大跨度钢拱桥施工技术研究

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大跨度钢拱桥施工技术研究

课题名称：大跨度钢拱桥施工技术研究课题承担单位（盖章）：中国建筑第七工程局有限公司课题起止时间： 2013年01月至2014年06 月课题验收时间： 2014年07月

1 绪论 ............................................. 1 1.1选题背景 ....................................... 1 1.2国内外研究现状 .................................. 2 1.3大跨度拱桥工法概述 .............................. 3 1.4主要研究内容 .................................... 4 2 大跨度钢析架拱桥基本结构行为分析方法 ................ 5 2.1大跨度钢桁架拱桥的基本结构 ...................... 5 2.2大跨度钢桁架拱桥计算理论 ........................ 7 3 大跨度钢桁架拱桥施工方法 ........................... 11 3.1工程概况 ...................................... 11 3.2架梁吊机施工方法 ............................... 13 3.3中跨合龙施工 ................................... 24 3.4航道影响的解决办法 ............................. 26 4 大跨度钢桁架拱桥施工控制 ........................... 28 4.1施工控制分析模型 ............................... 28 4.2施工控制情况 ................................... 31 5结论与展望 ......................................... 33 5.1主要研究结论 ................................... 33 5.2展望与建议..................................... 35

1 绪论

1.1选题背景

拱桥在我国使用历史悠久，古代有闻名海内外的赵州桥，近代有巫峡长江大桥、卢浦大桥等。钢桁架拱桥因为跨越能力强、承压能力高和外形刚健稳固，截至1990年，它是较大跨度桥梁中桥型的重要选择方案。1990年以后，我国钢桁架拱桥的修建方案趋于冷淡，究其原因主要是大跨度的钢桁架拱桥刚才耗费量较斜拉桥多，使得修建桥梁时出于经济角度考虑而放弃了该桥型的修建。

近年来，随着我国综合实力的大幅提升，迫于经济发展和城市立体景观发展的需要，修建跨江桥梁选用钢桁架拱桥又被桥梁建设者和社会各界重视起来，犹豫钢桁架拱桥独特的美观造型、不可比拟的大刚度、超强的跨越能力，特别是大于500m跨度时，比钢斜拉桥具有更好的稳定性、刚度、抗震性，大跨度钢桁架拱桥的修建又越来越多，尤其实在地质条件良好，风速和地震烈度大地区及城市，大跨度钢桁架拱桥是修建桥梁的理想的方案。众所周知，桥梁施工技术非常重要，如果在桥梁施工中出现施工事故，会给人们的生命和财产造成巨大损失。例如加拿大魁北克桥施工时，当合龙两岸钢桁架时，因缀条薄弱造成南侧下弦杆被压溃，引发了巨大经济损失，后续施工中，在重约4700t的195.2m跨度悬挂跨提升时，又因一个支撑件破裂，使得该跨倾斜滑落，造成7人丧命。宁波的招宝山斜拉桥采用悬臂法施工时，由于悬臂主要支撑发生折断，使得建设方耗费4亿元用于拆除加固重建。施工贵州的小尖山大桥时，由于不当的施工措施使得支架失稳，造成正在浇筑的桥面垮塌，造成3人死亡，1人失踪，多人重伤。在施工这些桥梁时，如果采用了正确的施工方法，在施工阶段加强控制，

采取合理监测措施，及时发现问题，采取合理的补救措施，这些施工事故定可以避免。事实上，由于桥梁是超静定结构，不同的施工工艺和方法会直接影响到恒载内力的分布和梁的线性结构的变化，混凝土收缩徐变、结构自重、材料的弹性模量、温度、施工荷载测量误差等也都会造成施工偏差，如施工中不能及时识别和处理便可使桥梁超出设计安全，引发施工事故。目前我国大跨度钢桁架拱桥施工技术尚不成熟，对大跨度钢桁架拱桥施工方面的探索也不多，有待于进一步完善。大跨度的钢桁架拱桥应用必然随着我国交通建设迅猛发展而出现更快更新的发展态势。因此，展开大跨度钢桁架拱桥施工技术研究，完善大跨度钢桁架拱桥施工理论，具有重要的经济和社会价值。 1.2国内外研究现状

1.2.1大跨度钢桁架拱桥国外的发展概况

18世纪,由于锻铁和铸铁实现了批量生产,铁的产量极大地提高使得其在桥梁结构中得以广泛的应用。位于英格兰中部西米德兰兹郡的18世纪的铁桥是世界上第一座铸铁拱桥它的净跨径30m; 1877年修建于葡萄牙的Pia Maria桥是镰刀形内倾双铰双助桁拱,跨径为160.13m。第一座钢桁架拱桥为153m+158m+153m三跨伊兹(Eads)桥,1867到1874年,由美国修建,为公路、铁路双层桥。其后钢桁架拱桥得到了进一步发展,1917年美国修建的狱门(Hell Gate)桥,奠定了钢拱桥的技术基础,是钢拱桥一个里程碑,其跨径为297m。1974-1978年美国修建了上承式连续钢析梁钢桁架拱——桥新河谷桥 (New River Gorge Bridge),主跨为518.2m,长924m,该桥结构轻巧优雅,抗风性能好。1931年建成于美国纽约的贝永桥,主跨504m,为公路钢桁架拱桥;1932年又修建了澳大利亚悉尼港大桥,该桥为中承式钢

桁架拱桥,主跨503m。此后,大跨度钢桁架拱桥再未出现跨度的超越。 1.2.2大跨度钢桁架拱桥在国内的发展历史

1888年,我国早就开始修建钢桥,但解放前修建的钢桥,跨度很小,施工工艺简陋,1937年修建的钱塘江公铁两用钢桁架梁桥是其代表,该桥主跨径65.84m。解放后,钢桥得到了快速发展,1956年修建了主跨128m的武汉长江大桥,1968年修建了主跨160m的南京长江大桥,1993年修建了主跨214m的九江长江大桥,2000年建成了主跨312m芜湖长江大桥。 1.3大跨度拱桥工法概述

桥梁的施工方法直接影响到桥梁的安全和设计是否被采用。大跨度拱桥施工方法按照拱桥所处位置、结构型式、跨径大小、材料等不同,可分为转体施工法、悬臂施工法和缆索吊装施工法等。

