1、剛架式系桿拱橋的施工控制驗(yàn)算與實(shí)踐剛架式系桿拱橋的施工控制驗(yàn)算與實(shí)踐施大震(中鐵四局集團(tuán),合肥230023)摘要:運(yùn)用大型有限元分析方法來(lái)模擬3跨連續(xù)鋼管混凝土剛架式系桿拱橋施工全過(guò)程,評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)受力與穩(wěn)定,調(diào)整施工方法,監(jiān)控施工步驟,實(shí)現(xiàn)有序,指導(dǎo),可控的建橋作業(yè).關(guān)鍵詞:公路橋;剛架式系桿拱橋;施工;控制;驗(yàn)算中圖分類號(hào):U448.225文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):10042954(2006)080027041概述位于蘭州市的雁鹽黃河大橋主橋的結(jié)構(gòu)形式為下承式3跨連續(xù)鋼管混凝土剛架系桿拱橋,跨度分布為87m+127m+87m,各跨矢跨比均為1/5,橋?qū)?1m,拱肋橫向間距16.75m.主跨拱肋截

2、面由2根(b1200mm×14mm鋼管和若干800mm×14mm豎管焊接成啞鈴形,高3.0m,豎管之間用2塊14mm厚鋼板封焊(鋼板外邊距600mm).邊跨拱肋也是啞鈴形截面,法壓注C50微膨脹混凝土,拱肋腹腔內(nèi)除在拱腳至第一根豎管之間泵送C50微膨脹混凝土外,其余腹腔不灌混凝土.?橋梁?主跨拱肋橫向設(shè)1道"米"字鋼管撐和4道"K"字鋼管撐,邊跨設(shè)1道"米"字撐和2道"K"撐,橫向設(shè)置較強(qiáng).橋面為懸浮體系,由橫梁,縱梁,槽形板,人行道板及橋面鋪裝組成.全橋共設(shè)53對(duì)吊桿,吊桿間距5m,采用熱擠高

3、密度聚乙烯雙層PE防護(hù)的成品索,每根吊桿鋼索由109根7mm環(huán)氧涂層高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲組成.在橋墩頂蓋梁高程處,中跨每片拱肋下各設(shè)12根高強(qiáng)度低松弛環(huán)氧涂層鋼絞線束,邊跨每片拱肋下各設(shè)8根高強(qiáng)度低松弛環(huán)氧涂層鋼絞線束,采用OVMXG?T15的穩(wěn)定性,防止可能出現(xiàn)的裂縫,本橋的橋墩設(shè)計(jì)采用3.5m鋼管混凝土墩身,每個(gè)承臺(tái)下布置12根大直徑鉆孑L灌注樁.多跨剛架式系桿拱橋的施工特點(diǎn)是施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)要分多次拼裝,張拉,隨著結(jié)構(gòu)的不斷拓展,結(jié)構(gòu)所受荷載工況復(fù)雜,有幾次大的力系轉(zhuǎn)換,控制掌握結(jié)構(gòu)力系轉(zhuǎn)換時(shí)的內(nèi)力與變形規(guī)律,采取施工預(yù)案針對(duì)處置,是順利建成本橋的關(guān)鍵技術(shù)之一.2主要施工方案與施工控制要

4、點(diǎn)收稿日期一o4-l72?1現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境及條件煮苧窯:1963-),男,高級(jí)工程師,1984年畢業(yè)于西南交通橋位處黃河河道無(wú)船只通航,水面寬在枯水期約大學(xué)鐵道212程專業(yè).一''一'''一'200m,洪水期達(dá)270m,橋梁下部施工采用筑島圍堰,土采用工地拌和站拌制,泵送人模,泵送管道嚴(yán)禁與模板系統(tǒng)相連接.混凝土按照先橫聯(lián)后墩壁,先跨中后兩端,先底板后腹板再頂板的順序分層對(duì)稱灌筑.(2)混凝土施工前,采用綁扎鐵絲對(duì)波紋管進(jìn)行標(biāo)識(shí),防止混凝土振動(dòng)時(shí)將其破壞而影響鋼絞線穿束.(3)橫聯(lián)混凝土灌筑時(shí),混凝土須滿足緩凝,減水,泵送,早強(qiáng)的性能要求,其緩凝時(shí)

