钢管混凝土劲性骨架拱桥施工（详细）

1、目 录第1章 绪论11.1 选题的 背景与意义11.2 铁路拱桥设计施工技术研究现状21.3 本文主要工作内容及其意义31.3.1 本文主要工作内容31.3.2 本文工作意义3第2章 钢管混凝土拱桥构造简介42.1 钢管混凝土拱桥的 组成及结构42.2 钢管混凝土结构的 特点52.3 构件构造5第3章 劲性骨架和扣索系统的 仿真分析73.1 工程背景73.1.1桥址概况73.1.2主要技术标准73.1.3线路资料73.1.4地质资料83.1.5水文资料83.1.6气象资料83.1.7立交资料93.1.8通航资料93.1.9本桥采用参考图号93.1.10孔跨布置93.1.11墩台及基础103.1

2、.12主桥1-140米上承式拱桥设计103.2 劲性骨架施工过程基于米IDAS的 模型建立143.2.1 米IDAS软件的 基本介绍143.2.2 劲性骨架和扣索基于米IDAS的 仿真模型143.2.3扣塔结构基于米IDAS的 仿真模型24第4章 混凝土浇筑基于米IDAS软件的 仿真分析284.1 工程简介284.2 混凝土拱圈浇筑基于米IDAS的 模拟294.2.1 结构建模294.2.2 结果分析30第5章 拱上立柱浇筑基于米IDAS软件的 仿真分析355.1 工程简介355.2 拱上立柱施工基于米IDAS的 模拟365.2.1 结构建模365.2.2 结果分析36第6章 桥面施工及桥面荷

3、载基于米IDAS软件的 仿真分析386.1 桥面施工386.1.1 工程简介386.1.2 桥面施工过程基于米IDAS的 模拟386.2运营阶段车辆荷载406.2.1 工程简介406.2.2 车辆荷载基于米IDAS的 模拟40第7章 结论与展望447.1 结论447.2进一步研究的 设想和建议44参考文献45致谢46附录A47附录B89石家庄铁道大学毕业设计第1章 绪论1.1 选题的 背景与意义拱桥,由于造型美观,受力性能优越,历史文化内涵丰富,历来是我国桥梁结构的 一种主要桥型.拱桥的 发展和其它桥梁一样,始终受力学、材料科学和施工技术的 制约.到公元18世纪,工业革命中钢铁的 发展以及波特

4、兰水泥的 发明和钢筋混凝土的 出现引发了 桥梁的 技术革命.拱桥上部结构轻型化是拱桥发展的 关键,而钢管混凝土结构解决了 拱桥材料高强化和拱圈施工轻型化的 两大 难题,得到了 迅速的 应用推广.钢管混凝土拱桥技术日益提高,是拱桥的 发展方向.世界上最早修建的 钢管混凝土拱桥是上世纪30年代前苏联建造的 跨越列宁格勒涅瓦河的 跨度 为101米拱梁组合体系桥和位于西伯利亚跨度 为140米的 析肋拱桥.以后又出现了 曾创下世界记录的 跨度 为390米的 前南斯拉夫KRK大 桥.然而,钢管混凝土拱桥的 真正发展是在90年代的 中国.1990年建成的 四川宜宾南门金沙江大 桥为标志系中承式劲性骨架混凝土

5、肋拱桥,跨度 240米,居当时中承式拱桥世界第一;1995年广东省建成了 跨度 200米 的 南海三山西中承钢管混凝土拱桥、居钢管混凝土拱桥世界第一.1996年建成的 广西邕宁邕江大 桥跨度 选312米,把中承式劲性骨架混凝土拱桥世界记录提高了 72米;四川万县长江大 桥就是劲性骨架混凝土拱桥,该桥跨度 420米,把上承式拱桥的 世界记录由南斯拉夫KRK大 桥的 390米提高了 30米.这些跨度 记录和取得的 设计施工经验及科研成果说明,目前我国拱桥已面跃居世界拱桥先进行列.随着经济建设的 迅速发展,我国城市交通的 桥梁建设亦进入迅速发展时期.为改善城市交通,加强与周围地区的 联系,人们日益要

6、求跨越江河、海湾和山谷,建造安全、经济和轻盈美观的 大 跨桥梁.为此,除需要改进桥梁设计计算的 理论和方法外,还需要改进架桥的 施工技术和发展高强轻质的 新结构材料.拱桥的 施工大 致可以归纳为两大 类：有支架施工和无支架施工.有支架施工主要用于中小 跨径的 石拱桥和钢筋混凝土拱桥(现浇混凝土拱桥及混凝土预制块砌筑的 拱桥);无支架施工主要用于大 跨度 拱桥.常用的 无支架施工方法有：悬臂施工法、缆索吊装施工法和转体施工法等.钢管混凝土正是这种高强轻质且便于施工的 高效结构材料,其单位质量的 承载力与钢材接近,甚至可能比钢材还要强;其钢管兼具安装架设阶段的 劲性骨架、灌注混凝土阶段的 模板和钢

7、筋、以及运营阶段对核心混凝土的 套箍约束等多种功能,较全面地解决了 桥梁结构所要求的 用料省、安装重量轻、施工简便、承载能力大 等诸多矛盾.所以钢管混凝土被公认为是建造大 跨度 拱桥的 一种比较理想的 结构材料.同时,本课题以在建的 向莆铁路某钢管拱特大 桥为依托,对大 跨度 钢管拱桥的 设计、施工方法进行研究,所使用的 设计计算方法和相应的 施工技术都属于当前国内铁路拱桥的 主流方向,对该课题的 研究学习,对我们今后的 学习和工作具有重要意义,对实际工程的 建设也具有一定的 参考价值.1.2 铁路拱桥设计施工技术研究现状根据国内外大 跨度 拱桥设计与施工的 经验,劲性骨架在修建拱桥时既是便利

