开州湖特大桥加劲梁施工控制技术.pdf

世界桥梁 年第 卷第期(总第 期)W o r l dB r i d g e s,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:中国中铁股份有限公司科技开发计划项目(重点 )P r o j e c to fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tP r o g r a mo fC h i n aR a i l w a yC o r p o r a t i o n(K e yP r o j e c t )作者简介:王海南(),男,高级工程师,年毕业于中南大学土木工程专业(E m a i l:q q c o m).D O I:/j i s s n 开州湖特大桥加劲梁施工控制技术王海南,阙水杰,尹斌(中铁开发投资集团有限公司,云南 昆明 ;中铁桥隧技术有限公司,江苏 南京 )摘要:瓮开高速开州湖特大桥为 m单跨钢桁梁悬索桥,钢桁梁采用缆索吊装系统由中跨跨中往桥塔方向对称整节段安装.为确保加劲梁在施工期间及成桥阶段线形和内力均满足要求,采用非线性分析软件B N L A S建立大桥施工全过程空间有限元模型进行施工控制计算.加劲梁安装过程中线形呈现先下凹再上拱的变化,梁段间均采用临时连接,上弦采用由耳板及销轴组成的铰接装置铰接,下弦断开.施工中主索鞍分次顶推确保桥塔受力安全,成桥阶段塔偏小于c m.根据加劲梁线形及下弦开口量变化规律确定刚接时机,悬吊段刚接完成后加劲梁应力均小于材料容许值.根据大桥结构特点及施工方案,确定主动调整端梁姿态适应悬臂端加劲梁线形的合龙控制措施.对恒载、主缆弹性模量、温度、桥塔收缩徐变等对加劲梁成桥线形的影响进行敏感性分析,并采用实测值对计算模型进行修正.采用各项控制措施后,该桥加劲梁成桥线形平顺,跨中节点处最大误差为 c m,满足规范要求.关键词:悬索桥;加劲梁;铰接;主索鞍顶推;刚接时机;合龙;线形;施工控制中图分类号:U ;U 文献标志码:A文章编号:()工程概况开州湖特大桥是贵州省江口至都格高速公路瓮安至开阳段跨越洛旺河峡谷的关键工程,大桥平面为直线,纵断面为凸曲线.大桥为 m单跨钢桁梁悬索桥,主缆跨度为()m,垂跨比为/.桥塔采用C 钢筋混凝土塔柱结构,为门形框架形式,瓮安侧、开阳侧桥塔塔高分别为 、m.开州湖特大桥立面布置如图所示.图开州湖特大桥立面布置F i g E l e v a t i o nv i e wo fK a i z h o uL a k eB r i d g e加劲梁采用板桁组合钢桁梁结构,由主桁、横梁、桥面板、下平联等组成,均采用Q q D低合金钢.主桁为带竖杆的华伦式桁架,桁高 m,标准节间长 m,片主桁中心间距 m,主桁通过吊索与主缆相连.个标准节间设置对吊索.主桁上、下弦采用箱形截面,竖腹杆、斜腹杆采用工字形截面.横梁采用桁架式结构,纵向每 m设道横梁,横梁与主桁等高为 m.上横梁除梁端采用箱形截面外,其它均采用焊接工字形截面,下横梁及腹杆采用工字形截面.全桥共计 个梁段,标准梁段重 t,加劲梁梁段编号为M(跨中)M /M (塔区),加劲梁节点编号为A (跨中)A/A (塔区).加劲梁横断面如图所示.图加劲梁横断面F i g C r o s s s e c t i o no f s t i f f e n i n gg i r d e r由于大桥跨越峡谷,不通水运,因此钢桁梁杆件在厂内制造,陆运至瓮安侧拼装场进行节段拼装,个标准节间为个吊装节段,然后整节段运输至瓮安侧桥塔前 ,采用缆索吊装系统移至跨中进行整节段安装.缆索吊装系统跨径组合为(世界桥梁 ,()m,最大吊重 t.加劲梁由跨中往桥塔方向对称安装,期间择机进行主索鞍顶推.缆索吊盲区梁段(塔区端部梁段)采用缆索吊配合临时吊索进行安装,并在临时吊索及支座处设置加劲梁姿态调节装置,最后与悬吊段连接完成全桥合龙.有限元模型为确保加劲梁在施工期间及成桥阶段线形和内力均满足要求,采用桥梁非线性分析软件B N L A S建立大桥施工全过程空间有限元模型,并考虑几何非线性效应.模型中桥塔、加劲梁均采用梁单元模拟,主缆及吊索采用仅受拉的杆单元模拟.在塔顶处采用主从节点模拟主索鞍与桥塔的连接,可释放顺桥向约束模拟主索鞍顶推.在梁段间上弦节点处释放转动约束,模拟梁段间铰接,在下弦节点处设置个同坐标节点,模拟梁段间下弦开口.在塔底、主缆前锚面处均采用固结约束.有限元模型共 个节点、个单元.在有限元模型中,桥塔混凝土弹性模量、主缆索股弹性模量、吊索弹性模量、加劲梁重量等均采用实测参数,二期恒载重量按均布荷载施加.