索吊装系统、斜拉扣定系统、吊、扣钢塔架、稳定风缆系 统四部分。 2 2 缆索吊装系统 缆索吊装系统结构体系和施工方法是我国修建大跨度拱桥的主要方法 之一。当跨径不大时，拱肋可分三段吊装，两边段吊装后斜扣索扣住，横向 加浪风。一般情况下，应该双肋吊装、双肋合拢，两肋之间设临时横撑，或 将横撑临时固定；但双肋吊装、双肋合拢的吊装质量较大，段与段之间的拼 装难度也较大，若拱肋宽度较大，则可采用单肋合拢。在合拢之间各段之间 的接头为上开口，要注意接头的传力情况；为合拢方便，各段应略有上抬， 合拢后逐步落下，调至设计标高( 留预拱度) ：联接各接头和横撑，封拱脚 武汉理工大学硕士学位论文 _ - - _ _ _ - _ _ _ _ 一一。 成无脚拱，然后进行管内混凝土浇筑。当跨径较大，钢管劲性骨架节段多、 质量大时，缆索吊装方法需在传统方法的基础上加以改进，采用一些新技术、 新工艺。 缆索系统计算简图见图2 2 。计算包括缆索内力计算，塔架强度与稳定 性计算。 1 些11 兰兰型l 黛_ j 2 3 吊装钢塔架 图2 2 缆索系统计算简图 吊装塔为缆索吊装和斜拉扣定系统合用的承重结构，通过吊扣钢塔架 ( 简称“吊装塔”) ，让缆索吊装系统所用的“塔架”和斜拉扣定系统所用的 “扣架”成为有机整体，从而使缆索吊装一斜拉扣定施工法真正一体化。 2 3 1 吊装塔构造 吊装塔可采用n 型万能杆件拼装的单门柱式固结底座柔性钢塔架，见图 2 - 3 一1 图2 3 一l 吊装塔结构示意图 势 武汉理工大学硕士学位论文 吊装塔分南塔、北塔两个，沿主拱跨中对称布黄。塔身高受地形限制可 稍有不同，但塔顶标高一致。每个吊装塔两塔柱之间应设有横联。 吊装塔在缆索系统安装完毕，考虑到实际采用的拼装构件及螺栓等都存 在不确定的安全偏差，且塔顶铰结、塔底固结的压杆稳定分析模型的理论假 定与实际情况存在差异，为增加塔身稳定性，又在塔身底部高一定范围内沿 纵桥向两侧加强。塔架基础为素混凝土刚性扩大基础。在万能杆件塔肢的根 部，预埋有法兰式钢支座。塔身第一节杆件直接与支座螺栓连接。塔架上安 装有自制简易楼梯。 作为吊装塔不可分割的一个组成部分，吊装塔的稳定风缆系统的设计与 布置待后文阐述，风缆的作用是承担塔顶不平衡水平分力、抵抗风荷载和保 持塔身的整体稳定性。 2 3 2 吊装塔结构分析 l _ 荷载计算： 吊装塔承受的荷载主要有：缆索吊装系统产生的外力、斜拉扣定系统产 生的外力、风力、风缆系统的作用力、安装设备自重等。 这里风缆荷载视风缆系统的具体布置、初安装张力及风缆数量而确定。 设备自重包含主索索鞍和扣索索鞍自重、楼梯及其支架自重、施工平台及人 员重、扣索自重和塔身自重。 吊装塔上的二组“缆索一扣索系统”是可以独立作业或联合作业的。单 组系统作业时对另一组系统的影响是通过吊装塔天梁与系梁和钢管拱横联 而产生的，两组系统可能同时同样工作，也可能不同时交替工作。因此，验 算时，按不利的情况考虑，以单组最不利荷载验算单门柱式吊装塔的单侧塔 柱的强度、刚度与稳定性。 第一、验算塔顶不平衡水平力：分别取缆索系统和扣索系统单独验算，各 自平衡其最大水平力差值：而后联合起来分析，控制施工工艺。 第二、验算塔架承压强度和刚度：取缆索系统吊装某个节段于跨中和扣索 系统己扣定另一岸某个段到位之后的施工状态对塔架的最大作用力组合及 风缆系统和设备自重作用的叠加。 