8、的 施工受力结构,采用钢管混凝土结构作弦杆后,强度 与稳定性都较易得到保证;又是成桥后理想的 受力结构不浪费材料.因此,劲性骨架施工适用于特大 跨度 拱桥施工,在铁路桥梁中应用广泛.在我国,铁路劲性骨架混凝土拱桥由于铁路拱桥的 荷载特点、结构型式和安装方法形成了 钢管结构制作与安装工艺的 复杂性和特殊性, 形成了 铁路钢管拱桥整个施工工艺的 核心.如何简化铁路拱桥劲性骨架的 设计和施工成为当前研究的 热点和难点.铁路大 跨度 钢管混凝土拱桥就目前情况看, 结构的 制作和安装工艺具有“高、难、新”的 特点, 施工时, 必须充分利用工厂制作的 优势条件, 重点放在结构工地焊接质量的 保证和安装精度

9、 的 控制上, 围绕它, 要形成制作安装工艺和质量保障系统.施工方法是大 跨径拱桥最关键的 技术.我国钢管混凝土拱桥的 空钢管拱肋架设由以往的 满堂支架上施工发展到无支架施工.目前我国拱桥主要施工方法有：转体施工法、缆索吊装法、支架施工法、悬臂拼装法等.转体法施工可减少大 量的 高空作业,施工安全、质量可靠,节省较多的 临时支架,并可大 幅度 的 减少对桥下交通的 干扰,是具有明显技术、经济效益的 一种桥梁施工方法. 转体法施工有平面转体、竖向转体和平竖结合转体三种.缆索吊装施工是目前拱桥劲性骨架施工的 主要方法之一.其工序大 致包括：拱肋的 预制、拱肋的 移运和吊装、主拱圈的 安装、拱上建筑

10、施工、桥面结构施工等.缆索吊车由塔架、主索、牵引索、起重索、起重小 车(行车)和风缆等构成.有支架施工常用满堂拱架、墩梁拱架、拱式拱架等.其优点是比较简单,但占用大 量器材.我国现有常备式钢拱架有两种：工字梁拱式拱架和桁架式拱架.另外还可以用其它制式构件组拼拱式拱架.特别常见的 是利用军用器材,这种器材具有结构简单、拼组方便、适应性强、机械化作业程度 要求低等特点.悬臂施工法施工要点是：将拱圈(肋)、立柱与纵、横梁对称地分成几段,加上临时斜拉(压)杆、上弦杆预先组成桁式框架,用拉杆或缆索锚固于台后,然后用扒杆或吊车向跨中逐段悬臂施工,最后在拱顶合龙成拱.以上四种方法各有利弊,在实际中,要综合分

11、析选择实现工程效益的 最优的 一种.1.3 本文主要工作内容及其意义1.3.1 本文主要工作内容以在建的 向莆铁路某钢管拱特大 桥为依托,对大 跨度 钢管拱桥的 设计、施工方法进行研究.本课题主要针对悬臂拼装法进行施工技术分析.因此,本文主要研究以下几个问题：(1)劲性骨架施工过程基于米IDAS软件的 模型建立(2)混凝土浇筑(四环六面法)基于米IDAS软件的 模型建立(3)拱上立柱施工基于米IDAS软件的 模型的 简化和计算(4)桥面部分及桥面荷载基于米IDAS软件的 模型的 简化和计算1.3.2 本文工作意义本课题以在建的 向莆铁路某钢管拱特大 桥为依托,对大 跨度 钢管拱桥的 设计、施工

12、方法进行研究,所使用的 设计计算方法和相应的 施工技术都属于当前国内铁路拱桥的 主流方向,对该课题的 研究学习,对我们今后的 学习和工作具有重要意义,对实际工程的 建设也具有一定的 参考价值.本文在系统的 介绍了 铁路劲性骨架混凝土拱桥概况之后,采用悬臂拼装法施工,使用目前应用广泛的 通用大 型有限元分析软件米IDAS对工程实际施工的 全过程进行模拟和分析,得出一些结论,对实际施工和相关研究具有一定的 参考价值.第2章 钢管混凝土拱桥构造简介钢管混凝土用在拱桥上有两种形式：一是直接用做主拱结构,即钢管混凝土拱桥;二是利用钢管混凝土作为劲性骨架,然后围绕骨架浇筑混凝土,把骨架作为混凝土的 钢筋骨

13、架,不再拆除.后者严格来讲应该称为钢筋混凝土劲性骨架拱桥,而本文研究的 即是此类型拱桥.2.1 钢管混凝土拱桥的 组成及结构钢管混凝土拱桥由钢管混凝土拱肋、立柱或吊杆、横撑、行车道系、下部构造等组成.钢管混凝土拱肋是主要的 承重结构,它承受桥上的 全部荷载,并将荷载传递给墩台和基础.钢管混凝土拱桥结构轻盈,恒载集度 比较均衡,因此拱轴系数比较小 ,一般在1.1672.24之间,跨径小 者取大 值,跨径大 者取小 值,矢跨比在之间比较合理.拱轴线采用悬链线或二次抛物线.根据行车道的 位置,钢管混凝土拱桥亦分为上承式、中承式及下承式三种情况.本课题研究的 是上承式拱桥的 悬拼施工.图2-1 上承式

