三塔斜拉—自锚式悬索组合体系桥工程实例分析

1、三塔斜拉自锚式悬索组合体系桥工程实例分析 摘要：在建的汉中市西二环大桥为三塔斜拉自锚式悬索组合桥，在亚洲尚属首次采用。桥梁造型美观，结构新颖，施工难度大。本文结合该桥工程实例介绍了该新型结构特点，施工中的一些重点、难点技术问题和解决方法。 关键词：自锚式悬索斜拉组合体系分析 Abstract: the west road bridge under construction paper for three tower anchor cable stayed-from suspension cable type combination bridge, which is first used in

2、Asia. Bridge modelling beautiful, novel structure, construction difficulty. This paper introduces the bridge engineering examples, the new structure characteristics, some key points and difficulties in the construction of technical problems and solving methods. Key words: the type of suspension cabl

3、e anchor cable stayed combination system analysis 中图分类号：U448.27文献标识码：A 文章编号： 三塔斜拉自锚式悬索组合体系桥梁作为一种新型组合体系桥梁，兼有斜拉桥和自锚式悬索桥的特点，结构新颖，造型独特、线形流畅优美，充分利用了自锚式悬索桥与斜拉桥的美学特征。但作为一种新型结构体系桥梁，结构复杂，受力不很明晰，对于此类桥梁的施工存在很大难度。 1、工程概况 汉中市西二环大桥主桥为三塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁，分别为斜拉与两个自锚式悬索体系段。主桥跨径组合为：25m（边跨自锚段） 90m（悬索段） 2162.5m（斜拉索区段） 90m

4、（悬索段） 25m（边跨自锚段）555m。桥型布置见图1。其中单塔斜拉结构体系主塔采用H型混凝土塔，塔高75.03m（桥面以上塔高60m），主塔每侧设置11对斜拉索，索距8m；自锚式悬索体系为自锚式悬索结构与斜塔斜拉背索结构组合体系，斜副塔为椭圆型钢箱混凝土塔，塔高48m（桥面以上35m），副塔靠近主塔侧设置5对斜拉索，索距9m，副塔靠近河堤侧设置自锚式悬索，锚固于主桥25m跨边跨内；悬索段采用V型斜吊杆，吊杆间距6m；主梁为变截面预应力混凝土箱梁与两段63m长钢混凝土结合梁（悬索体系段）组成。 图1 汉中西二环大桥桥型布置 2、结构特点 自锚式悬索与斜拉组合结构系统桥梁由主缆、斜拉索、加劲梁

5、、索塔、吊索等构件构成的悬吊索组合体系。成桥时，主要由主缆、斜拉索、加劲梁和主塔共同承受结构的自重和外荷载。汉中市西二环大桥主要结构特点包括： （1）中间主塔斜拉索结构体系，主塔与主梁、墩固结； （2）两侧副塔背索与自锚式悬索结构体系，副塔墩固结，副塔与主梁之间设竖向支座； （3）自锚式悬索段采用钢混组合加劲梁； （4）桥梁施工在主塔斜拉索结构体系段与自锚式悬索结构体系段间设置合龙段，来形成整体结构体系。 3、结构优势 自锚式悬索与斜拉组合结构体系桥作为一种新型桥梁，存在以下优势： （1）斜拉桥部分的荷载是通过塔传到基础，而不像悬索桥那样要通过主缆再将这部分荷载传给基础，大大减少了悬索主缆的拉

6、力。 （2）对于自锚式缆索组合体系不需要修建大体积的锚碇，所以特别适用于地质条件很差的地区。 （3）对于含有钢筋混凝土材料的加劲梁，由于承受巨大的主缆水平分力，可以节省大量的预应力筋，同时克服了钢梁在较大轴向力作用下容易压屈的缺点。 （4）采用混凝土材料可克服以往自锚式悬索桥用钢量大，建造和后期维护费用高的缺点。 （5）组合结构体系桥突破了传统的斜拉桥、悬索桥结构形式，兼有斜拉桥与悬索桥的优美外形，在中小跨径上是很有竞争力的方案。 4、施工中的技术难题及解决方法 （1）临时支架度汛 西二环大桥主桥箱梁施工支架全部采用贝雷梁支架，各节段预应力砼箱梁均在支架上一次浇筑成型，钢箱梁也是在支架上设置胎

