[浙江]特大型跨海橋臺風(fēng)下安裝方案

1、臺風(fēng)環(huán)境下鋼箱梁架設(shè)安裝方案一、工程概述舟山位于我國東部海島上，具有海洋性氣候的基本特征，特別是西堠門水道位于海島與海島之間的寬闊海面上，工程區(qū)域10m高度處的百年一遇風(fēng)速已經(jīng)達到了我國東部海島地區(qū)的較大值U10=41.12m/s。此外，我國雖然在懸索橋建設(shè)及抗風(fēng)研究方面積累了一些經(jīng)驗，但在臺風(fēng)區(qū)寬闊海面建造世界記錄跨徑的鋼箱梁懸索橋尚無實踐先例，對西堠門大橋懸索橋進行抗風(fēng)性能及風(fēng)振控制研究，以確保大橋在施工過程中和建成運營后的抗風(fēng)穩(wěn)定性、安全性和適用性是一項十分重要的課題?？癸L(fēng)研究結(jié)果表明施工階段的結(jié)構(gòu)顫振穩(wěn)定性能還不能完全滿足顫振檢驗風(fēng)速的要求，因此建議大橋施工應(yīng)避開臺風(fēng)期。然而鋼箱梁施工

2、工期超過5個月，如不選擇臺風(fēng)期架梁，則季風(fēng)期能滿足架梁條件（七級以下風(fēng)速）的有效施工天數(shù)往往不到總天數(shù)的50，再考慮工程建設(shè)進度的需要大橋2007年7月即具備架梁條件，故西堠門大橋在臺風(fēng)期架梁難以避免，這在中國尚屬首次，在大跨橋梁建設(shè)史上也是罕見的。為了確保施工階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，需進行西堠門大橋施工階段抗風(fēng)性能專題研究，精細分析研究大橋鋼箱梁在施工階段抗風(fēng)穩(wěn)定問題與臨時連接件在臺風(fēng)環(huán)境下的強度問題，為大橋臺風(fēng)期鋼箱梁安裝提供指導(dǎo)意見，確保大橋安全完成架梁施工。二、鋼箱梁架設(shè)順序與索鞍頂推控制研究為確保施工過程中結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全，在西堠門大橋施工階段全橋氣動彈性模型風(fēng)洞試驗和計算分析研究成果基

3、礎(chǔ)上，根據(jù)兩跨連續(xù)的分體式鋼箱梁懸索橋施工階段主梁的顫振演化規(guī)律（如圖1所示），發(fā)現(xiàn)了分體式鋼箱梁懸索橋在架設(shè)初期和中后期均存在一個氣動穩(wěn)定性薄弱的狀態(tài)（顫振臨界風(fēng)速低于檢驗風(fēng)速）。在此狀態(tài)下，必須避免已架設(shè)梁段受到強風(fēng)的作用而發(fā)生毀滅性的顫振。參照此規(guī)律，科學(xué)制定了梁段架設(shè)計劃和相應(yīng)的鋼箱梁架設(shè)安裝避臺方案，在保障工期的同時，在架梁初期和中后期巧妙避開了臺風(fēng)期，避免了可能發(fā)生的顫振，使得已架設(shè)梁段免遭毀滅性破壞，開創(chuàng)了大跨度橋梁穿越臺風(fēng)期主梁架設(shè)安裝的先河。圖1、施工期顫振臨界風(fēng)速演化規(guī)律（1）加勁梁的吊裝順序確定一般而言，在懸索橋加勁梁架設(shè)方法，按鋼箱梁間連接施工狀態(tài)，分為：逐段鉸接法，逐

4、段剛接法或者剛鉸混合法。西堠門大橋采用常用的逐段鉸接法，在整個梁段吊裝期間，梁段直接懸吊于吊索上，已吊好的梁段間采用彎曲剛度可以忽略的臨時連接件進行鉸接，當(dāng)梁段吊裝完成后才逐段剛接。這就是逐段鉸接的施工過程。采用本方法架設(shè)加勁梁，在加勁梁吊裝完成前，加勁梁梁段間均為鉸接，因而在此期間加勁梁段相互連接處無彎曲內(nèi)力，但有剪力和較小的軸力存在，在橋梁建成后，梁段一期恒載全由主纜承擔(dān)。剛接完成后再進行橋面鋪裝等二期恒載的安裝，二期恒載在加勁梁各梁段間參與分配后再由吊索傳給主纜，加勁梁因此而產(chǎn)生了彎曲內(nèi)力，二期恒載由主纜和加勁梁共同承擔(dān)。在主纜架設(shè)完畢、索夾定位及貓道改掛之后的施工就是加勁梁吊裝。對于大