同时根据实际施工工序,划分桥塔施工、主缆架设、加劲梁安装、主索鞍顶推、加劲梁刚接、加劲梁合龙、二期恒载施工等共 个计算阶段.加劲梁施工控制技术 加劲梁安装在加劲梁安装过程中,加劲梁梁段间采用全铰接,以降低施工期间加劲梁应力水平及施工难度.加劲梁安装过程按全铰接法计算,加劲梁线形变化如图所示,图中为瓮安侧半桥数据,另半桥与之对称.由图可知:当从跨中开始安装加劲梁,安装初期加劲梁跨中标高变化剧烈,在安装至M 梁段时已低于设计标高,即图中竖向位移为负值,随着后续加劲梁的安装,加劲梁标高逐渐高于设计标高.从线形变化情况分析,在加劲梁安装初期,已安装梁段呈下凹状态,在安装至M 梁段时,梁段间曲率接近成桥曲率,继续安装后续梁段,出现上拱线形.加劲梁安装期间,梁段间均采用临时连接,即上弦为铰接,下弦断开.施工期间加劲梁线形变化剧烈,会对加劲梁临时连接的受力产生较大影响.加劲梁安装全过程各铰接点铰接力包络图如图所示,图中为瓮安侧半桥数据,另半桥与之对称;顺桥向负值表示受压,竖向正值表示受压.由图可知:图加劲梁线形变化(瓮安侧半桥)F i g C h a n g i n go f s t i f f e n i n gg i r d e ra l i g n m e n t(W e n g a n s i d eh a l fb r i d g es t r u c t u r e)各铰接点顺桥向铰接力包络值在跨中区域最大值为 k N,在靠近桥塔区域接近,主要是施工期间桥梁未达到成桥状态,吊索仍有一定的顺桥向倾斜角度,随着加劲梁的安装,吊索的水平分力均累加至跨中区域,导致跨中区域顺桥向铰接力最大.因竖向铰接力主要来源于加劲梁的自重,各铰接点的竖向铰接力包络值较为均匀,最大值约 k N.根据各铰接点铰接力方向及大小,确定梁段间铰接装置如图所示.铰接装置主要由耳板和销轴组成,横桥向共设置组,耳板与加劲梁间采用焊接方式连接,耳板与销轴间可转动.图各铰接点铰接力包络图(瓮安侧半桥)F i g E n v e l o po fh i n g e df o r c ea th i n g e dc o n n e c t i o n s(W e n g a n s i d eh a l fb r i d g es t r u c t u r e)部分节段间下弦开口量变化如图所示.由图可知:下弦开口量整体变化规律和加劲梁线形吻合.在加劲梁安装初期,由于线形呈下凹状态,下弦开口量较大,在跨中处达 c m,其它部位的开口量仅在刚安装时较大,随着后续梁段的安装,各处的开口量基本相等,随着梁段间曲率逐渐接近成桥曲率,下弦的开口量接近或为负值,且后期变化较为平缓.主索鞍顶推在加劲梁安装过程中,随着跨中梁段荷载的增加,中跨主缆水平分力逐渐增大,塔顶将会向中跨偏开州湖特大桥加劲梁施工控制技术王海南,阙水杰,尹斌图梁段间铰接装置F i g H i n g e dd e v i c eb e t w e e nt r u s s s e g m e n t s图部分节段间下弦开口量变化F i g V a r i a t i o no fo p e n i n ga m o u n t sb e t w e e n l o w e rc h o r d so f s e v e r a l t r u s s s e g m e n t s位以抵消中、边跨不平衡力.若塔顶位移超过安全范围,塔底会出现拉应力,为保证桥塔结构的受力安全,需在加劲梁安装过程中对主索鞍进行主动顶推.从结构安全及施工便利性方面考虑,主索鞍顶推控制原则为:以桥塔控制截面不出现拉应力为控制条件确定桥塔容许偏位 ;根据 公路悬索桥设计规范(J T G/TD ),鞍槽内主缆抗滑安全系数K应不小于.主索鞍共顶推次,主索鞍的顶推时机和顶推量关系着桥塔受力安全.在加劲梁安装过程中对顶推量、顶推力等相关顶推参数进行了计算,以号塔左幅塔肢为例,顶推中各参数计算结果如表所示.由表可知:主索鞍最大顶推量为 mm,最大顶推力为 k N,每次主索鞍顶推均减小了桥塔塔偏,改善了中、边跨侧塔肢受力情况,桥塔未出现拉应力.施工全过程实测塔偏变化如表所示.由表可知:号塔最大塔偏为 c m,号塔最大塔偏为 c m,在最后一次顶推后,即二期恒载施工完成后,桥塔塔偏均小于c m.加劲梁刚接结合 节加劲梁线形及下弦开口量变化,当加劲梁架设至M 梁段时,除M 梁段与M 梁段间,其余下弦开口量已自动闭合,存在无应力刚接的时 机,因 此 可 完 成M M 梁 段 间 刚 接.M 梁 段 与M 梁 段 间 下 弦 开 口 量 计 算 值 为 mm,可 在 安 装M 梁 段 后 完 成M 梁 段 与M 梁段间刚接,后续梁段均可滞后个梁段完成刚接,在安装悬吊段最后一段M 梁段后,先安装吊索,M 梁段与M 梁段间上弦呈铰接状态,M 梁 段 与M 梁 段 间 下 弦 开 口 量 计 算 值 为 mm,需在下弦通过拉杆将开口闭合,经计算得到下弦拉杆力为 k N,需在下弦设置千斤顶进行张拉,完成悬吊段加劲梁刚接.