[浙江]特大型跨海桥台风下安装方案

1、台风环境下钢箱梁架设安装方案一、工程概述舟山位于我国东部海岛上，具有海洋性气候的基本特征，特别是西堠门水道位于海岛与海岛之间的宽阔海面上，工程区域10m高度处的百年一遇风速已经达到了我国东部海岛地区的较大值U10=41.12m/s。此外，我国虽然在悬索桥建设及抗风研究方面积累了一些经验，但在台风区宽阔海面建造世界记录跨径的钢箱梁悬索桥尚无实践先例，对西堠门大桥悬索桥进行抗风性能及风振控制研究，以确保大桥在施工过程中和建成运营后的抗风稳定性、安全性和适用性是一项十分重要的课题。抗风研究结果表明施工阶段的结构颤振稳定性能还不能完全满足颤振检验风速的要求，因此建议大桥施工应避开台风期。然而钢箱梁施工

2、工期超过5个月，如不选择台风期架梁，则季风期能满足架梁条件（七级以下风速）的有效施工天数往往不到总天数的50，再考虑工程建设进度的需要大桥2007年7月即具备架梁条件，故西堠门大桥在台风期架梁难以避免，这在中国尚属首次，在大跨桥梁建设史上也是罕见的。为了确保施工阶段结构的稳定和安全，需进行西堠门大桥施工阶段抗风性能专题研究，精细分析研究大桥钢箱梁在施工阶段抗风稳定问题与临时连接件在台风环境下的强度问题，为大桥台风期钢箱梁安装提供指导意见，确保大桥安全完成架梁施工。二、钢箱梁架设顺序与索鞍顶推控制研究为确保施工过程中结构的抗风安全，在西堠门大桥施工阶段全桥气动弹性模型风洞试验和计算分析研究成果基

3、础上，根据两跨连续的分体式钢箱梁悬索桥施工阶段主梁的颤振演化规律（如图1所示），发现了分体式钢箱梁悬索桥在架设初期和中后期均存在一个气动稳定性薄弱的状态（颤振临界风速低于检验风速）。在此状态下，必须避免已架设梁段受到强风的作用而发生毁灭性的颤振。参照此规律，科学制定了梁段架设计划和相应的钢箱梁架设安装避台方案，在保障工期的同时，在架梁初期和中后期巧妙避开了台风期，避免了可能发生的颤振，使得已架设梁段免遭毁灭性破坏，开创了大跨度桥梁穿越台风期主梁架设安装的先河。图1、施工期颤振临界风速演化规律（1）加劲梁的吊装顺序确定一般而言，在悬索桥加劲梁架设方法，按钢箱梁间连接施工状态，分为：逐段铰接法，逐

4、段刚接法或者刚铰混合法。西堠门大桥采用常用的逐段铰接法，在整个梁段吊装期间，梁段直接悬吊于吊索上，已吊好的梁段间采用弯曲刚度可以忽略的临时连接件进行铰接，当梁段吊装完成后才逐段刚接。这就是逐段铰接的施工过程。采用本方法架设加劲梁，在加劲梁吊装完成前，加劲梁梁段间均为铰接，因而在此期间加劲梁段相互连接处无弯曲内力，但有剪力和较小的轴力存在，在桥梁建成后，梁段一期恒载全由主缆承担。刚接完成后再进行桥面铺装等二期恒载的安装，二期恒载在加劲梁各梁段间参与分配后再由吊索传给主缆，加劲梁因此而产生了弯曲内力，二期恒载由主缆和加劲梁共同承担。在主缆架设完毕、索夹定位及猫道改挂之后的施工就是加劲梁吊装。对于大

5、跨度桥梁来说，此后悬索桥的线形就已经完全确定了，在吊梁阶段主要的控制任务主要是保证各构件的安全，防止位移及应力超限。由于悬索桥架设过程中缆的形状改变很大，各相邻梁段之间加劲梁会产生凹凸，所以临时连接一般设于梁上翼缘或上弦杆。该施工方法工序少，工艺简单，用本方法施工的桥，加劲梁恒载弯矩较小或者没有，是一种较理想、较成熟的施工方法。但本法因施工中加劲梁梁段之间采用铰接，没有足够的刚度，因而其纵横向抗风稳定性能差，在大风地区施工就受到一定影响，必须采用增强抗风能力的其他辅助措施，与其它方法相比本方法施工期稍长。加劲梁的吊装顺序，必须根据结构的构造特性、施工安全性、人员及设备的配置、现场划分、构件的运

