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当力与美“相遇”时——三跨连续超宽曲线梁非对称外倾拱桥创新建造技术

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龙行天下 发表于 2018-2-4 20:48:16 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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成都市红星路南延线府河大桥(以下简称:府河大桥)位于世纪城新国际会展中心与中和镇之间,横越自北向南呈“S” 形的府河河道。该桥为三跨连续超宽曲线梁非对称外倾式钢箱拱桥,其孔跨按(44+150+55)m布置,桥宽69m,桥梁全长264.65m。按城市快速路标准设计,双向12车道,设计车速为60km/h。它宛如一只展翅欲飞的巨型彩蝶,为成都市新一轮的飞跃发展插上了希望的翅膀。

府河大桥主跨位于R=600m平曲线内,南北两条独自向外倾斜的拱肋,分别位于各自的倾斜平面内,且外倾角度不同,北拱平面与水平面成60°,南拱平面与水平面成72°;拱肋间没有任何横向联系,两条拱肋于主梁下交汇,于拱顶遥相分隔,通过倾斜的吊索支承主梁。

主梁采用“双纵箱+格子梁”结构形式,为三跨连续全钢结构,在两岸桥台位置设置伸缩缝。拱肋由混凝土拱脚段和钢箱拱肋段组成,混凝土拱肋与P1和P2桥墩连为一体。

桥墩采用板式墩,桥台采用重力式台。除A3号桥台斜交布置外,其余桥墩和桥台均径向布置,均采用承台群桩基础。



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图1 府河大桥夜景


大跨径超宽曲线梁非对称外倾拱桥
的力学特点

大跨径超宽曲线梁非对称外倾拱桥的独特造型解决了其力学特性的复杂性;分析结构荷载的传递与平衡关系,

有助于理解其力学特点。

一、荷载的传递关系

1.桥道荷载,通过吊索传递至拱肋;

2.吊索轴力传至拱肋, 可分解为三个分力,其一作用于拱平面内向下(Ty),其二作用于拱平面平行于桥轴

(Tx), 其三用于拱平面外(Tz);

3.拱肋位于倾斜的平面内, 拱肋自重可分解为两个分力, 其一作用于拱平面内向下(Wy),其二作用于拱平面外(Wz)。




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图2 府河大桥特征尺寸示意图

二、荷载的平衡关系

府河大桥主梁弯曲,南北拱肋外倾且不对称,桥面以上拱肋间无任何横向联系,结构及受力行为十分复杂,但却巧妙地存在不同于“常规拱桥”的特殊结构平衡关系。

1.拱的平衡

(1)拱平面内的平衡:吊索分力T , 和拱肋自重分力Wy作用于拱平面内, 为保证拱的受力行为以受压为主, 面内弯矩较小, 其拱轴线形应与恒载压力线相逼近;

(2)拱平面外的平衡:拱肋自重分力产生使拱向外倾覆的趋势, 吊索分力抵抗其倾覆。为保证拱的面外弯矩、扭矩较小, 拱肋自重分力Wz和吊索分力Tz的差值应尽可能地小(见图3);



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图3 拱平面外平衡示意图

(3)拱的推力平衡:荷载作用下, 拱产生的水平推力传至拱脚, 由于基础无法承担过大的水平推力, 通过张拉两拱脚之间的系杆来平衡。

2.主梁横向分力的平衡

两侧吊索的竖向分力基本相同, 由于其横向倾角不等,其横向分力必然不同;由此产生的主梁横向分力, 由反向弯曲的系杆来完全平衡(见图4)。



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图4 拱平面外平衡示意图

三、超宽曲线三跨连续体系力学转换

府河大桥主梁为超宽曲线三跨连续体系,其力学特性非同于传统意义连续梁。该主梁中跨属于多点支承,以横向受力为主;边跨属于双边支承,以纵向受力为主。在桥梁结构设计时,主跨采用“格子梁+双纵箱”底板镂空体系,为适应中跨至边跨的受力转换,以桥墩支点为界,边跨底板进行全断面连接。为克服温度力的影响,全桥均采用活动支座体系,控制温度理论变位零点在跨中附近,同时在桥墩处创造性地设置“纵向弹性索”,改善主梁纵移幅度,整个结构体系受力更为均衡。




