大跨度鋼管混凝土系桿拱橋施工方案研究

1、第45卷第2期2005年3月大連理工大學(xué)學(xué)報JournalofDalianUniversityofTechnology文章編號:100028608(2005)0220230204大跨度鋼管混凝土系桿拱橋施工方案研究邱文亮3,張哲,范金軍(大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院,遼寧大連116024)摘要:大跨度鋼管混凝土系桿拱橋在施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力較高、,選擇合理的施工方案對于保證結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要.通過對丹東月亮島大橋分析,墊塊臨時固結(jié)承臺與拱座、先同時泵送22橋面板混凝土分段施工等關(guān)鍵過程施工方案,全.關(guān)鍵詞:;穩(wěn)定性:146:A0工程背景丹東月亮島大橋1位于鴨綠江上,該橋建成后成為連接丹東市和月亮島的惟

2、一通道,對鴨綠江中心的月亮島開發(fā)具有重要作用.月亮島大橋?yàn)橄鲁惺戒摴芑炷料禇U拱橋,跨徑202m,橋?qū)?m,拱肋矢高37m,矢跨比為1 5.5,拱軸線為二次拋物線,系桿為受壓的預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板,基礎(chǔ)采用預(yù)制樁基礎(chǔ),拱肋采用平面桁架拱肋.該橋跨度大,寬跨比僅為1 22.4,且采用平面桁架拱肋,其橫向抗彎剛度較小,施工階段的穩(wěn)定性問題非常突出2,因此采取合理的施工方案保證施工中的穩(wěn)定性成為該橋施工控制的一個重點(diǎn).該橋主要施工程序?yàn)?(1)基礎(chǔ)施工,(2)拱座施工,(3)拱肋架設(shè),(4)泵送鋼管內(nèi)混凝土,(5)吊裝橫梁,(6)澆筑橋面混凝土,(7)澆筑橋面鋪裝,其中(3)(7)施工中均需逐步張拉系

3、桿,以平衡拱腳的水平推力,其中系桿為鋼絞線預(yù)應(yīng)力筋.本文著重對其中主要施工過程進(jìn)行探討與論證,以確定合理的施工方案,保證施工過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和受力安全.單元外,拱肋、橋面板、橫梁、硫磺墊塊、拱座端橫梁、樁基礎(chǔ)離散為空間梁單元,拱座用剛臂模擬,地基土對樁的作用采用彈性邊界元模擬,支座考慮剪切變形.這種離散能真實(shí)地反映實(shí)際結(jié)構(gòu),特別在分析拱肋穩(wěn)定性時可以充分考慮吊桿和橋面對拱肋變形的約束作用,即“非保向力效應(yīng)”對結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性影響.單元的截面特性和自重取值準(zhǔn)確與否對于結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的精度有很大的影響.在施工控制中要根據(jù)實(shí)際情況對截面特性和自重進(jìn)行修正,如混凝土的容重等,并且考慮施工荷載的影響,如橋

4、面支架和模板等.圖1結(jié)構(gòu)分析空間模型Fig11Spacemodelforstructuralanalysis1結(jié)構(gòu)分析有限元模型簡介整個施工過程采用空間桿系有限元模型3(如圖1所示)分析,模型中除吊桿和系桿采用索2主要施工方案的探討與論證2.1硫磺砂漿墊塊的采用在拱肋拼裝過程中,拱座要承受較大的水平收稿日期:2003212225;修回日期:2005201222.作者簡介:邱文亮3(19722),男,博士,講師;張哲(19442),男,教授,博士生導(dǎo)師.第2期邱文亮等:大跨度鋼管混凝土系桿拱橋施工方案研究231推力作用.如果拱座僅僅由支座支承,那么在鋼管拱肋架設(shè)過程中,拱座由于較大的推力可能會發(fā)

5、生傾覆和水平滑移,造成拱肋拼裝困難,難以保持拱肋合龍后的線形,故采用硫磺砂漿墊塊臨時固結(jié)承臺與拱座,以保證拱肋順利安全地架設(shè),并保持理想的拱軸線線形.在后續(xù)施工過程中,由于硫磺墊塊的約束,基礎(chǔ)與拱腳共同承擔(dān)水平力,此時,基礎(chǔ)實(shí)際上對拱腳水平方向起著彈性支承的作用,有利于拱肋施工中的安全.硫磺墊塊在橋面形成以后拆除.2.2鋼管拱肋架設(shè)方案升.三段拱肋就位后,連接接頭鋼管合龍,并與拱座固結(jié).為抵抗在塔架支承取消后拱肋產(chǎn)生強(qiáng)大的水平推力,在兩拱座橫梁之間張拉4束預(yù)應(yīng)力筋,每束為12根15.24鋼絞線,張拉力為800kN.2.3鋼管內(nèi)混凝土泵送順序的研究鋼管拱肋形成后,下一步工序是向鋼管內(nèi)泵送混凝土,

