（土木工程专业论文）大跨径钢管砼拱桥拱肋吊装施工技术的研究.pdf

大跨径钢管砼拱桥拱肋吊装施工技术的研究摘要近年来我国桥梁建设迅速发展，大跨径钢管混凝土拱桥以其优美的造型和合理的结构，在工程中得到了大量的应用。越来越多的钢管混凝土拱桥的施工采用千斤顶钢绞线斜拉扣挂法，并快速发展到采用定长扣索法进行拱肋的施工。这种吊装的旌工方法，须精确计算扣索力，确保桥梁在成桥后的结构受力和线形满足设计要求。文章在广泛收集大跨径钢管混凝土拱肋吊装施工的已有资料的基础上，探讨了千斤顶斜拉扣挂法施工的特点，总结和比较了目前常用的合理扣索力计算方法；对空钢管劲性骨架的无支架缆索吊装方法进行研究，总结得出了定长扣索法施工的优点和一般计算模式，以及优化设计的思路和计算理论，多重优化的计算方式等。结合巫峡长江大桥、黄山太平湖大桥、湖南茅草街大桥等三座特大钢管混凝土拱桥为例，对钢管混凝拱桥拱肋千斤项斜拉扣挂法施工中的合理扣索力的计算进行了分析，对定长扣索法的计算及优化设计方法进行了深入的研究。以合理拱轴线为e l 标函数的优化计算模型得到的预抬高值，对拱轴线的控制均达到了很好的效果，由此可见，定长扣索法施工在确定钢管拱肋吊装的合理成拱状态方面是行之有效的。关键词：钢管混凝土拱桥拱肋吊装合理拱轴线定长扣索法优化设计3s t u d yo na r c hr i bh o i s t i n gm e t h o do fl a r g e s p a nc f s ta r c hb r i d g ea b s t r a c t1 1 l el a r g e - s p a nc f s ta r c hb r i d g ei sw i d e l ya p p l i e dd u et oi t se l e g a n ta d p e a r a n c ea n dr e a s o n a b l es t r u c t i o nw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fb r i d e g ec o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r yi nr e c e n ty e a r s j a c kc a b l ei n c l i n e dp u l l i n g a n db u c k l i n gm e t h o di sa d o p t e df o rt h ec o n s t r u c t i o no f m o s tc f s ta r c hb r i d g e s ，w h i c hi sr a p i d l yd e v e l o p e di n t oi n v a r i a b l ec a b l em e t h o dm e t h o dl a t e r p r e c i s ec a l c u l a t i o no fp r o p e rb u c k l i n gf o r c ei sn e e d e di nt h i sh o i s t i n gm e t h o dt om a k es u r et h a tt h es t r u c t u r a ls t r e s sa n dg e o m e t r yu n d e rb r i d g ec o m p l e t es t a g ec a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，b a s e do nc o m p r e h e n s i v ec o l l e c t i o no fe x i s t i n gr e s e a r c hd o c u m e n t so fr i bh o i s t i n gm e t h o do fl a r g es p a nc f s ta r c hb r i d g e ，t h ee h a r a c l e r so f c a b l eh o i s t i n gm e t h o di sa r m l y z e da n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o df o rp r o p e rb u c k i n gf o r c eu s e df r e q u e n t l ya tp r e s e mi sg e n e r a l i z e da n dc o m p a r e di nt h i sp a p e r t h er a ws u p p o r tc a b l eh o i s t i n gm e t h o df o rt h ec o n s t r u c t i o no fe i 呐s t e e it u b ei ss t u d i e da n dc m c u l a t m nm e t h o da n da d v a n t a g eo f i n v a r i a b l ec a b l em e t h o d ，c a