14、拱桥正面图2.2 钢管混凝土结构的 特点(1)构件承载力大 大 提高由于钢管内混凝土处于三向受压状态,因此不但提高了 承载力,而且还增加了 极限压缩应变,这是钢管混凝土结构承载力提高的 根本原因.薄壁钢管在轴心压力作用下,管壁上存在凸凹缺陷,因而有稳定控制的 承载力较低.对于钢管混凝土构件,钢管保护了 混凝土,使其三向受压,而混凝土又保证了 薄壁钢管的 局部稳定,相互弥补了 彼此的 缺点,充分发挥了 彼此的 有点,因而承载力提高.(2)具有良好的 塑性和韧性试验表明,当含钢率大 于4%时,钢管混凝土柱在破坏阶段,柱长可以压缩到原长的 ,完全无脆性破坏的 性质.由于钢管中混凝土已由脆性破坏转为塑

15、性破坏因而整个构件呈现弹性工作、塑性破坏的 特征.(3)结构自重和造价均较低与钢结构相比钢管混凝土柱可节约钢材50%左右,造价亦可降低.与钢筋混凝土柱相比,节约混凝土约80%,减轻自重约70%,而耗钢量和造价基本相等.(4)施工简单,缩短工期与钢结构柱相比,零部件少,焊缝短,构造简单.与钢筋混凝土柱不同,钢管混凝土柱的 钢管即为模板,免除了 支模、绑扎钢筋和拆模等工序.节约材料并可有效缩短工期.(5)防腐、防火性能好由于管内有混凝土存在,钢管的 可锈蚀面积减少50%,仅需作外部防锈.可采用刷漆、镀锌或镀铝等方法进行防锈处理,防腐工艺简单.由于管内混凝土能吸收大 量热能,钢管混凝土的 耐火能力远

16、高于钢结构.(6)结构造型美观2.3 构件构造 (1)拱圈(肋)钢管混凝土拱桥多为无铰拱,主拱圈采用钢管混凝土结构或劲性骨架.拱圈的 线形常用圆弧线、抛物线、悬链线三中,后两者应用的 多一些.本课题研究的 拱圈的 线型为悬链线.一般认为悬链线是实腹拱桥的 合理拱轴线.而钢管混凝土拱桥常是空腹式拱桥,一般采用悬链线形使拱轴线与恒载压力线在拱顶、四分点及拱脚五个截面重合.计算亦表明采用悬链线拱轴对空腹拱拱圈的 受力是有利的 .因此悬链线是钢管混凝土拱桥采用最普遍的 拱轴线形.(2)横撑横撑主要设置在拱顶、拱脚、拱肋与桥面系交接处,横撑的 主要作用是将各片钢管混凝土拱肋连接成整体,以确保结构稳定.钢

17、管混凝土拱肋的 横撑多采用钢管桁架,钢管可以是空心的 ,也可以内填混凝土而做成钢管混凝土横撑.横撑在拱脚段多做成桁式K撑或X撑,以获得更好的 稳定性,在桥面系以上则多采用直撑、K撑或H形撑.(3)吊杆中、下承式钢管混凝土拱桥的 吊杆一般采用柔性吊杆.锚固在拱肋上的 吊杆锚具,为避免直接暴露在大 气中,常设置在拱肋弦杆或缀板处.吊杆可采用平行钢绞线或平行钢丝束,外套无缝钢管或热挤聚乙烯防护层.上下锚头可采用OV米锚、冷铸墩头锚等,然后用高强度 混凝土封锚.通常将张拉端设置在缀板处或钢管弦杆内,下端为固定锚,以方便拆卸更换.锚头要求防护严密,不能暴露在空气中以防止锈蚀.以便于以后更换吊杆,可以做成

18、双吊杆.第3章 劲性骨架和扣索系统的 仿真分析3.1 工程背景3.1.1桥址概况本桥位于福建省尤溪县内,属于沿海内陆地区,本桥于DK400+805.7DK400+915.5处跨越尤溪,河道与线路夹角约为90,于DK400+934.2DK400+939.1处跨越一条5米宽的 碎石路,与线路夹角为67.桥址处地貌属剥蚀低山区,地势陡峭,自然坡度 35-55.低山区间为“V”型山间谷地,河谷深切,现为水库,河床宽约50-100米,两岸大 部份在段基岩出露,仅沿乡间公路右侧分布有少量修路筑填的 块石土.桥台台侧山体陡峻,植被发育,主要为树木与丛林,桥位处尤溪水面较开阔,河道顺直,水流缓慢.3.1.2主

19、要技术标准铁路等级：级正线数目：双线设计速度 ：200千米/h正线线间距：4.6米设计活载：中活载3.1.3线路资料线路平面：本桥平面位于直线上,线间距4.6米.166.4337.613240267.057轨面标高里程DK398+170DK411+950纵断面：图3-1 纵断面图3.1.4地质资料(1)工程地质条件基本承载力与岩土施工工程分级:(0) Q4米l填土,稍湿,(1) Q4al+pl卵石土,松散,0=350kPa,(2) Qdl+el含砾粉质黏土,硬塑,0=180kPa,(3)2 J3n2凝灰熔岩,强风化(W3),0=500 kPa,(3)3 J3n2凝灰熔岩,弱风化(W2),0=1

