小湾水电站左岸缆机基础高缆拱桥施工方案优化及分析.doc

小湾水电站左岸缆机基础高缆拱桥施工方案优化及分析一、左岸高缆工程概况1、小湾水电站概况小湾电站工程位于云南省大理州南涧县与临沧地区风庆县交界的澜沧江中游河段,系澜沧江中下游河段规划的八个梯级水电站中的第二个梯级电站。小湾水电站工程属大(1)型一等工程，工程以发电为主兼有防洪、灌溉、拦沙及航运等综合利用效益，水库具有不完全多年调节能力，系澜沧江中下游河段的“龙头水库”。该工程由混凝土双曲拱坝（坝高292m）、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞及右岸地下引水发电系统等组成。总库容149.14108m3，电站装机容量4200MW（6700MW）。小湾水电站里程碑工期为：2002年1月20日工程开工，2004年11月大江截流，2010年首台机组发电，2012年全部机组投产发电，工程竣工。2、本工程基本情况小湾电站高缆布置2台30t缆索起重机,高缆轨道基础长268.3米,上游段落61米为重力式地基梁,下游弹性地基梁32.3米 重力式地基梁75米,中部100米为拱桥轨道结构,桥台基础高程1355.0m，桥台顶面高程1363.0m。主拱圈为现浇整体砼板拱，设计厚度2.0m，拱截面宽度12.5m, 拱轴线型为悬链线（轴线方程为：Y=f(chk-1)，其中k=ln(m+m2-1 ，m=1.03,=2x/L,f/L=1/6),拱脚底部高程1361.03m，顶拱底部高程1373.53m，拱桥最大跨度76.113m。拱圈上部立柱设计厚度2.0m，截面宽度9.53m。上部缆机轨道梁设计截面宽度9.53m，长100.0m，轨道梁底部高程1376.53m，顶部高程1380.28m，总工期为四个半月。3、方案优化的难点左岸高缆拱桥横跨龙潭干沟清坡区，沟心为高边坡开挖弃渣，有大量的虚渣存在，两侧桥台附近为岩石基础。同时高缆拱桥轴线距1380m公路中心线最近都有40 m，最远达85 m。如何解决2m厚的拱圈砼承重是高缆拱桥施工方案优化的关键。二、施工方案提出由于龙潭干沟沟心地形陡峻，开挖松散堆积料厚度达30m40m，虚渣工程量巨大，工期短，根本无法彻底清除，另外由于地形原因，1380.00m高程以上施工废水、雨水全部汇集到龙潭干沟，故满堂红排架这种常规施工方法必须排除。根据招标文件合同总工期的规定，针对本工程施工条件和施工特点，结合以往类似工程中的施工经验，经过对现场的认真踏勘及对招标文件的深入研究，拟对高缆拱桥提出以下施工方案：A架与木拱组合支架法(见图一) B斜拉贝雷拱架法(见图二) C辐射式承重排架法(见图三)三. 施工方案可行性研究1、钢桁架与木拱组合支架的基本构成及技术上施工上可行性(1)钢桁架与木拱组合支架的基本构成及技术上可行性钢桁架采用六四军用三角架组拼，采用三角架的基本构件中标准三脚构架、端构件、标准弦杆为主要的构件。为适应拱轴线的变化，组拼拱架下弦需特制一部分杆件（如图1标注1、2的杆件）。拱架的设计计算应根据结构受力的各个工况分别进行验算。计算工具采用美国通用大型有限元结构分析软件ANSYS 5.7，计算模型根据施工图纸进行计算。拱架的片数及组数根据桥梁的跨径、荷载的大小和桥宽的确定，主拱圈拟采用分段全宽，纵向分段，高度方向只分一层的施工方法进施工，对施工支架的承载力要求和施工支架的变形要求较高。根据计算结果，拱架横向拟采用21组（即为21片桁架）组成，支架桁片间距为0.52m，取三角架单片宽度，桁片之间不留间隙。组拼成的拱架总宽度过21*0.52m=10.92m，两边悬出部位与悬臂伸出的横梁木方组成施工脚手架。