2 吊装塔的计算： 为了把握吊装塔各部位杆件的受力情况，可采用有限元法对吊装塔进行 了复核验算。整个吊装塔视为上端自由、下端与基础固定。采用杆单元离散， 武汉理工大学硕十学位论文 计算图式见图2 3 2 所示。因为吊装塔主塔柱纵桥向两侧后加拼的高塔体并 不能十分理想地参与塔身整体受力( 初应力状态不同、基础预压密实度不 同) ，其作用主要在于增强压杆稳定性，故在承压强度验算时不计入其作用。 日日 图2 3 2 吊装塔有限元法结构分析图示 3 吊装塔稳定性的计算： 塔柱顶部铰结，底部固结，自由长度近似取o 7 h 计算。由于塔柱顶部 是可以水平位移的而非理想铰结，底部基础有可能产生沉降变形而非理想固 结，长度系数 o 7 ，而在o 7 1 o 之间变化，塔柱整体轴向承压稳定安 全系数为： ：瞠：2 1 4 由 v r m 考虑到施工过程中影响塔身稳定的客观因素较复杂，如构件加工精度、 材质因素、杆件拼装紧固程度、螺栓锈蚀、地基稳定性、扣索调索影响、风 缆作用影响、自然条件影响、风振作用等，因此在安装中期、扣索尚未穿挂 于吊装塔顶部之前，在塔身下部沿纵桥向两侧可进行加强。但在对吊装塔进 行结构分析和塔顶水平力控制分析时可忽略该部分的作用，以策施工控制安 全可靠。 2 4 稳定风缆系统 设置牢固可靠的稳定风缆系统，控制结构摇晃和塔顶水平位移量是至关 重要的。 1 0 武汉理下大学硕十学位论文 2 4 1 稳定风缆总体布局 吊装塔纵向稳定风缆采用钢丝绳对称布置于每岸吊装塔的内外两侧，并 用初安装张力进行控制。吊装塔后风缆采用可调式活动风缆，在缆索吊装系 统安装、空载、重载等不同时期可进行风缆调整。当2 # ，3 # 于口索均扣挂在 吊装塔上以后，风缆系统原则上不再作调整( 实际施工过程中未调动) 。这一 措施减少了风缆数量、增大了系统的稳定安全系数。 吊装塔横向稳定风缆采用钢丝绳对称布置于吊装塔上、下游两侧。吊装 塔内倾稳定，利用主索背索( 即边跨主索) 兼作保险索，用千斤绳搭接锚固在 塔顶部结点上。 钢管拱横向稳定风缆，除了拱轴线调节和节段横向稳定所需横向风缆 外，还在主拱的临时横联处和拱顶处设景了钢丝绳横向稳定风缆。在张拉 2 # ，、3 扣索时，扣索转向轮会产生不平衡摩擦力：扣索的布置在塔架两侧因 地形限制丽产生微小的倾角差会带来不平衡水平力。 此外，为了减少节段前端悬臂下挠度，便于拱轴线形调控，同时使1 # 3 # 扣索受力均衡合理，在此节段上还设置了天扣。天扣可在主索上安装四轮小 跑车，利用主索承重时的下垂坡度下滑到达此节段中部上空，用钢丝绳穿滑 车组形成吊钩吊扣此节段上的千斤绳。天扣钢丝绳“活头”设在下端滑轮组， 从钢管拱上引出后进入引桥桥面上的卷扬机。 2 4 2 吊装塔纵向稳定风缆设计验算 根据现场条件和结构受力分析，拟定采用钢丝绳作塔顶风缆。前后风缆 布置如图2 4 1 所示，侧向风缆的钢丝绳垂直桥轴线布置于吊装塔上、下游 两侧，锚点平距约为塔高的0 5 一o 7 倍。 一臣 图2 4 1 塔架顶风缆索布置示意图 武汉理工大学硕十学位论文 风缆的设置原则是：在吊装塔受竖直力和水平力作用时，塔顶水平位移 不得超出吊装塔的强度和刚度所限定的范围，同时，风缆位移产生的水平张 力差能平衡塔顶多余的不平衡水平力。 