（1）转体施工法。

转体法施工是将拱圈或整个上部结构分成两个半跨,分别在河的两岸利用地形支架灌筑或预制装配成半拱。然后,利用动力装置将两半拱转动至桥轴线位置上或设计标高合龙成拱。转体过程中利用扣索拉力平衡拱片水平推力量。

（2）悬臂施工法。

悬臂施工法是钢拱桥最常用的施工方法,该方法是首先在两边搭设临时支墩或临时支架,用斜拉索或斜拉粗钢筋将悬臂的拱助拉住,从拱脚开始,逐渐地向拱顶悬拼拱助节段,直至全桥合龙,用拉索扣将节段间接头挂于塔架上,由拉在边跨上或地锚上的背索来维持塔架平衡。

（3）缆索吊装施工法。

缆索吊装施工法由桥两端向屮间对称进行,水平运输、安装拱圈节段构件垂直起吊采用缆索吊机进行,拱圈各节段悬挂后,每个连接节点的位置被调整到所需的高程然后放松节点使拱圈自承受力,取出带扣缆索。此法使用了大跨越能力的起重设备,构件运输方便,安全可靠,适应范围广泛。 1.4主要研究内容

1、阐述拱桥的基本结构,指出其结构特点,对大跨度钢桁架拱桥计算理论进行深入探讨,为施工的控制计算提供理论支持。

2、结合论文依托实体工程,从大跨度钢桁架拱桥施工方案施工、施工现场准备、构件加工制作及运输、钢桁构件安装、中跨合龙施工、航道影响解决的办法等方面对大跨度钢桁架拱桥施工方法进行深入系统研究,以解决大跨度钢桁架拱桥施工方法问题。

3、介绍施工控制的分析方法与原则、施工控制分析的平面和空间分析模型,接着阐述实体工程施工控制方法和测点布置,最后采用有限元法对主要控制工况进行了理论分析,对大跨度钢桁架拱桥施工控制问题进行深入探讨。

2 大跨度钢析架拱桥基本结构行为分析方法

2.1大跨度钢桁架拱桥的基本结构

钢桁架拱桥结构型式根据系梁和拱助刚度的比例关系分为洛泽拱系、系杆拱、蓝格尔拱和其他组合体系。洛泽拱是由竖直吊杆组成的刚性系梁刚性拱,梁的刚度与拱的刚度与比例适中。系杆拱是由竖直吊杆组成的柔性系杆刚性拱,梁的刚度远小于拱的刚度,拱承担了所有的弯矩,拱的推力由系杆来全程接受,系杆承担全部活载所产生的水平力,拱承担的全部弯矩由拱的推力来平衡,因系杆属于柔性的牵制,拱容易产生垂直地抖动。蓝格尔拱是刚性系梁柔性拱,其重要组成就是竖直吊杆。吊杆与拱助为铰接,保持稳定的形状主要是采用加劲梁,拱助只承担轴向力。其他组合体系主要是指悬臂梁、拱、桁架的纽合结构,中央的主跨的结构往往是系杆拱桥,支承在有伸臂梁的边跨上。钢桁架拱桥的上部结构主要有拱助、系杆、吊杆、桥面系和联结系。

拱肋拱桥结构是以受压为主的主要偏心受压承重构件,承受的轴向压力较大,荷载变化时,还承受较小弯矩。析式拱助够能够发挥材料的特性,杆件主要承受轴向压力,材料截面较小,纵横向抗弯刚度大,比箱形拱肋的自重轻,拱桥的的跨越能力更大,析式拱助节间杆件的钢种和截面能够灵活改变。系杆承担拱桥拱的全部推力,承受的轴向拉力较大。刚性系杆为析式加劲梁的弦杆,用型钢制成,主桁拱间的连接受力明确、构造简单,能增加结构的竖向刚度,减少拱脚水平变位。柔性系杆施工安装方便,但增加了主析上的错固构造设计难度,一般由平行钢丝束制成。吊杆是轴心受拉构件,桥面上的恒载和活载都由它传递至拱助。钢桁架拱桥的吊杆主要是根据其受力特性分为刚性和

柔性吊杆两种。刚性吊杆一般情况下承受拉力,但根据现场负载压力下也可能出现压力,因此多考虑用型钢或钢管制作;柔性吊杆只能承受拉力,采用高强平行钢绞线或钢丝束制成。使用刚性吊杆对增强拱助的横向刚度有利,但施工程序多,工艺较复杂。使用柔性吊杆可以部分消除拱助和桥面系之间的相互影响,施工方便、外形较好。桥面系是指横梁、纵梁及纵梁之间的联结系,纵梁之间的联结系将两片纵梁连成整体。纵梁首先承担桥面传下来的荷载,再将该荷载传给横梁,最后经横梁传给主桁架节点。联结系的作用是将主桁架连接起来,使桥跨结构成为稳定的空间结构,有横向联结系和纵向联结系。横向联结系在桥跨结构横向平面内,端横联位于桥梁端部,对于承式桁架桥又叫桥门架,架设在主桁架端斜杆平面内,中横联在桥跨结构中部,在主桁架竖杆平面内,主桁架没有竖打时,则设在主桁架中间斜杆平面,间距一般不大于两个节间,其作用是增强钢桁梁的抗扭刚度,桥跨结构受到不对称横向或竖向荷载时,它可以适当调节两片纵联或两片主析的受力不均。设在主桁架的上、下弦杆的平面内的为纵向联结系,上弦杆的平面内叫上平纵联,下弦杆的平面内叫下平纵联,它们的主要作用是承受作用于桥跨结构上的桥面、桥面系、主桁架和车上横向摇摆力、车上的横向风力及曲线梁上的离心力等横向水平荷载。平纵联对横向的自振频率和桥梁的横向刚度有较大影响,它的另一个作用是,横向支撑弦杆,减少弦杆平面以外的自由长度

不难发现,大跨度钢桁架拱桥结构体系特点为:（1）每个节间杆件都能够根据受力大小而灵活改变截面和钢种,经济性能良好。具有较好的竖向刚度,能满足受力和高速行车的需要。杆件多为承受轴向力构件,能充分发挥材料的力学性能。桥型雄伟壮观,外形轮廓柔和,与周边景观易于协调搭配,能够体现现代工业化的风貌。桁架拱桥的

