大跨度悬索桥落梁法成桥施工技术研究

大跨度悬索桥落梁法成桥施工技术研究

摘要：大跨度悬索桥的落梁法成桥施工具有施工周期短，施工机具占用少，施工费用低等特点，特别适用于大跨度自锚式悬索桥桥的施工。结合长沙市三汊矶大桥的施工，对落梁法的施工技术控制要点进行了研究；运用数值方法拟合出了钢箱梁的顶升曲线，从而确定中跨的4个临时墩顶升量值，利用数值方法对加劲梁顶升和落下的施工全过程进行模拟，以各临时墩的起顶安全性、钢箱梁的应力及变形安全性作为控制指标，确定了分级顶升的次数和每次的起顶量等施工的控制性数据。根据这些具体施工控制数据圆满完成了三汊矶大桥的落梁成桥施工。
　　关键词：自锚式悬索桥；落梁法；数值方法；起顶量；施工技术
　
　　
　　1前言
　　
　　悬索桥由于其自身的美观和经济性在大跨度桥梁建设中得到了广泛应用，其中的自锚式悬索桥由于不需要建设巨大的锚锭，且其桥型优美在大跨城市桥梁建设中开始得到广泛的应用。
　　
　　2自锚式悬索桥施工流程
　　
　　大跨度桥梁的分段施工时都要经历一个结构体系的转换过程，体系转换过程前后两个不同结构体系的受力特点和变形特点均不相同，但最终将转化成永久的结构体系-成桥状态[1]。
　　自锚式悬索桥由于其自身固有的特点，其上部结构的施工顺序为：先采用顶推、分段预制吊装或支架现浇方法施工悬索桥的加劲梁，在主塔及加劲梁均施工完成后进行主缆的安装，然后进行吊索安装，最终完成全桥的体系转换。自锚式悬索桥的体系转换过程，通常采用张拉吊索法来完成[2-3]。张拉吊索法通过在安装吊索的过程中不断调整吊索的连接长度从而使加劲梁的恒载作用逐渐转移由主缆承受，通常张拉吊索法需分三级进行，且需对每根吊杆进行张拉调整，因此施工作业周期长，对于施工机具的占用多，且施工费用较高。落梁法则依靠进行加劲梁施工的临时墩先顶升加劲梁，然后无应力安装所有吊索，最后一次落梁形成体系。显然，落梁法与张拉吊索法相比具有施工周期短，施工机具占用少，施工费用低的优点。
　　本文结合长沙市三汊矶大桥的施工情况，对一次落梁法成桥的施工技术中需要进行控制的施工参数进行了研究和探讨，对落梁法进行体系转换的施工技术的发展应用具有参考价值。
　　
　　3三汊矶大桥落梁法施工情况
　　
　　3.1 三汊矶大桥工程简介
　　三汊矶湘江大桥是湖南省长沙市二环线上跨越湘江的重点工程。该桥的主跨为五孔的双塔双索面自锚式悬索桥，其总体布置示意见图1；主孔跨径328m，两边孔132m，两次边孔70m。成桥状态矢跨比：中跨为1/5，边跨为1/10.6。加劲梁型式为单箱五室扁平闭口钢箱梁，采用Q345d钢。全桥箱梁分标准梁段、索塔附近区段、主锚锚固段及压重节段。吊索与主缆连接方式为上下销接式，吊索在钢箱梁上的锚固采用通过锚拉板的销接连接。显然，吊索的这种连接方式最为简单，但无法进行吊索的张拉施工，因此无法应用张拉吊索法进行体系转换。
　　
　　3.2 三汊矶大桥临时墩跨径布置
　　在三汊矶大桥施工期间，为了满足湘江的通航要求，结合考虑标准钢箱梁的重量（约200t），对钢箱加劲梁采用多点连续顶推方法使其到位，考虑到顶推钢箱梁施工中的安全性和经济性，全桥设置了6个临时墩（编号依次为LSD1～LSD6），其跨径布置见图1。根据滑道布置情况，横桥向设置了2个单独的临时墩，其中心距为22.8m。每个临时墩采用4根Φ1.5m钻孔桩作为基础，再用4根Φ1200×12mm钢管接长至设计标高，4根钢桩之间通过型钢、节点板连接成整体共同受力。为了进行加劲钢箱梁的起顶，在钢桩顶先设置横桥向分配梁，然后分配梁顶设置纵向滑道梁，分配梁及滑道梁均采用钢板焊接制作。在滑道梁两侧设置起顶牛腿，以便在钢箱梁被顶推就位后，可起顶较大高度来安装吊杆。
　　
　　3.3 三汊矶大桥的落梁法施工简介
　　对于三汊矶大桥，待全部钢箱梁按照成桥线型标高顶推施工就位后，通过起顶中跨的LSD2-LSD5这4个临时墩顶上事先设置好的顶推滑道，根据空缆与成桥主缆线形的变化情况，将加劲钢箱梁沿竖向起顶一定的高度，使得吊索能在无应力状态下安装就位，待全部吊索安装完成后，逐步落梁至各梁段的成桥设计标高，使主缆和吊杆共同承受原本由4个临时墩承受的钢箱梁荷载，以达到完成体系转换的目的。
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　　起顶时11、12号墩钢箱梁竖向位置不变(事先在压重梁段上压重)。因临时墩支反力较大，若采用千斤顶直接顶升钢箱梁，则在滑道与箱梁结合部位处易产生应力集中而造成钢箱梁局部屈曲变形，故可通过起顶滑道梁上、下游两侧设置在分配梁位置的钢牛腿(每一滑道梁设4个)来起顶滑道梁，进而起顶钢箱梁，然后在无应力状态下安装吊杆，安装完毕后再逐步落梁。起顶过程中在滑道梁与分配梁之间加设钢垫块，以逐步将钢箱梁起顶到设计位置（钢垫块高度根据实际情况确定）。对每一滑道梁采用4台千斤顶，每2个千斤顶共配1台油泵，以尽量做到同步均匀地起顶滑道梁。
　　
　　4三汊矶大桥落梁法成桥的施工过程仿真分析
　　
　　4.1钢箱梁起顶施工过程仿真分析模型
　　施工技术方法确定后，必须考虑具体施工过程中的控制操作流程，而决定操作流程的是结构安全性，包括各临时墩的起顶安全性、钢箱梁的应力及变形安全性等。为此建立施工过程的仿真分析模型，以确定每一顶升点的顶升量、顶升分级数及安全稳定性等，从而能够。运用大型通用有限元分析软件建立平面非线性有限元仿真模型，图2为离散仿真分析模型。
　　
　　4.2钢箱梁起顶点起顶量的确定
　　在钢箱梁起顶施工过程中，处理的关键在于对各起顶点起顶量的确定。由于主缆自由悬挂状态与成桥状态的索夹节点存在一定的竖向位移差，各吊索的设计长度又是确定的，所以这意味着对钢箱梁起顶量的确定至少需要满足这种竖向位移差的变化要求，同时，还要兼顾钢箱梁顶推后实际线形与理论线形间的误差、主缆安装误差、温度影响修正及桥面施工荷载的影响。通过数值分析方法，以理想化的顶推完成线形作为钢箱梁无应力线形，进行钢箱梁的起顶仿真分析，得到了主跨内4个临时墩（LSD2～LSD5）起顶量值的3个参考方案，见图3。
　　4.2.13种顶升量方案下临时墩的支反力分配
　　通过仿真计算模型，得到了3种不同起顶方案下各个临时墩的支反力（见表2）。分析表1，可看到方案3中LSD1，LSD6的支反力已超过了临时墩的设计承载力（1740t），不宜采用。
　　4.2.2 起顶点起顶量的确定
　　通过分析图3，可看到：在方案2中，4个临时墩的起顶量与中跨各吊索节点空缆与成桥状态标高差比较符合，且可以含括施工中部分误差因素对吊索无应力连接带来的影响，因此，选择方案2中的顶升量值(顶升量值:LSD2～LSD5依次为0.84，1.50，1.40，0.66m)作为实际的顶升控制数据。</P< p>