n l e u l a t i o nm e t h o da n dt h e o r yo f m u l t i p l eo p t i m i z a t i o ni sp u tf o r w a r d t h ew u j i a n gb r i d g e ，h u a n g s h a nt a i p i n g h ub r i d g ea n d eh u n a nm a o e a o j i eb r i d g ea r et a k e na se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n di sa d o p tt oa n a l y s i so fc a l c u l a t i o no fp r o p e rb u c k l i n gf o r c eo fj a c kc a b l ei n c l m e dp u l l i n ga n db u c k l l i n gm e t h o du s e di nc f s ta r c hb r i d g e ，s t u d yo fc a c u l a t i o na no p t i m i z a i o nd e s i g no fi n v a r i a b l ec a b l em e t h o d c a m b e ro fc o n s t r u c t i o nc a c u l a t e df r o mo p t i m i z a t e dc a c u l a t i o nm e t h o da d o p t e dp r o p e ra r c h a x i sa so b i e c tf u n c t i o ns o l v e sc o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fa r c ha x i se f f e c t i v e l y s oi n v a r i a b l ec a b l em e t h o di se f f e c t i v ei nh o i s t i n gc f s ta r c hr i bt op r o p e ra r c ha x i s k e yw o r d s ：c f s ta r c hb r i d g e ，r i b - h o i s t i n g ，r e a s o n a b l ea r c ha x i s ，i n v a r i a b l ec a b l em e t h o do p t i m i z a t i o nd e s i g n4图2 - 1图2 - 2图2 3图4 - 1图4 2图4 - 3图4 - 4图4 5图4 - 6图5 一l图5 - 2图5 - 3图5 - 4图5 5图5 - 6图5 - 7图5 - 8图5 - 9图5 - 1 0图5 一1 1图5 - 1 2图5 - 1 3插图清单广州丫髻沙大桥竖转加平转施工示意图一8主缆悬挂法施工示意图“9缆索吊装千斤顶斜拉扣挂系统l o合理扣索力计算图示1 9扣索、背索单元处理2 0扣索索力计算2 1拱肋吊装分析的倒退分析示意图2 3控制索力计算图示2 5扣索力与预抬高计算流程图2 7重庆巫山巫峡长江大桥3 4重庆巫山巫峡长江大桥千斤顶斜拉扣挂法施工3 5重庆巫山巫峡长江拱肋吊装施工3 6拱肋各特征阶段高程偏差示意图3 7湖南益阳南县茅草街大桥4 l茅草街大桥拱肋斜拉扣挂吊装施工过程示意图4 2茅草街大桥拱肋吊装示意图主拱肋吊装过程的结构计算模型4 3各扣索随施工阶段的应力变化4 6各扣点随施工阶段的位移变化4 6太平潮大桥4 7太平湖大桥铜陵岸索塔4 9太平湖大桥拱肋吊装5 0附表清单表1 - 1 世界钢管混凝土拱桥排名表( 至2 0 0 6 年) 2表4 1 常规缆索吊装法时每一个吊装阶段的调索次数1 8表5 - 1 南岸拱肋各工况偏差情况汇总表3 7表5 2 各典型工况最大偏差情况表3 8表5 - 3 扣索索力情况3 9表5 4 茅草街大桥斜拉扣挂法设计指标表5 5表5 - 6表5 7表5 8表5 - 9茅草街大桥优化计算的初始扣索应力4 4最优化解的扣索应力和扣点的竖向位移4 4茅草街大桥合理扣索优化计算目标函数最优时的设计变量4 4第三步最优化解的扣索应力和扣点竖向位移4 5各号扣索应力最值及差值比较4 6表5 - 1 0 扣索倾角表表5 一1 1 主拱肋由刚体转动引起的预抬高度5 0表5 1 2 拱肋控制点预抬高值5 1表5 1 3 主拱肋总的抬高值与有限元计算结果比较5 l表5 - 1 4 铜陵岸各施工阶段扣索力及配索5 2独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金毽王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期；p 一7 年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盒a 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权金匿王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：签字日期：o ? 