朝天门大桥施工过程重压重控制技术(共8页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上重庆朝天门长江大桥施工过程中压重控制技术周仁忠 1作者简介：周仁忠（1972）,男,湖南株洲人，工程师，工学硕士，从事大跨径桥梁监控与有限元结构分析。（武汉港湾工程设计研究院中交集团桥遂技术重点实验室，武汉，） 摘要：重庆朝天门长江大桥主桁施工采用爬行吊机悬臂吊装法；为保证在大悬臂施工状况下结构的稳定安全性，在边支点附近进行压载。通过有限元模拟分析，确定不同施工阶段的压载量，确保整个大桥施工过程中的抗倾覆稳定系数满足规范要求。关键词：朝天门长江大桥，压重，抗倾覆稳定系数，有限元分析中图分类号：U441文献标识码：AMonitoring Technology Of Heavy Pressure During Construction Of Chaotianmen Yangtze River Bridge Zhou Ren-zhong（Wuhan Harbour Eingineering Design &Research Institute Key Lab of Bridge&Tunnel Technology of CCCG，Wuhan，）Abstract: Chaotianmen Yangtze River Bridge was constructed by the method of cantilever Hoisting by using a crawling crane.In order to ensure stability of the bridge during construction, heavy pressure was used at the edge of the steer girder.By Finite element analysis,the weight of the heavy pressure at different stage was determined,so that the anti-capsize stability factor in the whole process of the construction of Chaotianmen Yangtze River Bridge meet regulatory requirements.Key words: Chaotianmen Yangtze River Bridge,Heavy pressure, anti-capsize stability factor,Finite element analysis 1 工程概况重庆朝天门长江大桥主桥上部结构设计为：190m552m190m的三跨连续中承式钢系杆拱桥，双层桥面，上层布置双向六车道和两侧人行道，桥面总宽36m，下层中间布置双线城市轨道交通，两侧各预留一个7m宽的汽车车行道。图1 全桥布置图主两片拱肋间距为29m，拱顶至中支点高度为142m，拱肋下弦线形采用二次拋物线，矢高128m，矢跨比1/4.3125；拱肋上弦部分线形也采用二次拋物线，与边跨上弦之间采用R=700m的反向圆曲线进行过渡。主采用变高度的“N”行式，拱肋跨中高为14m，中支点处高73.13m（其中拱肋加劲弦高40.65m），边支点处高为11.83m。全桥采用变节间布置，共有12m、14m、16m三种节间形式，边跨节间布置为8×12m14m5×16m，中跨节间布置为5×16m2×14m28×12m2×14m5×16m。全桥布置有上下两层系杆，间距11.83m，上层采用“H”形断面钢结构系杆，下层采用“王”形断面钢结构系杆加体外预应力索，钢结构系杆端部与拱肋下弦节点相连接，下层体外预应力索锚固于节点端部。主桥钢梁采用悬臂安装，在跨中合龙。全桥布置图见图1。2 总体施工方法2.1 施工流程图见下图：（下图2为朝天门大桥施工流程图）图2 施工流程图2.2 施工工艺流程主桥钢桁梁先架设边跨再架设主跨。在边跨架设中设3个临时辅助墩。其中1、2节段时用1000t.m塔吊架设，其余用2100t.m爬行架梁吊机悬臂吊装架设。边跨钢梁架至3临时墩时脱空1临时墩，架至14节间菱形到主墩开始受力时脱空2临时墩，架至18节间时整体调整钢梁，使中支点位置和中支座位置精确对位，同时开始安装扣塔。架至21节间，脱空3临时墩。钢梁架至26节段时，挂1扣索并完成一次性初张拉。继续悬臂拼装钢梁至32节间时，挂2扣索并完成一次性初张拉，悬臂拼装33、34节间，南边架设35节间，调整合龙口误差，架设北35节间，实现主拱合龙。拆除临时节间钢梁和临时节间配重。挂设临时系杆并完成初张拉，架设刚性系杆至刚性系杆合龙。架设桥面板，同时拆除临时系杆拆除2扣索拆除1扣索拆除扣塔桥面焊接。张拉体外预应力索桥梁附属结构安装桥面铺装全桥最后一次涂装成桥验收。