5、間控制在14h左17cm,混凝土3d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%.3.2.4工作平臺(tái)的強(qiáng)度,剛度和穩(wěn)定性橫聯(lián)施工時(shí),為保證施工空間,工作平臺(tái)需提升4平臺(tái)的強(qiáng)度,剛度和穩(wěn)定性,確保施工安全,采取在墩壁內(nèi)增設(shè)內(nèi)爬架裝置的方式,使用8鋼管作為頂桿,每墩壁設(shè)2排,每排4根.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAYSTANDARDDESIGN2006(8)4結(jié)語(yǔ)雙肢薄壁高墩橫聯(lián)墩身一次性整體灌筑施工技術(shù),無(wú)需拆除工作平臺(tái)及搭設(shè)支撐系統(tǒng),橫聯(lián)及對(duì)應(yīng)墩身混凝土隨翻模翻升就位后一次性整體灌筑施工,節(jié)約了資金,保證了工期,減少了施工接縫,有效地保證了施工質(zhì)量,成功地解決了傳統(tǒng)施工工藝中施工縫較多,支承系統(tǒng)下沉導(dǎo)致梁體開裂等技術(shù)難

6、題和翻升模板系統(tǒng)與橫聯(lián)施工的矛盾,具有廣泛的推廣應(yīng)用前景.參考文獻(xiàn):【l】TB102032002,鐵路橋涵施工規(guī)范【s】.工技術(shù)【J】.鐵道建筑技術(shù),2000(2).2002年鐵道部部級(jí)工法匯編z1.鐵道部建設(shè)管理司.2003.?橋梁?施大震一剛架式系桿拱橋的施工控制驗(yàn)算與實(shí)踐河漫灘作橫梁及橋面板的預(yù)制廠,較好地解決了存梁?jiǎn)栴},但由于河床過(guò)水?dāng)嗝娴膲嚎s(總過(guò)水寬度縮為中跨70m+東跨60m=130m),使橋位處常水位時(shí)水流平均速度45m/s,上游劉家峽水庫(kù)開閘放水時(shí)流速達(dá)7m/s,不能實(shí)現(xiàn)船只運(yùn)梁方案,對(duì)上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)橫梁吊裝方法的確定增加了難度.采用跨度為373m塔高為78m的高塔架纜索吊機(jī)

7、,節(jié)段加工鋼管拱肋吊裝組焊,先邊跨后中跨,逐步完成拱肋拼裝;應(yīng)用泵送頂升灌注技術(shù)完成拱肋混凝土施工,通過(guò)對(duì)墩頂處高強(qiáng)度低松弛環(huán)氧涂層鋼絞線吊裝時(shí)原設(shè)計(jì)吊裝順序?yàn)樽笥疫吙鐚?duì)稱,單跨內(nèi)橫梁間隔吊裝;這種吊裝順序的設(shè)計(jì)需要將橫梁運(yùn)送到對(duì)機(jī)縱向運(yùn)輸,一是增大兩組承重吊索的中心距離,利用加設(shè)"扁擔(dān)"實(shí)現(xiàn)縱向運(yùn)輸,條件是進(jìn)一步加寬纜索吊機(jī)的高塔架;二是改變?cè)O(shè)計(jì)的間隔吊裝為順序吊裝,重新設(shè)計(jì)加載程序,這種方法需對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行重新計(jì)算分析.鑒于計(jì)劃改變?cè)O(shè)計(jì)橫梁吊裝順序和實(shí)現(xiàn)可控的施工步驟,運(yùn)用大型有限元分析程序建立空間模型,全面模擬施工各階段,分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)與穩(wěn)定性,找析