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图5 三跨连续钢梁力学转换示意图

尽管府河大桥结构及受力行为十分复杂,但却通过独特的造型、结构设计和尺寸的优化,巧妙地维持结构三维空间的力学平衡,既保证了桥梁造型美观,又确保了三维结构处于高度稳定的状态。




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图6 外倾拱肋实体模型示意图


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图7 压模限位结构实物图

建造条件

一、地形地貌

桥址位于高新区中和片区红星路南延线,跨府河及芙蓉岛。桥区地面高程在479.41~491.76m之间,平均高程两桥台区为岷江水系一级阶地,阶面高程478.93~492.06m,平均高程4 8 6 . 6 2 m , 阶地上为空地。府河水面高程为478.26~479.37m。

二、气象条件

成都地区属亚热带湿润气候区,四季分明,气候温和,雨量充沛,夏无酷暑,冬少冰雪。多年年平均降水量947mm。丰水期为6~9月份,占全年降水量74%,枯水期1~3月份,其余为平水期。丰、枯水期地下水水位年变化幅度为1.50~2.50m,蒸发量多年年平均为1020.5mm,相对湿度多年年平均为82%。

多年年平均气温16.2℃,极端最高气温37.3℃,极端最低气温-5.9℃。多年年平均风速为1.35m/s,最大风速

14.8m/s,极大风速为27.4m/s(1961年6月2日);最多风向为北及北东风向,多年年平均风压力为140Pa,最大风压力为250Pa。

三、地质岩性

桥址区出露和揭露的地层主要为:第四系全新统人工堆填(Q4ml)杂填土、第四系全新统冲积(Q4al)的粉土、细砂、第四系全统冲洪积层(Q4al+pl)的砂卵石及中生界白垩系上统灌口组(K2g)泥岩组成,其中泥岩为地基持力层。

四、水文地质

场地地下水为赋存于第四系砂卵石层中的孔隙潜水,第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)砂卵石层透水性好,为含水层,该层渗透系数K取21.0m/d,场地环境为二类。


建造的重点和难点

府河大桥桥型独特,结构新颖,施工难度大,其施工重点和难点主要体现在以下几个方面:

1.P2主墩承台位于府河河道中,承台底面最大水头差为10.5m,且承台位于卵石夹杂大量漂石地层中,基坑开挖深,风险高、支护及止水难度大。

2.混凝土拱肋段为外倾式曲线结构,钢筋、预应力及劲性骨架布置密集,拱肋施工线性控制及钢-混凝土连接段的精准定位难度大。

3.由于拱肋钢-混连接段自身结构特点:钢帽结构复杂、钢-混连接段截面倾斜角度大、小立柱下料空间狭窄以及钢帽内无法对混凝土缺陷进行补救等,给钢-混连接段施工质量控制带来了极大的技术难度和风险。

4.钢箱拱肋段为外倾式,拱肋节段长度长、节段重量大,现场安装前必须进行节段姿态调整,钢箱拱节段安装时线形调整难度大、吊装风险高。

5.为改善钢梁结构受力,适应钢梁的运输和吊装,钢梁采用“双纵箱+格子梁”体系,横向宽度69m,钢梁节段纵向长度6m;横向划分为5个节段,全桥220个节段,最大节段重量60t。如何快速完成钢梁安装就位和线形控制是钢梁施工的重难点。

6.钢梁安装就位后,进行吊杆、系杆施工,完成桥梁体系转换。在此过程中,钢梁线形、吊杆和系杆索力控制是该阶段施工的主要难点。其施工顺序和施工工艺将直接影响结构变形及内力分布,以致影响最终的成桥状态。


创新建造技术的研究和应用

一、复杂地质条件下旋喷桩工艺改良技术研究

府河大桥P2主墩位于河床断面以下,设计推荐“钢筋混凝土排桩+旋喷桩”方案进行止水帷幕施工。但该承台位于卵石夹杂大量漂石地层中,常规旋喷桩机在穿越卵石层时成孔难度大。因此本项目针对成都地区普遍存在的卵石层地质情况,通过改装CFG桩机的钻杆,换潜孔锤钻头成孔,并将常规旋喷桩“先引孔后成桩”方式,改变为“成孔后直接喷浆成桩”方式。

