沙湾特大矮塔斜拉桥关键技术研究(201106)

1、沙湾特大矮塔斜拉桥关键技术研究(201106) 沙湾特大矮塔斜拉桥 关键技术研究 建设单位：广州市东新高速公路有限公司 施工单位：路桥华南工程有限公司 设计单位：中国公路工程咨询集团有限公司 监控单位：华南理工大学科技开发公司 完成人：王荣辉 彭昌利 吴建峰 程咏春 廖顺山 2011年3月 沙湾特大矮塔斜拉桥关键技术研究 目录 第一章 绪论 . 1 第一节 工程概况. 1 第二节 研究意义、目的、内容. 3 第二章 沙湾大桥力学问题 . 6 第一节 概述. 6 第二节 塔、梁、墩固结处局部应力分析. 8 第三节 施工过程中及成桥阶段静力特性分析. 17 第四节 使用过程中静力特性分析. 33

2、第五节 结构体系参数对动力特性的影响分析. 45 第六节 主塔非线性开裂分析. 58 第七节 沙湾大桥动力分析. 64 第八节 斜拉索鞍座处主塔节段模型试验及斜拉索塔顶抗滑锚试验. 83 第三章 沙湾大桥设计问题 . 130 第一节 概述. 130 第二节 拉索和预应力筋的优化配置问题. 131 第三节 合龙顶推力优化计算与分析. 145 第四节 拉索设计方法研究. 150 第五节 总体设计方法的研究. 162 第四章 沙湾大桥施工问题 . 174 第一节 概述. 174 第二节 拉索施工工艺及应用. 174 第三节 宽幅挂篮设计方案. 184 第四节 索塔鞍座拉索的粘接性能的研究. 191

3、第五节 钢板桩围堰施工方案比选. 194 第六节 C60混凝土配合比的优化设计 . 195 第七节 施工过程中的三向预应力技术. 199 第五章 沙湾大桥监控问题 . 205 第一节 概述. 205 第二节 参数识别分析. 206 第三节 确定斜拉桥索力调整的实用计算方法. 211 第四节 收缩徐变对矮塔斜拉桥主梁挠度的影响. 216 第五节 索力测试与分析. 222 第六节 沙湾特大桥长期健康监测系统的构思和实现. 235 第七节 沙湾特大桥预拱度设置方法分析. 241 第六章 矮塔斜拉桥经济特性对比研究 . 247 第一节 概述. 247 第二节 连续梁连续刚构造价与跨径关系研究. 247

4、 第三节 斜拉桥造价与跨径关系研究. 249 第四节 矮塔斜拉桥造价与跨径关系研究. 253 第五节 矮塔斜拉桥经济跨径的确定. 255 第六节 本章小结. 256 I 第一章 绪论 第一章 绪论 本章摘要：本章主要介绍沙湾特大矮塔斜拉桥工程概况，沙湾特大矮塔斜拉桥关键技术研究意义、目的，并结合沙湾大桥的力学、设计、施工、监控与经济特点提出沙湾大桥关键技术研究的主要内容等。 第一节 工程概况 广州东沙至新联高速公路位于广州市荔湾区番禺区境内。沙湾特大桥是该高速公路上第S09标段工程，该桥跨越沙湾水道，桥轴线与河道交角约为90，河道全宽约480m，常水位时，河面宽约410m。沙湾水道通航等级为级

5、，单孔双向通航净宽不小于220m，净高18m；最高通航水位（20年一遇洪水位）4.414m；300年一遇洪水位5.114m；设计流量7890m3/s，相应设计流速2.78m/s。 本桥为双塔单索面斜拉桥，桥塔位于截面中间。桥宽为34m+0.5m（防撞栏）+15.25m（车行道）+0.25m+2.5m（桥塔）+0.25m+15.25m（车行道）+0.5m（防撞栏）。桥跨组成为：137.5+248+137.5m。公路等级为双向六车道，基本风压1000Pa，地震基本烈度度。 梁体采用单箱三室，单侧翼板长6.632米；梁高为3.858.35米，梁底按1.8次抛物线型变化Y1/1209.962796X1