5、跨度橋梁來說，此后懸索橋的線形就已經(jīng)完全確定了，在吊梁階段主要的控制任務(wù)主要是保證各構(gòu)件的安全，防止位移及應(yīng)力超限。由于懸索橋架設(shè)過程中纜的形狀改變很大，各相鄰梁段之間加勁梁會產(chǎn)生凹凸，所以臨時連接一般設(shè)于梁上翼緣或上弦桿。該施工方法工序少，工藝簡單，用本方法施工的橋，加勁梁恒載彎矩較小或者沒有，是一種較理想、較成熟的施工方法。但本法因施工中加勁梁梁段之間采用鉸接，沒有足夠的剛度，因而其縱橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性能差，在大風(fēng)地區(qū)施工就受到一定影響，必須采用增強抗風(fēng)能力的其他輔助措施，與其它方法相比本方法施工期稍長。加勁梁的吊裝順序，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性、施工安全性、人員及設(shè)備的配置、現(xiàn)場劃分、構(gòu)件的運

6、輸及氣象條件等各方面進行綜合判斷后來決定。主要的吊裝順序有兩種，一種是由中跨中央及兩岸側(cè)向主塔吊裝，如圖2，如小貝爾特橋、奧克蘭海灣橋和我國大多數(shù)大跨懸索橋；另一種是由兩主塔開始，向中央及兩岸架設(shè)，如圖3，如金門橋，大島大橋。前一種架設(shè)順序，在開始時中跨中央架設(shè)的幾個梁段對主纜線形有著較大影響，需要嚴格監(jiān)控橋塔的偏位，保證其安全，注意鞍座的頂推，但在其后梁段的架設(shè)中，主纜線形變化較小，因而加勁梁的線形較平順，在加勁梁變形要求嚴格的懸索橋，特別是單跨懸索橋常常采用這種架設(shè)順序。后者由于在吊裝開始時可以在橋塔處對加勁梁進行適當(dāng)?shù)募s束，使架設(shè)時抗風(fēng)穩(wěn)定性得到改善，因此在懸索橋抗風(fēng)要求較高時，加勁梁的

7、吊裝常常采用這種順序，但這種順序存在著最后的閉合問題，由于施工的誤差可能在合龍截面出現(xiàn)階梯，加勁梁剛接線形調(diào)整困難。圖2、 由兩側(cè)及中央向塔部架設(shè)圖3、由橋塔向兩側(cè)及中央架設(shè)西堠門大橋因地處臺風(fēng)區(qū)與季風(fēng)區(qū)，以架梁期間結(jié)構(gòu)的安全為依據(jù)，兼顧工期與臺風(fēng)期鋼箱梁架設(shè)抗風(fēng)穩(wěn)定安全間的平衡，根據(jù)鋼箱梁安裝期間抗風(fēng)研究驗算成果，確定了鋼箱梁安裝順序。架梁順序為：1）拓寬航道，搭設(shè)南北塔與北錨位置支架，從南北索塔、北錨位置安裝纜載吊機；2）北錨吊機走至北邊跨21梁位置，南塔吊機走至中跨43梁位置，開始鋼箱梁安裝：北邊跨1719梁，17梁向北錨方向偏移約40cm，南塔區(qū)4446梁；同時安裝北塔附近卷揚式吊裝系

8、統(tǒng)；3）三臺纜載吊機分別從北錨向北塔、跨中向兩塔，依次對稱安裝跨中123梁，北邊跨2032梁；北塔區(qū)兩套卷揚式吊裝系統(tǒng)負責(zé)安裝北塔區(qū)4449梁段；4）拆除北塔卷揚式吊裝系統(tǒng)，繼續(xù)安裝其它剩余梁段；5）按順序依次吊裝合龍段50#、51#及43#梁并臨時連接；6）按監(jiān)控要求依次調(diào)整南塔44#梁、北塔44#45#梁及北錨17#19#梁段線形并完成體系轉(zhuǎn)換。7）微調(diào)梁段接口處標高與縫寬，焊接梁段接縫。上述程序與通常的架梁順序先跨中后塔區(qū)或先塔區(qū)后跨中均不全相同，從塔、錨開始架設(shè)，又從錨、塔、跨中多個工作面架設(shè)鋼箱梁，工序復(fù)雜，施工過程依靠監(jiān)控的精細化分析結(jié)合上節(jié)的施工期抗風(fēng)穩(wěn)定性研究成果，安全度過臺風(fēng)