表号塔左幅塔肢主索鞍顶推计算结果T a b l eC a l c u l a t e dp u s h i n ga m o u n t so f s a d d l eo nt o po f l e f t l e go f t o w e rN o 顶推次数顶推时机顶推量/mm顶推力/k N塔偏/mm顶推前塔肢应力/MP a顶推后塔肢应力/MP a顶推前顶推后中跨侧边跨侧中跨侧边跨侧M 梁段完成 开阳侧M 梁段完成 开阳侧M 梁段完成 两侧M 梁段完成 两侧M 梁段完成 开阳侧M 梁段完成 M 梁段完成 加劲梁合龙后 二期恒载施工完成 注:塔偏为正表示桥塔往中跨偏位;应力为正表示压应力.世界桥梁 ,()表施工全过程实测塔偏变化T a b l eV a r i a t i o no fm e a s u r e dt o w e ro f f s e t sd u r i n gw h o l ec o n s t r u c t i o np r o c e s s顶推次数号塔左幅塔肢/c m号塔右幅塔肢/c m号塔左幅塔肢/c m号塔右幅塔肢/c m顶推前顶推后顶推前顶推后顶推前顶推后顶推前顶推后 注:号塔塔偏为正表示桥塔往中跨偏位,号塔塔偏为负表示桥塔往中跨偏位.加劲梁悬吊段(M M 梁段)全部刚接完成后,整体呈上拱状态,此时加劲梁弯曲应力最大,上弦均为受拉状态,下弦均为受压状态,其中最大拉应力 MP a,最大压应力 MP a,均小于材料容许值.加劲梁合龙由于塔区端部梁段位置处于缆索吊盲区,需先将端梁M 梁段通过缆索吊安装到位,通过支座处临时支撑和临时吊索进行固定,在临时支撑和临时吊索处设置可调节装置,端梁M 梁段预先往边跨方向拉移 c m进行预偏 ,确保M 梁段能顺利安装.端梁M 梁段安装示意如图所示.图端梁M 梁段安装示意F i g S c h e m a t i co fh o i s t i n go fg i r d e r e n dt r u s s s e g m e n tM 悬吊段在安装至M 梁段时,可完成全部刚接,仅存M 梁段与M 梁段间的合龙拼接缝,主动调整端梁M 梁段的标高、里程及转角,使之适应悬吊段的加劲梁线形,然后连接合龙拼接缝上下弦、斜腹杆等,最后拆除临时吊索及临时支撑,加劲梁回落至永久支座上,完成全桥合龙.中跨悬吊段加劲梁架设至M 梁段并刚接后,悬臂前端上、下弦位移如表所示.为保证M 、M 梁段加劲 梁上、下 弦 均 能 顺 利 合 龙,需 根 据M 梁段悬臂前端上、下弦的位移值调整端梁M 梁段的姿态.根据表中位移计算得到端梁M 梁段状态调整为:临时支座处竖向抬升 m,合龙口位置竖向抬升 m,里程方向需往边跨侧移动 c m,因在安装M 梁段时已往边跨侧预偏 c m,只需将M 梁段往中跨侧回移 c m即可完成合龙.表悬臂前端上、下弦位移T a b l eD i s p l a c e m e n t so fu p p e ra n d l o w e rc h o r d sa t c a n t i l e v e r t i p s部位位移/m竖向顺桥向上弦 下弦 加劲梁线形控制该桥为大跨度钢桁梁悬索桥,结构重量、材料特性等偏差和环境温度都对加劲梁线形有较大的影响,因此需对恒载、主缆弹性模量、温度、桥塔收缩徐变等对加劲梁线形的影响进行敏感性分析,并根据施工过程中以上相关参数的实测值,对计算模型进行修正.()恒载.按照设计图纸中的尺寸可计算得到加劲梁理论重量,然而在实际施工中,钢板实际厚度(根据钢板交货条件为C类偏差)、结构实际尺寸、涂装重量、焊缝重量等与理论值存在偏差,造成结构实际重量产生偏差.在二期恒载施工期间,铺装厚度、容重偏差均对线形有较大影响.计算结果表明:加劲梁重量增加,跨中下挠 c m;二期恒载铺装重量增加,跨中下挠 c m.在施工过程中,对加劲梁进行了称重,实际重量比理论重量重约开州湖特大桥加劲梁施工控制技术王海南,阙水杰,尹斌,对二期恒载铺装进行了容重测试,并在铺装时严控铺装厚度,恒载重量误差对线形的影响可通过在计算吊索实际下料长度时进行修正.()主缆弹性模量.主缆由多根索股组成,主缆弹性模量必定存在一定的偏差.另外受主缆架设误差影响,排列在底层的索股和顶层的索股受力有略微偏差,因此主缆整体的弹性模量存在不确定性.通过计算可知,当主缆弹性模量增加G P a,加劲梁跨中将抬高 c m.