武汉天兴洲公铁两用长江大桥斜拉桥施工监控.pdf

武汉天兴洲公铁两用长江大桥斜拉桥施工监控 石建华 朱运河 李卫华 吴志刚 中铁大桥勘测设计院有限公司 湖北 武汉 430050 摘要 武汉天兴洲公铁两用长江大桥主桥设计为主跨504 m 的三索面 三主桁斜拉桥 钢桁梁架设方法首次 采用桁段法与杆件散拼法相组合的方法 施工监控结合钢桁梁架设方案与工序变化等工程实际情况 应用基于无 应力状态法理论编制的空间结构分析软件 3Dbridge 研究并确定斜拉索二次张拉到位的控制方案及相应的工程变 化应对措施 实现钢桁梁架设过程的连续性与多工序同步性 并系统研究及实施三主桁 三索面合龙口多手段多向 空间变形主动控制技术 实现高精度 快速合龙的工程目标 第 1 期静动载试验以及近 1 年的运营情况验证了大 桥结构线形与内力满足设计要求 关键词 斜拉桥 三主桁 三索面 无应力状态法 合龙 施工监控 中图分类号 U448 27 U445 1文献标志码 A文章编号 1671 7767 2010 02 0024 05 收稿日期36 作者简介 石建华 3 男 高级工程师 5 年毕业于西南交通大学桥梁工程专业 工学学士 j 1概述 武汉天兴洲公铁两用长江大桥主桥为主跨 504 m 的三索面 三主桁斜拉桥 1 该斜拉桥是目前世界 上已建成的跨度最大 载重最重的公铁两用斜拉桥 见图 1 大桥主梁结构设计为公路桥面板 钢 混凝土组合板 两端各 168 m 范围设计为混凝土 板 与 3 片 N 形钢桁梁相结合的新结构 节间长度 14 m 桁高 15 2 m 铁路面采用道碴槽桥面 纵横梁 结构 每塔两侧各布置 316 根斜拉索 图 1武汉天兴洲公铁两用长江大桥斜拉桥 立面布置示意 三索面 三主桁 双层斜拉桥的空间结构特点决 定了钢桁梁架设过程中三索面索力与三主桁内力变 形关系相互影响的复杂程度 结构的空间受力与变 形效应显著 在主梁架设阶段须结合结构特点与安 装方案 考虑现场工序变化等实际情况 实时监控索 力 线形 确保结构形成的全过程受力安全 索力 线 形均满足要求 更好地适应工程建设需要 本文主要介绍该桥边 中跨合龙及斜拉索调索 控制技术 2钢桁梁架设方案概要 2 1钢桁梁架设方法 为满足工期需要 结合桥址地形 水位情况 斜 拉桥钢桁梁架设采用桁段架设法与传统的杆件散拼 法相结合的方案 在具备水上吊装条件的区段 约占 全桥长度 2 3 采用桁段架设法 最大吊重约 700 t 在各墩顶及武昌侧岸滩区段采用传统的杆件散 拼方案 2 2钢桁梁架设工序 1 在塔旁托架上采用散拼法完成 4 个节间钢 桁梁安装 钢桁梁节间及斜拉索编号见图 2 图 2钢桁梁节间及斜拉索编号 2 采用桁段架设法双伸臂架设钢桁梁 张拉 相应的斜拉索 同步采用散拼法进行武昌侧岸滩区 段钢桁梁架设 3 3 号塔双伸臂桁段架设至 L6 L7 节间 斜 拉索张拉至 3 号索后进行边跨侧 L8 节间桁段合龙 4 2 号塔钢桁梁桁段架设至 L12 L12 节间 后 吊装边跨相应的公路面预制混凝土桥面板 1 号 墩顶 L14 L15 节间钢桁梁采用散拼法架设 5 伸臂架设 2 号塔 L18 3 号塔 L17 节间后 拆除中跨架梁吊机 初张拉 15 号斜拉索 同步安装 边跨钢桁梁 0 号 5 号墩钢桁梁落梁至边支点标高 比设计标高低 0 85 m 6 中跨 3 号塔侧 L18 节间钢桁梁合龙 初张拉 6 号斜拉索 拆除号塔边跨架梁 24世界桥梁 2010 年第 2 期 2010 0 2 197 199E mail shi hbrdi com cn 712 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 吊机 现浇边跨公路面预制混凝土板间湿接缝 张拉 混凝土板内纵向预应力束 8 安装铁路面道碴槽板 在 0 号 5 号墩顶起 顶钢桁梁至设计标高 9 铺设公路面环氧沥青混凝土 10 铁路面道碴 轨道等附属工程施工 同步 完成全桥调索 2 3钢桁梁架设过程结构体系转换 安装阶段斜拉桥结构主要经历 3 次体系转换 在 1号斜拉索张拉之前 塔旁 8 个节间钢桁梁支 撑在塔旁托架上 临时纵 横 竖向约束 1 号斜拉索 张拉后解除塔旁托架的临时竖向约束 梁体支撑于 正式支座上 3 号塔边跨合龙后结构转换为单伸 臂体系 主跨合龙之后 解除塔旁临时纵向约束 安装纵向阻尼器 