9、期，最終順利完成鋼箱梁架設(shè)。圖4、西堠門大橋鋼箱梁吊裝順序圖（2）索鞍頂推控制在懸索橋上部施工中，需對索鞍進行預(yù)偏，保證施工過程索塔位置纜力的平衡。在加勁梁架設(shè)階段，中跨的荷載逐漸加大，錨跨處散索鞍處于沿滑面放松狀態(tài)，隨著梁段的架設(shè)，散索鞍會逐漸復(fù)位到設(shè)計位置；對于主索鞍，施工架設(shè)過程中一般是固結(jié)的，鞍座兩端的主纜對鞍座的不平衡力隨著加勁梁的架設(shè)而逐漸加大，這個力傳給橋塔就會使橋塔偏位。為了保證橋塔的安全，在加勁梁架設(shè)過程中必須對鞍座進行頂推，改變各跨的跨度來釋放塔頂?shù)牟黄胶饬?，但在施工完畢的成橋狀態(tài)，鞍座應(yīng)當(dāng)是復(fù)位的。由于頂推鞍座時施工比較復(fù)雜，難度較大，并且一旦出現(xiàn)施工失誤，比如聚四氟乙烯

10、板出現(xiàn)重疊的情況和鞍座橫向被卡住，頂推起來就相當(dāng)困難。因此，在保證橋塔受力和變形不超標的情況下，應(yīng)盡量減少頂推次數(shù)，并且盡量不超頂。確定頂推階段和頂推量的基本控制指標為塔底允許彎矩或者應(yīng)力。由于懸索橋的橋塔一般較高，橋塔彎矩的計算荷載除了主纜的不平衡推力外，還有鞍座對橋塔的偏心壓力及橋塔偏位后自重荷載的P效應(yīng)產(chǎn)生的力。為便于實測，實際控制時往往將塔底允許彎矩換算為塔頂允許偏位，即通過對塔頂偏位的控制來確定頂推階段和頂推量。在確定頂推階段和頂推量以前，首先需要計算出塔頂?shù)钠?，?dāng)某階段塔頂?shù)挠嬎闫怀鲈试S值時，則此階段需要頂推索鞍，頂推后索鞍偏離設(shè)計位置的距離等于預(yù)偏量與頂推量之差。西堠門大橋

11、在梁段吊裝過程中，橋塔偏位需控制在30cm以內(nèi)；為保證橋塔在臺風(fēng)期的安全性，應(yīng)保證橋塔受臺風(fēng)之前的最后一次段梁吊裝后，橋塔偏位在8cm以內(nèi)。實際現(xiàn)場索鞍頂推過程控制參見表1。施工各階段塔偏位及鞍座頂推量一覽表1編號工況塔偏位（m）鞍座頂推建議北塔南塔1空纜狀態(tài)-0.099-0.0512索夾安裝完畢-0.122-0.0163中跨南吊機就位-0.1650.0044吊裝北邊跨17#梁-0.180-0.0065第一次頂推（南塔鞍座）-0.149-0.2450.3006中跨北吊機就位-0.140-0.2397貓道改掛-0.099-0.2088吊裝中跨北3#梁0.2980.0949第二次頂推（北塔鞍座）0

12、.35010第二次頂推（南塔鞍座）-0.070.050.1011吊裝中跨北6#梁0.3220.2912第三次頂推（北塔鞍座）0.36013第三次頂推（南塔鞍座）0.16-0.090.32014吊裝中跨北9#梁0.3070.17515第四次頂推（北塔鞍座）0.3216第四次頂推（南塔鞍座）0.022-0.0080.2017吊裝中跨南16#梁0.2610.3118第五次頂推（南塔鞍座）0.1100.030.3019吊裝中跨北22#梁0.2050.1720第六次頂推（南塔鞍座）0.205-0.020.2021吊裝中跨北32#梁-0.0980.2222第七次頂推（北塔鞍座）0.00923第七次頂推（南