8、主要目的如下:(1)分析拱肋在各吊裝施工階段的穩(wěn)定因子;(2)分析順序吊裝橫梁時(shí)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與穩(wěn)定;(3)分析在各控制工況下的抗靜風(fēng)穩(wěn)定性,以及動(dòng)力安全性評(píng)價(jià);(4)進(jìn)行初成橋時(shí)的非線性穩(wěn)定計(jì)算,評(píng)價(jià).3仿真計(jì)算分析改變吊裝順序主要是變間隔吊裝為由拱中心向拱腳對(duì)稱順序吊裝,對(duì)全橋而言,依然是先邊跨后中跨的加載順序.而實(shí)現(xiàn)這種吊裝順序,只需預(yù)先將待吊裝橫梁依編號(hào)堆放于靠墩的圍堰頂上,使用纜索吊機(jī)在原橫梁吊點(diǎn)位置起吊橫梁縱移到位進(jìn)行吊桿穿掛作業(yè),高塔架的纜索吊機(jī)在完成拱肋安裝后無(wú)需作更多的改動(dòng),也不需增建水運(yùn)設(shè)施,僅多了一項(xiàng)橫梁預(yù)存放的吊運(yùn)作業(yè).其工序簡(jiǎn)捷,優(yōu)勢(shì)明顯.本階段的靜力分析計(jì)算,采用了平

9、面桿系理論,運(yùn)用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序進(jìn)行,建立計(jì)算模型如圖1所示.按照吊裝順序,將吊裝工作劃分為49個(gè)施工階段(原設(shè)計(jì)吊裝順序分20個(gè)施工階段),其中跨在各階段應(yīng)力變化對(duì)比如圖2所示.調(diào)整后的橫梁吊裝順序?qū)級(jí)涸O(shè)計(jì)的橫梁吊裝順序圖1結(jié)構(gòu)離散圖及橫梁吊裝順序調(diào)整對(duì)比通過(guò)兩種吊裝方法的拱肋鋼管應(yīng)力比較可知,拱肋鋼管的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在橫梁吊裝完畢,進(jìn)行最后一輪系桿張拉階段,分別為84.1MPa(原設(shè)計(jì)吊裝順序)和83.3MPa(調(diào)整后的吊裝順序),而最大拉應(yīng)力僅為一4.2MPa和一4.05MPa,均出現(xiàn)在邊跨下管混凝土灌注階段,管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力也是出現(xiàn)在此可見,對(duì)本橋而言,無(wú)論是采用何種吊裝

10、順序,通過(guò)對(duì)系桿張拉次數(shù)與張拉力水平的調(diào)整,均可控制拱肋鋼管在施工各階段的拉,壓應(yīng)力在規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)強(qiáng)度范圍之內(nèi),僅需在施工工序上進(jìn)行調(diào)整控制即可(調(diào)整吊裝順序后全橋的38對(duì)系桿總安裝張拉次數(shù)由原設(shè)計(jì)的10次增變?yōu)?1次).拱橋的穩(wěn)定性問(wèn)題從空間的失穩(wěn)形態(tài)上分為面內(nèi)失穩(wěn)和面外失穩(wěn),從失穩(wěn)的受力性質(zhì)上分為第一類的平衡問(wèn)題和第二類的極值點(diǎn)問(wèn)題.嚴(yán)格而言,以受壓為主的拱的失穩(wěn)皆為第二類失穩(wěn),但拱的第一類穩(wěn)定問(wèn)題力學(xué)情況單純明確,其臨界荷載近似地代表第二類穩(wěn)定問(wèn)題的上限.因此,在工程實(shí)踐中通常應(yīng)用有限元手段求解第一類穩(wěn)定問(wèn)題.系桿拱橋最基本的失穩(wěn)模態(tài)有面外失穩(wěn),面內(nèi)失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)失穩(wěn),影響其穩(wěn)定性因素通常

11、有橋梁跨度,矢28鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAYSTANDARDDESIGN2006(8)?橋梁?施大震一剛架式系桿拱橋的施工控制驗(yàn)算與實(shí)踐表33種方法計(jì)算結(jié)果成橋狀態(tài)的非線性穩(wěn)定分析表明,當(dāng)考慮受力過(guò)程中拱肋的幾何大變形影響,計(jì)算得到的非線性承載力比線性穩(wěn)定承載力低15.3%;當(dāng)同時(shí)考慮拱肋的幾何大變形以及鋼管混凝土拱肋材料的本構(gòu)關(guān)系之后,計(jì)算得到的非線性承載力比線性穩(wěn)定承載力低43.1%,更接近于問(wèn)題的真實(shí)解,其非線性穩(wěn)定安全系數(shù)為8.2,說(shuō)明有足夠的安全度.根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范及橋位環(huán)境實(shí)測(cè)風(fēng)速的分析修正,取施工階段設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速(按1O年重現(xiàn)期考慮)U=24.9m/s,陣風(fēng)動(dòng)壓(按類地區(qū))q