结构转换为成桥状态体系 3监控理论 方案及要求 3 1监控理论 计算与斜拉索张拉方案 3 1 1控制理论及监控计算 该桥监控采用已在数十座大跨桥梁中成功实践 的无应力状态法控制理论 由于该桥结构复杂 空间受力效应显著 平面计 算手段无法准确反映钢桁梁在安装过程中三主桁 三索面空间变形与受力情况 不能完全适应监控计 算的需要 因此 该桥监控计算软件采用由中铁大桥 勘测设计院有限公司自主研发的基于无应力状态控 制理论编制的桥梁专用空间分析软件 3D bridge 平面计算作为总体变形与受力方面平行校核 空间 计算模型见图 3 计算模型中梁部结构除公路桥面 板模拟为板壳单元外 桥塔 主桁 铁路纵横梁 平联 等构件均模拟为梁单元 斜拉索模拟为索单元 斜拉 索采用割线模量算法 图 3空间计算模型 3 1 2斜拉索张拉方案的确定 分阶段仿真计算分析结果表明 因钢桁梁自重 仅占成桥状态梁部恒载的5 钢桁梁架设过程除 设计要求两次张拉到位的少部分索外 其余斜拉索 若按照一次张拉到位的方案张拉 尽管结构受力安 全可满足要求 但合龙口两端的变形难以满足合龙 要求且桥塔处支座会出现脱空情况 从误差调整角 度考虑 一次张拉到位方案无法准确预计钢桁梁架 设全过程发生的各项误差值 且施工过程可能发生 需要通过索力控制去适应工序变化的情况 因此 统筹考虑合龙口变形要求 误差控制因素后确定斜 拉索张拉方案为 两次张拉到位 方案 斜拉索二次 补拉量值与因施工偏差等因素需要的调整量值合并 实施 3 2监控要求 从对索力 线形影响因素的误差的控制以及根 据实际参数修正计算方面考虑 提出如下监控要求 1 对桁段拼装完成 吊机松钩状态 及斜拉索 初张拉完成 2个工况监测 以反映钢桁梁制造拼装 线形误差与斜拉索初张拉误差 2 监测内容包括索力 主梁线形 塔顶偏位 桥塔与钢桁梁应力 温度场 3 监测时段选择在温度场相对稳定的夜间或 阴雨天 4 对公路面及铁路面预制混凝土板逐块 称重 5 进行多方法索力比对 斜拉索初张拉完 成时采用频谱法进行独立监测 对安装有健康监 测压力环的斜拉索在初张拉过程中采用油表法 频 谱法 压力环法进行分级记录比对 6 钢桁梁线形测控 至少 3 个以上桁段在 场内预拼 对桁段与现场散拼杆件匹配节点进行 高精度测控 7 索长调整时要求其精度以锚垫板与螺母的 旋转角度进行控制 8 采集道碴实际参数 4边 中跨合龙控制要点 该桥有 1个边跨合龙点 1 个中跨合龙点 较传 统 2 片主桁而言三索面 三主桁合龙难点有 要求 多达 9 根杆件的合龙端节点空间变形均能得到精确 控制 影响合龙口变形的因素多 相互影响关系复 杂 所需多点 多向误差控制调整精度高 措施多 4 1边跨合龙 4 1 1合龙前结构状态 合龙前结构状态 塔梁铰接 双伸臂钢桁梁可沿 三支座中心形成的轴线转动 岸滩侧支撑于号墩 及临时墩上的散拼区段钢桁梁在竖 纵 横向变形均 25 武汉天兴洲公铁两用长江大桥斜拉桥施工监控石建华 朱运河 李卫华 吴志刚 0 4 4 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 可调 合龙段为双伸臂段与散拼段间的 L8 节间 4 1 2合龙前工序变化情况 既定合龙前状态 塔两侧钢桁梁对称双伸臂至 L7 L7节间 4 号斜拉索张拉完成 合龙前实际情 况 主跨 L7 节间尚未安装 4 号斜拉索尚无条件张 拉 若按既定工况实施 则工程需要等 L7 节间钢 桁梁安装与 4 号斜拉索张拉完成 等待时间达 20 余 天 钢桁梁架设过程将不能连续 4 1 3合龙工序变化的应对方法 对于合龙口而言 工序转变为不对称状态 相差 1 个节段的不平衡弯矩产生的梁体转角变形将不能 满足合龙口转角要求 且散拼侧钢桁梁调整措施难 以适应此变化值 基于双伸臂侧铰支钢桁梁可以转 动且在短伸臂状态下钢桁梁线刚度大 索力对钢桁 梁线形影响甚小的结构特点 采取将梁体作刚性转 动的办法来调整因 1个节段不平衡弯矩产生的转角 变化 双伸臂侧梁体转动的方法则以索力不变 根 据梁体转动的几何关系简单推算 1 3 号索的无应 力索长调整量 监控过程则根据上述方法推算出的无应力索长 调整量 在 2 号斜拉索初张拉之前对 1 号斜拉索索 长进行了调整 主 边跨侧索锚杯分别回缩 拔出 72 82 mm 此调整量在后续调索工序中计入 4 1 4合龙主要步骤 1 