单根杆件相对较轻,不需要大型的起吊设备,施工迅速,便于施工高空作业。（2）要考虑材料的长期防腐性能,节点构造复杂,设计时需重点考虑其抗疲劳性能。大的弦杆和腹杆自由长度较大,杆件设计时要充分考虑稳定性要求。水平推力较大增加了下部结构的工程量,对地基要求较高,大跨度钢桁架拱桥在施工中的整体稳定性能较弱。 2.2大跨度钢桁架拱桥计算理论

最初拱桥的计算分析采用弹性理论,由于考虑挠度影响计算内力大于不考虑挠度影响的内力,拱桥采用弹性理论计算存在安全隐患,从而挠度理论逐渐取代了的弹性理论。挠度理论的基本假定为:

（1）恒、活载可叠加假定。可将恒、活载分别分析叠加求得总内力。但在计算中,若有必要,应将恒、活载作用一并考虑。

（2）弹性中心不动假定。弹性中心在变形前后的位置不变,即将拱轴变形引起的弹性中心位置的改变量忽略不计。

（3）平截面假定。拱圈截面变形按平面变形考虑,截面切线方向与法线方向的夹免在变形前后保持不变,符合虎克定理。近年来,随着桥梁建设的迅速发展,许多大跨度和新型拱桥不断出现,由于结构形状和所受的荷载很复杂,桥梁计算按解析法求解变得十分困难,数值法得到了广泛应用和不断发展。有限元方法现己成为桥梁结构计算分析的主要方法,MIDAS/Civil、ANSYS、SAP2000等大型通用有限元程序已被广泛应用于大跨度拱桥的空间静、动力分析。 2.2.1大跨度钢桁架拱桥计算的有限元分析方法

有限元方法是建立在待定场函数离散化基础上的一种数值方法。其基本思想是将连续的求解区域离散为按一定方式相互联结的有限个单元的组合体,利用在每一个单元内假设的近似函数来分片表示全

求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数常用未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。有限元分析中,未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量,从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题,通过求解出这些未知量,利用插值函数便可以计算出各个单元内场函数的近似值,从而得到整个求解域上的近似解,当单元是满足收敛耍求时,近似解将最终收敛于精确解。由于有限元法具有的强大的灵活性和通用性,已经成为工程结构数值分析中有力工具,其分析步骤为:（1）结构的离散化。将分析的结构离散成有限元单元体,在单元体的指定点设置节点,使相邻单元的有关参数具有一定的连续性,构成一个单元的集合体,以它代替原来的结构。（2）选择位移模式。假定位移是坐标的某种简单函数,即位移模式或插值函数,根据选定的位移模式,得到用节点位移表示的单元内任意一点位移：

式中:{δe}为单元的节点位移列阵,{δ}为单元内任一点的位移列阵,[N]为形函数矩阵。（3）分析单元的力学特性。利用几何方程,由位移表达式(2.38)得到用节点位移表示单元应变:

式中:[B]为单元应变矩阵,{ε}为单元内任一点的应变列阵。利用本构方程,由应变的表达式(2.39)得到用节点表示单元应力:

式中:[D]为与单元材料有关的弹性矩阵,{δ}为单元内任一点的应力列阵。（4）集合所有单元的平衡方程,建立整个结构的平衡方程。（5）求解未知节点位移,计算应力并整理结果。先求解平衡方程得到未知位移,再利用公式(2.40)和已求出的节点位移计算各单元的应力,

最后进行整理,得到所需结果。 2.2.2施工过程控制方法

大跨度桥梁施工是一个分阶段逐步完成的过程,施工过程复杂,需要进行结构体系转换,必须采用合理计算的理论和方法,才能计算出施工过程各阶段的受力和变形结果,才能控制好施工中各个阶段的结构行为,确保成桥受力和线形满足规定要求。目前大跨度桥梁施工计算方法主要有无应力状态分析法、正装分析法和倒拆分析法。

（1）无应力状态分析法。该方法基础是桥梁结构各构件的无应力曲率和长度不变,无应力状态是一个数学目标,将桥梁施工各阶段的中间状态和成桥状态联系起来,是一种分析大跨度拱桥和悬索挢的施工中桥梁结构各种受力状的有效方法。

（2）正装分析法。该方法反映桥梁结构的实际施工过程,是按照桥梁实际施工安装顺序分析结构受力和变形,根据实际情况和施工方案设计逐步逐阶段地进行计算,得到各施工阶段的内力和变形值,最终能得到成桥结构的受力状态,能得到各个施工阶段桥梁结构的受力和位移情况,从而能为桥梁施工控制提供依据。由于施工各阶段荷载形式、结构形式、边界约束在不断地改变,结构前期会发生徐变、收缩,造成其儿何位置也在改变,因此,前一阶段结构状态是后续施工阶段结构分析的基础,如果要想了解各个施工阶段桥梁结构的受力和位移情况,应采用正装计算。

（3）倒拆计算法。该方法根据桥梁施工逆向过程的顺序进行倒拆计算各施工阶段桥梁结构的位移、内力和索力值,计算起点为成桥目标状态,利用各阶段倒拆计算的结构位移和内力的增量累加建立起施工中间过程与成桥之间的联系,倒拆计算中拆除支座是零反力,拆除单元是零应力,不考虑混凝土结构收缩、徐变影响,按倒拆计算确定

的顺序进行正装,桥梁成桥状态一定符合设计规定的目标状态。由于桥梁结构混凝土徐变、收缩和非线性,在桥梁结构施工分析计算中,一般应釆用无应力状态法或倒拆计算法与正装计算法交替使用,保证计算闭合。