年6 月i 阳2导师签名：签字日期；电话：j ，f 一；“7 卯7邮编：z ，和3fn q雅致谢本论文是在我尊敬的导师蔡敏教授的悉心指导和督促下完成的。蔡老师知识渊博，经验丰富，和蔼坦诚，平易近人，治学态度严谨求实，让学生深深敬佩。硕士求学期间。蔡老师在学习、做人和生活上的教导和帮助，令我终生受益。借此机会，向蔡老师致以深深的敬意和衷心的感。求学期间，还得到刘雪萍老师和杨树萍老师的指导和帮助，安徽省交通投资集团的曹光伦老师在论文写作方面的帮助，在此表示诚挚的感谢!研究生学习和论文写作过程中，得到了土木工程学院系诸位老师的指导和帮助，得到了我的同学王常才的帮助，在此深表感谢!在职求学期间，还遇到了许多良师益友，感谢给予我帮助的老师，感谢所有帮助过我的同事们，感谢所有一起共同学习过的同学们! 借此机会还要感谢在背后默默支持我的父母和家人!最后，感谢评阅本篇论文和出席论文答辩的各位专家教授在百忙中给予我的指导!作者：王洁2 0 0 7 年5 月2 6 日1 1 钢管混凝土拱桥发展概况第一章绪论拱桥是我国公路上采用极为广泛的一种桥梁体系，拱桥的桥型千姿百态，在城市和风景区的桥梁设计中往往成为首选。由于拱桥体系受力合理，外形美观，从而在桥梁方案比较中经常占据有利位置，我国在大跨径拱桥的施工方面处于世界先进行列，在世界跨径超过1 0 0 米的拱桥中，我国占有的数量超过了三分之一。近年来，钢管混凝土技术得到了较大发展，在房屋建筑和桥梁建设中应用越来越广泛。该技术的主要特点是在钢管内填充混凝土，使钢管和混凝土在受力方面实现优势互补：钢管借助于其内部的混凝土稳定性得以增强；而内部的混凝土由于处于二向受压状态而使自身的强度得以提高。钢管的套箍作用克服了混凝土的脆性，同时混凝土在钢管内增强了钢管的稳定性和结构的整体刚度，大大提高了混凝土的塑性性能，比之钢结构和混凝土结构用在受压构件中具有的巨大优越性。钢管混凝土具有强度高、塑性好、耐高温、耐瘸蚀、抗冲击性能好等优点。它不仅在力学方面性能优越，而且在施工中钢管具有较大的刚度和强度，可以作为施工的临时支架和模板，同时由于内填砼，只有外表面需要防腐，防腐面积减少了一半，钢管混凝土的防耐火性由于内填了混凝土而钢结构和钢筋混凝土结构更加优越，由于钢管混凝土各个方向上的强度相同，因此具有较好的耐冲击性和动力性能。钢管混凝土与钢结构相比，在保持自重和承载力基本相同的条件下，可以节省钢材5 0 左右，并可以减少大量的焊接工作，提高结构的耐火性、动力性和稳定性。钢管混凝土应用于拱桥有两大类，一类是钢管外露的，钢管以参与结构受力为主，同时也是施工过程中支架和浇筑管内混凝土的模板，另外一种钢管以施工受力为主，同时也参与成桥受力，成桥过程先合拢钢管骨架，然后浇筑管内混凝土形成钢管混凝土劲性骨架，再将钢管混凝土作为埋置式拱架浇筑外包混凝土，形成主拱圈。利用钢管或是随之形成的钢管混凝土作为劲性骨架减少了钢材用量，减轻了骨架重量o “。国内钢管混凝土在桥梁工程中开始得到研究和应用是在2 0 世纪8 0 年代。1 9 9 0 年1 0 月建成首座钢管混凝土拱桥四j | | 省旺苍县东河大桥，跨度1 1 5 m ，拱肋由上下2 根钢管2 8 0 0 o m m 组成哑铃形断面，内灌c 3 0 混凝土。此后，在1 0 余年时间内，钢管混凝土拱桥在我国得到迅猛发展，全国各地大量地建成了采用钢管混凝土的大跨度拱桥，属于钢管内填混凝土的钢管混凝土拱桥有：l 、1 9 9 5 年竣工的广东省南海三山西大桥，为中承式拱桥，l = 2 0 0 m ，两端各带1 个4 5 m 的上承式半拱，主跨拱肋由4 根中o 7 5 m 的钢管混凝土组成1 8 3 5 m 的四边形组合截面，用预应力钢绞线作为系杆，平衡主拱与边跨的不平衡推力，开创了在软土地基建造大跨度拱桥的先例。2 、1 9 9 3 年竣工的浙江省新安江望江大桥，为3 跨中承式钢管混凝土拱桥，主跨l = 1 2 0 m ，主跨拱肋为2 吐, 9 0 0 ( 1 2 1 6 ) i i e l 钢管混凝土组成哑铃形截面，截面高2 m ，q 3 4 5 钢，内灌c 4 0 混凝土，首次采用钢管变厚度的办法来减小主跨拱脚处的水平推力，并利用边跨来平衡此推力。3 、1 9 9 6 年建成的长江三峡工程3 座公路拱桥一黄柏河大桥、下牢溪大桥和莲沱大桥，跨度分别为1 6 0 m 、1 6 0 m 和1 1 4 m ，它们是属于多拱肋上承式拱桥，每片拱肋皆采用2 个钢管混凝土组成的哑铃形截面。4 、2 0 0 0 年建成的广州丫髻沙大桥，主跨3 6 0 m 的钢管混凝土中承式拱桥，该桥首次选用6 管式拱肋截面，每肋由6 0 7 5 0 m m 钢管混凝土组成，由横向平联板、腹杆连接成为钢管混凝土桁架，其中内侧、外侧钢管为中7 5 0 x 1 8 m ，中间钢管q b 7 5 0 x 2 0 n m ，钢管间的横向平联板总厚5 0 0 m ，内、中、外3 根钢管通过平联板形成能共同受力的类似肋扳式的结构，上下排钢管间通过( p 4 5 0 1 2 m及中3 5 1xl o m m 的腹杆组成稳定的空间结构，沿拱轴采用变高等宽截面。