六圭河特大桥施工及设计N PPT课件

2005年5月,中铁十七局集团,1,六圭河特大桥施工及设计,2005年5月,中铁十七局集团,2,2005年5月,中铁十七局集团,3,2005年5月,中铁十七局集团,4,2005年5月,中铁十七局集团,5,六圭河特大桥是目前跨度最大、吊装节段最重的多段吊装施工（一般把多于7段叫多段吊装）的普通钢筋混凝土箱形拱桥，其成功建成，将为箱形拱桥的发展积累经验。现将六圭河特大桥设计及施工中主要的技术难点及解决方法，作以简单的介绍：一、概述六圭河特大桥地处贵州岩溶峰丛区的高原中山深切河谷地带，沿桥位轴线岸坡地面高程河床最大高差235m，河谷横断面为不对称的“V”字型峡谷。主跨为上承式钢筋混凝土箱型拱桥，总体布置是：净跨l0=195m，净矢高f0=39m，桥宽为12.0m。左岸设两孔20m预应力空心板引桥，右岸设一孔跨度为20m预应力空心板引桥，全桥总长255.76m（图1）。,2005年5月,中铁十七局集团,6,本桥桥位范围岩溶内发育，地形陡峭，存在卸荷裂隙，破坏了岩体的均一性，同时桥位处为高原多雷区，春秋两季常有雷雨怪风天气，因此桥位处地形气候条件非常恶劣，增加了工程难度和风险。六圭河大桥主拱箱吊装于2004年4月15日开始，于2004年7月19日全部完成。,2005年5月,中铁十七局集团,7,二、结构设计,主拱箱的设计为减轻吊装重量，箱型主拱圈截面采用宽8.0m，高3.2m的单箱三室断面形式，边箱采用无支架吊装方法吊装，中箱在两边箱合拢后采用现浇方法施工（见下图）。其中标准段边箱宽2.5米，竖腹板厚度为35cm，顶、底板厚度均为25cm，拱脚根部段设置拱箱内加厚过渡段。,2005年5月,中铁十七局集团,8,主桥设计施工方案为预制拱箱节段，缆索吊起重运输至设计位置，分别吊装施工拼装两边箱拱肋，合龙后现浇中箱顶、底板，形成单箱三室的整体箱型拱主拱圈结构。设计吊装节段为40段（最重节段95T），即上下游两片拱肋各20个吊装节段，其中跨中的两个节段预制时各预留30cm，即跨中设置60cm的合拢调整段。运营阶段全桥结构整体纵向分析考虑5种荷载组合进行计算：汽车（汽-20）+人群荷载（3KN/m2）；挂车组合（挂-120）汽车（汽-20）+人群荷载（3KN/m2）+拱脚变形（沉降和水平位移各1cm）+整体升温（25）汽车（汽-20）+人群荷载（3KN/m2）+拱脚变形（沉降和水平位移各1cm）+整体降温（-25）汽车（汽-20）+人群荷载（3KN/m2）+拱脚变形（沉降和水平位移各1cm）,2005年5月,中铁十七局集团,9,营运阶段5种荷载组合情况下各拱肋截面均未出现拉应力，主要控制应力为：主要组合：上缘压应力max=16.2Mpa;压应力min=5.8Mpa上缘压应力max=13.5Mpa;压应力min=4.1Mpa附加组合：上缘压应力max=18.2Mpa;压应力min=5.2Mpa上缘压应力max=15.6Mpa;压应力min=2.8Map均满足规范要求。本桥主拱成桥以后的宽跨比为1/24.6，单箱合龙后的宽跨比为1/78.8，因此整体稳定性的分析非常重要。采用空间有限元程序（SuperSAP98）中空间梁单元阶段空间稳定性分析，单元划分原则为：拱肋纵向分为3根拱肋的空间梁单元，横向通过刚臂单元连成整体，立柱、盖梁、系梁采用空间梁单元模拟，按立柱实际空间位置通过刚臂单元和拱肋相连，为了和立柱对应，桥面纵向分为2根梁，用刚臂进行横向连接。经分析计算，成桥和营运阶段本桥的稳定安全性较好，稳定安全系数均在12以上，整体稳定性较好。