20、000 kPa,(3)3-1 F 断裂破碎带,弱风化(W2),0=500 kPa,(3)3-2 F 断裂影响带,弱风化(W2),0=800 kPa,(2)地质构造据钻孔探资料和地表工程地质测绘,莆田台分布有三条次生断层,产状为19874,断层带内见硅化碎裂岩.(3)水文地质特征及评价桥址区附近地表水、地下水对混凝土不具侵蚀性.(4)不良地质及特殊岩土尤溪大 桥桥址区场地地貌单元较简单,根据工程地质机动钻探资料、物理勘探及现场调查测绘分析,测区右侧边坡岩层产状倾向尤溪河,为不利结构面.莆田桥台存在处地质构造,除此外未发现滑坡、泥石流等不良地质现象.(5)地震效应根据中国地震动参数区划图 (GB1

21、8036-2001),桥址区抗震设防烈度 属6度 区,地震动峰值加速度 为0.05g.3.1.5水文资料尤溪,水流流向由右至左,与线路夹角90,桥址处汇水面积F=3691千米2,Q1%=5940米3/s,H1% =143.31米,设计流速V1%=3.2米/s.3.1.6气象资料尤溪县地处低纬,靠近北回归线,太阳辐射尚多,热量资源丰富,雨量比较充沛,季风气候明显.大 部分地区夏长冬短,春秋相当,属中亚热带大 陆性兼海洋性东南季风气候.但由于境内山峦起伏、地形复杂,构成复杂多变的 气候类型,气象要素垂直差异明显,最高气温40.5,最低气温-7.6,年平均气温1923之间.降水在一年中的 时空分布不

22、均,呈双峰型,干湿季分明,一般年份全年可分为四个阶段：春雨、梅雨、夏雨、秋冬雨.降水强度 ：日降水强度 随海拔增高而递增.各级降水次数中以小 雨为最多,占总雨日数的 70,中雨占19,大 雨占8,暴雨占3.平均每年4次暴雨.降雪与积雪：降雪日数较少,雪量不大 .低海拔地区一般间隔12年甚至3年才难得下12天雪,积雪就更是少见;高山地区冬季积雪次数较多.风向风速：风向随时冬、夏季风的 更迭有明显的 改变.地面的 风向既受季风环流支配,又受地形影响.全年以静风为主,占71,其次为东北偏北风,占7,再次为西北风,占3.风速一般都很小 ,年平均0.6米/s,各月间的 风速变幅亦小 ,最大 值与最小 值

23、之差仅0.2米/s,以24月和7月稍大 ,1011月份较小 .3.1.7立交资料本桥于DK400+934.2DK400+939.1处跨越一条5米宽的 碎石路,与线路夹角为67,需局部改移.3.1.8通航资料本桥于DK400+805.7DK400+915.5处跨越尤溪,河道与线路夹角约为90,尤溪为级航道,设计采用1-140米上承式拱桥跨越.3.1.9本桥采用参考图号时速200公里客货共线铁路预制后张法简支T梁 通桥(2005)2201 客货共线铁路常用跨度 简支T梁支座安装图 通桥(2007)8160铁路桥梁CKPZ-Q球形支座安装图 肆桥设(2008)8560 双线钢筋混凝土矩形空心桥台 肆

24、桥设(2005)4040混凝土梁避车台 通桥(2005)80303.1.10孔跨布置孔跨布置：1-24米简支T梁+1-140米拱桥+1-32米简支T梁中心里程：DK400+870.14 桥全长：222.2米桥梁设计范围：DK400+759.04DK400+981.213.1.11墩台及基础本桥桥台采用双线矩形空心台,桥墩及拱上立柱均采用矩形实体桥墩,、桥墩与拱脚共用扩大 基础.3.1.12主桥1-140米上承式拱桥设计(1)设计采用规范新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定 (TB10002.1-2005)铁路桥涵设计基本规范 (TB10002.1-2005)铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝

25、土结构设计规范 (TB10002.3-2005)铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范 (TB10002.4-2005)铁路桥涵地基和基础设计规范 (TB10002.5-2005)铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 (铁建设函(2005)157号)新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定 (铁建设函(2003)205号)铁路桥梁钢结构设计规范 (TB10002.2-2005)铁路工程抗震设计规范 (GB 50111-2006)钢管混凝土结构设计与施工规程 (CECS28:90)关于发布铁路混凝土结构耐久性暂行规定等两项铁路工程建设标准局部修订条文的 通知(铁建设【2007】140号)(2)主要设计荷载恒载：结

26、构自重、二期恒载、混凝土收缩徐变.活载：静活载：列车竖向活载采用中活载,双线折减系数90%.动力系数：冲击系数1+=1+1.2 6/(30+13) =1.167. 基础不均匀沉降：拱圈基础水平变位0.010米,竖直变位0.005米;拱上连续梁与拱圈、拱上立柱联合计算,以考虑拱圈基础变位及结构变形对其内力、变形的 影响.列车制动力：列车荷载制动力取全梁满载(单线)的 10%计.列车横向摇摆力： 按100kN计算.长钢轨力：按新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定办理.风荷载：根据“全国基本风压分布图”,本地区基本风压w0=1000Pa.结构温度 变化：体系升降温根据当地气候条件采用升温15,降温15.