6、输及气象条件等各方面进行综合判断后来决定。主要的吊装顺序有两种，一种是由中跨中央及两岸侧向主塔吊装，如图2，如小贝尔特桥、奥克兰海湾桥和我国大多数大跨悬索桥；另一种是由两主塔开始，向中央及两岸架设，如图3，如金门桥，大岛大桥。前一种架设顺序，在开始时中跨中央架设的几个梁段对主缆线形有着较大影响，需要严格监控桥塔的偏位，保证其安全，注意鞍座的顶推，但在其后梁段的架设中，主缆线形变化较小，因而加劲梁的线形较平顺，在加劲梁变形要求严格的悬索桥，特别是单跨悬索桥常常采用这种架设顺序。后者由于在吊装开始时可以在桥塔处对加劲梁进行适当的约束，使架设时抗风稳定性得到改善，因此在悬索桥抗风要求较高时，加劲梁的

7、吊装常常采用这种顺序，但这种顺序存在着最后的闭合问题，由于施工的误差可能在合龙截面出现阶梯，加劲梁刚接线形调整困难。图2、 由两侧及中央向塔部架设图3、由桥塔向两侧及中央架设西堠门大桥因地处台风区与季风区，以架梁期间结构的安全为依据，兼顾工期与台风期钢箱梁架设抗风稳定安全间的平衡，根据钢箱梁安装期间抗风研究验算成果，确定了钢箱梁安装顺序。架梁顺序为：1）拓宽航道，搭设南北塔与北锚位置支架，从南北索塔、北锚位置安装缆载吊机；2）北锚吊机走至北边跨21梁位置，南塔吊机走至中跨43梁位置，开始钢箱梁安装：北边跨1719梁，17梁向北锚方向偏移约40cm，南塔区4446梁；同时安装北塔附近卷扬式吊装系

8、统；3）三台缆载吊机分别从北锚向北塔、跨中向两塔，依次对称安装跨中123梁，北边跨2032梁；北塔区两套卷扬式吊装系统负责安装北塔区4449梁段；4）拆除北塔卷扬式吊装系统，继续安装其它剩余梁段；5）按顺序依次吊装合龙段50#、51#及43#梁并临时连接；6）按监控要求依次调整南塔44#梁、北塔44#45#梁及北锚17#19#梁段线形并完成体系转换。7）微调梁段接口处标高与缝宽，焊接梁段接缝。上述程序与通常的架梁顺序先跨中后塔区或先塔区后跨中均不全相同，从塔、锚开始架设，又从锚、塔、跨中多个工作面架设钢箱梁，工序复杂，施工过程依靠监控的精细化分析结合上节的施工期抗风稳定性研究成果，安全度过台风

9、期，最终顺利完成钢箱梁架设。图4、西堠门大桥钢箱梁吊装顺序图（2）索鞍顶推控制在悬索桥上部施工中，需对索鞍进行预偏，保证施工过程索塔位置缆力的平衡。在加劲梁架设阶段，中跨的荷载逐渐加大，锚跨处散索鞍处于沿滑面放松状态，随着梁段的架设，散索鞍会逐渐复位到设计位置；对于主索鞍，施工架设过程中一般是固结的，鞍座两端的主缆对鞍座的不平衡力随着加劲梁的架设而逐渐加大，这个力传给桥塔就会使桥塔偏位。为了保证桥塔的安全，在加劲梁架设过程中必须对鞍座进行顶推，改变各跨的跨度来释放塔顶的不平衡力，但在施工完毕的成桥状态，鞍座应当是复位的。由于顶推鞍座时施工比较复杂，难度较大，并且一旦出现施工失误，比如聚四氟乙烯

10、板出现重叠的情况和鞍座横向被卡住，顶推起来就相当困难。因此，在保证桥塔受力和变形不超标的情况下，应尽量减少顶推次数，并且尽量不超顶。确定顶推阶段和顶推量的基本控制指标为塔底允许弯矩或者应力。由于悬索桥的桥塔一般较高，桥塔弯矩的计算荷载除了主缆的不平衡推力外，还有鞍座对桥塔的偏心压力及桥塔偏位后自重荷载的P效应产生的力。为便于实测，实际控制时往往将塔底允许弯矩换算为塔顶允许偏位，即通过对塔顶偏位的控制来确定顶推阶段和顶推量。在确定顶推阶段和顶推量以前，首先需要计算出塔顶的偏位，当某阶段塔顶的计算偏位超出允许值时，则此阶段需要顶推索鞍，顶推后索鞍偏离设计位置的距离等于预偏量与顶推量之差。西堠门大桥