7、架进行拼装焊接，然后安装预制桥面板、现浇桥面翼缘板和桥面砼现浇带。支架使用时间长，箱梁在支架上放置时间长，必须要等主桥主塔施工完毕、钢副塔安装完毕、全桥缆索挂索张拉完毕完成第一次体系转换后方可拆除大部分施工支架。整个施工支架体系承载时间长达半年之久。 根据汉中市西二环大桥防洪评价报告，汉江桥位区域一般从每年4月进入汛期，至10月结束，其中大洪水主要出现在主汛期79月。2010年进入汛期以来发生水位在507米以上的较大洪水共有五次之多，其中2010年7月23日的洪水为最大的一次，洪水水位达到509.5米，流量5800 m3/S，一般冲刷深度2米左右，局部冲刷最大深度达到10多米（主要因为钢板桩围

8、堰形成阻水所致）。 因此，如何确保主桥施工支架安全度汛，防止洪水冲刷和洪水漂浮物对支架的碰撞冲击所带来的危害，是支架设计及施工应该重点考虑和防范的问题。为了确保施工支架安全，充分考虑洪水冲刷的危害，根据现场实际情况，将主河道外的支架基础全部设计为50CM预应力砼管桩基础，插打深度15米，当发生一般冲刷2米左右深度不利情况时，仍可保证50CM预应力砼管桩基础承载能力满足要求，不出现不均匀沉降现象。将主河道内的支架基础全部设计为100CM钻孔灌注桩基础，桩长25米至28米；即使受到最为严重的局部冲刷达到10米左右深度危害时，仍能确保100CM钻孔灌注桩基础承载能力满足要求，不出现沉降。 图2 全桥

9、现浇支架体系 （2）钢副塔竖转技术 汉中西二环大桥钢副塔与水平面夹角60度，由副塔塔身和“鱼嘴”装饰段两部分组成，其中副塔塔身分预埋段、预埋加强段、AD节段，“鱼嘴”装饰段分为E节段、F节段。副塔单塔重约765t，两塔共约1530t。为全焊结构，主要材料为Q420qD Q345qD。 钢副塔竖转技术是一项新颖的倾斜、大型构件安装施工技术。它采用柔性钢绞线承重、提升油缸集群、计算机控制、液压同步提升原理，结合现代化施工工艺，将成千上万吨的构件在地面拼装后，整体提升到预定位置安装就位，实现大吨位、大跨度、大面积的超大型构件超高空整体同步提升。它具有施工安全性好、效率高的优点。 计算机控制液压同步牵

10、引技术的核心设备采用计算机控制，可以全自动完成同步升降、实现力和位移控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能，是集机、电、液、传感器、计算机和控制技术于一体的现代化先进设备。 钢副塔竖转工装主要由张拉控制系统、三角支架、后拉点和转铰等组成，如下图： 图3 钢塔竖转平面布置示意图 张拉系统：主要由穿心油缸、钢绞线、液压站、监控系统等组成。 竖转三角支架：主要由压杆、拉杆、压杆铰座和拉杆铰座等组成。 后拉点：主要由油缸支架、箱梁、反力架、钢绞线等组成。 转铰：主要由基础转铰和塔体转铰两部分组成。 （3）两次体系转换方案优化 汉中市西二环大桥主桥为三塔斜拉-自锚式悬索组合体系，施工阶段为三桥独立