3 大跨度钢桁架拱桥施工方法

3.1工程概况

某大跨度钢桁架拱桥见图3-1,主桥上部设计采用跨径组合为:190m+552m+190m的三跨连续中承式钢桁系杆拱桥,双层桥面布置,上层为双向六车道和两侧人行道,桥面总宽36m,下层中间为上线城市轨道交通,两侧各预留一个汽车车行道。两片拱助间距为29m,拱顶至中间支点高度为140m,拱肋下弦线形采用二次抛物线,矢高128m;拱助上弦部分线形也采用二次抛物线,与边跨上弦之间采用R=800m的反向圆曲线进行过渡。钢桁拱助跨中析高为12m,中间支点处桁高74m (其中拱助加劲弦高40.65m),边支点处桁高为11.83m。全桥采用变节间布置,共有12m、14m、16m等三种节间形式,其中边跨节间布置为8* 12m + 14m + 5*16m,中跨节间布置为5*6m+2*14m+28*12m+2*14m + 5*16m。全桥布置有上下两层系杆,间距11.83m,上层采用“H”断面钢结构系杆,下层采用“H”断面钢结构系杆+体外预应力索,钢结构系杆端部与拱助下弦节点相连接,下层体外预应力索错固于节点端部。吊杆横向间距与枏宽相同为29m,纵向间距与主桁节间布置相同,吊杆采用两根Φ7—109丝的高强平行钢丝束。上层桥面采用正交异性钢桥面板,板厚14mm,采用“U”形闭口助,纵向每3m设置一道横隔板,横向布置6道纵梁,在主桁节点处设置一道横梁,全部桥面荷载均通过横梁传给主桁。下层桥面两侧采用正交异性钢桥面板,板厚14mm,采用“U”形闭口肋,纵向每3m设置一道横隔板,横向布置3道纵梁,在主桁节点处设置一道横梁,全部桥面荷载均通过横梁传给主桁。下层桥面中部采用纵、横梁体系,其横梁与两侧钢桥面板相同,共设置4片轻轨纵梁,间距为2m,每两片纵梁通过平联和横梁连为一体。拱助

上弦在中跨设置平面纵向联结系,拱助下弦及加劲弦均设置平面纵向联结系,下层桥面下部设置平面纵向联结系,中间支点和边支点在主析间均布置桥门架。主桁采用整体节点、节点外拼接技术,所有钢构件均采用工厂焊接制造,除钢桥面板和“U”形纵助采用现场焊接外,其余全部构件均采用高强度螺栓连接,其中主桁采用M30高强度螺栓,联结系、行车系采用M24高强度螺栓。纵向支承体系布置为南岸侧主墩设置固定铰支座,其余各墩均设置活动铰支座。主墩横向均设置固定支座,支座上、下座板之间留有一定间隙,可满足横向温度作用下位移的要求,交界壤设置活动支座,边支点下横梁中心设置两个横向限位支座。该桥施工水域航道狭窄,水下地形复杂,航运繁忙,施工作业与航运之间的矛盾十分突出;大桥两岸地形陆峭,沿线建筑物密集,地下管网错综复杂,没有可供利用的施工场地,拆迁工作量大,施工组织难度极大;大桥结构构造尺寸大、空中位置高,杆件尺寸与重量大,爬行吊机安装难度大;为尽量减少边跨配重,同时保证中跨钢桁拱悬臂施工稳定性,需设置斜拉扣挂系统,其实施与控制难度大;为保证主跨钢桁拱零应力(自然)合龙,在边、中支点实施顶升,难度特别大;主跨拱结构零应力合龙难度大;主跨祐拱施工工艺复杂、钢桁架梁+悬臂钢拱桁架 ——钢桁架梁+钢術架裸拱+钢析架梁——中承式钢桁架连续系杆拱桥(钢桁架梁+钢桁架系杆拱+钢桁架梁)的体系转换(为满足桥道钢桁梁合龙需要,需借助千斤顶调整支座位置)实施难度非常大;桥梁跨度大,施工缺少足够经验,施工难度大。

3.2架梁吊机施工方法

本桥施工采用架梁吊机施工方法，具体施工方法应根据工程结构形式,充分考虑现场水文地质条件、地形地貌条件、交通运输条件和施工外部环境等多种因素,确保施工的安全、工程质量和进度。主桥上部钢梁用桅杆式拱上爬行架梁吊机从两端向跨中逐跨悬臂拼装。边跨安装时搭设支架辅助支承,首先用塔吊安装1#、2#桁节,形成起始安装作业面,作为架梁吊机安装平台,安装架梁吊机,进行试吊,用架梁吊机安装边跨其余桁节至中支点处,形成简支梁后,按设计和施工监控的要求调整边跨线形,将中支点活动支座临时固定,继续用架梁吊机悬臂拼装中跨桁拱。在桁节悬臂拼装工程中应及时在边跨端部设计制定的几个桁节内进行压载配重,确保桁节悬臂拼装过程中的倾覆稳定系数不小于1.3。为有效增加悬臂梁自身刚度,控制悬臂端在自重作用下的下绕幅度,在中支点顶部桁拱上安装吊索塔架,利用吊索塔架在中跨悬臂端适当位置和边跨端部桁拱之间设置两对斜拉吊索,与桁拱一起共同受力,见图3-2。边跨安装时能够安装的构件均一次安装到位,中跨只安装拱肋和吊杆,待拱助合龙后,从两端用汽车吊机逐跨安装桥面梁系和桥面板。施工平面布置见图3-3,施工工艺流程

见图3-4。架梁吊机根据使用要求,由有经验的专业厂家设计加工制作,其主要性能参数如下:最大起重力矩:20000kn. m(24m半径时吊重80t)；最大作用半径:36m；最小作用半径:10m;覆盖范围:140°；吊机结构自重:不大于350t；行走方式:通过液压系统在钢桁拱顶上爬行。

图3-2钢梁施工方法示意

图3-3施工平面布置图

图3-4施工工艺流程

3.2.1施工现场准备

工程所需石料可在桥区周围地区解决,在江北及南岸均有大型石料场,运距在10~20km,石料主要为砂岩和灰岩,石质坚硬,强度高,抗风化、抗软化能力强,是较好的硬质岩。大桥所需的中粗砂可采自简阳,简阳砂为优质石英中粗砂。工程用普通钢材和水泥可就地购买,主桥结构用特殊钢材和木材需从外地购买。采用商品混凝土。工程用水可直接利用长江水或城市供水。桥梁所在地区交通网十分发达,公路、铁路、水运条件十分优越,在桥位不远处的码头可为施工前期材料的采购和运输提供一定的便利条件,但本工程工程量大、施工周期长,主桥上部构件不仅数量多、构件二次转运频繁,而且单件构件重量大(最重达80t),长度长(最长达45m),不具备采用铁路或公路运输的条件。故设置施工专用码头。北岸码头设在观音梁外侧,南岸码头设在南滨路挡墙外侧约50m处,码头顶标高按50年一遇洪水位控制设计,北岸码头顶标高为+190.00m,受南滨路顶标高(+193.00m)的限制,南岸码头顶标高+200.00m,码头长36m,宽12m,码头采用钢筋轮扩大基础,,1000mm钢管立柱,用,600mm钢管作水平联系,用2I56b工字钢作

