山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋的設計及施工技術研究[分享]

1、山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋的設計及施工技術研究報 告 簡 本1、立項背景及研究思路我國已建鋼筋混凝土箱型拱橋300余座，跨徑大于100米的鋼筋混凝土箱型拱橋50余座，是世界上建造主跨超過200米拱橋最多的國家。但是，由于受歷史技術發(fā)展水平、經濟條件、建設環(huán)境等系列因素影響，鋼筋混凝土箱型拱橋建設存在以下技術難題：已建鋼筋混凝土箱型拱橋不同程度存在病害；面對現代山區(qū)復雜地形地質條件和惡劣交通運輸條件限制，新結構、新工藝的開發(fā)應用；大跨度鋼筋砼箱型拱橋位移理論的應用及軟件開發(fā)；已有設計、施工和耐久性技術的改進和完善。課題研究是在廣泛調查分析研究已建山區(qū)大跨徑鋼筋砼箱型拱橋設計、施工和養(yǎng)護等環(huán)節(jié)存

2、在的問題、橋梁使用存在的病害、典型事故的基礎上，借鑒國內外同類橋梁建設采取的對策措施，結合我國鋼筋混凝土箱型拱橋建設面臨的技術難題，依托攀（枝花）西（昌）高速公路白沙溝大橋等工程，組織設計單位、科研單位、施工單位和大專院校等機構聯合攻關，采取新措施、確定合理的設計參數和計算理論、開發(fā)新材料、新結構、新工藝、形成同類橋梁設計施工技術指南，以求達到建設同類橋梁先進水平，提高橋梁建設質量和延長橋梁使用壽命，滿足現代橋梁和新時期山區(qū)復雜地形地質條件建設需要。2、研究內容課題研究內容一覽表標題序號研究內容成果報告子課題1山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋現狀調查分析試驗研究上、下冊2山區(qū)大跨徑鋼筋砼箱型拱橋的

3、合理布置和結構選型研究全一冊3山區(qū)大跨徑鋼筋砼箱型拱橋合理計算理論和實用計算方法研究上、下冊4山區(qū)大跨徑鋼筋砼箱型拱橋施工監(jiān)控技術研究全一冊5山區(qū)大跨徑鋼筋砼箱型拱橋的模型試驗及實橋現場試驗研究全一冊6高強砼、鋼砼組合結構箱型拱橋調查試驗研究上、下冊7山區(qū)大跨徑鋼筋砼箱型拱橋設計及施工技術指南全一冊輔助課題1攀枝花白沙溝大橋施工監(jiān)控報告全一冊2攀枝花白沙溝大橋靜動載試驗報告全一冊技術總報告山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋設計與施工研究技術總報告全一冊工作總報告山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋設計與施工研究工作總報告全一冊用戶使用報告山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋設計與施工研究用戶使用報告全一冊科技查新報

4、告山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋設計與施工研究科技查新報告全一冊根據課題研究需要，完成了白沙溝大橋1：10模型試驗研究，完成了懸臂施工過程、成橋結構承載能力試驗研究；完成主跨160米鋼筋混凝土箱型拱橋、波折腹板鋼筋混凝土箱型拱橋、鋼管腹桿鋼筋混凝土箱型拱橋1：10的三個模型試驗研究；完成了主跨75米鋼筋混凝土箱肋拱橋、箱板拱橋1：20玻璃纖維模型試驗研究；完成了施工現場巖錨、巖孔錨和懸臂施工全過程的測試研究和成橋測試研究。3、關鍵技術及創(chuàng)新點、鋼筋混凝土箱型拱橋病害系統(tǒng)調查分析本課題普查了近300座鋼筋混凝土拱橋，收集分析、整理了以云南、貴州、重慶、四川、廣西等地區(qū)已建159座鋼筋混凝土箱型拱橋