首先验算风缆数量。风缆计算图式见图2 4 2 。前后风缆为自由悬链线， 己知l l ，l 2 及f l ，f 2 ( f l ，f 2 的值根据钢丝绳的承载力，考虑安全系数后 确定) 情况下可以按照悬链线理论的有关公式计算得到塔顶水平位移f 为 控制值【f 】时对应的水平力差。若该水平力差可以克服塔顶由于外荷载产 生的水平力差，则风缆数量达到要求。否则，应增加风缆数量，或减小f 1 ， f 2 的值( 风缆张力增大，安全性降低) 。 多个 。j ， 一? j 浞。z 。 卜一一卜一一。篁兰 图2 4 2 稳定风缆计算示意图 前后风缆的初始张拉力的确定必须系统考虑。基本原则是前后风缆在初 始状态下水平分力相同，保证塔顶位移。 实际旄工时，缆索吊装系统安装完毕，斜拉扣定系统的扣索穿过塔架之 前，在起重索空载的情况下，通过风缆地锚处可收放卷扬机滑车组的调节， 调整塔顶前后风缆，使塔项水平位移量为o 。在后期施工中，控制塔顶位移 【f 】1 5 c m ，直至安装工程结束。 通过以上分析可知，吊装塔纵向稳定风缆设计安装成可调式活动风缆是 十分必要的。初步设计安装到位的风缆，在缆索吊装施工过程中，根据运行 情况观测结果，进行合理的调节、测试，这样就减少了风缆布置的数量、降 低了安装张力、增大了系统的稳定安全系数。 武汉理 大学硕士学位论文 第3 章钢管混凝土拱桥的施工技术研究 3 1 大桥概况 东苕溪特大桥跨越太湖南部主要河流东苕溪，桥址位于杭州市余杭区奉 口地区，线路穿越杭州一级水源保护区。本桥桥位由线路走向确定，一次双线 桥，桥址处线路为直线，线间距为4 2 m ；河道弯越，线路与水流斜交2 0 0 ， 线路等级为i 级。 桥式：梁全长为1 1 6 m ，其中计算跨长1 1 2 m ，矢跨比为f l = l ：5 ，拱肋平面 内矢高为2 2 4 m ，拱肋采用悬链线线型，m = 1 3 4 7 。拱肋在横桥向内倾1 3 0 ，形 成提篮式。 截面形式：拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高度h = 3 o m ， 等高布置。钢管直径为1 0 0 0 咖，由厚度为1 6 m m 的钢板卷制而成，每根拱肋 的两钢管之间用6 = 1 6 如m 的腹板连接，钢管内均泵送c 5 0 混凝土填充。 系梁按整体箱形粱布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，梁高h = 2 5 m ，桥面箱宽为1 5 0 m 。拱脚顺桥向8 o m 范围内设成实体段，横桥向 宽度由1 5 o m 增至1 6 o m ，截面渐变处设倒角或过渡段。 吊点处设横梁，横梁厚度为o 4 o 6 m 。吊杆布置采用尼尔森体系。在吊 杆平面内，吊杆水平夹角在5 2 1 0 0 6 8 6 7o ，横桥向夹角为7 7 0 ，吊杆间距为 8 o m ，吊杆采用p e s 7 一1 2 7 、p e s 7 1 3 9 型号低应力拉索。系杆采用体外预应 力索的形式，全桥设1 6 束成品体外索，对称施加拱脚处，系杆与系梁无粘结。 两拱肋之间设五道横撑，分别为k 型撑、直型撑和拱顶的x 型撑，横撑由 由5 0 0 唧和巾3 0 0 衄的圆形钢管组成，钢管内部不填混凝土。