六圭河特大桥施工及设计N

2005年5月六圭河大桥施工及设计1六圭河特大桥施工及设计2005年5月六圭河大桥施工及设计22005年5月六圭河大桥施工及设计32005年5月六圭河大桥施工及设计42005年5月六圭河大桥施工及设计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月六圭河大桥施工及设计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月六圭河大桥施工及设计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月六圭河大桥施工及设计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：•①汽车（汽-20）+人群荷载（3KN/m2）；•②挂车组合（挂-120）•③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℃）•④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℃）•⑤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月六圭河大桥施工及设计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σ压应力max=16.2Mpa;σ压应力min=5.8Mpa•上缘σ压应力max=13.5Mpa;σ压应力min=4.1Mpa•附加组合：上缘σ压应力max=18.2Mpa;σ压应力min=5.2Mpa•上缘σ压应力max=15.6Mpa;σ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月六圭河大桥施工及设计10全桥失稳模态2005年5月六圭河大桥施工及设计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:•①支架现浇1#拱肋和20#拱肋；•②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；•③吊18#拱肋，同②的步骤，完成18#拱肋的吊装和扣挂；•④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；•⑤吊16#拱肋，同样方法实现扣挂；•⑥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；•⑦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月六圭河大桥施工及设计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。图例：吊装拱肋，焊接接头钢板，调整扣索索力进行体系转换，完成当前段扣挂浇注接头混凝土，进行养护线形调整焊接合龙劲性骨架，浇注合龙混凝土51611986543212005年5月六圭河大桥施工及设计13•⑧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。•⑨合龙混凝土达到设计强度后按照拟定程序松索成拱。•⑩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月六圭河大桥施工及设计142、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月六圭河大桥施工及设计15缆索吊装系统和扣挂系统总体布置图主缆轴1113°28′54″175.3832005年5月六圭河大桥施工及设计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)•11．584m（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月六圭河大桥施工及设计17扣挂系统总体设计索号N2N3N4N5N6N7N8N9N10扣索与水平线的夹角(度)48.234.223.726.923.821.319.417.916.8锚索与水平线的夹角(度)29.429.429.029.029.029.029.029.029.0扣索根数101210888888•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。•索号N2N3N4N5N6N7N8N9N10扣索与水平线的夹角(度)48.234.223.726.923.821.319.417.916.8锚索与水平线的夹角(度)29.429.429.029.029.029.029.029.029.0扣索根数1012108888882005年5月六圭河大桥施工及设计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月六圭河大桥施工及设计192005年5月六圭河大桥施工及设计203、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月六圭河大桥施工及设计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月六圭河大桥施工及设计224、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3Ф25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3Фj15.24钢绞线抗拔锚索，锚孔深10m，锚孔直径均为Ф90mm。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月六圭河大桥施工及设计23左岸主地锚2005年5月六圭河