4.3 钢箱梁顶升的操作流程安全性及可行性分析
　　4.3.1 临时墩的安全性分析
　　当4个临时墩各自总的起顶量确定后，需要根据顶升用的千斤顶的行程确定顶升的级数，以及每级各顶升点的顶升控制量等实际施工控制性数据。在确定这些控制性数据时，必须保证起顶施工中各支承墩(临时墩和永久墩)的反力及钢箱梁的应力水平必须控制在允许范围内，因为这些均与起顶量的大小密切相关。为此，需要建立施工阶段仿真分析模型来确定顶升分级数以及每一级起顶量。经过多次模型试算分析发现：当采用15级均匀分级顶升施工时，即使发生个别临时墩顶升量不同步的情况，所引起的支墩反力也不会超过设计承载力，此时临时墩在施工中处于安全状态。分析结果见表2。
　　4.3.2 钢箱梁的安全性分析
　　起顶前钢箱梁最大正弯矩为58372KN·m，最大正应力为33.15Mpa；最大负弯矩为-84911 KN·m，最大拉应力为41.12Mpa。在起顶方案2中，最大正弯矩为173236KN·m，最大正应力83.89MPa；最大负弯矩为-238337KN·m，最大拉应力为115.41MPa。另外，LSD2～LSD5之间钢箱梁段均承受负弯矩，形成大范围的底板压应力区段。分析比较顶升前后，可发现钢箱梁的应力水平成倍增长，但依然在许可应力范围之内。
　　当中跨钢箱梁顶起后，根据数值分析可知：靠近两主塔范围边跨的6个梁段(约60m长)会产生一定程度的下沉，下沉量最大约为70mm，不加调整的话，会对边跨的吊杆安装造成一定的困难。在实际操作过程中，可以对两边孔内LSD1与LSD6这两个临时墩进行适当的起顶，以满足边孔吊杆安装的需要。
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　　4.3.3 顶升梁的可行性分析
　　对安全性的分析表明：采用顶升梁法吊杆安装形成体系的方法是可行的。但在实际操作过程中，要注意：①起顶前要对临时墩的稳定承载力进行认真校核；②起顶施工中千斤顶起落梁时尽量沿桥纵向，使4个临时墩同步均匀进行以确保安全。
　　
　　5结语
　　
　　自锚式悬索桥需先行完成加劲梁的施工，因此可以采用落梁法完成体现转换。而落梁法进行体系转换的施工方法的核心是确定适合的加劲梁顶升量以及确定安全的顶升分级施工流程。在本问中，结合三汊矶大桥落梁法施工操作，介绍了顶升加劲梁而后落梁完成体系转换的具体操作过程。并通过具体的理论分析，介绍了确定顶升分级数和每级顶升量值，对每级顶升量下的各个临时墩和钢箱梁进行了安全性分析的施工安全分析技术方法。对于采用落梁法进行体系转换的施工技术的发展应用具有参考价值。
　　
　　参考文献：
　　[1] 郭耀君.分段桥梁施工分析与控制[M].北京：人民交通出版社，2003.
　　[2] 严国敏.韩国的永宗悬索桥[J].国外公路,1998,18(6)：16~18.
　　[3] 张元凯,肖汝诚, 金成棣.自锚式悬索桥的概念设计[J].公路，2002,(11)：46~48