下图3为朝天门大桥总体施工布置图图3 总体施工布置图3 钢梁悬臂架设抗倾覆措施朝天门大桥边跨架设时悬臂最大长度是80m,中跨架设时悬臂最大长度是276m，为同类桥梁世界最大悬臂。其最大倾覆力矩达t.m/桁，如此大的悬臂，确保其抗倾覆稳定性是朝天门大桥施工时要控制的重中之重。为防止钢梁倾覆，采取在边跨端部架设1、2临时节间作为边跨压载平衡节间，并和1、2永久节间一起作为压重区域。压重目的就是形成一个抗倾覆力矩，用以平衡钢梁前端悬臂的倾覆力矩。根据铁路桥梁钢结构设计规范（TB 10002.2-2005），需满足抗倾覆力矩/倾覆力矩>1.3的安全系数。压重的方法是用混凝土制作的口0.7m×1m×2.8m的压重块，每块重约4.5吨。在临时1、2节间和永久1#、2#节间架设压重分配梁，将压重块置于压重分配梁上。压载量为2110t/桁，全桥压重总量为8440t。压重区域见图3和图4所示。图4 朝天门大桥施工现场图片4 计算模型概况为确保钢梁施工的抗倾覆稳定安全性，在钢梁架设不同工况下压载量是不同的，为此，需对朝天门大桥建立有限元结构模型，对施工过程进行跟踪分析，确定在各个阶段下的压载量，确保钢梁抗倾覆稳定安全性满足要求。朝天门大桥属于空间杆系结构体系，采用了空间结构有限元分析软件MIDAS/CIVIL2006 进行计算。模型以设计施工图提供的材料和尺寸为依据，用空间梁单元、杆单元以及索单元进行模拟建模。模型共有节点985个，单元2464个，其中主桁杆件、主桁纵向联结系、主桁横向联结系和刚性系杆采用梁单元模拟；吊杆单元、体外预应力束采用只受拉杆单元模拟，施工过程中的辅助措施临时系杆和扣塔斜拉索采用只受拉索单元模拟。所有的主桁杆件均需考虑压、弯、扭、剪共同作用。横梁采用梁单元模拟，但将横梁两端处理为铰接。整体模型结构图见下图5。图5 整体计算模型图5 抗倾覆安全系数的计算方法对施工不同阶段，需准确的计算抗倾覆系数，确保桥梁施工过程中抗倾覆系数达到规范要求。以边跨钢梁架设到第9节间为例，计算钢梁抗倾覆系数方法如下：如下图6，以节点106为倾覆点，钢梁绕倾覆点转动。把钢梁分为左右两个部分，先分析左边部分，得出左边部分反力和抗倾覆力矩如下表1。表1 左半部分反力和抗倾覆力矩表节点编号101103106抗倾覆力矩反力3218(KN)6837(KN)703.7(KN)(KN.m)再以右半部分为对象，分析得出右半部分反力和倾覆力矩如下表2。表2 右半部分反力和倾覆力矩表节点编号106110倾覆力矩反力4128.5(KN)4529.4(KN)(KN.m)图6 整体计算模型图则该工况下的钢梁抗倾覆安全系数为：抗倾覆力矩/倾覆力矩/=1.939>1.3。满足规范要求。如果计算所得抗倾覆系数小于1.3，则要增加压重，因此需经过反复计算，最后得出最佳的压载方案。6 压重方案的确定6.1 压重量的确定要综合考虑各种因素，既要保证抗倾覆系数>1.3的规范要求，也要保证边墩的反力不超标（边墩反力不超过1200吨），还要考虑边跨钢梁应力不超标，另外要为临时墩脱空以及扣索索力调整等一系列后续工作进行综合考虑。经过反复计算，得出各个阶段下压载量如下表3。表3 各个阶段下压重量表压载阶段临时节间临时节间1#、2#节间1#、2#节间下层配重量（吨）上层配重量（吨）下层配重量（吨）上层配重量（吨）边跨7#节间100边跨8#节间100边跨9#节间100边跨11#节间90边跨12#节间100中跨19#节间100中跨26#节间70中跨27#节间310中跨28#节间85300中跨29#节间385中跨30#节间70370中跨31#节间360中跨32#节间380中跨33#节间245145中跨34#节间450中跨35#节间460合计10551055105510556.2 压载说明（1）根据设计要求压载区域上下层桥面每桁每延米压重不得大于25t，均匀分布在上下层桥面压载区域。（2）压载顺序为先下弦、后上弦、先临时、后永久。具体为先压临时1#、2#节间下层，后压1#、2#节间下层，再压临时1#、2#节间上层，最后压1#、2#节间上层。（3）每阶段加载为单侧（北岸）压载，单侧总压重4220吨，全桥总压重8440吨。总体配重方案表中并没有考虑分配梁，实际压重应予考虑。南岸侧压载和北岸侧相同。仅仅抗倾覆系数比北岸略大一点。6.3 各工况下抗倾覆系数在以上压载量作用下，各个工况下钢梁抗倾覆系数如下表4：表4 各个阶段下抗倾覆安全系数压载阶段抗倾覆系数压载阶段抗倾覆系数边跨4#节间2.275中跨23#节间1.72边跨5#节间1.357中跨24#节间1.565边跨8#节间3.275中跨25#节间1.443边跨9#节间1.939中跨26#节间1.347边跨12#节间4.855中跨27#节间1.311边跨13#节间2.616中跨28#节间1.31114#下弦杆1.95中跨29#节间1.31边跨14#节间1.302中跨30#节间1.308中跨17#节间7.546中跨31#节间1.308中跨18#节间4.772中跨32#节间1.307中跨19#节间3.419中跨33#节间1.309中跨20#节间2.602中跨34#节间1.307中跨21#节间2.065中跨35#节间1.307中跨22#节间1.887从表中看出，抗倾覆系数最小为中跨35节间架设时，为1.307，但整个过程中抗倾覆系数都大于1.3，满足规范要求。