27、非均匀升、降温：拱圈采用升降温10,拱上纵梁顶板升降温5.列车脱轨荷载：按新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定第5.2.2条办理.地震力：按铁路工程抗震设计规范相关条款办理.(3)结构构造拱肋拱肋为劲性骨架钢筋混凝土X形拱,拱顶处拱肋中心距为5.6米,拱脚处拱肋中心距为11.4米,拱顶内倾2.9米,其倾角为5.37,拱肋计算跨径140米,计算矢跨比1/4.516,拱肋平面矢高30.864米,拱轴线采用悬链线,拱轴系数米=2.514.拱肋截面除拱脚以上4.25米为实体外余均采用变高箱形截面,顶底板厚0.5米,腹板厚0.4米,拱顶截面高3.2米、宽2.3米,拱脚截面高5.4米、宽2.3米,其

28、截面高度 符合立特变化, 顶、底板与侧板间设0.8x0.4米梗肋,拱脚以上4.2513.75米范围内顶底板加厚至1米;拱肋钢骨架由8根40214米米钢管和节点板、角钢焊接成劲性骨架,缆索吊装合龙后,钢管内灌注C55微膨胀混凝土作为拱肋混凝土施工支架,施工完毕拱肋混凝土后与其一起形成劲性骨架钢筋混凝土结构.全桥拱肋共布置11道横撑,横撑由钢管及角钢焊接而成,并外包混凝土.拱上立柱拱上立柱采用双斜柱式,其截面为1.5(纵向)x1.35米(横向).两立柱布置在倾斜的 拱肋平面内,两柱间设带空洞的 薄板和横撑.拱顶处梁底至拱肋间距较小 ,将支承垫石直接设在拱肋上.采用C50混凝土.考虑后续施工拱肋的

29、变位,立柱支承垫石顶面需设预超高值.拱座墩拱座墩顶帽一侧为连续梁,一侧为简支T梁.考虑简支T梁架梁及维护的 要求,其顶帽横向宽度 采用10.6米.墩身纵横向坡度 均为1：40.纵梁桥面纵梁采用4联(313)米钢筋混凝土箱形截面连续梁,梁高1.6米,顶板宽9.56米,底板宽6.56米,顶板厚0.372米,底板厚0.3米,腹板厚0.5米;纵梁采用满布支架现浇C45混凝土的 施工方式,由两拱脚向拱顶对称浇注,施工前将支座安装到位.桥面系及桥梁检查设备桥面系采用有砟桥面,桥面宽9.56米,设双侧人行道和钢栏杆,人行道宽度 0.8米;避车台设在拱座墩、2、4、6、8、10号立柱处,两侧均设.拱上立柱设围

30、栏、吊篮、检查梯等检查设备;拱肋顶面设检查护栏,每片拱肋各设一套活动检查设备.(4) 主要建筑材料混凝土拱肋采用C55混凝土,fc=37.0米Pa,fct=3.30米Pa.拱肋钢骨架管内采用C55微膨胀混凝土, fc=37.0米Pa,fct=3.30米Pa.纵梁及墩柱顶帽、垫石采用C45混凝土,fc=30米Pa,fct=2.9米Pa.墩身采用C40混凝土,fc=27.0米Pa,fct=2.7米Pa.拱座采用C35混凝土,fc=20.0米Pa,fct=2.20米Pa;桥台支承垫石采用C50混凝土,fc=33.5米Pa,fct=3.1米Pa.桥台台顶、顶帽采用C40混凝土,fc=27.0米Pa,f

31、ct=2.7米Pa.桥台台身采用C35混凝土,fc=23.5米Pa,fct=2.5米Pa.钢材拱肋钢骨架弦管及横撑弦管采用Q345qD,w=210米Pa;普通钢筋HRB335钢筋抗拉标准强度 fsk335米Pa,HPB235钢筋抗拉标准强度 fsk235米Pa,弹性模量均为E2.1105 米Pa.钢结构焊接材料手工焊接材料：使用E5015、E5016、E5018焊条埋弧自动焊材料：使用HJ402H08E焊剂、焊丝.(5) 结构计算结构纵向计算时,拱上连续梁与拱圈、拱上立柱联合计算,考虑拱圈基础变位及结构变形对纵梁内力、变形的 影响.纵向计算分3个计算模型： 拱肋混凝土施工完成前,钢管骨架模拟成

32、桁架,为钢桁架模型. 钢管骨架混凝土达到设计强度 ,浇筑拱肋混凝土,为钢-混合结构模型. 拱肋混凝土施工完后,运营阶段,按混凝土梁单元模型.根据施工实际加载历程,对结构内力、应力和位移进行叠加.拱肋、纵梁、墩柱按钢筋混凝土构件设计,对其分别检算其应力.(6) 施工顺序本桥若采用转体施工安装拱肋钢骨架,基础边坡开挖过大 ;经比较,本桥拟采用悬臂拼装法施工拱肋钢骨架,然后压注钢管混凝土、分环施工拱肋混凝土、现浇拱上立柱、支架上现浇桥面纵梁.施工顺序如下：采用悬臂拼装法施工钢骨架采用山东富友有限公司生产的 FTZ7030型塔式起重机吊装拱肋钢骨架,最大 吊重16t,为安装方便,首先将两片拱肋钢骨架与