桥面采用有渣桥 面。 主桥施工采用无支架的缆索吊装的施工方法；系梁混凝土采用移动挂篮 浇注。 武汉理l 大学硕士学何论文 3 2 施工方案的选择 3 2 1 全桥的总体施工方案 选择的总体施：l = 方案是：提篮拱的拱肋采用工厂制造，厂内半跨立体 预拼、水路运输、现场分段立体组拼、缆索吊机起吊、扣索塔架斜拉扣挂分 段悬拼方案进行施工；系梁及拱脚现浇l 、17 段，采用钢管柱支架现浇 方案施工：系梁采用两套挂篮由两拱脚处向跨中方向，按设计要求对称悬 浇旌l ：；为了克服旋 _ ：过程中拱脚处的负弯矩和水平力，采取墩梁固结和 增设拱脚临时预应力的措施；拱肋内混凝土采用输送泵由拱脚向拱顶分仓 顶升的施工方案。 3 2 2 钢管拱的施工方案 无支架缆索吊装施工法，是修建拱桥的主要方法。随着各类结构大跨径 拱桥近几年的新发展应用，缆索吊装法也向多样化发展。在过去普遍成熟应 用的缆索吊装施工法的基础上，针对新结构、大跨度和大吨位拱桥的安装， 有必要对拱肋节段的科学设计与划分，经济合理的设计吊装重量的限制与确 定，主索经济跨度和垂度，机械设备的统一控制与电子程控技术的普及应用 等方面作进一步研究。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 缆索吊装施工方案的具体布置是以钢管拱主肋的安装为控制工程展开 的。钢管拱设计分5 个节段焊接安装合拢，上下游两条拱肋间距较大，且拱 肋节段自重较重( 一般节段长2 4 m ，自重7 5 8 0 t ) 。因此，确定采用上、下 游二组主索及其工作索系统分别吊装两条主拱肋，且原则上按正吊设计。 选择旋工的具体步骤是：施工主孔邻近三孔简支梁的基础及承台， 作为临时后锚：搭设支架，安装拱脚段预埋钢拱肋及其定位钢构件、，现浇 拱脚附近1 ，1 系梁节段混凝土；混凝土浇注前须预压支架：架设塔架、 缆索及风缆锚碇，缆索吊重按8 0 t 设计；为避免相互干扰，扣索塔架与缆索 塔架分没，并采用相应的固定扣索措施；现场预拼拱肋钢管( 空间) ，根 据需要加设临时定位撑，对称安装第一段拱肋钢管，安装扣素、风缆，调整 拱肋线型；对称安装第二段拱肋钢管，两拱肋之间用法兰螺栓对接，不拧 紧，安装扣索，调整拱肋线型到设计标高，初步拧紧螺栓；安装合拢段拱 肋钢管，穿好高强螺栓，检查、校核、调整各接头点的标高，拧紧各法兰接 头螺栓，安装、焊接各接头处、吊杆处钢板、钢管、缀板及外包钢管、钢筋， 分级拆除扣索及临时件，安装拱顶横撑。 3 2 3 系梁的施工方案 选择旌工的具体步骤是：系梁1 、l ，节段采用的是支架现浇的施工方 法；系梁2 7 、2 7 节段采用的是挂篮对称浇注的施工方法；合拢 武汉理工大学硕士学位论文 段采用的是宣城侧挂篮浇注的施工方法。 1 拱脚及系梁现浇段的施工： 拱脚现浇段的长度为8 米，采用的是钢管支架支承于承台上进行现浇， 整个支架结构自身的刚度很大，施工时可以有效控制梁体的沉降值。墩梁临 时固结及4 束1 2 7 巾5 预应力后锚固按设计要求施工。墩梁临时固结措施未 解除时，对系杆张拉、系梁砼浇注过程等不同的工况进行墩台位移观测，保 证其观测的位移值均在设计的允许值范围内。墩粱临时固结和4 束后锚固索 在系梁合拢后，顶底板第一批纵向预应力张拉完毕后进行拆除。 