图3-5临时码头结构示意图

横梁,单层双排加强型贝雷桁梁作纵梁,I36工字钢按1.5m间距布置

作横向分配梁,I16工字钢按40cm间距布置作纵向分配梁,12mm厚钢板作桥面板,用1600t.m桅杆吊作为起重设备,码头的结构形式见图3-5。

构件预拼堆场设在北岸河滩上,长200m,宽40m,为满足行洪要求,采用桩基础透空式结构,基础采用,1500mm的嵌岩挖孔桩,,lOOOmm钢管立柱,用,600mm钢管作水平联系,桩顶横梁采用1000*600mm焊接箱梁,单层双排加强型贝雷桁梁作纵梁,龙门吊轨道梁采用1500*600mm焊接箱梁I36工字钢按1.5m间距布置作横向分配梁,I16工字钢按40cm间距布置作纵向分配梁,12mm厚钢板作桥面板。平台上安装2台60t龙门吊作为起重设备,龙门吊轨距32m,见图3-6。

图3-6临时码头结构示意图

3.2.2构件加工制作及运输

钢桁构件根据设计和规范要求,由专业厂家制作,出厂前应按要求进行试拼,以检验结构加工制作精度和线形。构件试拼检验合格后拆除,分类打包,装船运输到现场北岸施工码头,用16000kn.m桅杆吊机卸船,通过安装在施工栈桥上的轨道运输小车运输到构件预拼堆场分类堆放。根据安装进度要求,在预拼台座上将节点板与本析节先行安装的杆件预拼成整体,以减小构件安装高空作业难度,提高构件安装效率。构件在试拼、运输和预拼过程中均应采取措施防止变形和损伤节点板与杆件之间的摩擦面。 3.2.3钢桁构件安装

（1)边跨安装支架。边跨钢桁构件安装时需搭设支架辅助支撑,支架采用,1500mm嵌岩桩基础,单桩承载能力按500t控制设计,2.0m厚钢筋混凝土承台。用,1000mm*20mm的钢管作支撑立柱,每边跨均布置5排支架,每排支架均按最大悬臂时的荷载控制设计,按6m—节在工厂加工制作,采用法兰接头连接,各钢管之间每隔6m,用,600mm钢管设置一道水平联系,各墩之间每个18m,用万能杆件设置一道水平连续,以提高支架的整体稳定性。北边跨支架结构形式见图3-7。北边跨支架高度约78m,南边跨支架高度约为51m。排间距分别为12m、12m、24m、48m、46m、48m,每排左右两支墩中间距离为29m。1#~5#临时墩单壤钢管数量分别4根、4根、6根、9根、9根。北边跨支架应在枯水期开始安装,1#、2#临时墩用过渡缴施工塔吊作为起重设备安装,3#~5#各用一部250t.m塔吊安装。南边跨支架可根据进度要求,选择合适的时间进行安装。施工时应采取有效措施保证边跨支撑钢管加工制作和安装精度,单根钢管倾斜度不得大于1/500。

图3-7北边跨支架结构示意图

（2)斜拉扣挂系统。中跨桁拱悬臂安装过程中,为有效增大悬臂梁自身刚度,减小悬臂端下绕幅度,合理控制杆件内力,分别在悬臂端168m、228m处与边跨端部钢桁之间设置两对斜拉扣索,与悬臂梁形成整体,共同受力,见图3-8。斜拉扣挂系统由扣塔、斜拉索和钢锚箱三部分构成。扣塔高80m,用Q370C型钢板焊接成H型钢作为承重主塔,左右两塔中间距为29m,扣塔截面尺寸,根据受力要求计算确定,左右两塔之间用万能杆件设置4道水平联系。斜拉索采用, 5高强平行钢丝束,根据设计要求在工厂加工制作,设置钢锚箱采用冷铸镦头锚具分组锚固。扣塔设在中支点顶部钢桁节点处,与桁拱铰接,用250t.m

塔吊安装,安装时用斜撑支腿进行临时固接,待第一对斜拉索安装就位后将斜撑支腿解除。斜拉索安装就位后,用张拉千斤顶施加一个初始张拉力,初始张拉力根据桁拱最大悬臂时斜拉索的控制拉力反算。

（3)压载配重系统。钢桁节段悬臂拼装过程中,为保证桁梁倾覆稳定系数不小于1.3,确保施工安全,设计建议采用在边跨靠近过渡墩的几个桁节内进行压载配重,初步估算每边跨压重数量在3500~4000t左右,考虑采用钢材作为配重材料。承重梁为上下层桥面横梁,间距12m,分配梁采用焊接箱梁,箱梁的截面尺寸根据设计明确的压载方式和荷载分布范围计算确定,分配梁的重量约900t,作为配重的一部分。为防止配重荷载作用部位的桥面板发生变形,此部分桥面板先不安装,其余能够安装上去的构件均一次安装到位。

（4)构件试拼和预拼。钢桁构件加工制作检验结束后,应根据设计要求在工厂内进行试拼,以检验构件加工精度和线形,由于全桥钢桁数量多,单个桁节体积庞大,若采取桁节匹配法整体试拼,则对试拼设备和场地的要求非常高,难以实现。可釆取卧式间隔节间法试拼两侧主桁,用型钢搭设4个试拼台座,每个台座同时试拼两个节间,试拼台座周围布置固定的测量平台,测量节点固定座标值和几何尺寸,然后换算成与起始节点的相对坐标,与设计理论坐标对照,检验构件的加工制作精度和桁拱线形,为提高试拼效率,在满足设计要求的前提下,可间隔一个节间试拼。构件试拼检验合格后拆除,编号分类打包,装船运输到施工现场。为提高安装效率,在构件预拼堆场将每个节点处的节点板预先安装在第一根杆件上,故应根据安装效率布置足够数量的预拼台座,预拼台座用型钢焊接,初步估算两台架梁吊机每天可安装8~10根构件,需设置16个预拼台座。构件试拼和预拼时,为避免损伤节点板和杆件之间的摩擦面,同时便于拆卸和安装其他杆件,节