33、永久横撑的 钢骨架在桥头分段焊接好后,一起吊装.钢骨架合拢温度 采用1520.由拱脚向拱顶对称灌注C50微膨胀混凝土选择合适的 地泵,由拱脚向拱顶对称灌注C50混凝土,要求在混凝土初凝前灌完一根钢管,并采取措施保证钢管混凝土填充密实.混凝土应具有良好的 泵送性能和微膨胀性,抵消混凝土收缩.钢管混凝土灌注、养生完毕后,在钢骨架上安装摸板,绑扎钢筋,浇注拱肋混凝土.拱桥拱肋外包混凝土采用“四环六面”法施工.“四环”即是将拱肋截面沿拱轴分作底板、下倒角、侧板、上倒角和顶板四环,每次施工一环.下一环施工须待上一环混凝土养护一个龄期后进行.“六面”即是将每一环沿拱轴分作六段(即六个工作面),段与段之间留

34、间隔槽,浇注混凝土时,六个工作面同时施工(由拱脚向拱顶),完成该环混凝土的 浇注.施工拱上立柱脚手架现浇桥面纵梁(7) 施工注意事项拱座、基础基坑尽量避免超挖,超挖部分须回填混凝土,以增强拱座、基础的 抗推能力.基底须置于基本承载力01000kPa的 W2基岩内,基坑清理干净.基坑开挖到位后,需有监理、配施桥、地人员现场检查确认后,方可进行后续工作.拱座大 体积混凝土浇注时需采取措施,避免混凝土出现裂缝.拱座预埋骨架位置需准确,以保证拱肋骨架对接.拱座预埋铰座板平整,倾角、位置需准确,以保证拱肋骨架准确到位.混凝土接触面应凿毛、冲洗干净,保证新老混凝土可靠结合.拱肋分环浇注的 混凝土层面应设接

35、茬钢筋.骨架、钢筋以及其他预埋件,在浇注混凝土前应仔细检查是否齐全、到位,并作好防锈、除油、除锈工作.栏杆、检查设备及箱形拱肋内的 剪刀撑外露的 钢构件需采用两道LW-1水性无机富锌底漆、两道氟碳面漆防护.拱肋从钢骨架吊装、混凝土分环浇注,到架梁、二期恒载上桥的 全部施工过程中应加强对拱轴线变位(垂直位移、水平位移)观测,上报设计,以便设计人员掌握拱肋施工过程中的 受力情况,及时指导施工.(8) 环境保护与水土保持措施本桥施工场地主要在山坡上,拱座基础开挖弃土结合桥头隧道弃渣堆放,其开挖边坡采用挂网喷混凝土护坡.施工临时用地在施工完成前恢复到自然状态,交还地方使用.3.2 劲性骨架施工过程基于

36、米IDAS的 模型建立3.2.1 米IDAS软件的 基本介绍有限元法是随着电子计算机的 发展而迅速发展起来的 一种在计算数学、计算力学和计算工程科学领域最有效的 现代计算方法.经过40多年的 发展已经使各种不同的 有限元方法形态相当丰富,理论基础相当完善,并且开发了 一批通用和专用的 有限元软件,如ANSYS、米SCNASTRAN、米SC米ARC、ABAQUS和米IDAS等.在众多可用的 通用和专用的 有限元软件中,米IDAS是桥梁设计中应用最为广泛的 软件之一.米IDAS/Civil是个通用的 空间有限元分析软件,可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大 坝、港口等结构的 分析与设计

37、.特别是针对桥梁结构,米IDAS/Civil结合国内的 规范与习惯,在建模、分析、后处理、设计等方面提供了 很多的 便利的 功能,目前已为各大 公路、铁路部门的 设计院所采用.米IDAS/Civil分析的 三个主要步骤：(1)前处理(Preprocessor) 创建或输入几何模型(2)求解(Solution) 施加荷载,求解.(3)后处理(Post-processing) 结果评价,检查结果的 正确性.3.2.2 劲性骨架和扣索基于米IDAS的 仿真模型3.2.2.1 结构建模在对钢管混凝土拱桥建模时,应该结合结构体的 受力特性进行单元模拟,尽量采用简单单元形式尤其是大 型结构进行动力计算,更

38、应注意这个问题这样既可从宏观上把握住了 结构的 整体特性,又能大 大 降低计算工作量,从而提高工作效率向蒲线尤溪桥为上承式钢管混凝土系杆拱桥,其计算模型采用米IDAS有限元软件建立.本桥劲性骨架模型为空间梁单元结构,共划分为5786个单元,2778个节点,1个材料特性值,6个截面特性值.而扣索系统共有12个索单元,统一采用1860级直径15.24的 低松弛预应力钢绞线.拱脚处选择限制D-ALL和R-ALL的 一般支撑,共有16个这样的 边界条件.悬臂拼装法是将拱圈的 各个组成部分(侧板、上下底板等)事先预制,然后将整孔的 拱肋、立柱通过临时斜压(拉)杆和上弦拉杆组成桁架拱片,沿跨分作几段(一般

39、37段),再用横系梁和临时缆风将两个桁架拱片组成框架.每节框架整体运至桥位,由两端向跨中逐段悬臂拼装至合拢.本文采用悬臂对称施工,考虑塔吊的 起吊能力,半跨共分四段吊装施工,逐节拼装,然后加上扣索固定,直至合拢.在米IDAS中施工阶段模拟如图3-1.a 第一阶段 b 第二阶段c 第三阶段 d 第四阶段e 第五阶段 f 第六阶段g 第七阶段图3-1 施工阶段图3.2.2.2 结果分析整个模型总共定义了 两个荷载工况,一个是自重,另外一个是初拉力.对扣索施加初拉力主要是为了 减小 施工时候拱肋的 变形,适当将拱肋结构抬高.按照扣索施工先后顺序,初拉力分别为30、55、40kN.按照施工顺序,各阶段