12、=1097N/m,陣風(fēng)荷載(按t/b=1/3考慮)P=4279N/m,算得各工況下拱腳應(yīng)力值見表4.表4有,無(wú)風(fēng)載情況下鋼管拱腳截面最大壓應(yīng)力及位移拱腳鋼管最大名義恒+側(cè)風(fēng)載施工階段應(yīng)力/MPa應(yīng)力位移/mm恒載恒載+側(cè)向風(fēng)載增幅豎向便0向第1節(jié)拱肋吊裝一49,45跨中拱肋吊裝初合龍一l3,95從以上分析可以看出:(1)拱肋內(nèi)填充混凝土階段,薄壁鋼管所受應(yīng)力最大,壓應(yīng)力達(dá)到154.97MPa,此時(shí)距Q345鋼材的容許應(yīng)力2lOMPa(橋規(guī)JTJ025全系數(shù);(2)隨拼裝節(jié)段加長(zhǎng),側(cè)向風(fēng)載引起的鋼管應(yīng)力有顯著的增加,以拱肋內(nèi)填充混凝土階段最為不利.因此,在施工中應(yīng)注意做好抗風(fēng)纜的布設(shè)與轉(zhuǎn)緊加固工

13、作.風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用,除產(chǎn)生陣風(fēng)靜載效應(yīng)外,結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)也不容忽視.在施工過(guò)程中,可能產(chǎn)生的有害振動(dòng)有:吊桿在吊掛橫梁后的鐘擺式振動(dòng);吊桿在陣驗(yàn)算,"吊桿+橫梁"的"鐘擺"頻率為0.10.2Hz;相m/s),3級(jí)(3.45.4m/s),4級(jí)(5.579m/s).雖然這種級(jí)別的風(fēng)速是工地上常見風(fēng)速,但吊桿的渦激振動(dòng)由于受桿端阻尼裝置的抑制,其振幅也不會(huì)危及吊桿的安全.初成橋狀態(tài),橋面的顫振臨界風(fēng)速為94m/s,因而結(jié)構(gòu)不會(huì)有顫振空氣動(dòng)力失穩(wěn)問(wèn)題.4現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制效果(圖4,圖5)6-8一-4要一.:蠢溢l2L階段號(hào)圖5中跨拱肋跨中頂部隨施工歷程的位移經(jīng)過(guò)全

14、面細(xì)致的理論分析,充分了解掌握了施工過(guò)程各階段,各部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移變化趨勢(shì),因此,在實(shí)施過(guò)程中就有針對(duì)性地采取措施,并通過(guò)在拱肋,承臺(tái),拉索等控制關(guān)鍵部位埋設(shè)的監(jiān)測(cè)元件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以及實(shí)時(shí)的位移測(cè)量,材料的試驗(yàn)等,及時(shí)反饋分析,驗(yàn)證理論計(jì)算成果,使工程建設(shè)全過(guò)程完全處在掌控之中,構(gòu)筑物按計(jì)劃順利達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo).從應(yīng)力沿程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看,應(yīng)力實(shí)測(cè)值和理論值在變化趨勢(shì)和應(yīng)力大小方面均能較好的吻合,各施工階段混凝土的應(yīng)力均在安全范圍之內(nèi),施工過(guò)程結(jié)構(gòu)是安全的.從拱肋線形的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來(lái)看,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值和理論值都能很好吻合,且變化趨勢(shì)一致,說(shuō)明施工達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo);個(gè)別施工階段的理論值和實(shí)測(cè)值之間的差異,經(jīng)分析是因?yàn)闇囟葴y(cè)試誤差影響所致.通過(guò)本橋成功的施工實(shí)踐,說(shuō)明在橋梁施工中,注重理論分析與實(shí)際工作的結(jié)合,能使工程對(duì)象處于有效的監(jiān)控之下,減少工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn),少走彎路,從而達(dá)到降低工程成本,增加企業(yè)效益的目的.參考文獻(xiàn):【1】陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工【