,2005年5月,中铁十七局集团,10,全桥失稳模态,2005年5月,中铁十七局集团,11,三、主拱箱吊装方案及关键技术,1、总体吊装方案选择本桥主拱箱采用无支架缆索吊装，钢绞线斜拉扣挂，千斤顶调整扣索索力并控制拱肋线形，预应力锚具锚固，横向设缆风就位稳定，先上游侧拱肋后下游拱肋，分次合拢的施工方案。主拱箱吊装借鉴了拱桥的吊装工艺和斜拉桥的施工控制方法，在施工中的扣挂体系的实质就是一个临时的斜拉桥。以下为吊装顺序:支架现浇1#拱肋和20#拱肋；吊19#拱肋，调整缆索吊的4个吊点，使20#、19#拱肋铰接处和19#拱肋端部位移为0，再焊接20#、19#拱肋间接头，实现接头固接，最后通过体系转换将缆索吊装体系吊点的力转换给斜拉扣索，完成19#扣挂；吊18#拱肋，同的步骤，完成18#拱肋的吊装和扣挂；吊17#拱肋，同样方法实现扣挂；浇注20#、19#及19#、18#接头混凝土，相应调整扣索力；吊16#拱肋，同样方法实现扣挂；吊15#拱肋，同样方法实现扣挂；现浇18#、17#，17#、16#接头混凝土，相应调整扣索力；吊2#拱肋，同样方法实现扣挂；余下各道工序依此类推,2005年5月,中铁十七局集团,12,拱肋吊装顺序图,总之，每连续拼调四个节段后，即停下回头浇注两个接头。方案确定应使未浇注接头混凝土的接头不多于4个，保证接头的强度和刚度；同时又要减少浇注接头混凝土而等待强度增长的时间便于施工，因此一方面减少浇注次数，另一方面两岸交替吊装，在等待一侧接头混凝土强度增长的同时吊装另一侧拱肋。,2005年5月,中铁十七局集团,13,浇注完毕所有接头后，即可进行全肋线型检测，若检测合格，即选低温或与设计温差不超过5的时段进行合拢。若实测线形不附，则通过调整扣索索力来调整线型。以上各段体系转换和合龙方法均借鉴斜拉桥的方法进行。合龙混凝土达到设计强度后按照拟定程序松索成拱。拆除扣索，横移索鞍及主索，按前述程序吊装另外一条拱肋。吊装工艺流程各段的主要吊装工序为：预制场地预制拱箱吊具安装、起吊拱箱纵移至缆索吊下方拱箱转体缆索吊起吊到位后调整线形，上紧螺栓焊接接头钢板上钢绞线连接器拉紧扣索钢绞线进入后锚系统千斤顶张拉钢绞线逐级调索、吊点受力转移给扣索受力拉拱箱风缆、卸吊具回天车下一段拱箱安装直至全部吊装完成浇注合龙段混凝土按程序放松扣索，索力转化为拱肋推力实现单肋合拢。,2005年5月,中铁十七局集团,14,2、缆索吊装体系和扣挂体系总体设计,缆索吊装体系和扣挂体系的总体布置和设计是关键，其它细部设计都是基于总体设计进行的。总体设计要充分利用地形条件和永久性工程设施，并充分考虑空间关系的明确顺畅、受力体系的明确可靠、细部设计的可实现性、总体方案的经济性等因素进行，要把缆索吊装系统和扣挂系统综合考虑，特别是多节段吊装更是如此。一般要进行多次的优化设计，在计算机上反复模拟，现场多次反复察看。本桥的缆索吊装系统及扣挂系统的总体设计见图。（1）缆索吊装体系和扣挂体系的总体布置缆索吊装系统主要由承重主索、承重主塔、锚碇、牵引系统、起重系统及天车系统等组成。缆索吊装系统主要设计参数如下：,2005年5月,中铁十七局集团,15,缆索吊装系统和扣挂系统总体布置图,2005年5月,中铁十七局集团,16,缆索吊装系统主要设计参数,缆索吊装系统设计跨度：284.5米最大设计吊重：110吨主索设计规格（6*37NF-56）:8根，D56mm；主索塔顶最大张力：454.5T；主索载下最大挠度：19.915m；主索空载挠度：14.52m；(已安装天车等)11584m（空索安装时控制）主索破断安全系数：2.4（考虑1.2冲击系数）；主索主拉应力安全系数：3.35；起重索设计规格：D21.5mm，走8线布置（4钩起吊）；牵引索设计规格：D28.0mm，走4线布置；左岸主塔顶标高：1205.199m；右岸主塔顶标高：1201.199m，两塔顶高差4m。