钢管混凝土提篮拱桥施工控制要点.doc

钢管混凝土提篮拱桥施工控制关键技术摘要：以我国已建成的最大跨度270m的钢管混凝土提篮拱桥三门口跨海大桥北门桥为背景，通过对施工控制中一些关键技术的研究，着重对拱肋横向预偏，横梁一次定位，温度效应等分析，优化了拱肋线形与内力，提高了施工控制精度。 关键词：钢管混凝土提篮拱桥 施工控制 温度效应 横向预偏 一次定位 图1北门桥总体布置图第 11 页1概述三门口跨海大桥位于浙江省象山县石浦镇西南约15公里处的三门口地区，连接石浦镇与高塘岛，是石浦港的西口门。三门口跨海大桥北门桥主桥采用中承式钢管混凝土提篮拱桥，其主跨为270m,矢高54m，矢跨比1/5，拱肋轴线为悬链线，拱轴系数1.543。大桥拱肋向内倾80，拱肋构造采用节间为4m的N形桁架形式，上下弦共采用4根¢80m，肋宽2.4m。在该桥施工过程中对构造的应力与线形进展了全过程的监测与监控。2、拱肋吊装1现阶段施工控制中桥梁构造的计算方法主要包括：正装分析法、倒装分析法与无应力状态分析法。在大跨度桥梁构造的施工控制中，虽然正装计算法、倒装计算法与无应力状态计算法都能用于各种形式的桥梁构造分析，但考虑到三门口地区8月台风期前必须撤除缆索吊系统，而且海边风大，钢铰线易锈蚀等原因，必须用一种时间短，平安性高且少张拉索的方法来指导拱肋吊装。于是我们采用一次张拉到位的控制思想对其进展施工过程分析与计算。该方法的主要思路是扣索与背索只在当前安装的拱段上张拉，合龙时也不需调整索力，就可使拱肋线形与应力到达理想期望值。该方法采用后，不仅节约了工期，而且还加强了扣索系统的平安性。由于主拱肋的钢桁架全部是预制构造，各节段的长度、位置与线型均已确定，在拼装过程中只要1号节段的拼装标高与扣索的安装索力一旦确定，节段与节段之间依靠螺栓连结，节段之间拼装的尺寸不能改变，因此在计算时采取了一次形成最大悬臂的虚拟构造来模拟拼装构造的方法2：即在吊装1号节段时，也将其它的钢桁构件(除合拢段外)按设计线型全部安装上去，但是不计这些单元的自重，从而形成了一个虚似的构造，节段的自重在安装该节段时再计入，应用这种方法处理就可以很方便的计入前节段的施工对后面待施工节段的标高的影响，并且通过确定合理的扣索力来保证主拱上各结点的位移与目标值接近。另外，扣索受力行为表现在自重作用下自由变形，其弹性伸长量较大，而实际施工中，由于扣索采用千斤顶张拉受力，其弹性伸长量被千斤顶拉出消除在扣架的锚固端外，因此变形值二者并不吻合，为模拟实际状态中扣索弹性伸长量被消除的状态，在计算时将扣索刚度加大很大使其弹性变形较小。1温度效应拱肋吊装时以合龙温度为基准温度，但拱肋吊装需要几十天才能完成，吊装准确定位时无法都在统一的温度场下确定，所以我们必须考虑温度对预抬量的影响。设为温度改变量，为钢铰线线膨胀系数, 扣索端会相应变化。可得钢铰线的改变量3： 1扣塔标高的改变量： 2 拱肋的改变量： 3 式中:扣索索长； 背索索长； 扣塔高；拱肋长度。图2温度对预抬影响计算模式图2温度影响决策分析系统4根据北门桥现场施工控制需要，建立了如下图的温度影响决策分析系统,利用该温度决策分析系统，使得在任何环境温度下都可以进展拱肋吊装就位。拱肋安装时，平行拱一般只需要控制每段拱肋的标高与轴线就能够较好地控制线形以及横撑安装定位。通常我们所说的预抬一般是指标高预抬,对于非整体式吊装的提篮拱不仅要考虑控制点的三维坐标，还需要考虑拱肋的横向预抬，即需要考虑拱肋的横向预偏。