纵移散拼侧钢桁梁 纵移量 70 mm 以满足 温度伸缩范围的合龙杆件安装需要 2 安装 9 根主桁合龙杆件一端 同时通过散 拼侧墩顶的措施调整钢桁梁轴线 高程误差 3 在温度场相对稳定的夜间纵移散拼侧钢桁 梁就位 打入拼接板连接冲钉 4 及时解除散拼侧钢桁梁顺桥向约束 合龙 完成 4 2中跨合龙 4 2 1合龙前工况与准备工作 合龙前工况确定要点 满足合龙口两端变形 要求 合龙点两端线位移相同且两端转角差基本为 零 以保证合龙拼接板孔群每个33 mm 孔均能插 入 32 85 mm 冲钉 满足现场工序 合龙杆件安 装与剩余钢桁梁架设 斜拉索张拉等作业的同步连 续 需要 合龙前工况 主跨 700 t 架梁吊机的拆除与合 龙杆件安装 号塔边跨端部节间钢桁梁架设同步 进行 5 号斜拉索初张拉完成 号 5 号墩处落梁 5 解除 3 号塔岸滩侧临时墩支撑 为适应合龙 杆件安装期间 约需 5 d 的温度变化 利用塔梁间临 时纵向约束千斤顶将长 546 m 的钢桁梁向边跨侧 纵移 150 mm 为了精确把握合龙精度 合龙前进行了以 2 h 为间隔的 24 h 温度与变形连续监测 并对钢桁梁纵 移过程中顶推力与变形试验验证 同时准备合龙口 多方向变形调整措施 合龙杆件拼接板的匹配通过 厂内预拼控制 4 2 2合龙前线形累计误差 合龙前线形累计误差 2 号 3 号桥塔塔顶偏位 偏差分别为 10 mm 21 mm 合龙口钢桁梁轴线 偏差分别为 24 mm 22 mm 上 下游高差分别为 60 mm 41 mm 标高误差中桁最大约 110 mm 80 mm 4 2 3误差调整措施与理论计算分析 竖向标高及转角误差可通过调索 压重 辅助墩 顶落梁 3 种措施调整 即 合龙端每桁压重 100 t 主 边 跨 15 号斜拉索索力增加 1 000 kN 准备多手段主动定量控制措施 进行必要的现场试验验证 5 监控工作除系统 精确的计算分析外 若对 结构设计要点 施工方案以及过程中可能存在的工 程风险有全面的认识 则可更好把握工程安全 质 量 工期三者关系 8结语 武汉天兴洲公铁两用长江大桥于 2004 年 9 月 28 日正式动工建设 2007 年 5 月进入钢桁梁架设阶 段 2008 年 9 月 10 日中跨合龙 2009 年 5 月铁路面 货运线通车 2009 年 12 月公路面通车 斜拉桥施 工监控针对三主桁 三索面结构空间效应显著的特 点 结合首次采用的桁段架设法与传统散拼法相组 合的钢桁梁架设方案以及现场工序变化情况 应用 基于无应力状态法控制理论编制的空间结构分析软 件 3D bridge 在对钢桁梁架设过程仿真计算以及对 影响索力与线形的相关因素深入分析的基础上 确 定了斜拉索二次张拉到位 合龙及调索工序与其它 工序同步作业 合龙口线形误差采用多种措施主动 控制的方案 实时控制了索力 线形偏差 实现了钢 桁梁架设全过程多工序同步 连续作业与高精度 快 速合龙的工程目标 27 武汉天兴洲公铁两用长江大桥斜拉桥施工监控石建华 朱运河 李卫华 吴志刚 4 cm 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 参考文献 1 高宗余 武汉天兴洲公铁两用长江大桥总体设计 J 桥梁建设 2007 1 5 9 2 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司 武汉天 兴洲公铁两用长江大桥通车试验第一期试验报告 R 2009 Construction Monitoring and Control of Cable Stayed Bridge of Wuhan Tianxingzhou Changjiang River Rail cum Road Bridge SHI J ian hua ZHU Y un he LI Wei hua WU Zhi gang China Railway Major Bridge Reconnaissance three main trusses three cable planes unstressed state method construction monitoring and control 欢迎订阅2010年度 世界桥梁 世界桥梁 刊号 ISSN 1671 7767 CN 42 1681 U 邮发代号 38 55