大跨度钢管混凝土系杆拱桥施工方案研究

1、第45卷第2期2005年3月大连理工大学学报JournalofDalianUniversityofTechnology文章编号:100028608(2005)0220230204大跨度钢管混凝土系杆拱桥施工方案研究邱文亮3,张哲,范金军(大连理工大学土木水利学院,辽宁大连116024)摘要:大跨度钢管混凝土系杆拱桥在施工过程中结构应力较高、,选择合理的施工方案对于保证结构安全至关重要.通过对丹东月亮岛大桥分析,垫块临时固结承台与拱座、先同时泵送22桥面板混凝土分段施工等关键过程施工方案,全.关键词:;稳定性:146:A0工程背景丹东月亮岛大桥1位于鸭绿江上,该桥建成后成为连接丹东市和月亮岛的惟

2、一通道,对鸭绿江中心的月亮岛开发具有重要作用.月亮岛大桥为下承式钢管混凝土系杆拱桥,跨径202m,桥宽9m,拱肋矢高37m,矢跨比为1 5.5,拱轴线为二次抛物线,系杆为受压的预应力混凝土桥面板,基础采用预制桩基础,拱肋采用平面桁架拱肋.该桥跨度大,宽跨比仅为1 22.4,且采用平面桁架拱肋,其横向抗弯刚度较小,施工阶段的稳定性问题非常突出2,因此采取合理的施工方案保证施工中的稳定性成为该桥施工控制的一个重点.该桥主要施工程序为:(1)基础施工,(2)拱座施工,(3)拱肋架设,(4)泵送钢管内混凝土,(5)吊装横梁,(6)浇筑桥面混凝土,(7)浇筑桥面铺装,其中(3)(7)施工中均需逐步张拉系

3、杆,以平衡拱脚的水平推力,其中系杆为钢绞线预应力筋.本文着重对其中主要施工过程进行探讨与论证,以确定合理的施工方案,保证施工过程中的结构稳定和受力安全.单元外,拱肋、桥面板、横梁、硫磺垫块、拱座端横梁、桩基础离散为空间梁单元,拱座用刚臂模拟,地基土对桩的作用采用弹性边界元模拟,支座考虑剪切变形.这种离散能真实地反映实际结构,特别在分析拱肋稳定性时可以充分考虑吊杆和桥面对拱肋变形的约束作用,即“非保向力效应”对结构体系的稳定性影响.单元的截面特性和自重取值准确与否对于结构分析结果的精度有很大的影响.在施工控制中要根据实际情况对截面特性和自重进行修正,如混凝土的容重等,并且考虑施工荷载的影响,如桥

4、面支架和模板等.图1结构分析空间模型Fig11Spacemodelforstructuralanalysis1结构分析有限元模型简介整个施工过程采用空间杆系有限元模型3(如图1所示)分析,模型中除吊杆和系杆采用索2主要施工方案的探讨与论证2.1硫磺砂浆垫块的采用在拱肋拼装过程中,拱座要承受较大的水平收稿日期:2003212225;修回日期:2005201222.作者简介:邱文亮3(19722),男,博士,讲师;张哲(19442),男,教授,博士生导师.第2期邱文亮等:大跨度钢管混凝土系杆拱桥施工方案研究231推力作用.如果拱座仅仅由支座支承,那么在钢管拱肋架设过程中,拱座由于较大的推力可能会发

5、生倾覆和水平滑移,造成拱肋拼装困难,难以保持拱肋合龙后的线形,故采用硫磺砂浆垫块临时固结承台与拱座,以保证拱肋顺利安全地架设,并保持理想的拱轴线线形.在后续施工过程中,由于硫磺垫块的约束,基础与拱脚共同承担水平力,此时,基础实际上对拱脚水平方向起着弹性支承的作用,有利于拱肋施工中的安全.硫磺垫块在桥面形成以后拆除.2.2钢管拱肋架设方案升.三段拱肋就位后,连接接头钢管合龙,并与拱座固结.为抵抗在塔架支承取消后拱肋产生强大的水平推力,在两拱座横梁之间张拉4束预应力筋,每束为12根15.24钢绞线,张拉力为800kN.2.3钢管内混凝土泵送顺序的研究钢管拱肋形成后,下一步工序是向钢管内泵送混凝土,