6、.8。箱梁腹板采用斜腹板，腹板的厚度随着剪力的增大而从跨中向支点逐渐加大，箱梁边腹板厚度为60110cm，中腹板厚度为50100cm。箱梁顶板厚：0号块为24cm54cm，其他位置顶板厚24cm。为了满足支座布置及承受支点反力的需要，底板的厚度随着负弯矩的增大而逐渐从跨中向支点按1.8次抛物线型变化，厚度为30145cm。其中跨跨中断面形式见图1-1，支承横梁边的截面形式见图1-2，总体布置示意图见图1-3。主梁零号块长25m，标准节段长度为4m，全桥共设3个合拢段，其长度均为2m。 1 沙湾特大矮塔斜拉桥关键技术研究 图1-1 中跨的跨中截面 图1-2 支承横梁边的截面形式 图1-3 总体布

7、置示意图 主塔采用矩形断面纵桥向宽6m，横桥向宽2.5m。塔高35.65m，每个塔上共设有38对索。斜拉索为单索面，布置在中央分割带上。塔根附近无索区长度为43m，梁上索距为4m，塔上索距为0.8m。斜拉索采用环氧喷涂钢绞线无粘结预应力斜拉索，规格为43-S15.24。 主梁采用三向预应力体系。纵向预应力：钢束采用?j15.24低松弛预应力钢绞线，标准强度为1860MPa，弹性模量为1.9105MPa，公称面积为140mm2。预应力钢束采用真空吸浆工艺，管道采用与其配套的镀锌金属波纹管。纵向钢束采用大吨位锚。钢束为19?s15.24的钢绞线，均为两端张拉，张拉控制应力为1395MPa。 主墩采

8、用墩梁固结，主墩采用双薄壁墩，横桥向宽24.9m，纵桥向宽1.6m，墩静距4.8m。边墩为2个2.46.5矩形墩。 主桥结构采用主墩、主梁和主塔固结形式，边墩设竖向支座和横向限位块。 2 第一章 绪论 鉴于沙湾特大桥的特殊性（主梁宽度为国内同等桥梁中之最，跨径为在建和已见同类桥梁之最），对沙湾特大桥设计、施工、监控等方面的关键技术研究十分有意义。 第二节 研究意义、目的、内容 一、研究意义 纵观桥梁发展的历史，可以发现，促进桥梁技术进步的两大因素是材料的发展和计算能力的提高。工业革命后，高强钢材的应用使得桥梁跨径越来越大，而计算能力的提高表现在计算理论的完善和计算机技术的发展，二者的结合发展使

9、得复杂的桥梁结构分析成为可能；前者最为突出的表现是20世纪初期悬索桥就跨越了千米大关，后者最为突出的成就是使得复杂的高次超静定的组合结构桥梁如斜拉桥等结构得到普遍应用。材料和计算技术的进步，促进了各种新型结构的出现，同时带来了新的理论难题。 随着桥梁技术的发展，桥梁结构的两大趋势是十分明显的，其一是结构尺寸越来越轻薄，其二是在梁桥、拱桥、索式桥等基本桥型之间组合，发展成为一种组合体系。组合体系桥梁极大地丰富了桥梁造型。组合体系桥中比较有代表性的是拱梁组合体系、斜拉连续梁（刚构）体系等，其中矮塔斜拉桥就是介于斜拉桥和连续梁(刚构)之间的一种组合体系桥型，近十年来应用较多，受到广泛的关注。矮塔斜拉

10、桥在法国诞生之后，并没有得到应用，而日本却对此高度重视，通过深入的研究，认为其在技术、经济和景观方面有很多优点，并将其付诸实践。日本于1994年建成了第一座真正意义上的矮塔斜拉桥小田原港。在近十几年日本建成了大量矮塔斜拉桥，我国的矮塔斜拉桥起步较晚，但一开始就令人瞩目。2000年建成的芜湖长江大桥是一座钢桁梁的矮塔斜拉桥，双层桥面，上层行驶汽车，下层行驶火车，主桥为180+312+180米，是目前为止世界上跨度最大的矮塔斜桥。此后，矮塔斜拉桥在我国得到了突飞猛进的发展。目前矮塔斜拉桥在世界各地都有修建，日本和中国是应用最多的国家；由于矮塔斜拉桥刚柔相济的特性，符合结构的受力特点，因此具有经济、