不妨设第段预抬量为，那么横向偏位为，横撑准确定位前横撑重量已经由拱肋承当，相当于拱肋上作用一个集中力从而使标高低降,同时横向偏位也变小，那么我们在吊装拱肋时就应该通过横向预偏： 4式中：拱肋倾角8。图4横向预抬计算模式图预偏的过程可以根据实际施工与允许的条件来确定，如果横向预偏量很小，可以在拱肋吊装定位时直接通过缆风索预拉调整。如果横向预偏量较大时，缆风索无法调整时，那么我们可以在横撑定位时，由于标高低降使缆风索适当放松，再次通过其调整；同时还可以利用千斤顶横向预顶拱肋来完成横向偏位的调整。从而使成桥后拱肋横向坐标趋近于成桥横向设计坐标。这样不仅对横向偏位较好的控制，而且对于拱脚受力有明显的改善。在实际施工过程中，缆风索主要是对吊装的拱肋起到稳定作用，其预拉也是有条件的，对拱肋横向偏位调整是很有限的。如果预抬量较大，横向偏位亦大，一旦无法调整横向偏位到理想值，就会对横撑安装造成很大的困难，影响拱肋的受力性能。因此在吊装过程中必须严格控制每段拱肋的预抬高角，接合本桥实际情况，转角范围为,即标高预抬不能太大，本桥最大的预抬不到20cm,实际横向预偏只有2cm，是比拟好控制的。 2.4弹性压缩由于拱肋制作采用无应力下料,理想状态下不计弹性压缩。而吊装时却存在其自重与扣索索力对其产生的弹性压缩,水平方向的弹性压缩主要是扣索索力产生的。有的合龙段设计预留量不大，如果弹性压缩太大,无法在正常情况下合龙，那么只有牺牲一定的线形合龙。索力过大，松索后对于拱的受力是不利的。有关文献5认为各扣索的水平分力的合力最好接近于无应力空钢管自重下拱顶的轴力。在拱肋吊装中一般都遵循宁高勿低的原那么，但也不是越高越好，索力与转角都不宜过大，否那么会因小失大。合拢温度合拢是拱桥施工过程中最关键的工序，合拢温度的修正也是必须要注意的问题，不仅要修正线形，还要考虑其内力的调整。在南方的夏天是不可能在设计院提供的合拢温度下合拢。从几何关系来讲, 合拢拱轴线的温度修正是比拟简单的；但从受力角度出发,我们必须考虑以后降温时拱顶的内力影响。利用内力调整手段及时调整内力,一般的做法是顺桥向预顶拱肋下弦管,让其储藏一定的压力, 合拢后相当于储藏了一定的负弯矩,同时对于标高的调整也起到了一定的作用。降温时，抵消了拱顶的一局部正弯矩，使合拢后拱构造的内力与设计模式吻合。在主拱合拢，拱脚封固变无铰拱，去扣索后，此时的上、下拱肋的应力值与标高要接近空钢管无铰拱自重作用下的应力值与标高。本文通过对从拱脚往拱顶松索与从拱顶向拱脚松索的不同顺序计算说明，两者差异不大。松索需遵循拱肋标高偏差较大时应兼顾先松偏高处扣索的原那么，这样可以利用拱肋自重调整拱肋轴线标高，使其与设计值更趋吻合。由于本桥实际中拱顶偏低，拱脚偏高，所以我们用千斤顶从拱脚往拱顶逐级松开，每次可按1/4扣索索力松扣，而且两岸对称、分批、同步进展。一般情况下保存缆风索，有的还保存适量的扣索，对于后续工况混凝土的灌注时标高与横向偏位的适当调整起到了一定的作用。3灌注混凝土钢管混凝土的灌注最好是对称同时两根管灌注，由于工地条件与场地的限制，八根管只能一根根灌，这样对于监控精度的要求更高了。不少文献对灌注混凝土的顺序进展了研究，有的认为先灌上面好，有的认为先灌下面好，有的认为没有什么影响等，目前还没有一个统一的优化顺序，本文通过先上后下与先下后上两种情况进展了模拟计算，计算说明区别不大。