6、这个阶段是施工控制中非常关键的过程.在对混凝土泵送过程进行模拟分析时发现,、结构应力较高;,、,采取合理的,确保施工安全.2.3.1上弦管和下弦管混凝土泵送先后顺序的探讨不同的混凝土泵送方案对拱肋的稳定、受力以及拱轴线变形有很大的影响,因此对以下两个方案进行比较.方案一:先对称泵送2根上弦管混凝土,混凝土达到设计强度后,再对称泵送2根下弦管混凝土.方案二:先对称泵送2根下弦管混凝土,混凝土达到设计强度后,再对称泵送2根上弦管混凝土.其中方案一包括下面给出的施工过程a和b,方案二包括施工过程c和d.施工过程a:对称泵送2根上弦管混凝土;施工过程b:上弦管混凝土达到设计强度后,对称泵送2根下弦管混

7、凝土;施工过程c:对称泵送2根下弦管混凝土;施工过程d:下弦管混凝土达到设计强度后,对称泵送2根上弦管混凝土.经分析得到两种方案施工过程中结构的稳定安全系数和结构应力列于表13,表中x为混凝土泵送到达的位置离拱脚的距离,表中正值为拉应力,负值为压应力.图3为相应的失稳模态.对于大跨径钢管骨架的架设方法,索吊装和转体施工方法.吊装成拱,、大,.由于该桥两侧地形平坦开阔,并且在非汛期桥位处可修筑便道,钢管拱肋架设方案采用了三段拼装方案,如图2所示.根据现有的施工条件,将整个拱肋分成3段在岸上制作,拱肋两边段长度均为56m,重1200kN,中段长85.4m,重1850kN,每两段之间预留1.5m合龙

8、段,边段与拱座间预留0.8m合龙段.拱肋分段拼接成型后,采用滑道拖拉至桥位.在三段拼接处设两个塔架,两边段采用竖向转体提升,中段采用垂直提图2拱肋架设Fig12Erectionofarchrib表1稳定安全系数Tab11Coefficientofstability方案一x m方案二施工过程b失稳模态稳定系数面外面外面外面外施工过程a失稳模态稳定系数面外面外面外面外22.1018.施工过程c失稳模态稳定系数面外面外面外面外施工过程d失稳模态稳定系数面内面内面内面内232大连理工大学学报表2拱肋钢管应力Tab12Stressofsteeltubeinarchrib工况上弦管上缘拱脚上弦管上缘1 4

9、跨下弦管下缘上弦管上缘跨中下弦管下缘x m(方案一)x m(方案二)第45卷MPa25.2550.5075.75101.0072.-60.-1.856-57.-72.-72.143-6.-84.-66.916-65.-88.-91.46125.2550.5075.75101.00表3拱肋混凝土应力Tab13Stressofinrib工况上弦管上缘拱脚1 4跨跨中x m(方案一)x m(方案二)MPa25.2550.75.0.0.21-0.1.0.6999-1.3.0.161262-1.2.2.2.3742357225.2550.5075.75101.00-0.23-1.22-0.05-0.07

10、-0.80-3.32-0.41-0.41-1.59-4.36-1.17-1.10-2.3.2.2.51361791(a)面外失稳模态(b)面内失稳模态图3模型及失稳模态Fig13Modelandbucklingmode比较表13中的结果可知,方案一最小稳定安全系数为7.42,拱肋钢管最大压应力216.3MPa,拱肋混凝土最大拉应力为1.64MPa;方案二最小稳定安全系数为11.69,拱肋钢管最大压应力184.0MPa,拱肋混凝土最大拉应力为1.02MPa.采用先下弦管后上弦管的泵送顺序,施工过程中结构具有更高的稳定安全系数,而且结构的应力比较低.所以最终确定了先泵送下弦管混凝土,混凝土达到设计