拱脚处拱肋钢管预埋段的安装和定位均按照设计要求进行。采用型钢劲 性骨架对拱肋预埋钢管进行定位，现场根据实际情况进行了必要的加固，保 证其在砼施工过程中不跑位。 2 系梁的施工： 系梁2 ，2 ( l = 7 5 m ) 的节段和3 7 、3 7 ( l = 8 【1 1 ) 的标准节段均采 用挂篮进行对称悬浇箍工，挂篮重量须满足设计要求。挂篮篪工每个节段时， 根据设计计算结果和现场实际施工情况，对挂篮底模标高进行预抬，合拢段 采用单个挂篮改造成吊架后进行施工。每个施工工况均对梁体线型及拱肋线 型进行测量监控，同时根据前阶段的线型测量结果，对下节段施工的挂篮预 抬值进行调整。 3 3 实桥工程的一体化施工体系 无支架缆索吊装法安装大跨径拱桥，必然要解决吊装过程中悬拼节段的 悬臂稳定性和安装精度控制合理性两大问题，目前较常用的方法是设置斜拉 扣定系统，并形成了较为合理的缆索吊装一斜拉扣定施工法。通常，大跨径 钢管混凝土拱桥的吊装塔架设置为铰接底座的钢塔架，扣索主要靠单独设嚣 的扣索塔架来作支撑结构。这主要是考虑大跨径拱桥矢高大、吊装高、安装 分阶段多、吊重大、扣架高( 可达8 0 m 以上) ，而塔架受水平分力的影响反应 敏感，为了增加拱肋安装稳定性，方便拱轴线调控，故一般将缆索吊装系统 和斜拉扣定系统分离开来独立布置。 按常观，塔架及扣架的强度大，所需设备多，加之施工单位低价中标， 如果不采用新技术，降低工程成本，工程必会产生较大亏损；另外，由于受 桥位地彤影昀，东苕溪特大桥钢管拱肋共分五节段，节段最大重量约8 0 t ， 在工厂内加工时，按照节段长度，先进行单片拱肋的加工，加工完毕进行立 1 6 武汉理：大学硕士学位论文 体预拼，各项指标检查均合格后，将单片拱肋和横撑等采用水路运至桥址处， 由8 0 0 k n 缆索吊机起吊至预拼场进行现场半跨立体组拼；钢管拱的安装同样 由8 0 0 洲缆索吊机通过分配梁起吊，由扣索塔架扣索斜拉扣挂分段悬拼方法 进行施工。 本桥采用的缆索吊机跨径布置为9 6 2 m + 2 3 9 1 m + 9 6 2 m ，塔架基础在2 0 # 、2 5 # 墩承台上。缆索吊设计荷载由主拱肋的最大安装拱段的重量控制， 采用双线吊重，跨中双线最大允许吊重为8 0 0 k n ，跨中主索最大垂度为 1 8 3 2 9 m ( f l = 1 1 3 ) ，主索拉力2 2 8 6 k n 。 3 4 安装工程的工艺流程 全桥安装工程均采用缆索吊装法施工，并充分利用塔架、扣架的施工技 术特点，其工艺流程为：钢管拱两岸对称分段架设与合拢一封拱脚一拱肋x 型撑对称安装一钢管砼浇筑一系粱2 7 、2 7 节段挂篮对称浇注与合拢 一拱肋吊杆安装- 墩梁临时固结拆除一吊杆索力调整一安装桥面线上设备 ( 道渣、人行道和轨枕等) 一钢管防锈及涂装。 东苕溪特大桥安装施工工艺流程为：缆索吊装系统安装调试一钢管拱加 工预拼一对称安装第一段拱肋钢管一安装扣索l 、风缆一调整拱肋线型一对 称安装第二段拱肋钢管一安装扣索2 、风缆一调整拱肋线型一安装合拢段拱 肋钢管一焊接各接头处、吊杆处钢板、钢管和缀板一安装拱顶横撑一安装系 杆一灌注拱脚临时铰处混凝土一张拉3 # 、1 0 # 系杆，单根索力2 0 0 0 k n 一泵送 拱肋上弦管内混凝土一张拉7 # 、1 4 # 