11、在梁段吊装过程中，桥塔偏位需控制在30cm以内；为保证桥塔在台风期的安全性，应保证桥塔受台风之前的最后一次段梁吊装后，桥塔偏位在8cm以内。实际现场索鞍顶推过程控制参见表1。施工各阶段塔偏位及鞍座顶推量一览表1编号工况塔偏位（m）鞍座顶推建议北塔南塔1空缆状态-0.099-0.0512索夹安装完毕-0.122-0.0163中跨南吊机就位-0.1650.0044吊装北边跨17#梁-0.180-0.0065第一次顶推（南塔鞍座）-0.149-0.2450.3006中跨北吊机就位-0.140-0.2397猫道改挂-0.099-0.2088吊装中跨北3#梁0.2980.0949第二次顶推（北塔鞍座）0

12、.35010第二次顶推（南塔鞍座）-0.070.050.1011吊装中跨北6#梁0.3220.2912第三次顶推（北塔鞍座）0.36013第三次顶推（南塔鞍座）0.16-0.090.32014吊装中跨北9#梁0.3070.17515第四次顶推（北塔鞍座）0.3216第四次顶推（南塔鞍座）0.022-0.0080.2017吊装中跨南16#梁0.2610.3118第五次顶推（南塔鞍座）0.1100.030.3019吊装中跨北22#梁0.2050.1720第六次顶推（南塔鞍座）0.205-0.020.2021吊装中跨北32#梁-0.0980.2222第七次顶推（北塔鞍座）0.00923第七次顶推（南

13、塔鞍座）-0.103-0.020.2524北锚无索区线形调整与体系转换-0.0420.13525第八次顶推（南塔鞍座）-0.043-0.1470.3026桥面铺装完成0.0600.10227第九次顶推（北塔鞍座）复位0.0228第九次顶推（南塔鞍座）复位-0.0003-0.00040.11注：表中所列数据对应温度为20，塔偏位以向中跨为正。三、钢箱梁架设防台方案确定（1）施工阶段划分根据抗风设计要求，西堠门大桥成桥运营阶段的和施工阶段颤振临界风速必须大于或等于颤振检验风速。按照设计提供的有关资料，设定的架梁步骤如下：1）吊装无索区梁段：北锚无索区3段，北塔处3段，南塔1段；2）吊装中跨北464

14、9号梁段，中跨南4547号梁段；3）吊装边跨北锚处2022号梁段；4）吊装中跨北13号、南2号，边跨北塔处4649号梁段；5）向跨中顶推南塔顶鞍座32cm；6）吊装跨中北4、南3号，边跨北锚处23、24号梁段。对于大跨度悬索桥，应把主跨梁段的不同架设阶段作为施工阶段抗风性能研究的重点。因此在研究中，主跨及边跨梁段的吊装直接从北锚、北塔、南塔处梁段施工完毕的状态开始，并按照主跨梁段吊装的数量将施工期划分为10个阶段。这10个阶段分别是：梁段架设完成100%状态、主跨架设78个梁段、64个梁段、52个梁段、40个梁段、32个梁段、20个梁段、12个梁段、8个梁段、4个梁段。（2）风洞试验内容西堠门

15、大桥施工阶段气弹模型试验的目的是为了检验桥梁在不同攻角下，各个施工阶段的颤振稳定性以及在大气边界层作用下的抖振响应。在准确模拟结构外形、刚度、质量以及桥位处地貌外，必须对模拟的来流风场进行校测，同时必须在试验开始前，在无风条件下对结构参数进行校测。为达到上述试验目的，需要进行表2列出的试验工况和试验内容。试验内容表2工况号工况描述流场攻角（度）测试内容1100%施工态均匀流，紊流场0，+3颤振稳定性，抖振响应2主跨保留78梁段均匀流，紊流场0，+3颤振稳定性，抖振响应3主跨保留64梁段均匀流，紊流场0，+3颤振稳定性，抖振响应4主跨保留52梁段均匀流，紊流场0，+3颤振稳定性，抖振响应5主跨保