6、這個階段是施工控制中非常關(guān)鍵的過程.在對混凝土泵送過程進(jìn)行模擬分析時發(fā)現(xiàn),、結(jié)構(gòu)應(yīng)力較高;,、,采取合理的,確保施工安全.2.3.1上弦管和下弦管混凝土泵送先后順序的探討不同的混凝土泵送方案對拱肋的穩(wěn)定、受力以及拱軸線變形有很大的影響,因此對以下兩個方案進(jìn)行比較.方案一:先對稱泵送2根上弦管混凝土,混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后,再對稱泵送2根下弦管混凝土.方案二:先對稱泵送2根下弦管混凝土,混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后,再對稱泵送2根上弦管混凝土.其中方案一包括下面給出的施工過程a和b,方案二包括施工過程c和d.施工過程a:對稱泵送2根上弦管混凝土;施工過程b:上弦管混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后,對稱泵送2根下弦管混

7、凝土;施工過程c:對稱泵送2根下弦管混凝土;施工過程d:下弦管混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后,對稱泵送2根上弦管混凝土.經(jīng)分析得到兩種方案施工過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力列于表13,表中x為混凝土泵送到達(dá)的位置離拱腳的距離,表中正值為拉應(yīng)力,負(fù)值為壓應(yīng)力.圖3為相應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài).對于大跨徑鋼管骨架的架設(shè)方法,索吊裝和轉(zhuǎn)體施工方法.吊裝成拱,、大,.由于該橋兩側(cè)地形平坦開闊,并且在非汛期橋位處可修筑便道,鋼管拱肋架設(shè)方案采用了三段拼裝方案,如圖2所示.根據(jù)現(xiàn)有的施工條件,將整個拱肋分成3段在岸上制作,拱肋兩邊段長度均為56m,重1200kN,中段長85.4m,重1850kN,每兩段之間預(yù)留1.5m合龍

8、段,邊段與拱座間預(yù)留0.8m合龍段.拱肋分段拼接成型后,采用滑道拖拉至橋位.在三段拼接處設(shè)兩個塔架,兩邊段采用豎向轉(zhuǎn)體提升,中段采用垂直提圖2拱肋架設(shè)Fig12Erectionofarchrib表1穩(wěn)定安全系數(shù)Tab11Coefficientofstability方案一x m方案二施工過程b失穩(wěn)模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)面外面外面外面外施工過程a失穩(wěn)模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)面外面外面外面外22.1018.施工過程c失穩(wěn)模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)面外面外面外面外施工過程d失穩(wěn)模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)面內(nèi)面內(nèi)面內(nèi)面內(nèi)232大連理工大學(xué)學(xué)報表2拱肋鋼管應(yīng)力Tab12Stressofsteeltubeinarchrib工況上弦管上緣拱腳上弦管上緣1 4

9、跨下弦管下緣上弦管上緣跨中下弦管下緣x m(方案一)x m(方案二)第45卷MPa25.2550.5075.75101.0072.-60.-1.856-57.-72.-72.143-6.-84.-66.916-65.-88.-91.46125.2550.5075.75101.00表3拱肋混凝土應(yīng)力Tab13Stressofinrib工況上弦管上緣拱腳1 4跨跨中x m(方案一)x m(方案二)MPa25.2550.75.0.0.21-0.1.0.6999-1.3.0.161262-1.2.2.2.3742357225.2550.5075.75101.00-0.23-1.22-0.05-0.07

10、-0.80-3.32-0.41-0.41-1.59-4.36-1.17-1.10-2.3.2.2.51361791(a)面外失穩(wěn)模態(tài)(b)面內(nèi)失穩(wěn)模態(tài)圖3模型及失穩(wěn)模態(tài)Fig13Modelandbucklingmode比較表13中的結(jié)果可知,方案一最小穩(wěn)定安全系數(shù)為7.42,拱肋鋼管最大壓應(yīng)力216.3MPa,拱肋混凝土最大拉應(yīng)力為1.64MPa;方案二最小穩(wěn)定安全系數(shù)為11.69,拱肋鋼管最大壓應(yīng)力184.0MPa,拱肋混凝土最大拉應(yīng)力為1.02MPa.采用先下弦管后上弦管的泵送順序,施工過程中結(jié)構(gòu)具有更高的穩(wěn)定安全系數(shù),而且結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比較低.所以最終確定了先泵送下弦管混凝土,混凝土達(dá)到設(shè)計