5、的施工概況、使用現狀、事故病害情況，從建設環(huán)境、設計、施工、材料、后期養(yǎng)護、各部位加固處理措施等不同方面提出了處理措施。從鋼筋混凝土箱形拱橋設計、施工、使用的各階段提出改進措施，從結構體系、設計計算、細部構造、施工方法等方面介紹了病害形成原因和相應對策措施。并將研究成果吸收到課題研究設計與施工指南中。3.2、鋼筋混凝土箱型拱橋計算參數研究根據調查分析，設計箱板拱橋不計橫向分配系數、箱肋拱橋按“偏心受壓法”計算橫向分配系數，是與這類橋梁實際受力不吻合的。為了準確確定箱型拱橋橫向分配系數，模擬跨度為70m的箱板拱，進行了1：20玻璃纖維鋼模型試驗。通過對國內外拱橋偏心彎矩增大系數計算方法的調查研究

6、，結合模型計算分析，探討了箱型拱橋荷載橫向分配系數、偏心彎矩增大系數及沖擊系數的影響因素及其規(guī)律，并提出了相應的設計建議。3.3、鋼筋混凝土箱型拱橋撓度理論的應用研究（1）、首次開發(fā)了針對拱橋結構的參數化建模模塊，彌補了現有大型有限元分析軟件在拱橋參數化建模模塊開發(fā)方面的不足。（2）、開發(fā)的靜力計算模塊考慮到橋梁結構計算及其規(guī)范的特點，計算工況豐富且包括了04新規(guī)范的活載標準。后處理模塊可方便進行各種荷載工況的組合，同時計算結果也可以保存于word、excel等不同的文件類型中。（3）、開發(fā)了譜分析及時程分析橋梁抗震計算模塊。并考慮行波效應對于大跨度拱橋的地震算結果的影響。（4）、將最優(yōu)化的計

7、算理論引入到正裝迭代法的計算中，尋找拱圈澆筑的最佳施工路徑。（5）、結合拱橋撓度理論與幾何非線性有限元分析方法，利用自主開發(fā)的基于ANSYS的鋼筋混凝土拱橋參數化建模與計算模塊，研究大跨鋼筋混凝土拱橋的幾何非線性特征與影響因素。3.4、懸臂節(jié)段澆筑施工技術山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋無支架施工方法要有：纜索吊裝法；轉體施工法；勁性骨架法；懸臂桁架法。通過調查分析，結合國際橋梁技術發(fā)展情況，提出了采用整體截面的單箱多室拱箱截面、斜拉扣掛現場懸臂節(jié)段澆筑的施工工藝。懸臂節(jié)段澆筑為由懸澆體系、扣錨體系和錨固體系組成施工結構體系，現場分節(jié)段澆筑完成主拱圈施工合龍。3.5、懸臂澆筑側桁縱移掛藍開發(fā)應用主

8、桁采用三角形構造，全長，桁高，總高，凈寬7m。由主桁系統(tǒng)、止推系統(tǒng)、支反力系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、模板系統(tǒng)和工作吊藍六部分構成。這種掛籃結構具有以下特點：（1）為側桁式前支點掛藍，重量僅38T（澆注節(jié)段最重129T）；（2）取消了后錨裝置。直接利用拱圈底部支撐錨固；（3）設置專用止推裝置，克服了掛藍因拱圈傾角產生的下滑力；（4）掛鉤和后錨座處設置支座承受反力，比受拉錨固更加安全；（5）行走牽引系統(tǒng)簡單，行走更安全。3.6、雙重調索底應力夾片錨固系統(tǒng)開發(fā)應用針對常規(guī)的鋼絞線斜拉索專用錨具存在的經濟性差和單根張拉、錨固周期長的缺點，開發(fā)了可調索低應力夾片錨固系統(tǒng)，既適用于懸臂節(jié)段澆筑拱圈大變位粗調索，又可

9、實現小變位精調索。3.7、形成纜索吊裝、勁性骨架、轉體施工的國家工法系統(tǒng)總結和調查研究纜索吊裝法、轉體施工法、勁性骨架法的適用條件及經驗教訓，完成了纜索吊裝法的大跨徑拱橋七節(jié)段無支架吊裝工法、箱型拱橋無平衡重雙箱對稱同步轉體施工安裝和勁性骨架法中鋼管骨架的斜拉扣掛施工方法，從工藝原理、安裝體系、工藝流程、主要設備、操作要點等方面進行了詳細論述，在多座橋梁施工驗證可靠后，形成了這些工法的施工技術要求和規(guī)則，最后申報了大跨徑拱橋七節(jié)段無支架吊裝工法、箱型拱橋無平衡重雙箱對稱同步轉體施工工法和大跨徑鋼管混凝土拱橋無支架吊裝斜拉扣掛工法三項國家級工法，并獲得了國家批準，獲得了國家工法證書。無支架吊裝施