5 、2 0 0 5 年建成的巫峡长江大桥，是一座主拱净跨达4 6 0 m 的钢管混凝土中承式拱桥，拱肋拱顶截面高7 m ，拱脚截面高1 4 m ，肋宽4 1 4 m ，每肋上下各2根中1 2 2 0 x 2 2 ( 2 5 ) t o n i 、内填c 6 0 混凝土，钢管混凝土上弦杆，下弦杆通过横联钢管中7 1 1 x 1 6 m 和竖联钢管由6 1 0 吐) 1 2 m m 连接而构成钢管混凝土桁架。该桥的修建刷新了钢管混凝土拱桥的世界记录，它是钢管混凝土在拱桥中应用的一个新的里程碑( 表卜1 ) 。6 、2 0 0 5 年建成的还有黄山太平湖大桥是主桥净跨3 3 6 m 的中承式钢管混凝土提篮拱，桥宽为3 0 8 米，主桥长为3 5 2 米；湖南茅草街大桥是主桥净跨3 6 8 m中承式钢管混凝土系杆拱桥，其中两边跨半拱为变截面钢筋混凝土箱形拱，近年来建成的还有武汉江汉三桥( 主跨2 8 0 m ) 、广西三岸邕江大桥( 主跨2 7 0 m ) 等多座大跨钢管混凝土拱桥。钢管内填外包型的钢管混凝土桥有四川内江新龙坳大桥、广西邕宁邕江大桥、江西德兴太自桥、四川盐源金河雅砻江大桥、攀枝花倮果金沙江大桥和万县长江大桥等，其中最著名的是重庆万县长江大桥，l = 4 2 0 m ，桥面总宽2 4 m 的上承式拱桥，采用了l o 根钢管组成空间桁架，吊装成拱后，向管内灌c 6 0 混凝土，然后挂模板浇筑混凝土，是迄今为止全世界跨度最大的以钢管混凝土为劲性骨架的公路拱桥。自从第一座钢管混凝上拱桥建成以来，在这短短的2 0 多年时间里，我国建造了近2 0 0 多座跨度不一的钢管混凝土拱桥，该类桥梁在我国得到长足发展，不但数e l 逐渐增多，跨度也不断增大。表卜l ：世界钢管混凝土拱桥排名表( 至2 0 0 6 年)1 2 钢管混凝土拱桥的特点( i ) 跨度适应能力强。中国幅员辽阔，地形复杂，江河山谷众多，需要建造跨度各异的桥梁。实践证明，钢管混凝土拱桥在1 0 0 4 0 0 m 以内具有很强的适应性和竞争力。( 2 ) 承载能力大，施工快捷。钢管混凝土利用内填混凝土增强管壁的稳定性，又利用钢管对核心混凝土的套箍作用，使钢管混凝土的优越性能得到充分发挥，具有很高的抗压强度和抗变形能力，非常适合以偏心受压为主的拱桥。施工时，钢管充当很好的模板，无需额外的脚手架和模板，又起到劲性骨架的作用。另一方面，桥梁基坑开挖、基础与混凝士浇筑、钢管加工、吊杆制作、横梁和桥面板预制可同时进行，模块化程度高，节省了施工工期，与同等跨径的其它体系桥梁相比，可节省工期3 0 以上。( 3 ) 地基适应能力强。钢管混凝土拱桥可根据不同的地质条件和桥位断面，设计威有推力的拱桥( 上承式和中承式拱) ，也可设计成无推力的系杆拱桥。2( 4 ) 造型优美。优秀的桥梁建筑，除实用的功能外，还应是一个高雅的建筑艺术品，成为一个城市的地标，如举世闻名的美国旧金山大桥、悉尼港的钢拱桥。钢管混凝土拱桥犹如一道靓丽的彩虹横跨大江两岸，配合恰当的灯光设计，令人赏心悦目；随着城市对桥梁审美的提高，近些年还出现了一些造型新颖的异型拱桥，异型拱一般为偏态的竖或斜轴平行的斜吊杆，其受力形式和正态拱基本一致，如福建福清长盛异型拱桥。( 5 ) 有较成熟的施工技术作支撑。中国是建造拱桥最多的国家，经过长期的探索，已掌握了成套的施工技术，如无支架缆索吊装法，转体施工法。前者配合千斤顶由高强钢绞线做扣索，具有索力和拱轴线型控制精度高，突破了只适用于5 段以内的限制，能用于多节段拱肋吊装；后者的平转和竖转技术已成功地用于多座钢管混凝土拱桥的安装。( 6 ) 大直径钢管( 中1 0 0 0 以上) 卷制工厂化，使钢管生产规模更大，速度更快，质量更有保障，这些都有力地促进了我国钢管混凝土拱桥的发展。1 3 问题的提出和本文主要研究内容1 3 1 问题的提出近十几年来，钢管混凝土拱桥在我国得到了广泛应用。钢管混凝土拱桥在建筑上造型美观，但是跨径达到3 0 0 m 以上的钢管混凝土中承式系杆拱桥是最近几年才大量修建的，大跨度钢管混凝土拱桥主拱圈是一种自架设体系结构，它与其他如斜拉桥的自架设体系桥梁不同，结构的线形和应力不能在成桥后再作调整，也不能像连续梁桥或连续刚构桥，节段标高在浇筑阶段可做调整，钢管混凝土拱桥在整个施工过程中轴线调整非常有限。而不同的施工方法、材料性能、施工( 加载) 程序又直接影响成桥后的线形和受力，同时施工现状与设计的假定总存在差异，必须结合具体施工方式，精确合理的计算，确保桥梁在成桥后的结构受力和线形满足设计要求。具不完全统计，近几年我国大跨径钢管混凝土拱桥的施工7 0 以上采用无支架缆索吊装法，后来又发展到千斤顶钢绞线斜拉扣挂法。千斤顶斜拉扣挂架设方法解决了大跨度拼装拱桥节段扣索系统操作复杂、拱轴线难于控制等难题，具有使用机具少、施工时间短、扣索钢绞线用量少并可回收使用，缩短了工期、节约了成本，经济效益显著，应用前景广阔。在大跨度钢管混凝土拱桥的节段施工中，通常吊装节段重量控制在3 0t 7 0t ，吊装节段数量一般在5 段以内。当拱桥跨度增大时，由于吊装节段重量的限制，使得吊装节段数增多，怎样在多节段拱肋吊装施工中确定合理的扣索力，使得最后合拢的拱肋满足设计要求的合拢精度，并使桥梁达到一个合理的成桥状态，成为拱桥吊装技术中的一个新的问题。