11、美观、刚度大、施工方便的优点。矮塔斜拉桥在采用斜拉桥不太经济、修建梁式桥时跨度太大以及由于某些原因桥梁的主塔高度受到限制时具有独特的优势，在连续的高架桥中，遇到比标准跨度更 3 沙湾特大矮塔斜拉桥关键技术研究 大的跨度时，如果继续修建梁桥，梁高将会很大，从景观和方便施工考虑，希望具有统一的梁高，此时，矮塔斜拉桥是首选的方案。另外，矮塔斜拉桥在修建铁路和多塔斜拉桥方面也有一定的优势，应用前景非常广阔。尽管在日本和中国各有10多座的这种桥梁的建成，但仍有很多问题没有很好地解决。在最基本的桥梁结构形式的称呼上，矮塔斜拉桥都有很多大争议，目前对矮塔斜拉桥的界定有很大的分歧， 国外有称为 “extra-

12、dosed PC bridge”，直译为“超剂量预应力混凝土桥梁”，也有称为“extradosed cable-stayed bridge”的。国内的称呼一直存在争论，学者严国敏将其称为“部分斜拉桥”；王伯惠、顾安邦、徐君兰认为应该称为“矮塔斜拉桥”，我国台湾将其称作“脊背桥”，“拱背桥”，莫衷一是。其次，对这种桥型的定义也不够准确，有的学者认为应以主梁与索塔的刚度比来定义，亦有学者任务应以主梁与索塔分担的竖向荷载比来定义，对桥型的定义本应该以该桥的最主要区别其他桥型的特征来定义，因此研究矮塔斜拉桥的关键参数有很大的意义。在拉索和预应力筋的优化配置问题，由于矮塔斜拉桥主梁截面应力由预应力钢筋和

13、斜拉索共同分担，预应力控制截面应力的费用比较少，但对截面应力控制的效果没有拉索明显，因此就出现了一个如何对拉索和预应力钢筋进行优化配置的问题。经济跨径问题，现有的资料表明，矮塔斜拉桥的经济特性介于连续刚构和普通斜拉桥之间。国内外许多学者都对矮塔斜拉桥的经济跨径做了一些推断，这些推断都是建立在各自的工程经验上的结论，缺乏有效的说服力。斜拉桥拉索的容许应力，各国规范都有规定。比如，我国和日本的设计规范都规定为0.4?b，而美国规定为0.45?b。各国的规定值不尽相同，是因为规范的荷载等情况不一样。矮塔斜拉桥拉索的应力变幅一般为常规斜拉桥的1/2-1/3，因此，其容许应力可以高于常规斜拉桥。日本矮塔

14、斜拉桥拉索的容许应力取值为0.4?b0.6?b，具体根据何种参数确定矮塔斜拉桥的容许控制应力这一问题需要进一步研究。在设计方面，目前矮塔斜拉桥的设计方法与斜拉桥的设计方法类似，但矮塔斜拉桥的结构特性不同于常规斜拉桥，矮塔斜拉桥有很多问题是常规斜拉桥不曾面临的，因此用常规斜拉桥的设计方法来设计矮塔斜拉桥有点牵强，有必要建立适合矮塔斜拉桥的专门的设计方法。众所周知，矮塔斜拉桥索塔两侧的斜拉索是通过鞍座，在鞍座上设置管道的形式通过的，索塔在拉索的拉力、索塔的自重、其他 4 第一章 绪论 拉索竖向压力等荷载作用下应力分布情况比较复杂，而且管道的偏差对矮塔斜拉桥局部应力分布影响较大，在斜拉桥的设计中，特

15、别是沙湾特大矮塔斜拉桥这种大型桥梁对索塔鞍座的局部应力分析十分有必要的。沙湾特大矮塔斜拉桥主梁采用单箱三室的形式，主梁宽34m，为国内同类已建桥梁中之最，控制超宽桥面的线形,研究超宽桥面矮塔斜拉桥主梁线形控制系统，分析影响主梁挠度变化的因素等对宽截面矮塔斜拉桥理想合龙有至关重要的作用。在矮塔斜拉桥的施工方面亦有很重关键问题亟待我们解决，沙湾特大桥施工技术十分复杂，在施工过程中主要涉及到单箱三室箱梁三向预应力施工技术、斜拉桥索塔混凝土施工技术、斜拉索施工技术、斜拉桥施工监控技术、逐拆支架和一次卸架施工体系转换对比分析技术。由于矮塔斜拉桥是多次超静定结构，施工过程中斜拉索的张拉与体系转换对成桥的受

