山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥的设计及施工技术研究

1山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥的设计及施工技术研究报告简本1、立项背景及研究思路我国已建钢筋混凝土箱型拱桥300余座，跨径大于100米的钢筋混凝土箱型拱桥50余座，是世界上建造主跨超过200米拱桥最多的国家。但是，由于受历史技术发展水平、经济条件、建设环境等系列因素影响，钢筋混凝土箱型拱桥建设存在以下技术难题：①已建钢筋混凝土箱型拱桥不同程度存在病害；②面对现代山区复杂地形地质条件和恶劣交通运输条件限制，新结构、新工艺的开发应用；③大跨度钢筋砼箱型拱桥位移理论的应用及软件开发；④已有设计、施工和耐久性技术的改进和完善。课题研究是在广泛调查分析研究已建山区大跨径钢筋砼箱型拱桥设计、施工和养护等环节存在的问题、桥梁使用存在的病害、典型事故的基础上，借鉴国内外同类桥梁建设采取的对策措施，结合我国钢筋混凝土箱型拱桥建设面临的技术难题，依托攀（枝花）西（昌）高速公路白沙沟大桥等工程，组织设计单位、科研单位、施工单位和大专院校等机构联合攻关，采取新措施、确定合理的设计参数和计算理论、开发新材料、新结构、新工艺、形成同类桥梁设计施工技术指南，以求达到建设同类桥梁先进水平，提高桥梁建设质量和延长桥梁使用寿命，满足现代桥梁和新时期山区复杂地形地质条件建设需要。2、研究内容2.1主要研究内容课题研究内容一览表标题序号研究内容成果报告子课题1山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥现状调查分析试验研究上、下册2山区大跨径钢筋砼箱型拱桥的合理布置和结构选型研究全一册3山区大跨径钢筋砼箱型拱桥合理计算理论和实用计算方法研究上、下册4山区大跨径钢筋砼箱型拱桥施工监控技术研究全一册5山区大跨径钢筋砼箱型拱桥的模型试验及实桥现场试验研究全一册26高强砼、钢—砼组合结构箱型拱桥调查试验研究上、下册7山区大跨径钢筋砼箱型拱桥设计及施工技术指南全一册辅助课题1攀枝花白沙沟大桥施工监控报告全一册2攀枝花白沙沟大桥静动载试验报告全一册技术总报告山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥设计与施工研究技术总报告全一册工作总报告山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥设计与施工研究工作总报告全一册用户使用报告山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥设计与施工研究用户使用报告全一册科技查新报告山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥设计与施工研究科技查新报告全一册2.2试验项目根据课题研究需要，完成了白沙沟大桥1：10模型试验研究，完成了悬臂施工过程、成桥结构承载能力试验研究；完成主跨160米钢筋混凝土箱型拱桥、波折腹板钢筋混凝土箱型拱桥、钢管腹杆钢筋混凝土箱型拱桥1：10的三个模型试验研究；完成了主跨75米钢筋混凝土箱肋拱桥、箱板拱桥1：20玻璃纤维模型试验研究；完成了施工现场岩锚、岩孔锚和悬臂施工全过程的测试研究和成桥测试研究。3、关键技术及创新点3.1、钢筋混凝土箱型拱桥病害系统调查分析本课题普查了近300座钢筋混凝土拱桥，收集分析、整理了以云南、贵州、重庆、四川、广西等地区已建159座钢筋混凝土箱型拱桥的施工概况、使用现状、事故病害情况，从建设环境、设计、施工、材料、后期养护、各部位加固处理措施等不同方面提出了处理措施。从钢筋混凝土箱形拱桥设计、施工、使用的各阶段提出改进措施，从结构体系、设计计算、细部构造、施工方法等方面介绍了病害形成原因和相应对策措施。并将研究成果吸收到课题研究设计与施工指南中。3.2、钢筋混凝土箱型拱桥计算参数研究根据调查分析，设计箱板拱桥不计横向分配系数、箱肋拱桥按“偏心受压法”计算横向分配系数，是与这类桥梁实际受力不吻合的。为了准确确定箱型拱桥横向分配系数，模拟跨度为70m的箱板拱，进行了1：20玻璃纤维钢模型试验。