目前国内外学者在钢管拱桥缆索吊装合理扣索力的计算方面做了大量的研究，提出了如数学解析法、零位移法、定长扣索法等一系列计算方法。尤其是千斤顶钢绞线斜拉扣挂法中的定长扣索法由于其具有施工简便、控制精确、施工工期快等优点，更是得到了越来越广泛的运用。正如著名桥梁学家弗莱西奈氏曾说过“l o o m 和1 0 0 0 m 的拱桥在设计方面难度相差不大，而施工方面的差别就非常悬殊”。因而大跨度钢管混凝土拱桥施工方法的发展、创新在不断提高我国拱桥施工技术的同时，也极大促进了我国钢管混凝土拱桥的发展。1 3 2 本文主要研究内容如上所述，针对目前大跨径钢管混凝土拱桥缆索吊装施工方法的现状，本文结合工程实桥一重庆巫山长江公路大桥、安徽黄山太平湖大桥、湖南南县茅草街大桥中采用的定长扣索法计算扣索力的拱肋施工工艺，对千斤顶斜拉扣挂法中定长扣索法的计算及优化等进行了相应的研究。主要内容如下：( 1 ) 对大跨径钢管混凝土拱桥拱肋安装技术的发展进行了介绍，探讨了施工工艺发展过程中各种施工方法的特点和面l 临的问题，着重介绍了大跨径钢管混凝土拱桥中千斤项斜拉扣挂法的施工特点。( 2 ) 介绍了目前常用的几种扣索力计算方法，对合理扣索力的计算进行了详细说明，论述了千斤顶斜拉扣挂法中定长扣索力法的应用和优点，。( 3 ) 基于优化理论计算合理扣索力以及对大跨径多节段钢管混凝土桥拱肋弹塑性变形充分考虑，提出了优化钢管拱肋拱轴线形的合理扣索力的思想，以及对预抬高度调整的杆件预抬量计算的全面考虑。( 4 ) 以重庆巫山长江公路大桥、安徽黄山太平湖大桥、湖南南县茅草街大桥为工程背景，介绍了定长扣索力法在当前钢管混凝土施工工艺中的广泛运用，并提出了扣索力计算中存在的问题。42 1 概述第二章钢管砼拱桥上部结构施工技术中国是拱桥的故乡，历史上修建过难以数计的各种类型的拱桥，古代的赵州桥、卢沟桥等举世闻名，目前仍在使用。解放后，又因地制宜地建造了许多石拱桥，2 0 世纪6 0 年代，为解决大跨度拱桥施工支架问题，首创了无支架缆索吊装技术，采用“分整为零、合零为整”的施工方法，大大推进了我国拱桥的建造技术；8 0 年代，又提出了转体施工法建设拱桥，并将跨度推进到2 0 0 m 。然而，随着桥梁跨度的不断增大，常规的钢筋混凝土拱桥，因受到吊装重量和节段数量的限制，形成了跨度与吊装重量的突出矛盾，限制了大跨度拱桥的进一步发展。钢管混凝土拱桥成功地克服了上述矛盾，一经出现，就得到迅速发展。拱桥在我国是具有传统文化特色的桥梁结构形式，当今世界大多数的大跨径钢管混凝土拱桥均由我国修建，国内拱桥施工工艺的发展和研究远远大于国外，要解决钢管混凝土拱桥的施工问题，一是要提高材料的强度，二是要使主拱圈本身成为自架设体系。而钢管混凝土拱桥的出现为解决以上问题提供了可能，并具备了更大的跨越能力，我国桥梁专家周念先教授认为“可以把6 5 0 m 作为第一目标，待有了成功经验后再向1 0 0 0 m 前进”。可以预见，钢管混凝土拱桥有可能使拱桥的最大跨度达到甚至超过斜拉桥。因此具有传统文化和技术特色的钢管混凝土拱桥将在我国会有较好的发展前景。钢管砼拱桥的施工方法主要根据结构形式、跨径大小、建桥材料和具体桥址等具体情况，结合方便、快捷、经济、迅速等原则确定的，钢管砼拱桥的施工方法主要可以分为非自架设法和自架设法，按多个施工阶段现浇或拼装起来，在这些施工阶段的运输和架设均以已完成的结构部分作为支撑体系，直到全桥上部结构施工的完成m “，。2 1 1 非自架设法唧非自架设法则是借助临时的施工设施成桥的方法，主要有支架、吊装和转体等方法。( 1 ) 支架法即在支架上现浇或拼装的施工方法，适用于小跨径、不通航或通航要求不高，水深较浅等施工条件；( 2 ) 吊装法是指利用吊装设备将预制好的桥梁上部结构吊装成孔的施工方法，除在深水河流或近海中采用大型浮吊吊装外，一般使用于较小跨径的桥梁中；( 3 ) 转体施工法是将桥跨的施工从河流转移到岸上，然后竖转或平转到桥轴线处合拢，适应的拱桥跨径较大。随着桥跨的增大，非自架设法施工需要的临时设施和临时架设设备的费用上升很快，从经济合理上考虑，自架设法成为大多数拱桥施工优先选择的施工方法。2 i 2 自架设法嘲自架设法在拱桥中相对于支架法，又称为无支架施工法，而钢管砼拱桥的施工方法本质上是结构单元不断增加的自架设方法，主拱圈的截面不断形成，截面中先后施工的材料先后受力，施工加载的顺序对施工过程和成桥受力有很大影响，国内早期在拱桥无支架施工中主要采用缆索吊装法，但是缆索吊装的能力一般在3 0 - - 4 0 吨，最大吊装能力在7 0 吨左右。国外早期采用的无支架施工方法是劲性骨架法施工又称为埋置拱架法、米兰法等，劲性骨架具有较大的强度和刚度，在施工中起到临时支架的作用，承担现浇砼的自重，骨架埋设于混凝土中，旆工后不予以拆除，拱圈混凝土达到强度后，在后续的施工过程和成桥后的受力中，劲性骨架又作为结构的一部分，采用此法旋工的跨径最大的桥梁是西班牙的e s l a 桥，跨径2 1 0 米。自架设法施工的关键主要有三点，一、先期架设的部分强度要高，而且能为后续施工的结构提供强有力的支撑；二、架设过程中的受力和成桥后的受力情况应尽量接近，这样施工中的临时设施费用和临时增加的施工需要的材料就会减少；三、自架设体系先架设部分先受力，后架设部分后受力，因此结构要有受力自行调整的能力或是能构借助外力调整内力的方法。