16、力状态有较大的影响，因此在斜拉桥施工过程中有必要针对具体的工程特点进行施工过程优化。矮塔斜拉桥是一种新型且发展速度相当之快类型的桥梁，它在施工上、成本上、美观等方面的优点决定在今后的相当一段时期里会更加飞速的发展，为了促进矮塔斜拉桥发展，只有不断的解决设计、施工、以及理论上难题才能使其沿越快越好的方向发展，因此对矮塔斜拉桥做全面的课题分析十分有意义，我们依托沙湾特大矮塔斜拉桥设计上、施工、理论、监控等方面的一些问题进行探讨，为矮塔斜拉桥的发展尽一份薄力。 二、研究目的 为了更加了解矮塔斜拉桥这种新型的桥梁结构形式，力图解决矮塔斜拉桥力学、设计、施工、监控等一体化的问题。以沙湾特大桥的设计、施工

17、、监控为基础，研究矮塔斜拉桥在设计、施工、监控方面一些困扰工程人员的关键课题，为矮塔斜拉桥这种新型桥梁更好的发展尽一份我们的力量。 三、研究内容 沙湾大桥关键技术研究主要内容涉及到矮塔斜拉桥力学、设计、施工、监控与经济特性等问题。 5 第二章 沙湾大桥力学问题 第二章 沙湾大桥力学问题 本章摘要：本章主要介绍沙湾大桥塔、梁、墩固结处局部应力分析；施工过程中及成桥阶段静力特性分析；使用过程中静力特性分析；结构体系参数对动力特性的影响；主塔非线性开裂分析；超宽主梁剪力滞效应研究；合理成桥状态研究；主塔鞍座锚固处局部应力分析等内容。 第一节 概述 一、塔、梁、墩固结处局部应力分析 沙湾大桥采用塔、梁

18、、墩固结的形式，主梁为单箱三室箱型截面，设有三向预应力室箱形截面，为准确把握主梁0号块的受力情况，需要分析不同荷载作用下0号块应力的变化情况，分析的主要类型的荷载有主梁0号块的自重、0号块全部三向预应力钢筋，根据平面有限元软件计算出主梁两侧的内力，索塔内力对主梁的影响，为分析不同荷载对塔、梁、墩固结位置应力的影响，选取了多种工况进行计算研究。充分考虑影响0号块主梁应力的各种影响因素的大小。 二、施工过程中及成桥阶段静力特性分析 分析沙湾大桥施工及成桥状况结构的静力问题。主要内容包括斜拉索成桥状态分析，斜拉索在施工阶段的应力问题，找出与常规斜拉桥斜拉桥受力的区别。主梁施工及成桥的位移、内力分布和

19、成份问题及应力问题，主塔位移及应力问题；收缩徐变对全桥的影响等问题。 三、使用过程中静力特性分析 分析沙湾大桥在运营过程中静力问题，主要内容包括各单项荷载在使用过程中对全桥各组成构件位移、内力、应力的作用大小，特别是区别于常规斜拉桥的拉索问题研究。 四、结构体系参数对动力特性的影响 6 沙湾大桥关键技术研究 建立沙湾大桥有限元模型，根据该桥梁体系主要设计参数的统计结果，选定5个设计参数作为动力特性参数变量进行动力特性参数敏感性分析，5个主要参数分别是支承条件、主塔高度、主塔截面刚度、主梁高跨比、边主跨比，并通过边界、塔、梁参数动力影响度定量分析双索宽面幅矮塔斜拉桥的动力特性。选取前十阶振型进行

20、对照分析，为矮塔斜拉桥的动力特性提供了参考依据。 五、主塔非线性开裂分析 以沙湾大桥索塔为例，采用整体式的钢筋混凝土有限元建模方法对其进行了非线性开裂分析，弄清了索塔上的受力特性。对索塔进行简化，根据力的平衡条件和边界条件推到了索力等效方程。混凝土采用SOLID65实体单元，屈服模型采用能较好地模拟双向拉压混凝土，非线性计算收敛快的MISO本构关系，开裂破坏准则采用William-Warnke准则。基于MIDAS/CIVIL2006整体分析求得的施工阶段和运营阶段的最大索力，依据规范进行荷载组合，最终确定三维实体分析所需的拉索索力。 六、超宽主梁剪力滞效应研究 阐述箱形梁的受力特点、薄壁箱形梁