,2005年5月,中铁十七局集团,17,扣挂系统总体设计,因拱圈合龙前，实为一未合龙的斜拉桥，故扣挂系统的设计关系工程成败的关键。设计中我们进行了多种方案的比选，最后选定扣索受力合理、水平拉力适中，有利于调整线形、空间关系上合理的布索方案。扣索主要设计参数见下表。,2005年5月,中铁十七局集团,18,方案计中采用了主扣塔合用的方案。为不影响后续节段的吊运，每段拱箱的两扣索成倒八字张开。扣索在索鞍处分布及扣索在空间的位置分别见图5和图6，从中可以看出在空间上吊装体系和扣挂体系的布置，这种方法大大地减少了索鞍数量及相关细节构造，同时对塔高也比较节约（因在多节段吊装中，主塔高常常不是由缆吊系统决定的而是由空间关系决定的）。,2005年5月,中铁十七局集团,19,2005年5月,中铁十七局集团,20,3、起重、牵引系统设计,3.1起重系统设计本桥起重系统采用了4钩起吊，每钩走8线设计，采用4台8T卷扬机牵引，并选6*37NF-21.5作为起重索。对于大吨位偏心构件，4钩起吊更易控制轴线、保持拱箱稳定并便于精确调整位置，而且更重要的是，当吊装高度较大时容易采取措施防止起重钢丝绳滑车组在空载时的扭绞。一般说来，当空载时起重钢丝绳滑车组易打绞（即使采用价格昂贵的左右交互缠绕防止扭绞的钢丝绳有时也会出现这种情况），这种情况在起吊高度大时更易发生，而且一旦发生则处理起来很困难。但采用4点吊就容易处理的多，空载时将前面（后面）的两钩用卸下的吊具连接成整体，同时略加大主索间距，这样两钩在一起发生扭绞就需克服较大的力矩。本桥空载吊钩上升高度达70m，主索间距35cm，空载时采用上述方法，没有另加配重，就解决了起重钢丝绳打绞的问题。本桥起重索分别从左岸由天车两侧进绳，从天车中间出绳跨过滑轮固定于右岸地锚，并依此设计了支索器来减少空载时的配重。,2005年5月,中铁十七局集团,21,3.2牵引系统设计吊装节段重，加上因地形限制，起吊时最近的吊点距离索鞍中心仅10m（距塔架边缘仅6m），因此牵引力比较大（起吊时约42T）。本桥牵引采用“走四线”设计，仅在左岸布置1台12T卷扬机牵引，无极绳闭和回路布置，并自行设计加工了马鞍形滚筒（见图7）。牵引的“走四”布置，因横向两天车有一定宽度，且牵引索随着天车的移动角度在变化，所以在设计布置上有难度，这些问题都需周密考虑。本桥走四线布置于塔顶和天车之间，塔顶定滑轮水平设置（同时还需有适应牵引索竖向角度变化的装置），天车上的动滑轮竖向设置。,2005年5月,中铁十七局集团,22,4、锚索锚设计,随着吊重的增加和扣挂节段的增加（本桥40段），加上地形条件的复杂性，锚碇设计施工难度加大，所占临时工程的比重也非常大。本桥除N1-N4节段采用0#台作为锚碇外，其余均采用钢绞线锚索锚，主索或扣索索力通过中间结构传递给钢绞线，钢绞线锚索通过砂浆握裹力和砂浆与孔壁的摩擦力传递给岩层，扣索和锚索之间的中间传力结构可以是钢筋混凝土结构或钢结构。这样设计受力体系明确，设置灵活，可以非常容易的适应各种地形情况，而且工程量较小。以本桥左岸地锚为例，竖向采用2排间距为60cm的325抗剪锚杆，锚孔深6m，沿锚索的受力方向布置2排间距为60cm的3j15.24钢绞线抗拔锚索，锚孔深10m，锚孔直径均为90mm。实测左岸主地锚最大位移小于1mm。左岸主地锚见图8所示。