自架设方法按结构形成的步骤分为三类，一类是构件增加法。如悬臂施工，通过悬臂单元不断增加形成增加结构整体；第二类是截面增大，如劲性骨架法；第三类是混合法，在成桥的过程中既有构件的增加又有截面的增加。目前，大跨度钢管混凝土拱桥安装施工常采用无支架成拱技术，主要方法有悬臂施工法、缆索吊装法等。2 2 钢管混凝土拱桥主要施工方法简介钢管混凝土拱桥的施工本质上结构单元不断增加，主拱圈截面不断形成，截面先后施工的材料先后受力的自架设法，在1 0 0 米以内的跨径的钢管混凝土拱桥一般将钢管分为三段，吊装重量一般只有一二十吨，采用浮吊，汽车吊均可以进行施工，边段采用扣索扣住。超过百米跨径后，常用的架设方法主要是缆索吊装和转体施工。跨径超过2 0 0 米的桥，由于吊装节段重量的限制，一般节6段数量均在7 段以上，主要架设采用千斤顶斜拉扣挂法结合主缆悬挂法进行施工，现代桥梁的设计发展迅速，钢管混凝土桥梁设计越来越美观，跨径也越来越大，当跨径增大，骨架节段多、质量大时，缆索吊装由于具有跨越能力大，水平和垂直运输机动灵活，适应性广，施工比较稳妥方便等优点，在应用于钢管混凝土拱桥的施工后，极大促进了该类桥型的发展，同时，采用了一些新的技术和施工工艺，也使自身有了更多的改进和创新，形成了适合钢管混凝土拱桥施工特点的施工技术。2 2 1 悬臂施工法m 1悬臂施工法是受预应力混凝土梁式桥的悬臂施工法的影响面发展起来的，国外修建钢筋混凝土拱桥时常用，我国应用并不广泛。悬臂施工法主要有悬臂浇筑法、悬臂拼装法、悬臂斜吊法等。7 0 年代日本在一些拱桥的施工中采用了拱脚段采用悬臂施工，拱顶段采用劲性骨架的组合施工方法，缩短了混凝土结构长度，减轻了悬臂的重量，悬拼或吊装中段的劲性骨架，形成拱结构，最后现浇中间段的混凝土，形成主拱圈，这种组合方法耗用钢材数量大为减少，具有较好的经济性，日本在1 9 8 1 年施工的跨径2 0 4 米的佐宇川桥，1 9 8 9 年施工的跨径2 3 5 米的别府明矾桥均采用了悬拼及劲性骨架的施工方法。1 9 8 0 年建成的南斯拉夫克罗地亚克尔克岛上的k r k 大桥跨度3 9 0 m ，采用了悬臂拼装法；日本的外津桥，跨度1 7 0 m ，采用了悬臂浇筑法；南非的b l o u k r a n s桥，跨度2 7 2 m 采用了悬臂扣挂法等。我国采用悬臂拼装的最大跨径拱桥为贵州江界河大桥，跨度为3 3 0 m 。悬臂施工法解决了大跨径拱桥无支架施工的问题，但由于成桥后拱的受力是受压力为主的压弯结构，因此悬臂施工时只能将拱作为施工过程悬臂的下弦，需要有较多的临时设施，主要是大量临时受拉构件作为悬臂的上弦，相对我国国情，费用较高，所以应用并不广泛。2 2 2 转体施工法转体施工法是将拱圈分为两个半跨在两岸制作，通过转体合拢的一种施工方法。拱圈做竖直旋转合拢的称为竖向转体施工法，拱圈绕拱座做水平旋转合拢的称为平面转体施工法。竖向转体施工法是在竖向位置利用地形或塔支架浇筑拱肋混凝，然后再从两边逐渐放倒预制拱肋搭接成桥的施工方法。跨径6 0 m 的i 四j l l 杨家沟桥，主跨2 3 5 m的徐州京航运河钢管混凝土提篮拱，都是是采用这种施工方法。当跨径增大之后，竖向转动不易控制，因此竖向转体法一般只在一些中小跨径的拱桥中使用。平面转体旌工法是我国首创的施工方法，根据是否采用平衡块来防止转体过程中的倾覆，又分为平衡重转体和无平衡重转体。跨度2 0 0 m 的箱形拱桥重庆涪陵的乌江大桥，采用了无平衡重的双箱对称同步转体施工方法。主跨1 3 0 m 的钢管混凝土劲性骨架刚架拱江西太白桥、主跨1 6 0 m 的上承式钢管混凝土拱桥黄柏河大桥和下牢溪大桥均采用了平转法施工。钢管混凝土拱桥与钢筋混凝土拱桥相比，其转体质量是钢管骨架，因此比钢筋混凝土拱桥轻很多，近年来转体施工方法在钢管混凝土拱桥施工中也得到广泛应用与迅速发展，在转体质量、施工工艺、施工方法等方面均有新的突破。竖转法、平转法都有采用，而且还出现了竖转与平转相结合的施工方法，转体重量也有了极大的提高，转体施工技术己进入新的发展阶段。1 9 9 5 年安阳文峰路1 3 5 m 的钢管混凝土拱桥首次采用竖向转体与平面转体结合的施工方法，1 9 9 9年1 0 月广州丫髻沙大桥也采用此法顺利合拢。该桥的转体重量达1 3 6 8 5 t ，采用了岸上立架拼装拱肋，然后竖转加平转，合拢成拱的工艺方法施工，取得我国的桥梁转体施工技术上的重大突破。图2 - 1广州丫髻沙大桥竖转加平转施工示意图但转体施工法并不属于自架设方法；当跨度很大时，转体的质量很大，转体施工工艺复杂，转盘圬工量大，此种施工方法无法实现钢管混凝土拱桥跨径上的更大突破。2 2 3 缆索吊装法”呻1缆索吊装施工方法是大跨度拱桥实现自架设施工的主要方法之一，也是我国修建大跨度拱桥的主要方法之一，近几年得到了广泛的应用。采用安装大跨径拱桥主拱肋缆索吊装的主要有：四j f i 宜宾钢筋混凝土箱拱的马鸣溪金沙江大桥( 主跨1 5 0 m ) 、福建南平钢管混凝土拱桥的玉屏山大桥( 主跨l o o m ) 、广东南海佛陈大桥( 主跨1 1 2 8 m ) 、三山西大桥( 主跨2 0 0 m ) 、1 9 9 7 年建成重庆万县长江大桥( 主跨4 2 0 m ) 、2 0 0 4 年建成的重庆巫山巫峡长江大桥( 主跨4 6 0 m ) 、2 0 0 6 年建成的湖南茅草街大桥( 主跨3 6 8 m ) 、2 0 0 3 年建成的中承式钢管混凝土拱桥上海卢浦大桥( 主跨4 6 0m ) 、2 0 0 6 年建成的黄山太平湖大桥( 主跨3 3 6 m ) 等等。