21、剪力滞后效应的概念及目前解决剪力滞问题的主要理论和方法，探讨了这些理论和方法的适用性和局限性。根据箱梁力学行为作为梁特征的特点，将围成闭口截面箱梁的板件视为板梁，即相当于箱梁的梁段子单元。斜拉桥主梁在荷载作用下承受弯矩与轴力的共同作用，由于轴向力的存在，分析其剪力滞效应不同于一般的箱型截面。然后根据小变形理论和叠加原理，将弯矩和轴力作用分开处理，利用能量变分法来求解弯矩和轴力共同作用下的剪力滞效应，在分析弯矩作用时考虑了梁柱效应。采用大型有限元程序ANSYS建模进行空间计算，将实测值与计算值比较。并将ANSYS和监控中实测的结果进行对比，以验证模型的正确性。 七、合理成桥状态的研究 矮塔斜拉桥

22、结构以主梁受弯来承受大部分荷载，拉索索力可改善主梁受力状态，因此矮塔斜拉桥与斜拉桥一样，通过优化拉索索力来确定部分斜拉桥合理成桥状态下的内力非常必要。采用影响矩阵法原理，以结构应变能最小作为目标函数，对索力加以合理的约束条件，解决了多变量非线性函数的有约束优化问题，从而获得恒载作用下的最优索力和与之对应的合理成桥状态。对沙湾特大桥的索 7 第二章 沙湾大桥力学问题 力进行优化。 八、主塔鞍座锚固处局部应力分析 矮塔斜拉桥索塔内索鞍结构复杂，索鞍与混凝土直接接触，混凝土受力复杂。利用大型有限元软件ANSYS，采用接触非线性理论，对沙湾大桥索鞍局部构造处进行接触仿真分析，研究索鞍受力及混凝土应力分

23、布规律。 第二节 塔、梁、墩固结处局部应力分析 沙湾大桥塔、墩、梁固结部位结构复杂，利用空间梁单元难以精确的模拟此处应力情况。本节利用大型有限元软件ANSYS建立塔墩梁固结部位实体模型，对此处进行了详细的局部应力分析，更加精确的了解了此处应力情况。 一、塔墩梁固结部位局部实体模型的建立 沙湾特大桥采用塔、梁、墩固结的形式，主梁为单箱三室箱型截面，设有三向预应力室箱形截面（如图2-1所示），设有三向预应力（如图2-2所示），顶板宽34m，桥塔处梁高8.35m。主梁0号块长18m，设置2道横隔板。三室的横隔板预留有1m1.2m的过人洞。由于本桥跨度较大，桥塔尺寸小，塔、梁、墩固结，主梁采用三向预应

24、力，桥墩为双壁式，为准确把握主梁0号块的受力情况，需要分析不同荷载作用下0号块应力的变化情况，分析的主要类型的荷载有主梁0号块的自重、0号块全部三向预应力钢筋。由于采用塔、墩、梁固结体系，该桥固结部位除了承受巨大的轴向力和弯矩外，还承受由主梁传递的较大的垂直力和扭矩，使该固结部位的受力和构造都相当复杂。 图2-1 塔墩梁固结部位纵断面图和横断面图 8 沙湾大桥关键技术研究 图2-2 预应力筋布置图 首先使用前面章节中MIDAS/Civil的空间杆系模型，对沙湾大桥进行整体受力分析计算，再利用Ansys对塔墩梁固结部位建立精细子模型,进行空间有限元分析,得到相关区域详细的应力分布情况。其中主梁取