,2005年5月,中铁十七局集团,23,左岸主地锚,2005年5月,中铁十七局集团,24,五、主扣塔合用,本桥扣挂系统的塔架除左岸的N1-N4节段外，其余均和缆索吊装系统的塔架合用（缆索吊装系统和扣挂系统总体布置图及图5可以看出左塔主扣索在塔顶的布置），这样大跨度和吊重的钢筋混凝土箱形拱采用这种主扣塔合用在是第一次，节约了大量的资金。主扣塔合用会造成扣挂体系和缆吊体系受力的相互影响，特别是缆索吊机重载和空载时塔顶的偏位对已扣挂拱箱会产生影响。本桥扣挂系统的扣索设计没有采用斜拉桥的类似的设置，而是将扣索通过塔顶索鞍直接锚向后地锚的方法，这样吊装时塔顶偏位只引起的扣索前锚部分和后锚部分的几何关系的变化，以及索鞍对扣索的摩擦力而造成的扣索受力的情况的改变等。这些影响必须做定量的分析计算，对主塔在各个工况下的偏位和受力情况必须准确分析和监测，这些分析和监测的准确性是主扣塔合用的能够实施的必要条件。只理论上行得通，方法上可靠才行。本桥吊装从空载到重载塔顶向跨中偏移14cm，而此过程中实测已吊装好的拱肋前端高程仅下降9mm，远小于温度变化的影响。实测数据证明这种方案是可行而且成功的。主扣塔合用，塔的受力非常复杂，因此必需进行认真的受力分析和稳定性分析，并风缆的设置合理。,2005年5月,中铁十七局集团,25,本桥采用ANSYS进行了模拟计算，根据计算结果对关键杆件安装了JMZX-212型表面智能弦式数码应变计以监测试应变并计算应力，同时塔顶安装了测试棱镜随时监测主塔顶偏位。,2005年5月,中铁十七局集团,26,6、扣吊点设计吊扣点设计是多段混凝土箱形拱桥吊装的难点之一。扣点设计一般有几种选择用刚性箍固定在拱箱端部，扣绳（钢丝绳或钢绞线）和钢箍连接；用钢性横梁，扣索从拱箱两侧或内部穿过并固定于钢横梁；预制时将钢绞线锚具预埋在拱箱内，并将钢绞线引出，扣挂时将扣索钢绞线和预埋的钢绞线用钢绞线连接器连接。考虑到经济性及安全可靠性我们采用了第三种方案，第三种方案中我们还作了三个比较方案。经比较本桥的扣点设计采用单根钢绞线端部压花处理并按设计角度分散（纵向间距10cm）埋设于拱肋腹板内，外部预留长度为1.5m，扣挂时扣索和预埋的钢绞线采用单根钢绞线连接器连接。这样单根分散布置不但调索方便（索力减小时只需相应解除部分扣索即可，而省去了复杂的松索工艺），受力合理（分散布置局部应力小，单根索力不超过一般10.5T），而且不用局部加厚或加强（单根索在腹板很薄时容易布置，其它方法均需加强或加厚），且非常简单安全。,2005年5月,中铁十七局集团,27,比较方案一,2005年5月,中铁十七局集团,28,比较方案二,2005年5月,中铁十七局集团,29,比较方案三,2005年5月,中铁十七局集团,30,钢绞线扣索扣挂及单根钢绞线连接器,2005年5月,中铁十七局集团,31,吊点设计图,吊点设计本桥吊具设计采用了在拱肋内侧预留孔洞，8根精扎螺纹钢从孔洞中穿过的办法，具体设计见图11。当拱肋倾角较大时，可对8根精扎螺纹钢施加预压应力，这样可由摩擦力来平衡由于拱箱倾斜时的切向分力，这样做解决了靠近拱脚节段大倾角问题，而且不会滑动造成危险，同时还解决了偏心问题、腹板很薄预埋困。,2005年5月,中铁十七局集团,32,8、施工中的稳定性分析及稳定措施大跨度无支架施工的拱桥在施工过程中是最危险阶段，特别是稳定性方面。一般拱桥在吊装施工过程中，每段均需按规范要求的角度设置风缆，但随着拱桥跨度的加大及悬臂拼装长度的增长，部分节段按规范要求设置风缆因地形限制变得非常困难。