11、強(qiáng)度后,再泵送上弦管混凝土的施工方案.2.3.2單根弦管混凝土泵送的探討上面探討了2根弦管同時泵送混凝土的情況,考慮到盡量減少同時投入的泵送機(jī)具和人員,希望可以單根弦管泵送,先泵送單根下弦管,待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后,再泵送另一根下弦管,即以下兩個過程.施工過程e:對稱泵送單根下弦管混凝土;施工過程f:單根弦管混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后,對稱泵送另一根下弦管混凝土.通過計算分析上述兩個施工過程,得到了拱頂橫向位移列于表4,相應(yīng)結(jié)構(gòu)變形見圖4.其中風(fēng)荷載采用基本風(fēng)壓700Pa.計算結(jié)果表明,采用單根弦管泵送方案,泵送過程中拱肋產(chǎn)生了很大的橫向偏移.特別是當(dāng)一根下弦管鋼管混凝土形成以后,兩片拱肋的剛度相差

12、很大,在泵送另一根下弦管混凝土?xí)r,拱肋在初始橫向偏移的影響下,其偏移量反而越來越大,拱軸線線形無法恢復(fù)到設(shè)計狀態(tài),使結(jié)構(gòu)永久處于非常不利的受力狀態(tài).考慮風(fēng)荷載時拱肋最大的橫向位移可達(dá)到180341mm.表4拱頂橫向位移Tab14Transversedisplacementoftopofarch工況有風(fēng)荷載作用無風(fēng)荷載作用x m(施工過程e)x m(施工過程f)mm25.2550.5075.75101.0025.2550.5075.75101.001527161171551715114236100266118299149341180第2期邱文亮等:大跨度鋼管混凝土系桿拱橋施工方案研究233附近和

13、跨中附近各40m的范圍,共120m;再澆筑兩側(cè)1 4截面附近各35m的范圍,共70m;最后澆筑橋面端部兩側(cè)的各5m范圍,整個橋面混凝土全部澆筑完畢.橋面兩端各預(yù)留5m的范圍最后澆筑,主要是由橋面的受力特點(diǎn)決定的,因?yàn)槿绻绕跐仓摲秶鷥?nèi)的混凝土,橋面端部截面會承受較大的負(fù)彎矩作用,導(dǎo)致混凝土開裂.整個橋面采用該澆筑順序滿足拱結(jié)構(gòu)的受力要求.圖4單根弦管泵送方案的變形圖Fig14Deformationschemeforsingletubepumping3結(jié)論因此,不能采用單根弦管混凝土泵送方案,22.4根,荷載的,使拱結(jié)構(gòu)盡量均勻承受壓力,減小不對稱荷載引起的拱肋彎矩,保證結(jié)構(gòu)受力合理.鋼管混凝

14、土拱肋形成后,下一工序是安裝39根預(yù)制橫梁,每根橫梁重150kN,如何順利安裝這39根橫梁,也是施工控制中必須重視的問題.通過施工控制計算分析,充分考慮結(jié)構(gòu)受力和穩(wěn)定,并結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際施工條件,最終確定橫梁安裝方案為:先從拱腳向跨中方向?qū)ΨQ安裝7根橫梁,兩側(cè)共14根;再安裝跨中附近9根橫梁;最后對稱安裝1 4截面附近的各8根橫梁,兩側(cè)共16根.安裝橋面模板同樣采用了類似的控制方法.橋面混凝土的澆筑順序?yàn)?先澆筑兩側(cè)拱腳,.(2)先泵送下弦管混凝土比先泵送上弦管混凝土更安全.(3)必須采用兩根下弦管或兩根上弦管同時泵送混凝土,否則單根弦管混凝土泵送將導(dǎo)致拱軸線較大的橫向偏移,使結(jié)構(gòu)處于永久的不利

15、受力狀態(tài).(4)橋面板混凝土可以根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析分段澆筑,確保拱肋和橋面板受力安全.參考文獻(xiàn):1范金軍,邱文亮,張中的穩(wěn)定分析J.公路,2003,5:123.2陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工M.北京:人民交通出版社,1999.3李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動M.北京:中國鐵路出版社,1992.Studyofconstructionschemesofalargespanconcrete-filledsteeltubetiedarchbridgeQIUWen2liang,ZHANGZhe,FANJin2jun(SchoolofCivilandHydraul.Eng.,DalianUniv.ofTec

16、hnol.,Dalian116024,China)3Abstract:Duringtheconstructionofconcrete2filledsteeltubetiedarchbridges,stressesinthearchforsafetyofthebridge.BasedonanalysisofDandongMoon2IslandBridge,theoptimumconstructionschemesofthekeyprocessesofconstructionaredecided,whichincludethetemporaryfixationoftheabutmentandarchribs.Whenerectingarchribs,concreteinthetwolowersteeltubeswaspumpe