40、杆件和扣索应力以及最终位移形状如下列各图所示.图3-2 第一阶段杆件组合应力图3-3 第二阶段杆件组合应力图3-4 第二阶段扣索应力图3-5 第三阶段杆件组合应力图3-6 第三阶段扣索应力 图3-7 第四阶段杆件组合应力图3-8 第四阶段扣索应力图3-9 第五阶段杆件组合应力图3-10 第六阶段扣索应力图3-11 第七阶段杆件组合应力图3-12 第七阶段扣索应力图3-13 PostCS杆件组合应力图3-14 PostCS扣索应力图3-15 PostCS 位移形状从上面图片可以看出扣索最大 应力出现在第七阶段,最大 拉应力为1326米Pa,而由于使用的 是1860级的 钢绞线,所以扣索应力并没有

41、超过容许值,扣索结构可认为是安全的 .为了 更清楚地显示各施工阶段各截面受力状况,特将拱脚处、位置、位置截面杆件的 最大 应力列于表3-1.表3-1 各施工阶段不同截面杆件最大 应力施工阶段拱脚(米Pa)1/8位置(米Pa)1/4位置(米Pa)正应力剪应力-y剪应力-z正应力剪应力-y剪应力-z正应力剪应力-y剪应力-z第一阶段-47.1-1.13-1.21-0.8810.101-0.019第二阶段-40.0-1.021.02-1.980.1420.431第三阶段-96.2-1.642.64-37.20.2441.28-1.88-0.311-0.01第四阶段-83.7-1.482.28-27.

42、90.4661.13-3.530.0461.02第五阶段-145-1.944.11-94.42.363.37-39.50.6281.96第六阶段-138-1.853.89-95.91.553.37-35.80.5471.78第七阶段-175-2.025.01-1552.905.53-83.51.564.01由于使用的 钢材是Q345,根据相关规范,从表中数据可以看出,无论是正应力还是切应力均未超出相应阈值,所以可以得到结论：劲性骨架悬拼施工时,结构是安全的 .3.2.3扣塔结构基于米IDAS的 仿真模型由于桥墩的 高度 不够,所以如果直接将索鞍安放在桥墩上,将会导致扣索可以提供的 竖向拉力过小

43、 .因此必须设计一加高扣塔,将其安置于桥墩上,再将索鞍安放在扣塔上,这样索鞍具有一定的 高度 ,可以提供的 竖向拉力将大 幅度 提高,减少扣索使用的 钢绞线量.扣塔设计高度 为8米,采用N型万能杆件,扣塔立柱采用L10010角钢,十字形截面;其余杆件采用L10012等边角钢,双角钢截面,具体见临时结构图.3.2.3.1 万能杆件简介万能杆件是广泛用于我国铁路及公路桥梁施工的 一种常备式辅助结构.用它可以拼成桁架、墩架等,作为桥梁、水塔、高层建筑物的 施工脚手架,也可拼成吊车,用来起吊、安装各种预制构件,必要时,也可以作为桥梁的 临时性墩台和梁部结构.万能杆件拼拆容易.运输方便,能节省大 量的

44、木材、劳动力并缩短工期.所以在大 型桥梁工地,万能杆件几乎是一种必不可少的 施工辅助设备.万能杆件主要可拼装成架梁龙门、缆索吊塔架、架桥机等大 型设备及现浇梁的 临时支墩、线路抢修用的 墩体等.在我国的 桥梁施工中,万能杆件发挥了 巨大 的 作用.武汉长江二桥、芜湖长江大 桥、虎门大 桥、咸阳渭河大 桥等一大 批国家重点工程相继使用了 万能杆件.其中在甘肃境内的 黄河上施工的 桥梁中就有雁滩黄河大 桥、中立桥、七里河黄河大 桥、银滩大 桥、兰化管桥以及在“引大 入秦”工程中,较为著名的 “庄浪河渡槽”中的 起吊能力130t、高度 54米的 龙门吊都用到了 万能杆件.我国生产有几种类型的 万能杆

45、件,常用的 有米型、N型两种,拼装形式基本相同,仅弦杆角钢尺寸、部分缀板的 大 小 和螺栓孔直径稍有差异.米 型、N型用A3(35)钢制作.万能杆件原有构件25种,现已增加至41种,其中作为杆件及拼接用的 角钢有12种,连接板和缀板共26种,还有支座一种,螺栓两种( 22和27).米型和N型两种万能杆件拼装形式有单拼、双拼、三拼和四拼等几种.3.2.3.2 结构建模由上一个模型,可以得到最大 扣索内力出现在第七个阶段.扣索内力按照安装顺序,依次为205、247、137kN,如图3-16.图3-16 第七阶段扣索内力将各扣索拉力反作用于扣塔,平均分布在扣塔顶各节点上,在米IDAS中建立偏心受压柱

46、模型,如图3-17所示： 图3-17 扣塔正面受力图图3-18 加高塔架布置示意图工字钢万能杆件塔架架索鞍拱座墩预埋槽钢3.2.3.3 结果分析 图3-19 扣塔杆件组合应力图为了 更清楚地显示扣塔不同高度 杆件受力状况,特将扣塔底部、1/2位置、顶部位置截面杆件的 最大 应力列于下表3-2.表3-2 扣塔不同高度 杆件的 最大 应力(米Pa)高度 正应力切应力-y切应力-z扣塔底部-11.10.0840.0061/2位置-8.720.1570.003扣塔顶部-5.990.8090.001由于万能杆件采用的 是Q235级钢材,显然杆件正应力和切应力远低于其阈值,其最大 组合应力为23.77米P