因此从施工过程中安全的角度和经济性的角度来说，必需进行科学合理的稳定性分析，才能决定采取何种稳定措施，以及决定单肋合龙后是否可以解除吊扣索等，甚至影响到整个施工方案包括缆索吊装体系和扣挂体系的总体设计和布置。现行桥规要求拱桥的“结构稳定安全系数应大于4-5”，这个规定来源于对第一类稳定性（平衡分支理论）的分析计算结果（这是实际稳定系数的上限）而作出的规定。要合理的评价临界系数，还应考虑结构体系的几何非线形和材料非线形，仅进行第一类稳定性计算是不安全的。,2005年5月,中铁十七局集团,33,施工中因条件和时间等原因，我们利用ANSYS采用BEAM189单元考虑了几何非线形，未考虑材料非线性、扣索的非保向力、风荷载等因素进行了稳定性分析，计算了各个工况下临界系数，分析结果见图。从分析结果可知施工过程中，除吊装两侧最后节段安全系数为4.4外，其余工况稳定安全系数均大于6。实际施工中考虑到桥位处常有雷雨大风，为了安全我们在个别节段设置了风缆（但因地形限制风缆角度无法满足常规要求，因此很多风缆更多的原因是拱箱节段就位的需要），本桥恰好在合龙前（最危险阶段）经受了9级大风考验而安然无恙。,2005年5月,中铁十七局集团,34,9、吊装、对接及调索本桥拱箱采用立式局部耦合预制，因地形限制预制方向同吊装方向不同，吊装前需进行转体，拱箱转体完成后，挂好4个吊钩，再次检查接头端面、吊具、测量元件等，全部符合要求后就起吊运行。对接过程中使用两台全站仪及时测量各段空间坐标，需根据对接时刻实测温度场（温度场对高程中线等都有较大的影响）、已吊装各段当前的实测标高、当前理论监控标高等因素来确定当前段的对接标高。上好对接螺栓完成对接并焊接完接头钢板后，即可以拉扣索进行体系转换，将起重索力分级转换给扣索。体系转换过程中需根据工况计算结果，用千斤顶调整当前段和相关段的索力。具体步骤和分级方法需需根据计算和前端高程变化确定，根据本桥的经验，一般情况转换过程中前端高程变化以不超过2cm为宜，太大将会增大拱箱内力，或者引起调整困难等。调索使用2台YCWB150B千斤顶、2台YCWB100B千斤顶（配自制撑脚）、2台YDC260Q千斤顶（带顶压器）配1台ZB500S油泵、4台ZB500油泵。为防止应力较低时夹片跟进不足的问题，YCW100B调索后可用YDC260Q逐根顶压或直接用YDC260Q调索。,2005年5月,中铁十七局集团,35,10、施工控制,多段吊装混凝土箱形拱桥的设计与施工相关性很强，过程复杂，施工过程中各种影响因素都直接影响成桥的理论设计线形与受力，而且施工的实际参数与设计参数的理想取值间存在客观上的差异，这些误差会导致结构变形和受力偏离理论计算轨迹，为此必须在施工现场适时采集数据，通过参数辩识后，对理论值进行修正计算，最后对主拱各节段吊装定位标高和扣索的安装索力给以调整与控制，以满足设计的要求。下表为N5-N10扣索按一次落架计算得出的各工况的索力：缆索吊装系统和扣挂系统总体布置图,2005年5月,中铁十七局集团,36,为了保证成桥后主拱线形符合设计要求，结构受力状态处于设计最优状态，在施工过程中必须进行严格的施工监测和控制。本桥的施工控制原则与允许误差要求：拱段拼装定位标高与扣索控制张拉必须在一天中相对稳定均匀温度场中完成；当前拱箱前端定位标高允许偏差：5mm；当前拱箱轴线前端横向偏位：10mm；合龙口两端相对误差：20mm；扣索索力控制张拉最大允许误差：最大不同步张拉力为10吨，同时不同步索力使扣塔塔项产生的顺桥向偏移值不得大于20mm。,2005年5月,中铁十七局集团,37,四、结束语,六圭河大桥自2004年4月15日开始吊装到2004年7月19日止，上下