为方便施工，按照钢拱架的拼装线形应与拱轴线的线形相一致的原则，用变换下弦连接杆长度的方法来调整曲度和跨径，确定每片钢桁架由19片标准三角构架、2片端构架、6片标准弦杆、12片特制编号为1的下弦（销孔之间长度为3.84m）、2片特制编号 为2的下弦杆（销孔之间长度为2.09m）组成。拱架两端加设支座，以克服支架产生的水平推力和竖向荷载，端头端构架需进行合理构造，以对集中应力进行分配。为使完工后卸架方便，应在弧形木下设置木楔，两边支点下设置砂筒。拱架的横向稳定则由各片桁架间的抗风拉杆、撑木及风缆等设备来保证。 (2)钢桁架拱架施工可行性钢桁架拱架的安装采用悬臂拼装法，拼装时从拱脚起逐节进行。拼装好的节段，用滑车组吊在墩台塔架上（如图2）A.拱架拼装（21片）拼装前拱架应先按框架形式组成拼装单元，其长度包括5节拱架，一个框架最大吊装重量15t，拼装时由拱脚向拱顶、两岸对称进行，先拼装横向中线3片拱架，封拱卸吊后再拼装中线外侧3片拱架并封拱，顺次安装外侧3片拱架并封顶，最后拼装上下游各3片拱架。B.封拱及卸吊悬臂吊装法吊装拱架时，采用低温封拱、高温卸吊的成拱方法 。卸吊采取拱顶向拱脚分次于对称进行。 斜拉索花蓝螺栓一次放松按比例5cm控制。C.缆索吊装系统的布置本桥所布置缆索吊机主要解决三角架桁片的安装，在后续的施工中作为材料运输的主要设备，在主桥下部构造施工完成后拆除。 缆索吊装系统的基本布置概况:缆索系统吊塔采用桅杆式索塔，其上布置主绳鞍槽，根据吊装位置的不同，可采用移动塔架的方式，满足桥梁全宽范围的吊装。缆索吊装系统主绳采用2根39钢绳组成，其上布置两个起重能力分别为10T的吊点。塔架采用格构式组合支架，高度为8米。2、 斜拉贝雷拱架基本构成及技术上施工上可行性斜拉贝雷拱架法实质上与钢桁架支架法属同一种施工方法，仅是支承结构不同，在此仅在计算分析进一步论证。计算工具仍然采用美国通用大型有限元结构分析软件ANSYS 5.7，计算模型根据施工图纸，拱桥净跨为75.0米，拱桥断面尺寸为12.52.0米，计算跨度为76.113米，按施工方案，横向共采用29片贝雷架体系，中间采用花架相连，间距为0.45米，拱圈分三层浇筑，第一层浇筑厚度为0.6米，第二层浇筑厚度为0.7米，第三层浇筑厚度为0.7米。扣塔高度取25米。第二次浇筑的70混凝土的重量由第一次浇筑并已达到设计强度的60混凝土承受，第三次浇筑的70混凝土的重量则由前面两层承受。每片贝雷架体系用4根扣索辅助受力。采Beam4梁单元，共划分504个梁单元. 第一次浇筑的60混凝土受力分析根据预定施工程序，第二次浇筑的70混凝土的重量由第一次浇筑的60混凝土承受，第三次浇筑的70混凝土的重量则由前面两层承受。是否可行，需进行受力分析，考虑到最不利情况，只需验算第一次浇筑的60混凝土承受第二次浇筑的70混凝土的重量。为此再建立一个力学模型进行计算，共划分96个单元,受力满足要求。其中扣索、扣索的单根张力为：16.3吨；扣索、扣索的单根张力为：29.27吨.3、射式承重排架法基本构成及技术上施工上可行性（1）作用于承重排架的荷载脚手架的承载能力按概率极限状态设计法的要求，采用分项系数设计表达式进行设计。作用在立杆上的荷载分为恒载和活载两类，恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4。a作用于脚手架的恒载有 脚手架结构自重，立杆自重NGK1按20kg/m计（其中包括立杆、纵向和横向水平杆、剪刀撑、纵向和横向斜撑及扣件等的自重，直角扣件自重为1.32kg/个，旋转扣件自重为1.46kg/个，对接扣件自重为18. 