7 边支点反力情况从表3可以看出，随着钢梁的往前架设，压重量越来越大，在保证了抗倾覆要求的同时，边支点反力也将增加，在边跨压重作用下，根据计算得出个工况下边支点反力如下表5。表5 各个阶段边支点反力表工况反力（KN）工况反力（KN）边跨12节段1988.3中跨18#节段8460.3临时节段6333.2中跨19#节段10150.3边跨3节段5115.8中跨20#节段9948.5边跨4节段4315.5中跨21#节段9730.6边跨5节段3153.4中跨22#节段10319.5边跨6节段3269.5中跨23#节段9269.3边跨7节段3718.2中跨24#节段8087.5边跨8节段2941.7中跨25#节段6982.8边跨9节段6002.5中跨26#节段6419.1边跨10节段5583.7中跨27#节段7135.5边跨11节段6193.8中跨28#节段7750.2边跨12节段6755.7中跨29#节段8057.7边跨13节段6216.2中跨30#节段8529.6边跨14节段10365.7中跨31#节段10967.0中跨15节段8902.9中跨32#节段9180.0中跨16节段8795.6中跨合龙11756.5中跨17#节段8632.5从表5中可以看出，在主拱合龙时边支点反力最大，为11756.5KN，乃小于12000KN，满足要求。在施工全过程中边支点反力均小于12000KN。8 主桁结构应力情况下表6中给出了主拱合龙时边跨最大应力杆件应力情况。从表中看出，边跨最不利杆件为E3E4和A10A11，其中E3E4实测为-228.4MPa，A10A11实测为204.7MPa，但都小于施工容许应力。其施工容许应力为根据铁路桥梁钢结构设计规范（TB 10002.2-2005）根据不同材质不同板厚下的屈服应力/1.7(安全系数)×1.2(钢梁安装主力提高系数)计算所得。并且实测应力和理论应力基本相符。表6 主拱合龙时边跨杆件应力表杆件编号实测应力（Mpa）理论应力（Mpa）材质施工容许应力（Mpa）E3-E4-228.4-221.8Q370qD-250.6E5-E6-187.5-182.5Q370qD-250.6E8-E9-123.1-121.6Q420qD-282.4A8-A9136.1132.5Q370qD250.6A10-A11204.7197.5Q420qD282.49 配重的拆除根据施工方案，在主拱合龙后，就开始拆除配重。拆除配重要注意：（1）拆除时不平衡配重：上下游控制在30吨以内；南北岸控制在100吨以内。（2）在配重拆除过程中，要密切注意南北边支点反力，使其反力不能出现负反力。（3）在配重拆除过程中，要密切观测主桁杆件应力情况，以及主桁几何状态情况，确保主桁结构的安全。为此，拆除配重分两步：（1）主拱合龙后：拆除1、2临时节间和1、2临时节间上下层配重。（2）刚性系杆合龙后：拆除1、2永久节间上下层配重。实测数据表明，拆除配重过程中，主桁杆件应力均小于施工容许应力，主桥几何状态也无异常发生。主桁结构处于安全状况。10 结束语重庆朝天门大桥是世界最大跨径钢桁架系杆拱桥，采用架梁吊机悬臂吊装架设施工法。其中跨悬臂长度为世界同类桥梁最大悬臂长度。在施工过程中，确保大桥的抗倾覆稳定安全性至关重要。为平衡悬臂施工过程中的倾覆力矩，采用在边跨边支点附近压重施工方法。通过建立施工有限元模型，对施工不同阶段进行分析，得出不同阶段下的压重量，确保整个过程中的抗倾覆稳定系数满足规范要求。计算压重量时要考虑的因素有：（1）压重量的大小要保证抗倾覆力矩/倾覆力矩>1.3；（2）要注意压重量的顺序：先临时节间压载后永久节间压载，先下层压载后上层压载；（3）压载的同时要保证边支点反力和主桥结构应力不能超标。实践证明，朝天门大桥压重施工方案的制定和实施是成功的。在大跨径桥梁施工过程中利用标准混凝土块作为压重的方法简洁易行，压重块便于制作、吊装，并容易控制压重量的大小和调整压重分布，从而实现控制意图。朝天门大桥压重施工方案确保了朝天门大桥整个施工过程的稳定安全性和大桥的顺利建成，也为同类桥梁施工提供了宝贵的参考。参考文献：1 中华人民共和国行业标准.铁路桥梁钢结构设计规范（TB10002.22005）S.铁道部，2005年6月14日.2 中交第二航务工程局.朝天门大桥主桥上部施工方案Z，2006年5月.3 陈绍番.钢结构M.中国建筑工业出版社，1988.4 孙海涛.大跨度钢桁架拱桥关键问题研究D.同济大学，2006年12月.专心-专注-专业