经实践证明,该方案不仅成孔和止水效果好,而且将深水基础施工风险降到最低,最终该单项工程节省造价600万,节省工期2.5个月。

二、外倾式曲线混凝土拱肋施工和控制

混凝土拱肋段为等宽变高的实心双向倾斜曲面结构,拱肋宽度4.2m,拱肋高度由顶端的5.2m渐变至承台顶面的6.495m(南拱)或6.804m(北拱),拱箱高度按照2.5次抛物线变化。

施工时采用了罕见的曲面活动液压自爬模技术,既控制了线性精度,又保证了施工质量。

1.采用数字模拟技术,运用Midas FEA空间有限元软件对施工节段进行力学分析,通过设计合理的内劲性骨架进行支撑,确保混凝土拱肋施工过程中的稳定性。

2.混凝土拱肋为倾斜结构,每一施工缝端面同样均为倾斜面,在每节段混凝土灌注时,节段端面上使用端压模进行施工,确保了节段施工精度和拱肋线形。

3.优化混凝土配合比,埋设冷却水管,控制混凝土入模温度和浇筑层数,确保混凝土施工质量。

三、外倾式拱肋钢-混连接段施工

钢-混连接段是钢箱拱肋与混凝土拱肋之间的连接过渡段,为保证连接过渡段应力均匀、有效过渡,构造设计遵从多次应力扩散的原则,主要涉及混凝土拱、钢箱拱、钢帽、预应力混凝土小立柱和剪力钉等复杂构造,其施工质量是该结构能否顺利完成过渡作用的关键。

如何保证1#钢拱肋节段环焊缝焊接不损伤钢帽下混凝土的前提下,确保钢-混连接段混凝土密实、饱满,其关键对策如下:

1.钢帽安装前,先根据钢帽侧板底点位置确定劲性骨架高度;接着在劲性骨架侧面焊接横梁;再在拱肋底板侧及一个腹板侧横梁顶面钢帽外缘焊接限位板;最后在拱肋顶板侧及另一个腹板横梁顶面钢帽外缘设置标记点进行钢帽定位。

2.从焊接辐射热产生传导原理出发,通过科学分析并结合现场试验,采取预埋温度监控设施、优化焊接工艺、实时监控等措施,保证钢帽顶板焊接时传递至顶板下混凝土面的温度小于临界值,从而确保了钢帽内混凝土浇筑质量。

3.钢-混凝土连接段顶截面为较大倾斜面,浇筑混凝土时,需要设置顶面压模以保证混凝土不外溢。

4.自行研究出自密式高性能C60混凝土,依靠混凝土自重流动,无须振捣而达到密实,保证了在钢筋密集、结构复杂的情况下钢混凝土连接段混凝土施工质量。

四、非对称外倾式钢箱拱少支架安装技术

南北非对称钢箱拱肋均采用等宽变高的单箱单室六边形截面,拱箱高度沿拱轴线按照2.5次抛物线变化,由跨中的3m,渐变至钢—混交界面的5.016m。南拱、北拱钢箱各自划分为15个吊装节段,最大吊重为60t。

1.该工程南拱拱肋倾斜72°,北拱拱肋倾斜60°,为确保钢箱拱安装精度,每个拱肋节段连接位置处均设置一组支撑钢管立柱架,并在支撑架顶部设置限位胎架。

2.为保证每节钢箱拱吊装时空间姿态的准确,在设计吊耳位置时,需综合考虑拱节段的外倾角度、施工的方便性等因素。首先要对钢箱拱节段重心点位置进行计算,重心位置确定后便可计算吊点位置;其次采用三维制图形式对拱肋的空间姿态进行模拟确认;最后依据每节钢箱拱肋重心和吊耳位置,利用软件计算出钢丝绳长度。模拟计算钢丝绳长度结果见图8。



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图8 模拟计算钢丝绳长度结果

3.钢箱拱肋节段的吊装采用一台260t履带吊进行施工作业。先将履带吊就位于拱肋节段最佳安装角度及作业半径后,再将拱肋节段按照安装到位时的方向、角度吊离地面,与此同时,完成钢箱拱肋节段空间的姿态调整。测量人员通过测量上下口水平距离差,及钢箱拱底角边与水平面的夹角,来对钢箱拱节段空间姿态进行较核修正。