由于本桥为“提篮式构造，在灌注过程中存在单侧受力将向另一侧侧倾的问题，计算分析结果是单侧灌注到拱顶后，拱顶侧向位移3cm多。由于侧向位移的产生后，在灌注另一侧时不可能完全恢复，因而在完成上下游对称两管混凝土灌注之后，反过来先灌注另一侧混凝土，这样可以使得拱顶侧向位移最终得以根本纠正。本文ANSYS建模采用beam188单元，利用其可以建立组合截面的优点，并采用重叠单元与单元生死相结合的技术，较好地模拟了钢管混凝土共同受力。在灌混凝土的工况中只计入混凝土的重量而不计入其刚度，而在下一个工况即混凝土凝固后，那么计入上工况只计重量的混凝土的刚度。另外为了监测与预防混凝土的脱空现象，在拱脚处钢管肋埋置了应变计，可以即使反映其应力与温度的变化。图5全桥ANSYS模型4安装吊杆4.1横梁一次定位法横梁一次定位法是指横梁安装在吊杆上时，就一次性确定好定位标高，这与吊杆与横梁的安装顺序有关，主要是后安装的横梁及其桥面系对以前己安装的横梁处的标高有影响造成的，设后续横梁、桥面系等工序对第号横梁的变形累计影响为为易于表述，以下所有变形量均以向下为正，其中不包括第号横梁本身以及前期横梁等重量的影响，那么第号横梁的一次性定位标高为： 5变形累计影响可以写成线性方程：= 6其中:-横梁设计标高；-第j根吊杆产生单位竖向力时对第i号节点的位移影响量； 第根吊杆产生的单位竖向力。温度分析安装吊杆横梁已经是夏天，钢构造外表温度高达40多度，计算说明温度变化20度横梁标高最大变化5.5cm,显然这个变化是不容无视的。考虑到安装吊杆横梁时，整个属于可变体系，不好分析。那么不妨简化计算，将拱肋，吊杆，横梁分开考虑。假设温度变化，将已经安装的吊杆横梁等效重量作为集中力加在拱肋的上吊点上，对于超静定构造拱肋的位移变化可以通过有限元程序易得标高变化；吊杆本身温度引起的变化量是可以手算的；由于横梁与吊杆是铰接，那么我们可以认为横梁就是一片简支梁，不难算出其端点的内力竖向力，此内力的反力就是吊杆产生的竖向力，那么吊杆竖向力的变化量为： 7式中：不考虑温度时吊杆竖向力。从而可得吊杆竖向变化量。可见，温度对其标高的影响量为： 8考虑温度后横梁定位标高为： 95结语目前北门桥已经顺利完工，通过对施工控制中一些关键技术的研究，得到以下主要结论:1提出了横向预抬的思想，此法适合应用于非整体式吊装的提篮拱桥；2一次张拉到位与横梁一次定位的方法对于拱桥的受力有明显改善，防止了反复调整的复杂性，节约了工期。3分析了温度在施工中的影响，建立了温度影响决策分析系统，为施工的顺利进展提供了保障。4混凝土的灌注以及混凝土的脱空是十分复杂的，在施工监控中还不能完全依赖理论计算，同时笔者认为混凝土的刚度变化取值也是一个值得研究与探讨的问题。5由于北门桥位于海上，抗风稳定分析与防腐也是本桥的重点与难点。参考文献：12李学文,颜东煌等.AungZaYa桥的施工受力状态优化国外桥梁.2001.No33谢肖礼,赵国藩,胡安妮,邹存俊.钢管混凝土施工过程中考虑温度效应的预抬高量二阶分析.45表2拱肋横向预偏量单位:mm索号施 工 阶 段123456合拢合计实测12 -1 0 0 0 1 -1 1 2 24 -3 -2 1 2 -1 2 3 37 -5 0 3 -4 0 2 413 -6 4 -11 0 2 516 5 -19 2 -1 620 -21 -1 -1 注：合计为理论计算与设计线形偏差值，实测为实测与设计线形偏差值。