系杆，单根索力2 0 0 0 k n 一泵送拱肋下弦 管内混凝土一张拉2 # 、1 l # 系杆，单根索力2 0 0 0 k n 一分仓、对称灌注拱肋腹 板内混凝土一张拉拱脚段扣索，单根索力5 0 0 k n 一对称安装系梁挂蓝一浇筑 2 ，2 节段系梁混凝土一安装2 ，2 吊杆，单根张拉9 0 0 k n 一张拉墩梁临时 固结处体外索，单束张拉索力1 4 0 0 k n 一拆除支架一张拉6 # 、1 5 # 系杆，单根 索力2 0 0 0 k n 一拱顶压载8 0 t 一对称前移安装系梁挂蓝一浇筑3 ，3 节段系 梁混凝土一安装3 ，3 与4 、4 吊杆，单根张拉8 0 0 k n 一张拉4 # 、9 # 系杆， 单根索力2 0 0 0 k n 一张拉扣索，单根扣索力调整至8 0 0 k n 一对称前移安装系梁 挂蓝一浇筑4 ，4 节段系梁混凝土一安装5 ，5 与6 ，6 吊杆，单根张拉 8 0 0 k n 一张拉8 # 、1 3 # 系杆，单根索力2 0 0 0 k n 一对称前移安装系梁挂蓝一浇 筑5 ，5 节段系梁混凝土一安装7 ，7 与8 ，8 吊杆，单根张拉7 5 0 k n 一 拆除扣索，张拉1 ，l 吊杆，单根吊杆索力8 0 0 k n 一张拉1 # 、1 2 # 系杆，单 武汉理工人学硕士学位论文 根索力2 0 0 0 k n 一对称前移安装系梁挂蓝一浇筑6 ，6 节段系梁混凝土一安 装9 ，9 与1 0 ，l o 吊杆，单根张拉7 5 0 州一拆除拱顶压载一张拉5 # 、1 6 # 系秆，单根索力2 0 0 0 k n 一对称前移安装系梁挂蓝一浇筑7 ，7 节段系梁混 凝土一安装1 1 ，1 1 与1 2 ，1 2 吊杆，单根张拉7 0 0 k n 一拆除一副挂蓝， 并前移另一副挂蓝至跨中一浇筑系粱合拢段混凝土一拆除挂蓝一对称张拉 系粱部分项板、底板预应力索一拆除墩梁临时固结一分批对称张拉系梁内全 部预应力索达设计值一按设计顺序调整吊杆索力一安装桥面线上设备( 道 渣、人行道和轨枕等) 一钢管防锈及涂装。 1 8 武汉理t 大学硕士学位论文 第4 章钢管混凝土拱桥的施工过程仿真分析 4 1 概述 我国自5 0 年代丌始对钢管混凝土的基本理论进行了大量的研究，取得 了可喜的成果，近些年来相续颁布了三本有关钢管混凝土结构的设计与施工 规程。这三个规程分别是：国家建筑材料工业局于1 9 8 9 年颁布的钢管混 凝土结构设计和施工规程( j c j0 l 一8 9 ) ；中国工程建设标准化协会于1 9 9 0 年颁布的钢管混凝土结构设计和旋： ：规程( c e c s 2 8 ：9 0 ) ；能源部电力规 划管理局于1 9 9 1 年颁布的火力发电厂厂房钢一混凝士组合结构设计暂行 规定( d l g j 9 9 一9 1 ) ，并在该暂行规定的基础上，电力部组织编写了钢 混凝土组合结构设计规程( d l 5 0 9 9 9 7 ) ，这些规程对于钢管混凝土结构的 推广应用都有重要的意义。但是，以上三个规程所涉及的对象均以房屋建筑 r 卜的柱系为主，没有钢管混凝土拱桥结构方面的有关内容，其规程的体系为 建设部行业标准的体系，与公路桥梁或铁路桥梁规范体系还存在着差异。而 现有的桥梁设计规范中又缺乏钢管混凝土材料与结构的内容，这就给钢管混 凝土拱桥的