主缆索股静载试验中,索股弹性模量试验值为 、G P a,因此有限元模型中取其平均值 G P a.()温度.大跨径悬索桥施工过程中,温度变化会引发悬索桥结构几何形状的较大改变,如桥塔塔顶偏位、主缆垂度和加劲梁线形改变等.且外界环境(日照、风、雨等)变化时,温度场的分布也非常复杂.计算结果表明:结构整体升温,加劲梁跨中位置下挠 c m.()桥塔收缩徐变.桥塔为钢筋混凝土结构,为使成桥后塔顶标高满足设计要求,、号桥塔封顶时分别设置了、mm的塔顶预抬量.在大桥交工时,混凝土的收缩徐变尚未全部完成,在运营期间桥塔仍留有 mm的收缩徐变量,对中跨跨中节点标高影响量为 c m.通过上述的相关施工控制措施,在二期恒载完成后,对加劲梁线形进行测量,大桥线形测量时温度为,利用温度敏感性分析数据换算至设计温度 后与理论线形进行对比,结果如图所示.由图可知:加劲梁线形无异常折变,整体平顺,跨中节点处最大误差为 c m,满足 公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程(J T G F /)中桥面标高(L/)mm(L为主跨跨径)的要求.图加劲梁线形F i g A l i g n m e n t o f s t i f f e n i n gg i r d e r结语开州湖特大桥为大跨度钢桁梁悬索桥,加劲梁采用缆索吊装系统由跨中往桥塔方向对称整节段安装.利用非线性分析软件建立大桥施工全过程空间有限元模型,对加劲梁架设过程线形和内力进行计算.在加劲梁架设期间,加劲梁线形总体呈现先下凹再上拱的变化.梁段间均采用铰接,加劲梁安装过程中,根据梁段间各铰接点铰接力方向和大小确定铰接装置.分次对主索鞍进行顶推,成桥阶段塔偏小于c m,确保了桥塔受力安全.结合加劲梁线形、下弦开口量变化,确定加劲梁架设至M 梁段时,开始对加劲梁进行刚接,在悬吊段全部完成刚接后,加劲梁应力均小于材料容许值.根据大桥结构特点和施工方案,加劲梁合龙通过主动调整端梁M 梁段的姿态以适应悬臂端加劲梁线形.通过恒载、主缆弹性模量、温度、桥塔收缩徐变等对加劲梁成桥线形的影响的敏感性分析,采用关键参数实测值对计算模型进行修正.通过上述相关控制措施,加劲梁成桥线形平顺,跨中节点处最大误差为 c m,满足规范要求.参考文献(R e f e r e n c e s):贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵州省江口至都格高速公路瓮安至开阳段第WK T J V标段开州湖特大桥两阶段施工图设计Z贵阳,(G u i z h o u T r a n s p o r t a t i o n P l a n n i n g S u r v e y&D e s i g nA c a d e m eC o,L t d D e s i g no fT w o S t a g eC o n s t r u c t i o nD r a w i n g sf o r WK T J V B i d S e c t i o n o f K a i z h o u L a k eB r i d g eo f W e n g a n K a i y a n gS e c t i o no fJ i a n g k o u D u g eE x p r e s s w a yi nG u i z h o uP r o v i n c eZG u i y a n g,i nC h i n e s e)王保,周文贵州瓮开高速开州湖 m跨悬索桥上部结构施工技术C/年全国土木工程施工技术交流会 论 文 集(下 册)北 京:施 工 技 术 编 辑 部,(WAN G B a o,Z HOU W e n C o n s t r u c t i o n T e c h n i q u e sf o rS u p e r s t r u c t u r eo fK a i z h o uL a k eB r i d g e:a mS u s p e n s i o n B r i d g e C a r r y i n g a S e c t i o n o f W e n g a n K a i y a n gE x p r e s s w a y i nG u i z h o uP r o v i n c eC/P r o c e e d i n g s o ft h e N a t i o n a l C i v i l E n g i n e e r i n gC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g yE x c h a n g