25、0#块、01#块,墩取至变厚度底端位置，塔取至7m高。这样离固结部位既取了足够的长度,可以排除圣维南效应对塔墩梁固结部位受力的影响，又使得模型的单元数少，节省计算空间。 考虑了两个工况下(即最大双悬臂、正常使用阶段)塔墩梁固结部位的应力情况。对于边界条件的选取，首先取出MIDAS/Civil计算所得的两个工况下计算模型主梁两端、塔端的轴力、剪力、弯矩，如表2.1和表2.2所示，然后转化为分布面力和节点荷载，施加于端面处。对于弯矩和轴力将其转化为分布力；对于剪力，求出端部每个单元形心处的剪应力；最后求出单元上的剪力，平均分配到组成该面的节点上；对于预应力钢筋，采用整体式降温的方法进行模拟。 通过

26、建立拉伸平面成体单元，采用合并删除等功能，建出局部构件模型，然后用体扫掠方法划分网格，以边长控制原则划分单元。本模型混凝土主梁采用Solid45单元模拟,预应力钢筋用Link8杆单元模拟。主梁与预应力钢筋采用分别建模的分离式方法模拟,采用APDL循环，通过耦合的方式使主梁与预应力钢筋位移协调。这种建模的方式,不仅力筋的位置准确,可近似考虑力筋对混凝土的作用,而且可全面考虑其对结构的影响。在该模型中,共计24809个体单元,3574个线单元, 9 第二章 沙湾大桥力学问题 模型节点总数为40185。 表2.1 最大悬臂阶段计算模型主梁两端、塔端的轴力、剪力、弯矩 主梁边跨断面 主梁主跨断面 墩顶

27、断面 5.58E5 5.57E5 1.35E5 -3.57E4 -4.42E4 -50 -2.25E5 -2.28E5 -2.8E3 表2.2 正常使用阶段计算模型主梁两端、塔端的轴力、剪力、弯矩 2.75E5 2.8E5 1.9E5 -7.0E4 -7.4E4 -5.5E3 -1.96E6 -2.0E6 -1.0E5 主梁边跨断面 主梁主跨断面 墩顶断面 注：轴力以受压为正，剪力从底向上方向为正，弯矩以单元底受拉为正。 二、塔梁固结部位应力计算分析 对两个最不利工况（最大双悬臂、正常使用阶段）进行分析。 1.最大悬臂阶段分析 a)整体应力图 图2-3 x方向整体模型应力图 图2-4 y方向整

28、体模型应力图 图2-5 z方向整体模型应力图 10 沙湾大桥关键技术研究 从图2-3可以看出：x方向应力主要分布在-2.541.25MPa之间，应力比较均匀，悬出部分的拉应力似乎比较大，可能是悬臂部分过长，反映剪力滞作用，应加强翼板横向预应力。横隔板跨中集中力较大。从图2-4可以看出：y方向应力主要分布在-1.4-0.9MPa之间，应力比较均匀。虽然最大拉应力达到4.5MPa，从建立模型可知，这是施加作用力位置，不真实的，不符合圣维南定理。顶板跟腹板交点的应力比较大。从图2-5可以看出：z方向应力主要分布在-2.91.7MPa之间，靠近主塔位置，应力呈阶梯形递减。 b)1-1截面应力图 图2-

29、6 x方向1-1截面应力图 图2-7 y方向1-1截面应力图 图2-8 z方向1-1截面应力图 从图2-6图2-8可以观察到横隔板的受力情况：在左侧腹板根部，横向正应力出现最大拉应力达到2.152.49MPa；该拉应力区域在向左右扩展时,应力值逐渐减小,最终在桥轴线和悬臂边缘附件,变为压应力,其最大值达到-6.31MPa。是由于顶板没有配横向预应力束所致。塔下截面横隔板的应力1.5MPa左右，说明横隔板能够有效的将顶板传递下来的力分散，并把力传递给底板和桥墩，增强了截面抗扭能力。在箱梁底板与墩顶相接处有段应力突变区，这是因为底板在此处坡度突然变为零，且厚度也在增加，所以施工中要避免发生应力集中，特别是该桥 11 第二章 沙湾大桥力学问题 拆临时钢管支架时间比较早，要适当注意。该桥墩是双薄壁柔性墩，上部主梁比较粗重，且跨度较大，墩的承受安全性要考虑，计算结果表明，墩的应力小，完全能够承受上部荷载。 c)2-2截面应力图 图2-9 x方向2-2截面应力图 图2-10 y方向2-2截面应力图 图2-11 z方向2-2截面应力图 图2-9图2-11表示了主塔以下箱梁内部截面空间应力情况：腹板表面没有出现