11、，分别为自锚式悬索体系桥和主塔斜拉体系桥，通过合拢段合拢、临时约束解除进行体系转换后形成六跨连续的三塔斜拉自锚式悬索组合体系桥。 全桥施工过程中，包括两次体系转换。第一次是通过张拉吊索及斜拉索，将自锚式悬索体系段和斜拉体系段主梁的自重由支架支承转换为吊索及斜拉索支承；第二次是浇注斜拉体系段与自锚式悬索体系段之间的合拢段，解除临时约束释放水平推力形成三塔斜拉自锚式悬索组合体系桥。 按照设计提供的施工顺序，施工时自锚式悬索段先在塔梁处临时固结，然后自锚式悬索段和斜拉段先独立成桥；再浇筑合拢段，随后拆除临时固结，进行合拢段预应力张拉；最后施工加二期恒载。 按照以上顺序进行施工，通过设计院提供的计算结

12、果及第三方监控单位的仿真计算结果，均显示了在悬索段和斜拉段独立成桥，完成后第一次体系转换后，在自锚式悬索段塔梁临时固结处会将成产生非常大的临时固结力（单塔临时固结处达到约30000KN）。 图4 体系转换方案调整示意图 在进行全桥第二次体系转换时，通过全桥合拢，临时固结解除，水平力释放，最终水平推力在跨中（6#斜拉塔主墩）进行平衡的过程，转换形成六跨连续的三塔斜拉-自锚式悬索组合体系。在临时约束解除的过程中，由于此时临时固结处存在近30000KN的临时固结力，如果直接释放，如此大的水平推力在梁体传递平衡过程中若出现级差过大的不平衡情况时，将对梁体及6#主墩产生破坏，因此水平推力释放是全桥施工中

13、存在的一个重要安全风险。 调整方案的出发点是自锚式悬索段不进行塔梁间临时固结，施工时的施工顺序调整为完成各梁段及主塔、副塔的施工后，先完成斜拉桥段体系转换，然后安装劲性骨架，合拢主梁并张拉合拢段预应力，拆除斜拉段主梁下部支架，再安装及张拉主缆、吊索、斜拉背索，完成自锚式悬索段体系转换，拆除剩余支架，最后施工二期恒载。 按此调整后方案进行施工，是先进行全桥合拢，再进行两悬索段挂索张拉，施工过程中不设副塔处的塔梁临时固结，挂索张拉过程中所产生的水平推力，在对称施工过程中已平衡抵消。 由原设计方案与调整方案对比可看出，原设计方案在悬索段进行独立成桥时需进行塔梁临时固结，此临时固结力随着自锚式悬索段吊

14、索的张拉逐渐增大，且在合拢浇筑后，临时固结拆除前达到最大，这给临时固结的设计、施工及拆除等工作均带来了很大的难度，且在拆除过程中发生重大安全事故的风险较大。 调整后方案通过先合拢后进行自锚式悬索段挂索张拉施工的方式，将悬索段吊索张拉时所产生的水平推力在两侧悬索段的对称施工过程中，经由全桥梁体的内部传递而平衡消除，最大限度地降低了水平力释放所引起的安全风险。 结合以上比较分析，调整方案既满足了设计对该桥在成桥状态下的线形和内力要求，又避免了临时固结的设计、施工及拆除过程中所产生的安全风险，且施工工期安排基本无影响，对全桥体系的施工更有保障。 5、结语 三塔斜拉自锚式悬索组合体系桥是一种新型的桥梁结构，在国内已建桥梁中未见先例，具有较高的技术含量。施工中没有成功经验可借鉴，施工难度大。本套施工方案是完全根据本桥的具体结构特点，结合理论计算完成，在国内同类结构桥梁中属于首创，对以后同类型或类似工程的施工具有一定的借鉴价值。 参考文献 1 任更新自锚式悬索-斜拉组合体系桥梁模型试验研究D西安：长安大学，20096 2 长沙理工大学汉中市西二环大桥监控报告R长沙：长沙理工大学，2011 3 冯广胜自锚式悬索桥技术问题探讨。公路，2