点板和杆件之间不宜夹紧,试拼和预拼时采用打冲钉销接,冲钉直径应略大于高强螺栓外径,数量为该节点板螺栓总数的1/3左右,间隔布置,安装结束后用高强螺栓置换。

图3-8斜拉扣挂系统示意图

（5）边跨钢桁构件安装。北边跨安装支架位于北侧河滩上,为确保施工安全,选择枯水期安装,安装过程中应合理安排施工进度,确保边跨安装期间支架基础不被洪水冲刷。南边跨安装不受洪水的影响,可根据总体施工进度来选择安装时间。边跨安装时应根据中跨桁拱合龙方式和支墩的弹性变形,根据设计院提供的参考数据,计算出边支点、临时支徵和中支点的初始座标,设置合适的预拱度,同时安装好桁拱合龙调节装置。边跨1#、2#桁节用塔吊直接安装,作为架梁吊机的安装平台。架梁吊机安装调试完毕后,应进行试吊,对各项设计参数进行检验,验收合格后方可投入使用,以后其他节间均用架梁吊机悬臂安装。安装时,应严格进行压载配重,确保施工安全。边跨未形成简支梁前,应将边支点设置成固定支座。北边跨构件预拼好后,用小车运输上栈桥,在栈桥上直接起吊。南边跨构件需同驳船转运至南岸码头,

然后通过栈桥运输至安装地点起吊,故转运驳船上也应设置相应的台座。边跨钢梁安装到中支点形成简支梁后,应对横梁的平面位置和轴线偏差进行校验,及时进行调整,避免误差积累,增大合龙难度。检验符合要求后,将中支点临时固定,同时解除边支点临时约束,将边支点设为活动支座。

（6）中跨桁拱安装。中跨桁拱用架梁吊机悬臂拼装,有栈桥的部位,构件直接在栈桥上起吊,水上部分需要用驳船运输到安装桁节下方河道上定点起吊,为提高安装效率,需在水上设置定位船。初步考虑用400t方驳做定位船,锚缆采用,50铺链,以尽量减小定位船占用水域,缓解施工作业与航运之间的矛盾。由于施工水域北侧水下地形比较复杂,枯水期有多处石梁出露,水深条件不能满足施工要求,故中跨桁拱(主要是北侧)应选择在洪水期,水位较高时安装,并随时观测定位船处水深,防止出现意外事故。中跨安装一定的节段形成较小的悬臂时,应选择恰当的时机对两侧桁拱的轴线和高程进行联测,及时调整轴线误差和中支点高程。中跨桁拱安装的同时,开始安装扣塔,待桁拱安装到168m和228m时,分别安装两对斜拉扣索,并根据两侧桁拱的实测高程对通过理论计算得出的斜拉索初始张拉力进行调整,对中跨合龙误差进行预控,减小合龙难度。

（7）施工控制和监测。由于采用大悬臂拼装,施工安全、合龙精度和成桥线形受多种复杂因素的影响,故施工时除应做好施工控制外,还应引进专业单位,制定详细的监测方案,对全桥施工进行监控。施工控制的内容主要包括:钢结构材质检验、加工制作精度、桁节试拼精度、安装误差、桁拱轴线偏差、高程控制、阳光偏照和温度变化对结构变形的影响等。施工监控的主要内容有:根据合龙方式给定支点预拱度、支座应力应变监测、最大受力杆件的应力应变监测、典型断面

的应力应变监测、温度变化对杆件内力产生的影响、斜拉索初始张拉应力及应力应变监测、桁拱合龙监测等。

（8）桁拱中跨合龙。中跨桁拱合龙是本工程施工完成体系转换的关键,选择什么样的合龙方式和合适的合龙时机,对成拱线形、结构受力、施工安全均会产生较大的影响。由于本工程桁拱为空间析架结构,自身刚度较大,在桁拱悬臂拼装过程中,桁拱线形已基本形成,合龙线形控制主要内容是调整轴线位置、高程和合龙节段长度。合龙调节方式采用边支点调节法,下降边支点,通过中支点转动,调节合龙段口标高。边支点调节法需要将过渡墩墩身预留一定的高度,待中跨合龙后二次饶注,边跨安装时用钢支架支承,同时安装好顶杆,下降前将钢支架拆除。桁拱的轴线偏差根据其偏差大小来确定调节方式,如偏差较大,则应在高程调节之前,在边支点处安装侧向顶升千斤顶,通过中支点的转动来调节。因此,在析梁设计时应根据所需反力在边支点处预贸千斤顶定位。若偏差不大,则可以考虑在桁拱上设置侧向风缆,通过桁拱的侧向变形来调节,此方法需要在河道上设置风缆后锚,将会对航道运输产生一定的干扰。中跨合龙时机应选择在日平均气温为该地区常年平均气温,且昼夜温差较小的季节进行。合龙段安装应尽量选择在阴雨天或夜间进行,减小阳光偏晒对合龙的影响。合龙段安装完毕后,应在最短的时间内,将中支点活动支座的临时固接解除,实现连续梁体系转换。然后,拆除边跨配重压载,将边跨横梁顶升至设计标高,二次烧注过渡墩壤身混凝土,钢梁永久支座。

（9）吊杆、桥面梁系及附属设施安装。吊杆安装有二种方法,一是在桁拱安装的同时用架梁吊机安装,但此方法会影响桁拱安装时安全防护设施的设置,且吊杆必需采取措施串联。二是在架梁吊机后退时安装,也必需采取措施串联。二是采取其他措施与桥面梁系一起

安装。桥面梁系包括横梁、系梁和正交异性桥面板,待主桥合龙和两侧引桥施工结束后,在上层桥面板上用汽车吊机逐跨安装,同时张拉吊杆,调节桥面标高。所有构件均通过设置在过渡墩处的塔吊转运到上层桥面,用小车运输。待桥面合龙后,张拉下层系杆体外预应力束。附属设施在桥面安装结束后,进行安装。 3.3中跨合龙施工