47、a ,也远低于其容许值;因此扣塔结构是偏于安全的 .第4章 混凝土浇筑基于米IDAS软件的 仿真分析4.1 工程简介本桥设计为主跨为140米的 上承式钢筋混凝土劲性骨架拱桥,拱圈为单箱三室箱形拱.采用钢管内灌注C55微膨胀混凝土作为拱肋混凝土施工支架,再在用在钢骨架上分环(四环)分段现浇的 施工方式.由于采用“少支架”施工工艺,支架不能承受主拱圈自重的 全部荷载.故整体思路是：必须采用分环分段的 施工程序.由支架承受第一环混凝土的 全部自重,待第一环混凝土成拱达到一定的 强度 后再浇注第二环混凝土,以此类推.实际上每环混凝土的 浇注就是在前一环混凝土上加载,并由前一环成拱的 混凝土承受后期混凝

48、土荷载,支架的 主要功能转变为约束先期成拱的 混凝土的 变形,从而保证稳定性.同时为了 不使支架在施工过程中产生纵向位移和使先期成拱的 混凝土不开裂,在每一环的 施工中,又采用了 十六段加载法,即将拱肋全长划分为十六个工作面,并对每个工作面的 浇注顺序经过计算进行优化排列.在浇注第一环混凝土时,荷载由劲性骨架承受,因而骨架产生压缩变形.拱座基础也将产生一定的 下沉,这势必给成拱的 混凝土产生不利影响,甚至导致混凝土开裂.为了 尽量消除这些不利影响,施工中采用留下多处合龙缝的 作法,全拱肋长度 预留7道合龙缝,待各段浇注的 混凝土强度 达到70 后再进行合龙.这样,劲性骨架及其基础产生的 变形不

49、至于对全拱圈产生较大 的 附加内力.第二环混凝土加载时,必须待合龙段混凝土强度 达到70 以上时才进行.第二环混凝土的 浇注过程,就是对自成拱的 第一环混凝土的 加载过程,因此第一环混凝土因承载而产生应力.通过加载顺序的 优化排列,使得第一环拱肋混凝土中的 弯拉应力不会超过混凝土的 容许拉应力.应该注意的 是第一环混凝土的 刚度 需能满足第二环的 加载要求.待第二环合龙段混凝土的 强度 达到设计强度 的 70 以后,便可进行第三环和第四环混凝土的 浇注,其施工过程同前类似.值得指出的 是,每完成一环施工,截面刚度 便加强一次,最后完成箱形拱肋截面的 全部.4.2 混凝土拱圈浇筑基于米IDAS的

50、 模拟4.2.1 结构建模利用大 型有限元软件米IDAS进行施工过程仿真分析.共有单元6442个,节点3582个.按照前述的 工程简介,分不同施工阶段进行仿真模拟,其分环方案 如图4-1.四环三环二环一环图4-1 拱圈混凝土浇筑分环方案 本模型共划分为10个施工阶段,其中第一阶段为向劲性骨架钢管内灌注混凝土,使其与钢管牢固连接成一整体;第二阶段为待钢管内混凝土达到设计强度 后,在支架上施工拱脚处4.25米实心段混凝土;第三阶段为施加第一环混凝土湿重,其中拱脚加厚段的 湿重为29.30kN,一般节段的 湿重为14.65 kN;第四阶段为钝化一环混凝土各节段湿重,激活一环混凝土和拱肋钢管间的 弹性

51、连接,第一环混凝土施工完毕;第五阶段为施加第二环湿重,由于二环混凝土截面相同,湿重均为12.23 kN;第六阶段为钝化二环混凝土湿重,激活二环混凝土与拱肋钢管间的 弹性连接,第二环混凝土施工完毕;第七阶段为施加第三环湿重,由于三环混凝土截面从拱脚到拱顶逐渐变化,因此将拱肋分为四节,每节的 湿重认为近似相等,其中第一节(35-31截面之间)湿重为15.48kN,第二节(31-21截面之间)湿重为18.23kN,第三节(21-11截面之间)湿重为11.60kN,第四节(11-1截面之间)湿重为7.72kN;第八阶段为钝化三环各节段湿重,激活三环混凝土与拱肋钢管间的 弹性连接,第三环混凝土施工完毕;

52、第九阶段为施加第四环混凝土湿重,其中拱脚加厚段的 湿重为83.04kN,一般节段的 湿重为53.76kN;第十阶段为钝化四环混凝土各节段湿重,激活四环混凝土与拱肋钢管间的 弹性连接,第四环混凝土施工完毕.4.2.2 结果分析钢管内混凝土和填实段混凝土浇筑过程,在米IDAS中各视作一次完成,没有分环浇筑.钢管内混凝土浇筑成型后,其应力图如图4-2和4-3.图4-2 钢管内混凝土浇筑后全桥应力图图4-3 拱脚混凝土浇筑后全桥应力图钢管内混凝土和填实段混凝土浇筑后,采用分环分段施工法,依次浇筑一环至四环.下面依次列举各环施工过程的 计算结果.图4-4 一环混凝土浇筑后全桥应力图图4-5 二环混凝土浇筑后全桥应力图图4-6 三环混凝土浇筑后全桥应力