多塔斜拉橋新技術(shù)研究

多塔斜拉橋新技術(shù)研究第1頁/共37頁

a.減小背索索距；

b.加大背索截面面積；

c.在中跨跨中及邊跨梁端加壓重；

d.適當(dāng)增加中塔和主梁的剛度。

1．合理橋型布置方案研究

（一）多塔斜拉橋基本性能研究

由于采取了以上措施，雖然斜索用鋼量及混凝土數(shù)量略有增加，但總的造價增加最少，而結(jié)構(gòu)的整體剛度提高了30%左右，取得了滿意的效果。第2頁/共37頁

岳陽洞庭湖大橋三塔斜拉橋計算網(wǎng)格圖

（尺寸單位：m）第3頁/共37頁課題組通過深入細(xì)致的研究，提出了三塔PC斜拉橋合理成橋狀態(tài)確定的最優(yōu)化方法以及合理施工狀態(tài)確定的正裝迭代法，取得了如下創(chuàng)新性成果：（一）多塔斜拉橋基本性能研究

2．合理設(shè)計狀態(tài)確定研究

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課題組提出用“應(yīng)力平衡法”來確定主梁的成橋恒載彎矩這一設(shè)計關(guān)鍵，并據(jù)此可確定主梁的合理預(yù)加力。提出了主梁恒載彎矩合理域和可行域的概念。該可行域即可作為斜拉橋合理成橋狀態(tài)確定時的主梁恒載彎矩的控制范圍a.確定合理成橋狀態(tài)的最優(yōu)化方法第5頁/共37頁初擬結(jié)構(gòu)尺寸→用最小彎曲能量法初定成橋狀態(tài)→索力調(diào)勻→計算主梁活載應(yīng)力包絡(luò)圖→預(yù)應(yīng)力設(shè)計→主梁成橋恒載彎矩可行域→主梁彎矩調(diào)整→成橋狀態(tài)檢驗。

如果一個設(shè)計已完成，可用該方法對預(yù)應(yīng)力的合理性以及主梁成橋恒載彎矩的可行性進(jìn)行檢驗?；居嬎悴襟E：a.確定合理成橋狀態(tài)的最優(yōu)化方法第6頁/共37頁合理施工狀態(tài)的確定通常有倒拆法、正裝-倒拆迭代法和無應(yīng)力狀態(tài)控制法，這些方法都不同程度上存在不閉合問題，即根據(jù)所得到的施工狀態(tài)控制參數(shù)進(jìn)行正裝計算時，與合理成橋狀態(tài)不一致。課題組提出的正裝迭代法克服了以上方法的致命弱點，具有以下特點：b.確定合理施工狀態(tài)的正裝迭代法第7頁/共37頁1)只需作正裝計算，大大簡化了計算過程；

2)基本克服了不閉合問題；

3)可考慮非線性影響；

4)第一次正裝計算的張拉索力選取靈活性

很大，易于應(yīng)用；

5)正裝迭代后得到的成橋狀態(tài)具有可調(diào)性。b.確定合理施工狀態(tài)的正裝迭代法第8頁/共37頁為了研究多塔斜拉橋的基本性能，同時驗證靜、動力理論分析結(jié)果正確性，課題組進(jìn)行了三塔斜拉橋全橋模型試驗。模型橋全長29.333m。主梁和橋塔均采用分段整體鑄造后拼裝而成。本試驗標(biāo)志著我國橋梁結(jié)構(gòu)試驗進(jìn)入超大規(guī)模時代。

（一）多塔斜拉橋基本性能研究

3．全橋模型試驗第9頁/共37頁模型全景圖第10頁/共37頁為克服惡劣自然條件的影響，實現(xiàn)設(shè)計提出的高標(biāo)準(zhǔn)要求，優(yōu)質(zhì)安全高效地建成這一宏偉工程，課題組在總結(jié)傳統(tǒng)的施工工藝的基礎(chǔ)上，提出并采用了深水高樁鉆孔施工平臺、大型水下鋼套箱承臺施工、帶空間轉(zhuǎn)動錨座及鋼結(jié)構(gòu)水平止推裝置的前支點掛籃等一系列的新工藝。（二）施工工藝及C60高性能砼技術(shù)研究1．施工工藝創(chuàng)新研究第11頁/共37頁