13、塔鞍座）-0.103-0.020.2524北錨無索區(qū)線形調(diào)整與體系轉(zhuǎn)換-0.0420.13525第八次頂推（南塔鞍座）-0.043-0.1470.3026橋面鋪裝完成0.0600.10227第九次頂推（北塔鞍座）復(fù)位0.0228第九次頂推（南塔鞍座）復(fù)位-0.0003-0.00040.11注：表中所列數(shù)據(jù)對應(yīng)溫度為20，塔偏位以向中跨為正。三、鋼箱梁架設(shè)防臺方案確定（1）施工階段劃分根據(jù)抗風(fēng)設(shè)計要求，西堠門大橋成橋運營階段的和施工階段顫振臨界風(fēng)速必須大于或等于顫振檢驗風(fēng)速。按照設(shè)計提供的有關(guān)資料，設(shè)定的架梁步驟如下：1）吊裝無索區(qū)梁段：北錨無索區(qū)3段，北塔處3段，南塔1段；2）吊裝中跨北464

14、9號梁段，中跨南4547號梁段；3）吊裝邊跨北錨處2022號梁段；4）吊裝中跨北13號、南2號，邊跨北塔處4649號梁段；5）向跨中頂推南塔頂鞍座32cm；6）吊裝跨中北4、南3號，邊跨北錨處23、24號梁段。對于大跨度懸索橋，應(yīng)把主跨梁段的不同架設(shè)階段作為施工階段抗風(fēng)性能研究的重點。因此在研究中，主跨及邊跨梁段的吊裝直接從北錨、北塔、南塔處梁段施工完畢的狀態(tài)開始，并按照主跨梁段吊裝的數(shù)量將施工期劃分為10個階段。這10個階段分別是：梁段架設(shè)完成100%狀態(tài)、主跨架設(shè)78個梁段、64個梁段、52個梁段、40個梁段、32個梁段、20個梁段、12個梁段、8個梁段、4個梁段。（2）風(fēng)洞試驗內(nèi)容西堠門

15、大橋施工階段氣彈模型試驗的目的是為了檢驗橋梁在不同攻角下，各個施工階段的顫振穩(wěn)定性以及在大氣邊界層作用下的抖振響應(yīng)。在準確模擬結(jié)構(gòu)外形、剛度、質(zhì)量以及橋位處地貌外，必須對模擬的來流風(fēng)場進行校測，同時必須在試驗開始前，在無風(fēng)條件下對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行校測。為達到上述試驗?zāi)康?，需要進行表2列出的試驗工況和試驗內(nèi)容。試驗內(nèi)容表2工況號工況描述流場攻角（度）測試內(nèi)容1100%施工態(tài)均勻流，紊流場0，+3顫振穩(wěn)定性，抖振響應(yīng)2主跨保留78梁段均勻流，紊流場0，+3顫振穩(wěn)定性，抖振響應(yīng)3主跨保留64梁段均勻流，紊流場0，+3顫振穩(wěn)定性，抖振響應(yīng)4主跨保留52梁段均勻流，紊流場0，+3顫振穩(wěn)定性，抖振響應(yīng)5主跨保

16、留40梁段均勻流，紊流場0，+3顫振穩(wěn)定性，抖振響應(yīng)6主跨保留32梁段均勻流，紊流場0，+3顫振穩(wěn)定性，抖振響應(yīng)7主跨保留20梁段均勻流，紊流場0，+3顫振穩(wěn)定性，抖振響應(yīng)8主跨保留12梁段均勻流，紊流場0，+3顫振穩(wěn)定性，抖振響應(yīng)9主跨保留8梁段均勻流，紊流場0，+3顫振穩(wěn)定性，抖振響應(yīng)10主跨保留4梁段均勻流，紊流場0，+3顫振穩(wěn)定性，抖振響應(yīng)圖5、安裝在風(fēng)洞中的西堠門大橋施工工況5（40個梁段）氣彈模型（3）均勻流場中氣動彈性模型試驗均勻流場中的氣彈模型試驗主要是為了考查各施工階段的顫振穩(wěn)定性。本試驗設(shè)定的最大風(fēng)速為6.8m/s，已高于施工階段的顫振檢驗換算風(fēng)速6m/s。試驗中，風(fēng)速的觀