4kg/个）；构配件自重NGK2（包括脚手板、栏杆、挡脚板、安全网等防护设施的自重）按标准植14kg/m计；模板及支架自重NGK3按140kg/m2计；新浇砼（1m高）与钢筋自重NGK4按3t/m3计；b作用于脚手架的活载有施工人员及施工设备的均布荷载NQK1按300kg/m2计；振捣砼时产生的荷载NQK2按100kg/m2计；风荷载NQK3按100kg/m2计；到目前为止，对脚手架的计算和研究还缺乏系统积累和统计资料，因此计算时，其安全系数一般控制在1.5倍以上。（2）承重排架的设计及计算复核：A承重排架结构形式辐射式承重排架斜撑间、排距50cm（表示脚手管与拱板接触部位的尺寸，主受力杆），步高（即纵向水平传力杆，排距50cm，主受力杆）以1360.27m高程为界，以上为8022cm，以下为100cm，并且在1366.08m高程以上变为双杆；横向水平杆间距100cm，排距以1361m高程为界，以上8022cm，以下100cm；纵向斜撑间距200cm；横向剪刀撑间距150cm，排距200cm；沟心为满堂施工排架，间排距1.01.0m，纵横向水平杆步距1m。B承重排架立杆与纵向水平杆受力计算a.强度及刚度校核承重排架强度校核辐射式承重排架斜杆及水平杆最大轴向压力F及N。受力计算简图见下图所示：拱圈底模龙骨强度及刚度校核 强度校核:拱圈底模龙骨采用16槽钢。龙骨最大弯矩：M=ql2/8=0.12535.1516002=11.2106；Wx=117103mm3，此时，=M/Wx=96N/mm2;钢度校核:龙骨最大挠度验算： w=5ql4/(384EI)w=l/250；其中，q为近似均布荷载；l为单跨长度；E为弹性模量；I为槽钢惯性矩；经验算，龙骨最大挠度满足变形要求；（3）辐射式承重排架和满堂排架的设计参数A立杆设计参数辐射式立杆主要承担混凝土、钢筋、模板、人员设备等的重力，属于主受力杆，设计间、排距为5050cm（在拱板部位的间排距），与水平面的夹角控制在47.9390之间，纵向共812排，横向共26排，主要分布在龙潭干沟上、下游两侧，上、下游辐射式立杆搭建时要求沿高缆控制线成一个面，施工时严格按照设计图纸施工，拱桥排架设计详见（图三）所示。沟心为满堂施工排架，间排距1.01.0m，纵横向水平杆布距1m。由于辐射式立杆在拱圈中间纵向14.7m范围内与拱板相交节点较为密集，需要的纵向水平杆较多，考虑纵向水平杆在施工过程中的误差，为避免辐射式立杆悬臂受力，因此从1372.96m高程以上开始采用全钢性的16#工字钢传递水平力及重力，16#工字钢之间采用M16的螺栓按50cm间距连接成一个整体。B纵向水平杆的设计1361m高程以上纵向水平杆采用对接方式连接主要承担由液态混凝土产生的侧向压力和混凝土自重沿水平方向的分力；1361m高程以下纵向水平杆采用搭接方式连接主要作用除增加承重排架的整体刚度和稳定性以外，在辐射式立杆施工期还起到拉杆的作用，以确保辐射式立杆在合拢前的质量和安全，该水平杆要求与桥台混凝土中预埋的插筋或与两侧边坡预埋钢板焊接。纵向水平杆设计要求如下：1360.27m高程以下，固定步高1.0m，排距0.5m，单杆传力；1360.27m高程以上为主传力杆，必须采用对接扣件连接，步高控制在0.220.65m之间，排距0.5m，1366.08m高程以下单杆传力，1366.08m高程以上双杆传力。C横向水平杆的设计横向水平杆主要增加排架的横向刚度，根据受力计算，横向水平杆设计要求如下：1360.27m高程以下，固定步高1.0m，排距根据辐射式立杆的纵向排距确定，要求每根立杆都需要有一根横向水平杆； 1360.27m高程以上，步高控制在0.220.65m之间，排距根据辐射式立杆的纵向排距确定，要求随辐射式立杆梅花型布置。D横向剪刀撑的设计横向剪刀撑主要增加排架的横向刚度并承担部分荷载，根据受力计算，横向水平杆设计要求如下：横向剪刀撑纵向按2.0m的排距布置，间距1.5m。要求垂直向下搭设，能落