10、工無平衡重對稱同步轉體施工無支架吊裝斜拉扣掛施工3.8、新型巖孔錨碇的開發(fā)研究白沙溝大橋西昌岸巖體破碎、完整性差，故采用新型巖孔式錨碇，其主要構造由錨碇、預應力錨索、錨板、豎井等組成。西昌岸錨碇一般構造（立面）西昌岸錨碇一般構造（平面）3.9、編制山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋設計與施工技術指南根據“山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋的設計及施工技術研究”課題研究成果，結合國際橋梁設計與施工技術進步，邀請有鋼筋混凝土箱型拱橋設計、施工、養(yǎng)護和加固經驗的著名專家、教授參與和審查，編制完成了“山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋設計與施工技術指南”，用于指導這類橋梁設計、施工技術?！爸改稀敝饕ǖ膬热轂橐话阋?guī)定

11、、計算規(guī)定、設計技術規(guī)定、施工技術規(guī)定和其它等內容，對鋼筋混凝土箱型拱橋的主拱圈、拱上立柱、橋面梁、拱座和橋面系等系列構件從計算、構造要求、安裝工藝等多方面進行了技術要求，同時，結合課題對同類橋梁常見病害的調查分析研究，提出了提高耐久性的措施。3.10、結構設計參數研究矢跨比的研究推薦鋼筋砼箱型拱橋的矢跨比為1/41/8。拱軸系數優(yōu)化計算結果工況恒載恒載+收縮徐變+升溫恒載+收縮徐變+溫降恒載+收縮徐變+溫降+活載恒載+收縮徐變+溫降+1/2活載拱軸系數378拱上構造的輕型化措施一般為：（1）、采用高強混凝土或輕質骨料混凝土；（2）、采用鋼腹板或桁式腹桿鋼筋的箱型截面主拱圈；（3）、采用鋼混凝

12、土組合結構拱上立柱、蓋梁和橋面板；（4）、盡可能采用預應力混凝土結構，如蓋梁、橋面板等，即可以提高跨越能力，減少拱上立柱數量，又可以縮減截面尺寸，降低構件自重。3.11、懸臂節(jié)段澆注補充定額通過對施工過程材料的調查分析，按有關編制辦法、政府和主管單位的相關法律法規(guī)，編制了懸臂澆注主拱圈的各項施工措施費，最后換算成每10m3混凝土或每10米節(jié)段長的定額單價，有利于懸臂澆注法推廣應用時的經濟概算。4、主要技術經濟指標的先進性及取得相關知識產權的情況、主要技術指標白沙溝大橋主要經濟指標為：混凝土用量2.85 m3/ m2；鋼材用量403kg/ m2；工程造價5970元/ m2。課題研究成果克服了復雜

13、的地形地質條件和惡劣的交通運輸條件，相對地節(jié)約了工程造價。課題依托工程可以與路線同步施工，受環(huán)境惡劣建設條件影響較小，施工工期均早于路線前后其它工程35個月完工。由于依托工程新的施工工藝完全不需要平整場地，材料存放料場小，不需要開挖陡峻山坡成施工場地，減少了對環(huán)境的破壞，實現了環(huán)境友好的建設政策。、技術性能指標（1）、全面調查國內外鋼筋混凝土箱型拱橋設計、施工及養(yǎng)護情況，普查了300座、調查了159座、分析論證了主跨大于100米的54座和7座典型事故橋梁各方面技術情況，提出確保工程質量與安全的技術措施；（2）實現了單箱多室箱型截面拱橋構造設計的研究和優(yōu)化；（3）將位移理論和非線性計算方法應用于