解決了平臺在高洪水位，高流速的沖擊和覆蓋層完全被沖刷情況下自身的穩(wěn)定性問題，對洪水作用機(jī)理進(jìn)行了空間分析。a.深水高樁鉆孔施工平臺的設(shè)計與應(yīng)用

由于考慮周密，三個工作平臺順利地度過了97及98年兩個超歷史洪水位的考驗，使樁基施工在整個洪水期間正常進(jìn)行，確保了大橋的控制工期。創(chuàng)造了特大洪水期間基礎(chǔ)工程照常施工的奇跡。第12頁/共37頁深水高樁鉆孔施工平臺第13頁/共37頁b.首創(chuàng)大型水下套箱施工主墩承臺洞庭湖大橋主墩承臺采用的大型鋼套箱施工，在國內(nèi)尚屬首次。施工設(shè)計工藝先進(jìn)，降低成本約400萬元。承臺施工期間由于洞庭湖水位高，施工需在水位線下進(jìn)行，如按常規(guī)套箱著床施工，需耗費大量鋼材以及大量的封底材料，成本很高又不利于航道泄洪要求，課題組研究采取了大型水下鋼套箱施工承臺的方案。第14頁/共37頁c.前支點掛籃的工藝革新課題組對傳統(tǒng)掛籃進(jìn)行了創(chuàng)造性的工藝改進(jìn)，以適用施工的特殊要求。開發(fā)了空間索轉(zhuǎn)動錨座和預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)水平止推裝置，使懸澆掛藍(lán)能嚴(yán)格控制空間索的三維坐標(biāo)，并抵抗斜拉索產(chǎn)生的強(qiáng)大水平分力。第15頁/共37頁空間索轉(zhuǎn)動錨座第16頁/共37頁（二）施工工藝及C60高性能砼技術(shù)研究2．C60高性能砼技術(shù)研究目前國內(nèi)將高強(qiáng)砼應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)上還很少見，將C60高強(qiáng)砼應(yīng)用于本橋這樣一座規(guī)模宏大的斜拉橋上，在國內(nèi)尚屬首次。經(jīng)過100多次反復(fù)試配和多次正交試驗，并通過多次現(xiàn)場模擬試驗，終于在較短的時間內(nèi)將C60砼配比如期提供施工，并較好的解決了C60砼早期收縮開裂等關(guān)鍵技術(shù)問題。第17頁/共37頁

C60砼配比及性能表

水泥(kg/m3)水(kg/m3)硅灰(kg/m3)外摻劑(kg/m3)砂(kg/m3)碎石(kg/m3)坍落度(kg/m3)擴(kuò)展度(kg/m3)R3MPaR7MPaR28MPa460165406.0777107321048052.566.178.52．C60高性能砼技術(shù)研究第18頁/共37頁

由于有了科學(xué)的配比和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，主梁C60砼施工進(jìn)展相當(dāng)順利，創(chuàng)造了中國橋梁建設(shè)史上采用C60高強(qiáng)高性能砼的施工先例，同時，也為今后推廣采用高強(qiáng)高性能砼積累了許多經(jīng)驗。2．C60高性能砼技術(shù)研究第19頁/共37頁顫振導(dǎo)數(shù)是評定橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性的重要參數(shù)，我國以前只能用自由振動法測定顫振導(dǎo)數(shù)。為確保洞庭湖大橋在施工和運營階段的抗風(fēng)安全，課題組在國內(nèi)最先實現(xiàn)了采用強(qiáng)迫振動法測量顫振導(dǎo)數(shù)，進(jìn)行了大量的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗。試驗表明：強(qiáng)迫振動法具有試驗數(shù)據(jù)重復(fù)性好、測定折減風(fēng)速范圍寬、無需復(fù)雜的系統(tǒng)識別過程即可得到交叉導(dǎo)數(shù)項等一系列優(yōu)點。（三）強(qiáng)迫振動法測顫振導(dǎo)數(shù)第20頁/共37頁同濟(jì)大學(xué)項海帆院士專程來長沙考察強(qiáng)迫振動法第21頁/共37頁強(qiáng)迫振動法風(fēng)洞試驗第22頁/共37頁試驗證明：洞庭湖大橋的臨界顫振風(fēng)速大大高于橋址處檢驗風(fēng)速，表明洞庭湖大橋具有足夠的抗風(fēng)穩(wěn)定性。第23頁/共37頁岳陽洞庭湖大橋由于其特殊的地理、氣候條件，自2000年10月建成通車后，于2001年4月9日、5月26日，接連發(fā)生了多次風(fēng)雨振。課題組與香港理工大學(xué)合作對洞庭湖大橋風(fēng)雨振現(xiàn)象進(jìn)行了現(xiàn)場觀測，得到了風(fēng)雨振的振動形態(tài)。并對采用磁流變智能阻尼器控制拉索風(fēng)雨振問題進(jìn)行了深入研究。研究表明，磁流變阻尼器對風(fēng)雨振具有很好的減振效果。岳陽洞庭湖大橋目前已全橋安裝該阻尼器，這是世界上首座應(yīng)用磁流變智能阻尼器控制拉索振動的橋梁。（四）斜拉索風(fēng)雨振動控制研究第24頁/共37頁

