湖北特大跨径三塔斜拉桥新技术介绍

新技术研究课题总负责人：课题承担单位：项目简介

由江泽民总书记题写桥名的xx大桥主桥是一座特大跨径的三塔斜拉桥，属国内首创；主桥跨径组合为130m+2×310m+130m，其结构型式新颖，技术复杂，规模宏大。课题组经过大量的理论分析、试验研究及相关测试，形成了多塔斜拉桥设计施工成套技术。课题成果通过在xx大桥的实际应用，创造性地解决了xx大桥多塔斜拉桥一系列的技术难题，使用先进的设计施工手段降低了成本，提高了工作效率，确保了大桥施工过程的安全和整体质量。多塔斜拉桥基本性能研究；施工工艺及C60高性能砼技术研究；强迫振动法测颤振导数；斜拉索风雨振动控制研究；预应力砼空心索塔试验研究。主要研究内容

1．合理桥型布置方案研究

采用三塔斜拉桥这种结构形式，首要问题是必须找到提高结构整体刚度的技术措施和方法。为满足桥梁美观及通航泄洪的特殊要求，该桥摒弃了采取空间刚性塔、塔顶对拉索、斜索交叉布置或边跨加辅助墩等传统的措施来提高结构整体刚度，而是研究采用了一套经济有效的提高结构整体刚度的技术措施。（一）多塔斜拉桥基本性能研究

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。

xx大桥三塔斜拉桥计算网格图

（尺寸单位：m）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

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．全桥模型试验模型全景图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

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。深水高桩钻孔施工平台b.首创大型水下套箱施工主墩承台xx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xx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。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。空间索转动锚座（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。C60漆砼配比探及性能患表水泥(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．C6彩0高性能斯砼技术研烘究由于有督了科学拖的配比瓶和先进跨的生产熟工艺，驶主梁C60砼咬施工进槽展相当币顺利，匪创造了甲中国桥世梁建设光史上采帐用C60高番强高性镰能砼的塌施工先剧例，同坐时，也复为今后汽推广采得用高强游高性能营砼积累湿了许多放经验。2．C丢60高吨性能砼岂技术研净究颤振导单数是评厌定桥梁伪抗风稳远定性的摆重要参持数，我粉国以前扮只能用咸自由振好动法测跨定颤振舰导数。逃为确保遍xx大足桥在施渗工和运坊营阶段阶的抗风菜安全，笑课题组进在国内再最先实祸现了采飞用强迫怪振动法锻测量颤转振导数镇，进行捉了大量鼻的节段唇模型风吧洞试验衰。试验表明吼：强迫振动扛法具有试犹验数据重泛复性好、朱测定折减傍风速范围每宽、无需碍复杂的系驴统识别过换程即可得却到交叉导堤数项等一拐系列优点慢。（三）帝强迫振站动法测熄颤振导碑数同济大怎学xx谁院士专洗程来长属沙考察动强迫振彻动法强迫振动吸法风洞试局验试验证明哭：xx大额桥的临界侵颤振风速衣大大高于炒桥址处检质验风速，脸表明xx估大桥具有俯足够的抗铃风稳定性购。xx大由桥由于伙其特殊颗的地理龙、气候崖条件，炕自20盐00年岗10月叔建成通匀车后，萄于20首01年菜4月9吓日、5嘱月26陡日，接丈连发生绩了多次成风雨振此。课题规组与香公港理工极大学合害作对x伯x大桥哨风雨振虾现象进勇行了现屑场观测沟，得到炮了风雨零振的振灾动形态怀。并对忘采用磁立流变智蔽能阻尼匆器控制恰拉索风捧雨振问脸题进行企了深入茫研究。丧研究表涝明，磁筒流变阻娱尼器对蜂风雨振请具有很交好的减另振效果挂。xx吧大桥目汤前已全下桥安装冈该阻尼膜器，这位是世界等上首座讯应用磁赚流变智义能阻尼恭器控制幻玉拉索振音动的桥番梁。（四）脾斜拉索苗风雨振参动控制锄研究为了评估斥磁流变阻北尼器对拉灵索振动控求制的效果墨，在xx东大桥选择很三根拉索送进行了振渐动控制试冈验。试验夺布置如下滑图。试验院采用了具径有国际先喇进水平的职稳态激振锁法，并开眉发了专用校模态参数患识别方法穿。磁流变捕(MR餐)阻尼窝器振动置控制试傍验研究不同电压绑下的A11索前三阶敢等效模态见阻尼比拉索系统担的各阶模票态阻尼比矛均存在一缸个优化电徒压值，安苦装阻尼器痒后拉索系紧统模态阻加尼比增大群了3～6岩倍。试验结孝果为了测量献风雨振时取拉索的振赴动形态和卸阻尼器的础实际减振懒效果，选唯择A10漂、A1敢1、A凯12三根拉索倘建立风雨瓶振观测系弓统，其中A11索安装粥了磁流硬变阻尼韵器。观测系摸统磁流变征阻尼器绕减振效炼果对照衫录像资执料安装了磁私流变阻尼殖器的拉索未安装磁流变阻尼器的拉索(a)面内响应赴(b)面外响增应风雨振屿时测到废的A1笔0索（疤无阻尼泄器）与晒A11糖索（有松阻尼器担）加速袜度响应忘对比，逆结果显盏示有阻迎尼器的醒拉索加矿速度响维应减小倍了20晓-30赏倍全桥安言装的磁剩流变阻松尼器减侦振系统对典型索法塔结构进芝行空间有限元分拾析，根据命计算结果肃，提出4种可能的千预应力配乎束方案。在摩确保安促全的前夺提下，以塔内异受力均诊匀、节吃约预应细力筋及锚具津的数量、款方便施工森为目标，蔽对预应漠力的优呼化布束购方式进行努理论分帆析，提竟出最终嗽的预应力袄布束方张式，并奴通过典香型索塔足率尺节段膜模型加角载试验久进行验证应。（五）旋索塔优械化布束锹及模型帜试验研挽究索塔节段把模型试验蜓实景照片1.对拴三塔PC铸斜拉桥的哑基本性能辰进行了系致统研究，勉探索出了固一整套提荣高结构整熟体刚度、己降低尾索俗应力幅的枣有效方法础，在国内塘率先实现抱了不设稳狗定索和辅寺助墩的全强漂浮体系惜三塔PC绢斜拉桥结秆构；败2框.提出歼了三塔P察C斜拉桥麻合理施工棵状态确定挖的正装迭苏代法，提泪高了计算钻速度与施威工控制精呢度，合拢吩高程误差庭仅3毫米傅。谷3.慰在国内颂最先实现穷了颤振导虚数测度的睛强迫振动较法，能一琴次测出全愤部8个颤颂振导数，跑且精度高钉、重复性工好。发现发明及创新点社会经济皆效益课题研荣究创造微性地解州决了多粥塔斜拉麻桥设计歪施工过鸭程中的袖诸多技趴术难题债，为今撞后修订所斜拉桥缴规范提粮供了依担据。课即题研究尝确保了权大桥施守工安全收、合拢梅顺利，游成桥内侧力分布拘合理，