14、鋼筋混凝土箱型拱橋，并開發(fā)了計算軟件；（4）采用懸臂節(jié)段澆筑工藝施工主拱圈，形成了系統(tǒng)的構造和工藝技術；（5）開發(fā)的掛藍、雙重調索底應力錨具、巖孔錨碇、扣塔橫移等技術形成了懸臂節(jié)段澆筑拱圈的成套新工藝；（6）研究纜索吊裝法、勁性骨架法和轉體施工法，形成了國家級施工工法。（7）高強混凝土和鋼混凝土組合結構的試驗研究，為山區(qū)大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋發(fā)展提供了新的技術路線；（8）根據課題研究成果，編制了山區(qū)大跨徑鋼筋砼箱型拱橋設計及施工指南。項目開發(fā)的“一種新型巖孔式錨碇”、“拱橋懸臂節(jié)段澆筑工法”申請了實用新型專利，已受理；“懸澆拱橋側桁式掛藍”、“雙重調索低應力夾片錨固系統(tǒng)”獲實用新型專利證書。

15、總結發(fā)展的“勁性骨架法”、“轉體施工法”、“斜拉扣掛法”安裝主拱圈的施工工法，獲得了國家級工法，“懸臂澆注施工”獲得四川省工法。5、推動行業(yè)科技進步的作用課題研究成果，通過研究過程中的技術交流、依托工程中的應用等，使研究新技術等到了推廣應用，推動了行業(yè)科技進步，其作用體現在：（1）、已有鋼筋混凝土箱箱拱橋的現狀調查分析及對策措施研究，有利于提高鋼筋混凝土箱型拱橋耐久性，成果的推廣應用，有效防止了同類病害在新建橋梁中的產生，確保了新建橋梁使用壽命；（2）、鋼筋混凝土單箱多室拱箱截面的優(yōu)化設計、拱軸系數的優(yōu)化選擇等方法，為同行技術人員提供了示范，既提高了橋梁整體性，又可在采用同樣截面拱箱尺寸獲得更

16、高的安全系數；（3）、拱橋拱箱懸臂節(jié)段澆筑工法，豐富了橋梁施工技術，有利于鋼筋混凝土箱型拱橋在地形地質條件十分復雜和交通運輸十分困難的山區(qū)建設；（4）、懸臂側桁式掛藍、雙重調索低應力夾片錨固系統(tǒng)、新型巖孔式錨碇和斜拉扣掛系統(tǒng)和施工監(jiān)控技術等開發(fā)，為推廣應用拱橋懸臂節(jié)段澆筑技術提供了技術保證；（5）開發(fā)的鋼筋混凝土箱型拱橋位移理論及計算軟件，確保了大跨鋼筋混凝土箱型拱橋計算成果的精確性，發(fā)展了計算理論和計算方法；（6）高強混凝土和鋼混凝土組合結構的試驗研究，提出了山區(qū)鋼筋混凝土箱型拱橋繼續(xù)研究方向，為進一步發(fā)展鋼筋混凝土箱型拱橋奠定了基礎；（7）鋼筋混凝土箱型拱橋設計與施工技術指南，規(guī)范了設計與

17、施工技術，提高了橋梁建設依據和質量，確保了橋梁耐久性。6、推廣應用及社會經濟效益課題研究應成果應用于攀西高速公路白沙溝大橋，確保了大橋的順利建成。鋼筋混凝土箱型拱橋參數計算方法、位移計算理論、結構構造和纜索吊裝國家工法分別推廣應用到主跨176米攀枝花市新雅江大橋（箱板拱）、主跨188米金陽通陽金沙江大橋（箱板拱）、主跨130米海螺溝青杠坪大橋（箱板拱）、主跨120米的巴中通江縣紀紅大橋（箱肋拱）上，取得了明顯的技術經濟效益。課題研究成果推廣應用產生的直接經濟效益為958.0萬元。研究成果改善鋼筋混凝土使用性能、提高耐久性等，產生的經濟效益無法估算。（1）、課題依托工程的順利建成，改善了區(qū)域投資環(huán)境和人們生活條件，促進了社會發(fā)展和進步；（2）、我國幅員遼闊，尤其西部地區(qū)山高、溝深，高速公路的建設不可避免的會設計、建設大量的山區(qū)大跨度混凝土箱型拱橋。因此，本課題研究成果提高鋼筋混凝土箱型拱橋使用性能和耐久性能，有效避免不良病害，取得的社會效益十分巨大。（3）、課題研究的懸臂節(jié)段澆筑工法