通过对国内外拱桥偏心弯矩增大系数计算方法的调查研究，结合模型计算分析，探讨了箱型拱桥荷载横向分配系数、偏心弯矩增大系数及冲击系数的影响因素及其规律，并提出了相应的设计建议。33.3、钢筋混凝土箱型拱桥挠度理论的应用研究（1）、首次开发了针对拱桥结构的参数化建模模块，弥补了现有大型有限元分析软件在拱桥参数化建模模块开发方面的不足。（2）、开发的静力计算模块考虑到桥梁结构计算及其规范的特点，计算工况丰富且包括了04新规范的活载标准。后处理模块可方便进行各种荷载工况的组合，同时计算结果也可以保存于word、excel等不同的文件类型中。（3）、开发了谱分析及时程分析桥梁抗震计算模块。并考虑行波效应对于大跨度拱桥的地震算结果的影响。（4）、将最优化的计算理论引入到正装迭代法的计算中，寻找拱圈浇筑的最佳施工路径。（5）、结合拱桥挠度理论与几何非线性有限元分析方法，利用自主开发的基于ANSYS的钢筋混凝土拱桥参数化建模与计算模块，研究大跨钢筋混凝土拱桥的几何非线性特征与影响因素。3.4、悬臂节段浇筑施工技术山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥无支架施工方法要有：①缆索吊装法；②转体施工法；③劲性骨架法；④悬臂桁架法。通过调查分析，结合国际桥梁技术发展情况，提出了采用整体截面的单箱多室拱箱截面、斜拉扣挂现场悬臂节段浇筑的施工工艺。悬臂节段浇筑为由悬浇体系、扣锚体系和锚固体系组成施工结构体系，现场分节段浇筑完成主拱圈施工合龙。43.5、悬臂浇筑侧桁纵移挂蓝开发应用主桁采用三角形构造，全长16.5m，桁高3.5m，总高4.4m，净宽7m。由主桁系统、止推系统、支反力系统、走行系统、模板系统和工作吊蓝六部分构成。这种挂篮结构具有以下特点：（1）为侧桁式前支点挂蓝，重量仅38T（浇注节段最重129T）；（2）取消了后锚装置。直接利用拱圈底部支撑锚固；（3）设置专用止推装置，克服了挂蓝因拱圈倾角产生的下滑力；（4）挂钩和后锚座处设置支座承受反力，比受拉锚固更加安全；（5）行走牵引系统简单，行走更安全。3.6、双重调索底应力夹片锚固系统开发应用针对常规的钢绞线斜拉索专用锚具存在的经济性差和单根张拉、锚固周期长的缺点，开发了可调索低应力夹片锚固系统，既适用于悬臂节段浇筑拱圈大变位粗调索，又可实现小变位精调索。53.7、形成缆索吊装、劲性骨架、转体施工的国家工法系统总结和调查研究缆索吊装法、转体施工法、劲性骨架法的适用条件及经验教训，完成了缆索吊装法的大跨径拱桥七节段无支架吊装工法、箱型拱桥无平衡重双箱对称同步转体施工安装和劲性骨架法中—钢管骨架的斜拉扣挂施工方法，从工艺原理、安装体系、工艺流程、主要设备、操作要点等方面进行了详细论述，在多座桥梁施工验证可靠后，形成了这些工法的施工技术要求和规则，最后申报了《大跨径拱桥七节段无支架吊装工法》、《箱型拱桥无平衡重双箱对称同步转体施工工法》和《大跨径钢管混凝土拱桥无支架吊装斜拉扣挂工法》三项国家级工法，并获得了国家批准，获得了国家工法证书。无支架吊装施工无平衡重对称同步转体施工6无支架吊装斜拉扣挂施工3.8、新型岩孔锚碇的开发研究白沙沟大桥西昌岸岩体破碎、完整性差，故采用新型岩孔式锚碇，其主要构造由锚碇、预应力锚索、锚板、竖井等组成。西昌岸锚碇一般构造（立面）西昌岸锚碇一般构造（平面）3.9、编制山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥设计与施工技术指南根据“山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥的设计及施工技术研究”课题研究成果，结合国际桥梁设计与施工技术进步，邀请有钢筋混凝土箱型拱桥设计、施工、养护和加固经验的著名专家、教授参与和审查，编制完成了“山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥设计与施工技术指南”，用于指导这类桥梁设计、施工技术。“指南”主要包括的内容为一般规定、计算规定、设计技术规定、施工技术规定和其它等内容，对钢筋混凝土箱型拱桥的主拱圈、拱上立柱、桥面梁、拱座和桥面系7等系列构件从计算、构造要求、安装工艺等多方面进行了技术要求，同时，结合课题对同类桥梁常见病害的调查分析研究，提出了提高耐久性的措施。3.10、结构设计参数研究矢跨比的研究推荐钢筋砼箱型拱桥的矢跨比为1/4～1/8。