11、强度后,再泵送上弦管混凝土的施工方案.2.3.2单根弦管混凝土泵送的探讨上面探讨了2根弦管同时泵送混凝土的情况,考虑到尽量减少同时投入的泵送机具和人员,希望可以单根弦管泵送,先泵送单根下弦管,待混凝土达到一定强度后,再泵送另一根下弦管,即以下两个过程.施工过程e:对称泵送单根下弦管混凝土;施工过程f:单根弦管混凝土达到设计强度后,对称泵送另一根下弦管混凝土.通过计算分析上述两个施工过程,得到了拱顶横向位移列于表4,相应结构变形见图4.其中风荷载采用基本风压700Pa.计算结果表明,采用单根弦管泵送方案,泵送过程中拱肋产生了很大的横向偏移.特别是当一根下弦管钢管混凝土形成以后,两片拱肋的刚度相差

12、很大,在泵送另一根下弦管混凝土时,拱肋在初始横向偏移的影响下,其偏移量反而越来越大,拱轴线线形无法恢复到设计状态,使结构永久处于非常不利的受力状态.考虑风荷载时拱肋最大的横向位移可达到180341mm.表4拱顶横向位移Tab14Transversedisplacementoftopofarch工况有风荷载作用无风荷载作用x m(施工过程e)x m(施工过程f)mm25.2550.5075.75101.0025.2550.5075.75101.001527161171551715114236100266118299149341180第2期邱文亮等:大跨度钢管混凝土系杆拱桥施工方案研究233附近和

13、跨中附近各40m的范围,共120m;再浇筑两侧1 4截面附近各35m的范围,共70m;最后浇筑桥面端部两侧的各5m范围,整个桥面混凝土全部浇筑完毕.桥面两端各预留5m的范围最后浇筑,主要是由桥面的受力特点决定的,因为如果先期浇筑该范围内的混凝土,桥面端部截面会承受较大的负弯矩作用,导致混凝土开裂.整个桥面采用该浇筑顺序满足拱结构的受力要求.图4单根弦管泵送方案的变形图Fig14Deformationschemeforsingletubepumping3结论因此,不能采用单根弦管混凝土泵送方案,22.4根,荷载的,使拱结构尽量均匀承受压力,减小不对称荷载引起的拱肋弯矩,保证结构受力合理.钢管混凝

14、土拱肋形成后,下一工序是安装39根预制横梁,每根横梁重150kN,如何顺利安装这39根横梁,也是施工控制中必须重视的问题.通过施工控制计算分析,充分考虑结构受力和稳定,并结合现场的实际施工条件,最终确定横梁安装方案为:先从拱脚向跨中方向对称安装7根横梁,两侧共14根;再安装跨中附近9根横梁;最后对称安装1 4截面附近的各8根横梁,两侧共16根.安装桥面模板同样采用了类似的控制方法.桥面混凝土的浇筑顺序为:先浇筑两侧拱脚,.(2)先泵送下弦管混凝土比先泵送上弦管混凝土更安全.(3)必须采用两根下弦管或两根上弦管同时泵送混凝土,否则单根弦管混凝土泵送将导致拱轴线较大的横向偏移,使结构处于永久的不利

15、受力状态.(4)桥面板混凝土可以根据结构受力分析分段浇筑,确保拱肋和桥面板受力安全.参考文献:1范金军,邱文亮,张中的稳定分析J.公路,2003,5:123.2陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工M.北京:人民交通出版社,1999.3李国豪.桥梁结构稳定与振动M.北京:中国铁路出版社,1992.Studyofconstructionschemesofalargespanconcrete-filledsteeltubetiedarchbridgeQIUWen2liang,ZHANGZhe,FANJin2jun(SchoolofCivilandHydraul.Eng.,DalianUniv.ofTec

16、hnol.,Dalian116024,China)3Abstract:Duringtheconstructionofconcrete2filledsteeltubetiedarchbridges,stressesinthearchforsafetyofthebridge.BasedonanalysisofDandongMoon2IslandBridge,theoptimumconstructionschemesofthekeyprocessesofconstructionaredecided,whichincludethetemporaryfixationoftheabutmentandarchribs.Whenerectingarchribs,concreteinthetwolowersteeltubeswaspumpe