為了評估磁流變阻尼器對拉索振動控制的效果，在岳陽洞庭湖大橋選擇三根拉索進(jìn)行了振動控制試驗。試驗布置如下圖。試驗采用了具有國際先進(jìn)水平的穩(wěn)態(tài)激振法，并開發(fā)了專用模態(tài)參數(shù)識別方法。磁流變(MR)阻尼器振動控制試驗研究第25頁/共37頁不同電壓下的A11索前三階等效模態(tài)阻尼比拉索系統(tǒng)的各階模態(tài)阻尼比均存在一個優(yōu)化電壓值，安裝阻尼器后拉索系統(tǒng)模態(tài)阻尼比增大了3～6倍。試驗結(jié)果第26頁/共37頁

為了測量風(fēng)雨振時拉索的振動形態(tài)和阻尼器的實際減振效果，選擇A10、A11、A12三根拉索建立風(fēng)雨振觀測系統(tǒng)，其中A11索安裝了磁流變阻尼器。觀測系統(tǒng)第27頁/共37頁磁流變阻尼器減振效果對照錄像資料安裝了磁流變阻尼器的拉索未安裝磁流變阻尼器的拉索第28頁/共37頁(a)面內(nèi)響應(yīng)(b)面外響應(yīng)

風(fēng)雨振時測到的A10索（無阻尼器）與A11索（有阻尼器）加速度響應(yīng)對比，結(jié)果顯示有阻尼器的拉索加速度響應(yīng)減小了20-30倍第29頁/共37頁全橋安裝的磁流變阻尼器減振系統(tǒng)第30頁/共37頁對典型索塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間有限元分析，根據(jù)計算結(jié)果，提出4種可能的預(yù)應(yīng)力配束方案。在確保安全的前提下，以塔內(nèi)受力均勻、節(jié)約預(yù)應(yīng)力筋及錨具的數(shù)量、方便施工為目標(biāo)，對預(yù)應(yīng)力的優(yōu)化布束方式進(jìn)行理論分析，提出最終的預(yù)應(yīng)力布束方式，并通過典型索塔足尺節(jié)段模型加載試驗進(jìn)行驗證。（五）索塔優(yōu)化布束及模型試驗研究第31頁/共37頁索塔節(jié)段模型試驗實景照片第32頁/共37頁

1.對三塔PC斜拉橋的基本性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探索出了一整套提高結(jié)構(gòu)整體剛度、降低尾索應(yīng)力幅的有效方法，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了不設(shè)穩(wěn)定索和輔助墩的全漂浮體系三塔PC斜拉橋結(jié)構(gòu)；

2.提出了三塔PC斜拉橋合理施工狀態(tài)確定的正裝迭代法，提高了計算速度與施工控制精度，合攏高程誤差僅3毫米。

3.在國內(nèi)最先實現(xiàn)了顫振導(dǎo)數(shù)測度的強(qiáng)迫振動法，能一次測出全部8個顫振導(dǎo)數(shù)，且精度高、重復(fù)性好。發(fā)現(xiàn)發(fā)明及創(chuàng)新點第33頁/共37頁第34頁/共37頁社會經(jīng)濟(jì)效益課題研究創(chuàng)造性地解決了多塔斜拉橋設(shè)計施工過程中的諸多技術(shù)難題，為今后修訂斜拉橋規(guī)范提供了依