多塔斜拉桥新技术研究

多塔斜拉桥新技术研究第1页/共37页

a.减小背索索距；

b.加大背索截面面积；

c.在中跨跨中及边跨梁端加压重；

d.适当增加中塔和主梁的刚度。

1．合理桥型布置方案研究

（一）多塔斜拉桥基本性能研究

由于采取了以上措施，虽然斜索用钢量及混凝土数量略有增加，但总的造价增加最少，而结构的整体刚度提高了30%左右，取得了满意的效果。第2页/共37页

岳阳洞庭湖大桥三塔斜拉桥计算网格图

（尺寸单位：m）第3页/共37页课题组通过深入细致的研究，提出了三塔PC斜拉桥合理成桥状态确定的最优化方法以及合理施工状态确定的正装迭代法，取得了如下创新性成果：（一）多塔斜拉桥基本性能研究

2．合理设计状态确定研究

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课题组提出用“应力平衡法”来确定主梁的成桥恒载弯矩这一设计关键，并据此可确定主梁的合理预加力。提出了主梁恒载弯矩合理域和可行域的概念。该可行域即可作为斜拉桥合理成桥状态确定时的主梁恒载弯矩的控制范围a.确定合理成桥状态的最优化方法第5页/共37页初拟结构尺寸→用最小弯曲能量法初定成桥状态→索力调匀→计算主梁活载应力包络图→预应力设计→主梁成桥恒载弯矩可行域→主梁弯矩调整→成桥状态检验。

如果一个设计已完成，可用该方法对预应力的合理性以及主梁成桥恒载弯矩的可行性进行检验。基本计算步骤：a.确定合理成桥状态的最优化方法第6页/共37页合理施工状态的确定通常有倒拆法、正装-倒拆迭代法和无应力状态控制法，这些方法都不同程度上存在不闭合问题，即根据所得到的施工状态控制参数进行正装计算时，与合理成桥状态不一致。课题组提出的正装迭代法克服了以上方法的致命弱点，具有以下特点：b.确定合理施工状态的正装迭代法第7页/共37页1)只需作正装计算，大大简化了计算过程；

2)基本克服了不闭合问题；

3)可考虑非线性影响；

4)第一次正装计算的张拉索力选取灵活性

很大，易于应用；

5)正装迭代后得到的成桥状态具有可调性。b.确定合理施工状态的正装迭代法第8页/共37页为了研究多塔斜拉桥的基本性能，同时验证静、动力理论分析结果正确性，课题组进行了三塔斜拉桥全桥模型试验。模型桥全长29.333m。主梁和桥塔均采用分段整体铸造后拼装而成。本试验标志着我国桥梁结构试验进入超大规模时代。

（一）多塔斜拉桥基本性能研究

3．全桥模型试验第9页/共37页模型全景图第10页/共37页为克服恶劣自然条件的影响，实现设计提出的高标准要求，优质安全高效地建成这一宏伟工程，课题组在总结传统的施工工艺的基础上，提出并采用了深水高桩钻孔施工平台、大型水下钢套箱承台施工、带空间转动锚座及钢结构水平止推装置的前支点挂篮等一系列的新工艺。（二）施工工艺及C60高性能砼技术研究1．施工工艺创新研究第11页/共37页

解决了平台在高洪水位，高流速的冲击和覆盖层完全被冲刷情况下自身的稳定性问题，对洪水作用机理进行了空间分析。a.深水高桩钻孔施工平台的设计与应用

由于考虑周密，三个工作平台顺利地度过了97及98年两个超历史洪水位的考验，使桩基施工在整个洪水期间正常进行，确保了大桥的控制工期。创造了特大洪水期间基础工程照常施工的奇迹。第12页/共37页深水高桩钻孔施工平台第13页/共37页b.首创大型水下套箱施工主墩承台洞庭湖大桥主墩承台采用的大型钢套箱施工，在国内尚属首次。施工设计工艺先进，降低成本约400万元。承台施工期间由于洞庭湖水位高，施工需在水位线下进行，如按常规套箱着床施工，需耗费大量钢材以及大量的封底材料，成本很高又不利于航道泄洪要求，课题组研究采取了大型水下钢套箱施工承台的方案。第14页/共37页c.前支点挂篮的工艺革新课题组对传统挂篮进行了创造性的工艺改进，以适用施工的特殊要求。开发了空间索转动锚座和预应力钢结构水平止推装置，使悬浇挂蓝能严格控制空间索的三维坐标，并抵抗斜拉索产生的强大水平分力。第15页/共37页空间索转动锚座第16页/共37页（二）施工工艺及C60高性能砼技术研究2．C60高性能砼技术研究目前国内将高强砼应用于桥梁结构上还很少见，将C60高强砼应用于本桥这样一座规模宏大的斜拉桥上，在国内尚属首次。经过100多次反复试配和多次正交试验，并通过多次现场模拟试验，终于在较短的时间内将C60砼配比如期提供施工，并较好的解决了C60砼早期收缩开裂等关键技术问题。第17页/共37页