缆索吊装应用于钢管混凝土拱桥的施工后，促进了该类桥型的发展，同时，也使自身有了更多的创新，形成了适合钢管混凝土拱桥施工特点的施工技术。由于大跨径钢管混凝土系杆拱桥的钢管拱肋节段多、重量大，因此国内桥梁建设者们不断探索创新，采用了一些新技术对传统的缆索吊装工艺进行了改进和创新，现阶段缆索吊装法应用于钢管混凝土拱桥主拱肋施工的主要有主缆悬挂法、千斤顶斜拉扣挂法两种施工方式。2 2 3 1 主缆悬挂法1 9 9 5 年建成的广东南海三山西大桥为我国首座跨径超过2 0 0 m 大关的钢管混凝土拱桥，其钢管拱肋采用缆索吊装法架设。除两岸靠近拱脚的4 段采用斜拉扣索固定外，其余1 3 段均采用悬索桥式缆索吊装就位，单段最大吊重为4 9t为增大钢管拱肋吊装和灌注管内混凝土时的刚度，缆索系统设置了悬挂钢管拱肋的主缆。每段钢管拱肋吊装后，按先后顺序悬挂在承重主缆上，因此，每一段拱肋的吊装，对已经悬挂在主缆上的拱肋段的坐标值都有影响，施工计算时，应考虑各节段拱肋和悬挂系统受几何非线性的影响。图2 - 2主缆悬挂法施工示意图主缆悬挂法，如图2 - 2 所示，拱肋吊装至拱轴线位置后，主要由悬索固定拱肋位置；主缆悬挂法的缆索吊装设备主要由主索、工作索、塔架和锚固装置等四个基本部分组成。其中主要机具包括主索、起重索、结索、扣索、塔架( 包含索鞍) 、地锚( 地垅) 、滑轮、电动卷扬机、手摇绞车和千斤项等。主索为施工体系主要的构件，亦称为承重索或运输天线。它跨越桥墩，支撑在两端塔架的索鞍上，两端锚固于地锚。调运构件的行车支撑于主索上。主缆悬挂法需在施工时对主缆受力和垂度进行精确控制，一般在施工控制计算时采用前进分析法确定主缆最终的受力状态，以及各段拱肋吊点位置的坐标。9然后再用倒退分析法确定各段拱肋在吊装时的吊点抬商量，目的是使最后一段拱肋吊装到位时，其他各拱肋段均在设计坐标值的位置附近，以便使拱肋合拢时，调整各段坐标值的工作量最小，并使成桥后的拱轴线与设计拱轴线相吻合。2 2 3 2 千斤顶斜拉扣挂法1 9 9 2 年开工的广西邕宁邕江大桥，是一座首次采用了千斤顶斜拉扣挂法施工的钢管混凝土劲性骨架钢筋混凝土中承式拱桥。千斤顶斜拉扣挂法实现连续浇注拱肋拱箱混凝土，较好控制整个浇注过程中结构的应力和变位，解决了多节段施工带来的一系列问题。“。图2 - 3缆索吊装一千斤顶斜拉扣挂系统千斤顶斜拉扣挂法，如图2 3 所示，拱肋吊装至拱轴线位置后，主要由扣塔固定拱肋位置。2 3 本章小结本章通过对钢管混凝土拱桥上部结构施工技术的发展的回顾，介绍了拱桥结构及旌工工艺发展过程中采用的自架设和非自架设法的两类方法进行了分类和介绍，全面系统介绍了现阶段大跨度拱桥的主要施工方法悬臂施工法、转体施工法和缆索吊装法的施工工艺、适用范围及存在的问题。1 03 1 概述第三章大跨径钢管拱千斤顶斜拉扣挂法由于大跨径钢管混凝土系杆拱桥中，钢管拱肋节段多、重量大，因此在传统的缆索吊装施工方法上进行了改进和创新，采用了一些新的技术和施工工艺，形成了适合钢管混凝土拱桥施工特点的施工技术。采用主缆悬挂法对拱肋拱曲线型控制难度大，控制目标难以实现，所以主缆悬挂法主要适用于拱段较少的吊装施工中，目前对于大跨度钢管混凝土拱桥的施工主要采用千斤顶斜拉扣挂法，与其他拱桥的施工方法相比，千斤顶斜拉扣挂架设方法具有使用机具少、施工时间短、扣索钢绞线可回收使用，同时扣索力分布比较均匀，应用范围不断扩大，前景十分广阔。在钢管混凝土拱桥的节段施工中，通常吊装节段重量控制在3 0t 7 0t ，吊装节段数量一般在5 段以内。现阶段大跨度拱桥的跨度均大于2 0 0 m ，3 0 0 m 以上的跨径的应用也越来越广泛，随着跨度增大，吊装节段数量一般均大于7 段，必须在多节段拱肋吊装施工中确定合理的扣索力，才能使得最后合拢的拱肋满足设计要求的合拢精度，达到一个合理的成桥状态。3 2 千斤顶斜拉扣挂法近年来，千斤顶斜拉扣挂理论进一步发展，过去钢管混凝土主拱肋施工中经常采用的松索后合拢，也迸一步改为合拢后松索，这种变化解决了多节段合拢的安全问题，从而解决了增大跨径需同时增加缆索吊装系统吊装重量的问题。3 2 i 千斤顶斜拉索塔系统和扣挂系统千斤顶斜拉扣挂法一般由索塔系统和扣挂系统两部分组成。索塔系统包括主塔、悬索、锚索；扣挂系统包括扣塔、扣索、锚索。3 2 1 i 索塔系统在实际施工中，斜拉扣挂法常和主索悬挂吊装法组合起来应用，这种方法可增加大桥合拢前期主拱拱肋节段的稳定性和拱轴线调控的方便，确保整个吊装过程中的安全性，因此将主索塔架和扣索塔架的缆索系统与扣索系统两者功能、构造基本相同，目前的趋势是将塔架与扣架结构合二为一，进行整体结构设计，实现索塔系统的塔架与扣塔系统的塔架一体化嘲1 。3 2 1 2 扣挂系统扣挂体系由每一吊装节段的钢绞线扣索、扣塔架基础、扣塔架、拱肋扣点结构、扣塔上扣索鞍结构、吊装节段侧向浪风索、扣索地锚和扣索锚固张拉端结构共同组成。扣挂体系是无支架缆索吊装系统中最复杂，施工控制环节最多的一个体系，扣挂体系的设计受到地形、地质、节段重量和数量等多方面因素的影响，其受力计算结果将决定扣点结构、扣索鞍、扣塔架基础、扣塔架、扣索地锚、扣索锚固钢横梁等结构的设计，也影响到拱肋节段、横撑结构的安装顺序和施工工期，并与钢拱肋安装精度和施工安全息息相关。