16、留40梁段均匀流，紊流场0，+3颤振稳定性，抖振响应6主跨保留32梁段均匀流，紊流场0，+3颤振稳定性，抖振响应7主跨保留20梁段均匀流，紊流场0，+3颤振稳定性，抖振响应8主跨保留12梁段均匀流，紊流场0，+3颤振稳定性，抖振响应9主跨保留8梁段均匀流，紊流场0，+3颤振稳定性，抖振响应10主跨保留4梁段均匀流，紊流场0，+3颤振稳定性，抖振响应图5、安装在风洞中的西堠门大桥施工工况5（40个梁段）气弹模型（3）均匀流场中气动弹性模型试验均匀流场中的气弹模型试验主要是为了考查各施工阶段的颤振稳定性。本试验设定的最大风速为6.8m/s，已高于施工阶段的颤振检验换算风速6m/s。试验中，风速的观

17、测高度为模型桥面高度。表3给出了均匀流场中的试验结果，即各个不同施工阶段的颤振临界风速。从表3可以看出：1）西堠门大桥绝大多数施工阶段的颤振临界风速高于检验风速，只有主跨保留8梁段施工阶段在+3风攻角条件下的颤振临界风速要低于检验风速，而其0攻角下的颤振临界风速也是略大于检验风速；主跨保留64梁段施工阶段在+3攻角下的颤振临界风速也非常接近于检验风速。2）+3攻角条件下的颤振临界风速要小于0攻角条件下的颤振临界风速。另外，根据现场试验发现，虽然主跨梁段没有出现颤振，但其气动阻尼已经比较小，因此加强施工期间的抗风预案仍有必要。西堠门大桥颤振临界风速表3状态攻角（）模型颤振风速（m/s）实桥颤振风

18、速（m/s）100施工状态06.774.636.572.4主跨保留78梁段06.673.536.370.2主跨保留64梁段06.774.636.066.8主跨保留52梁段06.471.336.370.2主跨保留40梁段06.673.536.471.3主跨保留32梁段06.673.536.471.3主跨保留20梁段06.875.836.673.5主跨保留12梁段06.572.436.673.5主跨保留8梁段06.168.035.763.5主跨保留4梁段06.774.636.572.4（4）紊流场中气动弹性模型抖振试验紊流场中气动弹性模型试验主要是为了研究各施工阶段的抖振响应。试验时桥面高度处的最

19、大试验风速均高于实桥施工阶段设计风速（换算到风洞中为4.2m/s），试验最高风速为5.3m/s。各施工阶段模型的攻角分别为0o、+3o。四、钢箱梁架设防台方案确定（1）钢箱梁施工阶段抗风稳定性研究成果根据前面的试验与计算分析，有如下成果：1）西堠门大桥绝大多数施工阶段的颤振临界风速高于检验风速，但主跨保留8梁段施工阶段在+3攻角下的颤振临界风速低于检验风速。另外，主跨保留64梁段施工阶段+3攻角下的颤振临界风速略低于施工阶段颤振检验风速。各个施工阶段+3攻角下的颤振临界风速通常要小于0攻角下的颤振临界风速。2）在紊流条件下，各个施工阶段都发生了明显的抖振。抖振响应主要包含了前两阶反对称竖弯、前

20、一阶对称竖弯、对称扭转和反对称扭转以及第一阶对称横弯振型的贡献；横向位移值均随风速的增大而增加，随梁段的增加而减小，在很大程度上表现为一种静风位移的形式；在施工的前三个主要阶段（主跨分别保留4、8、12梁段），梁段自身的响应显著降低，索的振动起主导作用，主梁表现为刚体运动。3）在施工阶段检验风速下，考虑静风荷载和抖振荷载的联合作用，三个施工阶段跨中附近梁段的连接件承载板的横向弯矩明显超过容许值，九个施工状态梁段的连接件承载板的竖向弯矩明显超过容许值，但经过优化计算后，连接件的承载力能基本满足要求。4）当把梁段临时件D2 的承载板进行加固处理后（增加一组D2 构件，增焊4cm厚的钢板和1cm厚的纵撑），承载力在考虑材料塑性的情况下能达到900KN；此时，临时连接件D1 在承载板上加焊2cm的钢板时，其承载力也能达到900KN，但在D1 上增焊纵撑的效果不理想；5）考虑跨中梁段内力在风载下的非线性时，大多数施工态梁段内力值基本能满足47m/s 的抗风要求；64 和78 梁段施工态有少数梁段也不满足47m/s 的抗风要求，建议这几个阶段都避开台风天气进行施工；100%施工态的各梁段均不能满足47m/s 的要求，建议该阶段的施工在常风或无风状态下进行；6）在0风