拱轴系数优化计算结果工况恒载恒载+收缩徐变+升温恒载+收缩徐变+温降恒载+收缩徐变+温降+活载恒载+收缩徐变+温降+1/2活载拱轴系数2.011.9861.9831.9721.978拱上构造的轻型化措施一般为：（1）、采用高强混凝土或轻质骨料混凝土；（2）、采用钢腹板或桁式腹杆钢筋的箱型截面主拱圈；（3）、采用钢—混凝土组合结构拱上立柱、盖梁和桥面板；（4）、尽可能采用预应力混凝土结构，如盖梁、桥面板等，即可以提高跨越能力，减少拱上立柱数量，又可以缩减截面尺寸，降低构件自重。3.11、悬臂节段浇注补充定额通过对施工过程材料的调查分析，按有关编制办法、政府和主管单位的相关法律法规，编制了悬臂浇注主拱圈的各项施工措施费，最后换算成每10m3混凝土或每10米节段长的定额单价，有利于悬臂浇注法推广应用时的经济概算。4、主要技术经济指标的先进性及取得相关知识产权的情况4.1、主要技术指标白沙沟大桥主要经济指标为：混凝土用量2.85m3/m2；钢材用量403kg/m2；工程造价5970元/m2。课题研究成果克服了复杂的地形地质条件和恶劣的交通运输条件，相对地节约了工程造价。课题依托工程可以与路线同步施工，受环境恶劣建设条件影响较小，施工工期均早于路线前后其它工程3～5个月完工。由于依托工程新的施工工艺完全不需要平整场地，材料存放料场小，不需要开挖陡峻山坡成施工场地，减少了对环境的破坏，实现了环境友好的建设政策。4.2、技术性能指标（1）、全面调查国内外钢筋混凝土箱型拱桥设计、施工及养护情况，普查了300座、调查了159座、分析论证了主跨大于100米的54座和7座典型事故桥梁各方面8技术情况，提出确保工程质量与安全的技术措施；（2）实现了单箱多室箱型截面拱桥构造设计的研究和优化；（3）将位移理论和非线性计算方法应用于钢筋混凝土箱型拱桥，并开发了计算软件；（4）采用悬臂节段浇筑工艺施工主拱圈，形成了系统的构造和工艺技术；（5）开发的挂蓝、双重调索底应力锚具、岩孔锚碇、扣塔横移等技术形成了悬臂节段浇筑拱圈的成套新工艺；（6）研究缆索吊装法、劲性骨架法和转体施工法，形成了国家级施工工法。（7）高强混凝土和钢—混凝土组合结构的试验研究，为山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥发展提供了新的技术路线；（8）根据课题研究成果，编制了《山区大跨径钢筋砼箱型拱桥设计及施工指南》。4.3相关知识产权项目开发的“一种新型岩孔式锚碇”、“拱桥悬臂节段浇筑工法”申请了实用新型专利，已受理；“悬浇拱桥侧桁式挂蓝”、“双重调索低应力夹片锚固系统”获实用新型专利证书。总结发展的“劲性骨架法”、“转体施工法”、“斜拉扣挂法”安装主拱圈的施工工法，获得了国家级工法，“悬臂浇注施工”获得四川省工法。5、推动行业科技进步的作用课题研究成果，通过研究过程中的技术交流、依托工程中的应用等，使研究新技术等到了推广应用，推动了行业科技进步，其作用体现在：（1）、已有钢筋混凝土箱箱拱桥的现状调查分析及对策措施研究，有利于提高钢筋混凝土箱型拱桥耐久性，成果的推广应用，有效防止了同类病害在新建桥梁中的产生，确保了新建桥梁使用寿命；（2）、钢筋混凝土单箱多室拱箱截面的优化设计、拱轴系数的优化选择等方法，为同行技术人员提供了示范，既提高了桥梁整体性，又可在采用同样截面拱箱尺寸获得更高的安全系数；（3）、拱桥拱箱悬臂节段浇筑工法，丰富了桥梁施工技术，有利于钢筋混凝土箱型拱桥在地形地质条件十分复杂和交通运输十分困难的山区建设；（4）、悬臂侧桁式挂蓝、双重调索低应力夹片锚固系统、新型岩孔式锚碇和斜拉扣挂系统和施工监控技术等开发，为推广应用拱桥悬臂节段浇筑技术提供了技术保9证；（5）开发的钢筋混凝土箱型拱桥位移理论及计算软件，确保了大跨钢筋混凝土箱型拱桥计算成果的精确性，发展了计算理论和计算方法；（6）高强混凝土和钢—混凝土组合结构的试验研究，提出了山区钢筋混凝土箱型拱桥继续研究方向，为进一步发展钢筋混凝土箱型拱桥奠定了基础；（7）钢筋混凝土箱型拱桥设计与施工技术指南，规范了设计与施工技术，提高了桥梁建设依据和质量，确保了桥梁耐久性。6、推广应用及社会经济效益6.1推广应用课题研究应成果应用于攀西高速公路白沙沟大桥，确保了大桥的顺利建成。钢筋混凝土箱型拱桥参数计算方法、位移计算理论、结构构造