中跨合龙按照先下弦,后上弦,再斜杆,最后合龙平联的顺序进行,见图3-9。下弦杆采用温度合龙,下弦杆合龙后为快速合龙上弦杆,上弦杆合龙时采取一定的强制措施,斜杆和平联采用温度合龙。合龙前对南北岸钢梁主要杆件应力,扣塔应力、索力、支点、悬臂端位移进行连续24小时观测。对钢梁合龙前状态和温度变化对合龙口误差的影响等参数作全面的掌握,并与理论分析值进行对比分析,进一步完善合龙口误差调整措施和精度控制指标。合龙口误差以早晚气温恒定,钢桁拱无阳光偏晒影响时的实测值为依据,结合连续24小时观测当天的温度变化,确定合龙时的体系温度为10℃,温差±5℃。通过理论分析确定体系温度为10℃,温度变化±5℃时,考虑孔径的影响,合龙口纵向误差允许范围为±30mm。上下弦杆的转角和高差通过升降边支点分阶段调整,先调整下弦杆,再调整上弦杆,确保椭圆孔错位不大于±15mm (可打入锥形冲钉),并利用架梁吊机起重臂微调。从主桁安装过程中各阶段悬臂端轴线误差均在±15mm以内。目前南北有三个悬臂节间,施工时每安装一个节间进行一次南北联测,可将合龙口轴线误差控制在±15mm以内,合龙时在合龙口用5t手拉萌声对拉调整。若合龙口纵向实际误差大于±30mm,则利用南主墩和南边墩布值的临时支座和纵向顶移装置,将南岸钢梁整体纵移,顶移量根据实测温度

修正成体系温度(+10℃)值,将下弦杆误差调整成±20mm以内。上弦杆纵向误差利用合龙口顶拉千斤顶调整。具体步骤为:(1)北主桁安装至A35节点,南主桁安装至A36节点时,利用凌晨气温恒定,无阳光偏晒得影响时机实测合龙节间参数,安装南北边支点竖向顶升千斤顶,南边中支点纵向顶移千斤顶。(2)根据实测误差结合理论分析,升降边支点,初步调整合龙口高差,根据现阶段实测数据分析,由于南边跨安装时,已向跨中进行了预偏,体系温度为+10℃时,合龙段纵向误差在-40~+20mm以内,可满足吊装主桁杆件需要。(3)吊装下弦杆,用50%的冲钉与北E35节点连接,吊装斜杆,用50%的冲钉与北A35节点连接,吊装上弦杆北南合龙段分别与北A35、南A36节点用50%冲钉连接。(4)连接24小时观测合龙口误差,解算下弦杆+10℃时的实际误差值,若误差不符合要求,则启用误差调整措施,调整顺序为轴线一高差一纵向,对位下弦椭圆孔,安装定位销,利用温度变化合龙下弦。(5)实测上弦合龙口误差,升降边支点调整上弦转角,安装上弦合龙口顶拉千斤顶,强制合龙上弦临时铰,用锥形冲钉强制合龙上弦。(6)利用锥形冲钉结合温度变化合龙斜杆。(7)上下弦杆、斜杆合龙后立即在E35、E36、A35、A36及上弦合龙口打足70%的冲钉,安装30%的高拴并一般拧紧,同时解除南主墩支座纵向限位。(8)将合龙段冲钉置换成高拴并且100%终拧。(9)安装上下弦平联杆件。(10)拆除边跨临时节间及其压重。(11)连续48小时观测主桁内力变化及位移。

图3-9跨中杆件合龙顺序立面图

3.4航道影响的解决办法

由于桥位处航道较窄,枯水期航道宽度约在200m左右,施工作业与航运之间的干扰,矛盾十分突出,必需采取措施妥善解决。施工作业对航道的影响主要有两个方面,一是施工作业运输船舶对航道的干扰。二是桁拱跨越主航道上空时,构件安装起吊需在航道上设置定位船,而占用航道。施工运输船舶对航道的影响可通过在施工水域设置航行和施工警示标志,在海事部门在桥位处设置的航行监督站协助解决。航道占用问题矛盾比较突出,若安装作业造成长时间断航是行不通的,施工时最少必需保证单侧航道通行,根据施工进度安排,钢桁构

件跨越主航道上空的时间正好处在航道较窄的枯水期,采取解决措施为:(1)用船体较窄的驳船作为定位船,用铸钢锚链做锚缆,最大限度的减小定位船所占施工水域。(2)合理安排施工进度,提高安装作业效率,尽量减小航道占用时间。(3)采用一条水上定位船,主航道跨越部分桁拱异步安装,始终保持单侧航道通行。(4)加强与航道管理和海事部门的沟通,及时发布航道变更和航行通告,加强对过往船舶的管理。

4 大跨度钢桁架拱桥施工控制

4.1施工控制分析模型 4.1.1分析方法与原则

在结构分析中采用倒退分析与前进分析两种方法。根据施工方案,按照施工的顺序进行前进分析法。分析的内容主要包括以下工况:杆件内力、支点位移和反力、悬臂位移、斜拉索初张拉力及控制力、临时系杆初张拉力及控制力等。前进分析法的计算是按照有限位移理论进行,在一个施工阶段中,新拼装的杆件用激活两个节点间的新单元进行模拟。计算是对施工阶段循环进行,循环结前进分析不仅可以为成桥结构的受力提供较为精确的结果,还为结构的强度、刚度验算提供依据,而且可以为施工阶段理想状态的确定,完成桥梁结构施工控制奠定基础。 4.1.2平面分析模型

采用一个拱助平面建模,使用桥梁博士软件辅助计算,将主桁结构划分为603个单元,用等效节点力的方式考虑横向联系的影响及各种施工荷载的影响,其主析结构见图4-1。该平面模型划分为113个施工阶段,其中,对架设中跨主桁27#节间至32#节间的模拟采取对称模拟的方式建模,与空间模型先架设南岸再架设北岸的非对称施工模拟有所区别。安装临时系杆时由于模拟两次张拉施工,所以分取两个单元来模拟临时系杆。