eC o n f e r e n c e(V o l u m e)B e i j i n g:C o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g yE d i t o r i a lO f f i c e,i nC h i n e s e)中铁广州工程局集团有限公司瓮开高速公路V标实施性施工组织设计Z广州,(C h i n aR a i l w a yG u a n g z h o uE n g i n e e r i n gB u r e a uG r o u p世界桥梁 ,()C o,L t d P r a c t i c a lC o n s t r u c t i o nO r g a n i z a t i o nD e s i g no fC o n t r a c t V o fW e n g a n K a i y a n g E x p r e s s w a yZG u a n g z h o u,i nC h i n e s e)周文,王保开州湖大桥 t缆索式起重机设计与安装关键技术J施工技术(中英文),():(Z HOU W e n,WAN GB a o K e yT e c h n o l o g yo fD e s i g na n dC o n s t r u c t i o no f tC a b l eC r a n e f o rK a i z h o uL a k eB r i d g eJ C o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y,():i nC h i n e s e)李忠周,朱晓亮,周俭洞庭湖大桥施工监控技术J施工技术,():(L I Z h o n g z h o u,Z HUX i a o l i a n g,Z HOUJ i a n C o n s t r u c t i o n M o n i t o r i n gT 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L A S,t o m a k es u r et h a tt h ea l i g n m e n ta n di n t e r n a l f o r c e s o f t h e s t i f f e n i n gg i r d e r a t t h e c o n s t r u c t i o ns t a g e a n da f t e r c o m p l e t i o nc o u l d r e a c h t h er e q u i r e d l e v e l s T h ea l i g n m e n to ft h es t i f f e n i n gg i r d e ri nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sv a r i e df r o mad o w n w a r p i n gs t a t et o h a v i n gac a m b e r T h eu p p e rc h o r d so fa l r e a d y i n s t a l l e dt r u s s e s w e r et e m p o r a r i l yc o n n e c t e dv i a t h eh i n g e dd e v i c e s f o r m e do f l u gp l a t e s a n dp i n s,w h i l e t h e l o w e r c h o r d sw e r e f r e eo ft e m p o r a r yc o n n e c t i o n T h es a d d l e sr e s t i n go nt h et o po ft h et o w e r sw e r ec a r e f u l l yp u s h e df o rn i n e t i m e s i n t op o s i t i o nw i t h o u t c o m p r o m i s i n gt h e l o a db e a r i n gs e c u r i t yo f t h e t o w e r s,a n dt h eo f f s e t so ft 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