因此扣挂系统的设计必须综合考虑各种相关影响因素。3 2 2 千斤顶斜拉扣挂法施工顺序和施工要点3 2 2 1 施工的顺序( 1 ) 拼装塔架、设置主缆和地锚等，并在预制拼装现场进行主拱肋节段的预制拼装；( 2 ) 将预制拼装构件转送至缆索吊装系统下方，由起重机行车系统起吊牵引至指定位置；为了使先吊装的基肋在合拢前保持在一定位置，每吊装一片拱肋，即用扣索临时固定；( 3 ) 吊装从一孔桥的两端向中间对称进行，在最后一节即合拢段吊装就位后，对各段拱肋进行轴线调整，使各接头位置达到设计标高后，放松吊索并将各接头调整合拢；( 4 ) 最后将所有的扣索撤除，浇注钢管内混凝土。3 2 2 2 施工要点( 1 ) 主拱肋吊装合拢要拟订正确的施工程序和施工细则，并严格按照既定施工方案执行；( 2 ) 对于大跨度钢管混凝土系杆拱桥，优先采用双基肋或多基肋合拢；基肋和基肋之间必须紧随拱肋的拼装及时进行焊接或i 临时连接定位；( 3 ) 端段拱肋吊装就位后，除上端用扣索拉住外，还应在左右两侧设置对称风缆牵住，避免拱肋的左右摆动：中间段拱肋就位时，应当缓缓释放吊索，施工务必将各接头顶紧，避免简支搁置和冲击等。3 2 3 千斤顶斜拉扣挂法优点2 0 0 4 年建成的重庆巫山巫峡长江大桥( 主跨4 6 0 t a 的中承式钢管混凝土拱桥)和湖南南县茅草街大桥( 主跨3 6 8m 的中承式钢管混凝士拱桥) 、2 0 0 5 年建成的黄山太平湖大桥( 主跨3 3 6 m 的中承式钢管混凝土拱桥) 均采用了千斤顶斜拉扣挂法施工，目前这种施工方法得到越来越广泛的运用。相比其他的大跨径拱桥施工方法，此法具有以下一些优点1 ：( 1 ) 能够较好的解决大跨径拱桥多节段拼装、扣索系统操作复杂、拱轴线难于控制、施工风险大等问题。( 2 ) 施工设备上使用机具较少、施工时间短、扣索钢绞线可回收、经济效益较好。( 3 ) 该技术设备简单、轻巧、安全、可靠，操作方便，悬拼过程稳定性好，合拢精度高、快捷的优点，3 0 0 m 左右跨径的桥，拱肋悬拼合拢时间不超过两个月，这是其他施工方法难于实现的。( 4 ) 克服了传统的卷扬机钢丝绳斜拉扣挂系统设备过多、拉力大、调整困难、施工难度大等弱点，较好的解决了卷扬机钢丝绳拼装架设法存在的问题。采用强度高、承载力大、延伸量小、变形稳定的钢绞线作为扣索，减小了架设过程中的不稳定非弹性变形。( 5 ) 千斤顶张拉系统利于斜拉索加卸拉力、收放索长，同时具有张拉能力大，控制精度高，索力调整和控制灵活，锚固可靠等优点。( 6 ) 连续浇注混凝土的施工技术对钢骨架拱肋进行调载，能将拱肋混凝土浇注过程中出现的结构内力和变形控制在目标函数内。与过去的调载方法比较，变加载为减载，提高了施工的稳定性，并可以重复使用悬拼骨架的设备，节约了投资，同时大大提高了旌工的进度。( 7 ) 吊装节段在数量上不受限制。传统的缆索吊装一般是分5 段或是7 段吊装。对于大跨径拱桥来说，由于吊装重量的限制，节段的数量会有所增加，传统的缆索吊装无法满足。多节段( 多于五段) 拱肋在悬拼过程中，除拱脚采用铰接外，其余各段之间可以采用固结，最后形成一个一端铰接、多点扣挂、相邻拱肋设横向永久横联的多次超静定的空间结构。采用钢绞线斜拉扣挂悬拼技术，容易利用扣索对拱肋进行标高和内力的调整，合拢采用合拢后松索技术，使合拢的难度与拱肋分段吊装的段数无关。3 2 4 千斤顶斜拉扣挂法存在的技术问题嘲在拱肋的悬拼施工中，除最后吊装的跨中拱肋节段外，已吊装就位的各拱肋节段均受以后吊段的影响。因此要求控制整个拱肋吊装施工过程，主要工作是提供各拱肋节段吊装时吊点标高的预抬值；控制的目标是使拱肋在合拢后各控制点标高满足设计要求，最终使成桥后的拱轴线形与设计拱轴线形相吻合。( 1 ) 采用千斤项斜拉扣挂技术进行施工，在整个悬拼架设的过程中，每扣挂一段即与上段固接，克服了传统卷扬机滑轮组合拢技术中多铰稳定性差的缺陷，并使拱桥的合拢难度与分段多少无关，但也对拱桥的施工控制提出了更高的要求。在传统的拱桥合拢技术中，各段拱肋问采用铰支连接，扣索索力可以实时调整，结构的可变性比较大。而千斤顶斜拉扣挂技术中拱肋间采用固定连接，在整个悬拼过程中，扣索索力不宜经常调整，因此每段拱肋吊装施工前，都应对吊点标高的预抬高值、扣索的索力有一个准确的计算估计，并且比传统的计算要求更高。( 2 ) 采用于斤顶斜拉扣挂技术进行施工，另一个技术问题就是拱肋的合拢精度。传统的拱桥合拢都采用松索合拢的方式，即把各拱肋段抬高，待最后一段拱肋吊装上去后再按比例、多次循环放松扣索，以便向最后一段肋靠近、碰上、合拢；而新的合拢方式为合拢后松扣索，即将长度缩短了的最后一段拱肋就位并与两端悬挂拱肋固结后再松索成拱。最后一段预留拱肋的长度，将影响拱肋合拢后的拱轴线形。( 3 ) 影响拱肋悬拼精度的因素有很多，如温度变化、制作误差、非弹性压缩、拱肋固结点的变形等各种因素，有必要对这些因素进行分析研究，为拱桥的施工控制计算提供理论上的指导依据。3 2 5 斜拉扣挂施工分析的主要技术难题及国内外研究现状。”( 1 ) 安装过程拱轴线控制难度大。在拱肋的悬拼施工中，除最后吊装的跨中拱肋节段外，己吊装就位的各拱肋节段均受以后吊段的影响。因此，拱肋吊装施工控