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图9 钢箱拱拱肋合龙


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图10 桥道梁标准节段图

五、曲线钢梁快速精准定位安装技术

桥道梁为Q345C钢梁,梁高3m。典型桥道系横向划分为5区:人行道和机非混合通道、透空区、机动车通道、透空区、机非混合通道和人行道。机非混合通道内侧设主纵梁,人行道外侧设次纵梁,上述纵梁与双箱单室箱体共同形成纵梁体系。横梁体系则由主横梁及次横梁组成。

整幅式钢梁横向宽度69.0m,无法整块运输及安装,结合现场施工环境,全桥钢梁共分220个块段。“曲线钢梁快速精准定位安装技术”的应用,成功地解决了钢梁位于曲线三维体系中,单节段吊装重、安装定位精度要求高、现场焊接(栓接)量大以及业主对工期要求紧等多重难题。

钢梁安装步骤:

1.安装前进行精确放样,确定在将安装的钢梁节段位置搭设4处支撑支架,支撑支架顶部标高按钢梁梁底标高降低10cm设置。

2.“运架一体”小车将钢梁从存放场运至钢梁安装位置。

3.通过“运架一体”小车的液压系统水平微调钢梁的纵横向位置,竖向微调钢梁安装标高。

4.钢梁安装就位后,垫塞支撑支架与钢梁间的空隙,保证支撑支架顶紧钢梁。

5.通过液压系统卸载,直至“运架一体”小车与钢梁脱离,移走“运架一体”小车进行下一节段钢梁安装。



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图11 钢梁安装

“曲线钢梁快速精准定位安装技术”优点如下:

1.进行钢梁调整就位时,“运架一体”小车通过自带的液压系统,可方便实现水平纵横向和竖向微调,操作方便可靠。

2.连续完成钢梁场内运输和钢梁快速调整就位两步工序,大大节约施工时间。

3.钢梁“运架一体”小车可重复利用,节约了施工成本。

六、横向三跨连续超宽曲线梁外倾钢箱拱体系转换技术

钢箱拱合龙后,在拆除钢拱支架施工过程中,依靠临时横向连接对拉索,确保体系稳定和安全。利用拱肋节段吊耳安装横向连接对拉索,通过对拉索的控制调整使混凝土拱肋弯矩满足规范要求。



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图12 钢拱临时对拉索布置图

府河大桥曲线箱梁底设置了两组共12束系杆,南北侧各布置6束,两端锚固于混凝土拱肋的锚座上;每束系杆由27根φs15.2mm环氧钢绞线组成,排列成六边形。利用弯系杆横桥向水平分力平衡吊杆横桥向不平衡水平力。

南北拱吊杆各20组,吊杆横桥向和纵桥向均对称、同步、逐级张拉。弯曲布置的永久系杆拉力,对主梁的横向变形和吊索的角度有影响,因此必须与吊索拉力相协调。吊杆体系转换相对简单,重点控制永久吊杆内力,同时通过永久吊杆及永久系杆的内力的综合调整,改善钢箱梁线形,使主梁达到设计线形。二期恒载后,对主桥结构的永久吊杆、永久系杆进行整体调整,使结构线形和关键部位应力达到设计目标。

经过上述体系转换后,拱平面外分力逐步由临时结构平衡,转换为钢箱梁永久吊杆的分力抵抗;钢箱梁横桥向吊杆不平衡水平分力,转换为曲线布置永久系杆平衡;拱肋、永久吊杆、永久系杆、钢箱梁共同构成一个三维空间稳定结构。

府河大桥的造型是力与美的完美结合,具有浓重的现代化气息,与周边建筑群完美融入,是成都市政桥梁的典范之作。该桥在施工建造过程中创造性地采用多项创新技术,经实践证明安全可靠、质量有序可控。最终有四项技术获国家发明专利、三项技术获省级工法;总共节省投资2800万,节约合同工期5个月,收到了良好的社会效益和经济效益。



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图13 体系转换完成
作者单位:四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院  中铁二局第五工程有限公司



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