17、測高度為模型橋面高度。表3給出了均勻流場中的試驗結(jié)果，即各個不同施工階段的顫振臨界風(fēng)速。從表3可以看出：1）西堠門大橋絕大多數(shù)施工階段的顫振臨界風(fēng)速高于檢驗風(fēng)速，只有主跨保留8梁段施工階段在+3風(fēng)攻角條件下的顫振臨界風(fēng)速要低于檢驗風(fēng)速，而其0攻角下的顫振臨界風(fēng)速也是略大于檢驗風(fēng)速；主跨保留64梁段施工階段在+3攻角下的顫振臨界風(fēng)速也非常接近于檢驗風(fēng)速。2）+3攻角條件下的顫振臨界風(fēng)速要小于0攻角條件下的顫振臨界風(fēng)速。另外，根據(jù)現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，雖然主跨梁段沒有出現(xiàn)顫振，但其氣動阻尼已經(jīng)比較小，因此加強施工期間的抗風(fēng)預(yù)案仍有必要。西堠門大橋顫振臨界風(fēng)速表3狀態(tài)攻角（）模型顫振風(fēng)速（m/s）實橋顫振風(fēng)

18、速（m/s）100施工狀態(tài)06.774.636.572.4主跨保留78梁段06.673.536.370.2主跨保留64梁段06.774.636.066.8主跨保留52梁段06.471.336.370.2主跨保留40梁段06.673.536.471.3主跨保留32梁段06.673.536.471.3主跨保留20梁段06.875.836.673.5主跨保留12梁段06.572.436.673.5主跨保留8梁段06.168.035.763.5主跨保留4梁段06.774.636.572.4（4）紊流場中氣動彈性模型抖振試驗紊流場中氣動彈性模型試驗主要是為了研究各施工階段的抖振響應(yīng)。試驗時橋面高度處的最

19、大試驗風(fēng)速均高于實橋施工階段設(shè)計風(fēng)速（換算到風(fēng)洞中為4.2m/s），試驗最高風(fēng)速為5.3m/s。各施工階段模型的攻角分別為0o、+3o。四、鋼箱梁架設(shè)防臺方案確定（1）鋼箱梁施工階段抗風(fēng)穩(wěn)定性研究成果根據(jù)前面的試驗與計算分析，有如下成果：1）西堠門大橋絕大多數(shù)施工階段的顫振臨界風(fēng)速高于檢驗風(fēng)速，但主跨保留8梁段施工階段在+3攻角下的顫振臨界風(fēng)速低于檢驗風(fēng)速。另外，主跨保留64梁段施工階段+3攻角下的顫振臨界風(fēng)速略低于施工階段顫振檢驗風(fēng)速。各個施工階段+3攻角下的顫振臨界風(fēng)速通常要小于0攻角下的顫振臨界風(fēng)速。2）在紊流條件下，各個施工階段都發(fā)生了明顯的抖振。抖振響應(yīng)主要包含了前兩階反對稱豎彎、前

20、一階對稱豎彎、對稱扭轉(zhuǎn)和反對稱扭轉(zhuǎn)以及第一階對稱橫彎振型的貢獻；橫向位移值均隨風(fēng)速的增大而增加，隨梁段的增加而減小，在很大程度上表現(xiàn)為一種靜風(fēng)位移的形式；在施工的前三個主要階段（主跨分別保留4、8、12梁段），梁段自身的響應(yīng)顯著降低，索的振動起主導(dǎo)作用，主梁表現(xiàn)為剛體運動。3）在施工階段檢驗風(fēng)速下，考慮靜風(fēng)荷載和抖振荷載的聯(lián)合作用，三個施工階段跨中附近梁段的連接件承載板的橫向彎矩明顯超過容許值，九個施工狀態(tài)梁段的連接件承載板的豎向彎矩明顯超過容許值，但經(jīng)過優(yōu)化計算后，連接件的承載力能基本滿足要求。4）當(dāng)把梁段臨時件D2 的承載板進行加固處理后（增加一組D2 構(gòu)件，增焊4cm厚的鋼板和1cm厚的縱撐），承載力在考慮材料塑性的情況下能達到900KN；此時，臨時連接件D1 在承載板上加焊2cm的鋼板時，其承載力也能達到900KN，但在D1 上增焊縱撐的效果不理想；5）考慮跨中梁段內(nèi)力在風(fēng)載下的非線性時，大多數(shù)施工態(tài)梁段內(nèi)力值基本能滿足47m/s 的抗風(fēng)要求；64 和78 梁段施工態(tài)有少數(shù)梁段也不滿足47m/s 的抗風(fēng)要求，建議這幾個階段都避開臺風(fēng)天氣進行施工；100%施工態(tài)的各梁段均不能滿足47m/s 的要求，建議該階段的施工在常風(fēng)或無風(fēng)狀態(tài)下進行；6）在0風(fēng)