C60砼配比及性能表

水泥(kg/m3)水(kg/m3)硅灰(kg/m3)外掺剂(kg/m3)砂(kg/m3)碎石(kg/m3)坍落度(kg/m3)扩展度(kg/m3)R3MPaR7MPaR28MPa460165406.0777107321048052.566.178.52．C60高性能砼技术研究第18页/共37页

由于有了科学的配比和先进的生产工艺，主梁C60砼施工进展相当顺利，创造了中国桥梁建设史上采用C60高强高性能砼的施工先例，同时，也为今后推广采用高强高性能砼积累了许多经验。2．C60高性能砼技术研究第19页/共37页颤振导数是评定桥梁抗风稳定性的重要参数，我国以前只能用自由振动法测定颤振导数。为确保洞庭湖大桥在施工和运营阶段的抗风安全，课题组在国内最先实现了采用强迫振动法测量颤振导数，进行了大量的节段模型风洞试验。试验表明：强迫振动法具有试验数据重复性好、测定折减风速范围宽、无需复杂的系统识别过程即可得到交叉导数项等一系列优点。（三）强迫振动法测颤振导数第20页/共37页同济大学项海帆院士专程来长沙考察强迫振动法第21页/共37页强迫振动法风洞试验第22页/共37页试验证明：洞庭湖大桥的临界颤振风速大大高于桥址处检验风速，表明洞庭湖大桥具有足够的抗风稳定性。第23页/共37页岳阳洞庭湖大桥由于其特殊的地理、气候条件，自2000年10月建成通车后，于2001年4月9日、5月26日，接连发生了多次风雨振。课题组与香港理工大学合作对洞庭湖大桥风雨振现象进行了现场观测，得到了风雨振的振动形态。并对采用磁流变智能阻尼器控制拉索风雨振问题进行了深入研究。研究表明，磁流变阻尼器对风雨振具有很好的减振效果。岳阳洞庭湖大桥目前已全桥安装该阻尼器，这是世界上首座应用磁流变智能阻尼器控制拉索振动的桥梁。（四）斜拉索风雨振动控制研究第24页/共37页

为了评估磁流变阻尼器对拉索振动控制的效果，在岳阳洞庭湖大桥选择三根拉索进行了振动控制试验。试验布置如下图。试验采用了具有国际先进水平的稳态激振法，并开发了专用模态参数识别方法。磁流变(MR)阻尼器振动控制试验研究第25页/共37页不同电压下的A11索前三阶等效模态阻尼比拉索系统的各阶模态阻尼比均存在一个优化电压值，安装阻尼器后拉索系统模态阻尼比增大了3～6倍。试验结果第26页/共37页

为了测量风雨振时拉索的振动形态和阻尼器的实际减振效果，选择A10、A11、A12三根拉索建立风雨振观测系统，其中A11索安装了磁流变阻尼器。观测系统第27页/共37页磁流变阻尼器减振效果对照录像资料安装了磁流变阻尼器的拉索未安装磁流变阻尼器的拉索第28页/共37页(a)面内响应(b)面外响应

风雨振时测到的A10索（无阻尼器）与A11索（有阻尼器）加速度响应对比，结果显示有阻尼器的拉索加速度响应减小了20-30倍第29页/共37页全桥安装的磁流变阻尼器减振系统第30页/共37页对典型索塔结构进行空间有限元分析，根据计算结果，提出4种可能的预应力配束方案。在确保安全的前提下，以塔内受力均匀、节约预应力筋及锚具的数量、方便施工为目标，对预应力的优化布束方式进行理论分析，提出最终的预应力布束方式，并通过典型索塔足尺节段模型加载试验进行验证。（五）索塔优化布束及模型试验研究第31页/共37页索塔节段模型试验实景照片第32页/共37页

1.对三塔PC斜拉桥的基本性能进行了系统研究，探索出了一整套提高结构整体刚度、降低尾索应力幅的有效方法，在国内率先实现了不设稳定索和辅助墩的全漂浮体系三塔PC斜拉桥结构；

2.提出了三塔PC斜拉桥合理施工状态确定的正装迭代法，提高了计算速度与施工控制精度，合拢高程误差仅3毫米。

3.在国内最先实现了颤振导数测度的强迫振动法，能一次测出全部8个颤振导数，且精度高、重复性好。发现发明及创新点第33页/共37页第34页/共37页社会经济效益课题研究创造性地解决了多塔斜拉桥设计施工过程中的诸多技术难题，为今后修订斜拉桥规范提供了依