4.1.3空间分析模型

考虑到该大桥属于空间杆系结构体系,在控制分析期间,还采用了空间结构有限元分析软件MIDAS/CIVIL6.7.1进行计算。空间杆系模型以设计施工图提供的材料和尺寸为依据,用空间梁单元、杆单元以及索单元进行模拟建模,全桥模型见图4-2、图4-3、图4-4。模型共有节点933个,单元2396个,其中主桁杆件、主桁纵向联结系、主桁横向联结系和刚性系杆采用梁单元模拟,见图4-5、图4-6、图4-7,吊杆单元、体外预应力束采用只受拉杆单元模拟,施工过程中的辅助措施临时系杆和扣塔斜拉索采用只受拉索单元模拟,见图4-8。

所有的主桁杆件均需考虑压、弯、扭、剪共同作用。横梁采用梁单元模拟,但将横梁两端处理为铰接。对于上下层桥面板,将其刚度与质量等效分配到横梁上。节点板和螺栓以节点荷载的形式进行考虑。其中,节点板要扣除节点板缺角部分。分析施工过程需考虑的临时荷载,包括:边跨临时压重、扣塔自重、扣塔斜拉索索力、临时系杆力、架梁吊机、桥面吊机等。边跨安装期间将边支座设为固定支座,中跨悬臂安装期间将中支座设固定支座,保持边支座纵向活动。

4.2施工控制情况

4.2.1控制方法和测点布置

对主结构和关键临时工程的应力和位移均建立三维模型进行理论分析和现场实际监测监控。,测试时间为每天凌晨。扣索每束索均布置一根基准索,每根基准索安装一个压力传感器。整束索的索力采用动测法测试,二者相互校核。测试时机凌晨无风无雨且架梁吊机起重臂位于桥轴线上。位移采用全站仪二维坐标法测量,,测试时间为一个节间安装完成后的凌晨。每一个节间安装完成后的实测数据均进入理论分析数据库,作为下一个阶段分析计算的依据。

4.2.2主要控制工况理论分析及实测数据

主桥上部结构施工过程中对几个主要控制工况各阶段均进行理论分析和现场数据采集,并建立数据库。X坐标+表示顺桥向,y坐标+向上游,Z坐标+表示向上;扣塔垂直度+表示向中跨倾斜,-表示向边跨倾斜。

通过一系列实测及对实测数据分析得到以下结论：

（1）施工过程结构稳定性、索力、系杆力、支反力等结构应力符合设计与安全耍求,各杆件应力均在容许值以下,成桥主跨跨径552. 039m,边跨跨径190. 01m,总长932.059m,矢高127. 934m,表明按照上述施工方法控制,并在施工过程中根据施工实际情况以及环境条件,实时进行修正分析与调控,能够实现大跨度钢桁架拱桥施工控制。

（2）施工过程中,合龙口位置调整是通过调整临时系杆的张拉力,整个桥梁结构形成系杆拱受力体,实现永久系杆跨中无应力合龙,结构的受力状态及线形调整是通过调节临时系杆的索力,保证了成桥线形和结构施工安全。临时系杆在施工中起到了很大的作用,缓解了因拆除扣索后结构自重全部转化到主拱上而在拱脚产生很大的水平推力,利用施工过程临时系计算到的各阶段的杆拉力,能够正确指导施工,为实现顺利合龙钢桁拱提供了技术和理论保证。

（3）施工过程中,施工辅助设施、主桁横向联结系、吊杆、系杆、主桁杆件的应力和变形均在规定容许范围内,保证了施工安全,表明该桥采用的架梁吊机施工方法是成功的。

5结论与展望

5.1主要研究结论

近年来,随着我国钢材质量和产量的提高,加上钢桁架拱桥由于刚度大、造型美观、跨越能力强,大于500m跨度时,比钢斜拉桥具有更好的稳定性、刚度、抗震性,与周围环境协调,具有良好的景观效应,大跨度钢桁架拱桥的修建又越来越多,尤其是在地质条件良好,风速和地震烈度大的地区及城市,大跨度钢桁架拱桥是修建桥梁的理想的方案。钢桁架拱桥自出现以来,设计水平与施工技术都在+断进步,但

目前大跨度钢桁架拱桥施工技术尚不完善。因此本文在综述和分析国内外有关资料与研究成果的基础上,依托大跨度钢桁架实体工程,着重对大跨度钢桁架施工技术算进行了研究和分析,主要得到了如下结论:

（1）详细阐述大跨度钢桁架拱桥的结构组成和大跨度钢桁架拱桥挠度理论和施工计算理论,指出了大跨度钢桁架拱桥的结构特点,归纳了桥梁结构有限元分析的步骤,介绍大跨度钢桁架拱桥施工控制的分析方法、施工控制分析平面和空间分析模型、通过对该桥施工主要控制工况的理论和实测结果进行分析对比发现,施工过程结构稳定性、索力、系杆力、支反力等结构应力符合设计与安全要求,各杆件应力均在容许值以下。

（2）施工过程中,合龙口位置调整是通过调整临时系杆的张拉力,整个桥梁结构形成系杆拱受力体,实现永久系杆跨中无应力合龙,结构的受力状态及线形调整是通过调节临时系杆的索力,保证了成桥线形和结构施工安全。临时系杆在施工中起到了很大的作用,缓解了因拆除扣索后结构自重全部转化到主拱上而在拱脚产生很大的水平推力,利用施工过程临时系杆计算到的各阶段的杆拉力,能够正确指导施工,为实现顺利合龙钢桁拱提供了技术和理论保证。

（4）成桥主跨跨径552.809m,边跨跨径189.81m,总长932.428m,矢高126.934m,在施工过程中将根据施工实际情况以及环境条件,实时进行修正分析与调控,能够实现大跨度钢桁架拱桥施工控制,证明架梁吊机施工方法的可行性,为大跨度钢桁架拱桥施工控制积累了借

鉴经验。 5.2展望与建议

虽然本研究对大跨度连续钢桁架拱桥的施工技术进行了较为全面的探讨,取得了一些较有意义的成果,但是由于时间仓促和能力的限制,难免有不足之处,尚有有很多方面有待于进一步完善。本研究主要致力于施工主要阶段施工控制分析,施工控制+全面,未考虑施工中风荷载等动载作用,未作成桥运营阶段各荷载及非线性因素影响下该大桥的静力、动力分析,未进行成桥静载和动载试验,未进行系统的桥梁施工监控,这些还需要今后的工作中进一步研究。

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