涪陵乌江二桥主桥设计

涪陵乌江二桥主桥设计

1拉索、塔塔和斜拉索设置涪陵吴江二桥位于距长江口500米的地方。大桥东岸与陵江区相连，直接与富丰公路相连，西侧与岭阳市市长密切相关。主桥采用100m+340m+150m双塔单索面斜拉桥,主桥全长590m,主跨跨径340m,边跨分别为100m和150m,采用塔梁固结形式。主梁采用等高度的预应力C60砼斜腹板箱形截面梁,梁顶全宽25.82m,2%横坡。箱梁在中心线处梁高3.5m,翼缘长度为7.0m。箱梁锚索位置设置横隔板,同时在翼缘上设置托梁;横隔板上设置拉索锚箱。横隔板间距视斜拉索间距而确定为6.0m、4.4m、4.2m三种,横隔板厚度在中跨均为0.3m,边跨隔板厚度为0.5m;翼缘托梁的厚度均为0.3m。中跨箱梁顶板厚度为0.28m,腹板厚度为0.36m,底板厚0.24m。为平衡施工中的不对称,主梁两个边跨范围内箱梁截面按需要加厚,大跨加厚数据为:顶板0.75m,腹板1.17m、底板0.9m;小跨加厚数据为:顶板0.75m,腹板0.72m、底板0.7m。所有主梁箱体外侧翼缘顶板均采用0.28m厚。根据索距的不同,主梁上拉索锚点位置处按相应间距设置横梁,分别为6.0m、4.4m、4.2m。大桥为高、低独柱式桥塔形式,塔高分别为130m和178.4m。下塔柱为箱型空心墩截面,1#塔为单箱双室截面,2#塔为单箱四室截面。1#塔截面尺寸由根部的6×10m变为主梁底面处的5×9.5m,然后从桥面处的5×5m变为塔冠处4×4m;2#塔则由9×13m逐步变为主梁底面处的7.5×9.5m,然后从桥面处的5×7.5m变为塔冠处的4×5m。1#塔在桥面以下的高度为63m,2#塔为73m。两塔在桥面以上均为单箱单室变截面,1#塔截面外壁厚在顺桥向为1.0m,横桥向为0.8m;2#塔顺桥向壁厚为1.4m,横桥向在第一根拉索以下部位为1.9m厚,其余部位厚0.8m。两塔空心截面的隔板厚度均为0.5m,在塔顶均设置成实心段。斜拉索锚固于塔壁内侧,锚固区内设置环向预应力。主塔采用C50(下塔柱)及C60(上塔柱)高性能砼。斜拉索采用扇形布置,主跨上的顺桥向标准间距是6.0m,边跨索距分别加密为4.4m和4.2m,塔上的索距为2.0m。斜拉索采用Φ7(1670级)高强镀锌平行钢丝束,双层PE套防护。斜拉索采用LZM7系列冷铸墩头锚,张拉端设在梁上,锚固端置于塔内。全桥拉索纵向位于同一个平面内,共106根,最长拉索230.66m,最重拉索20.967t。2斜拉索设计方案比选斜拉索是斜拉桥的主要受力构件之一,其施工质量决定了全桥结构应力状况和使用寿命。斜拉索的挂设和张拉是斜拉桥施工的难点之一,要求施工安全、细致,既不能损伤拉索外包PE防护层和钢丝,又要保证机具、设备正常运作,操作简便,视野清晰,各支撑点受力明确,特别注意确保施工人员的人身安全。斜拉索施工关键的工序是:(1)、斜拉索提升至桥面;(2)、斜拉索锚固到粱、塔两端的锚板处;(3)、斜拉索的张拉与索力调整。本桥斜拉索施工与其他斜拉桥相比,有以下特点:①本桥为单索面斜拉桥,拉索直径较大(181mm),单位重量大,成盘直径大,起吊运输困难。而且单索面的锚点偏差将引起梁体横向倾斜和塔顶横向偏位。②本桥桥面宽度为25.5m,两侧翼缘板宽度为7m,翼缘板厚度均为28cm,无法在桥面边缘安装大型起吊设备,以整体将拉索提升上桥,并在桥面展索。③斜拉索由于单位自重大,挂索力大(最大为189t),斜拉索的设计张力较大(最大为832.2t),所有的配套张拉、支撑设备较大,安全风险大。④本桥主梁施工方法为后支点挂篮悬臂浇筑,拉索在混凝土达到设计强度以及龄期后,一次张拉到设计索力。本桥为不对称结构,而且主塔长细比大(柔性较大),索力误差对塔顶偏位以及梁体标高影响明显。⑤梁体和主塔皆为箱型断面,受拉索竖向角度和箱型空间的限制,部分拉索需在梁内张拉,部分在塔内张拉,对于梁内和塔内张拉空间都不够的拉索,采用分部不对称张拉的方式张拉。根据以上特点,经过多种方案比选,力争做到方案经济合理、安全可靠。对于拉索自重小于6t的拉索,利用塔吊直接提升上桥面,在桥面展索。对于自重大于6t的拉索,在桥下展索,索盘正上方的桥面上安装转向滑轮,桥面卷扬机牵引上桥。所有拉索都是先挂设塔端,然后挂设梁端。挂索力小于30t的拉索,利用桥面卷扬机压锚挂设,对于挂索力大于30t的拉索,利用桥面卷扬机和硬牵引法配合挂索。采用650t或900t的千斤顶对同一主塔两侧的拉索对称同步张拉,将设计索力分成10个等级,每个等级检验是否同步,通过张拉千斤顶的油表读数初步控制索力,利用频谱法和压力传感器精确测量索力,并且通过梁体标高和塔顶偏位复核索力。3拉索悬挂3.1拉索挂设及挂索本斜拉桥共计106根斜拉索,自重从2.84t至26.36t每根不等,其中高塔66根,矮塔40根。高低塔各安装一台塔吊,主要用来起吊运输张拉工具、斜拉索,但是由于塔吊最大起吊能力在45m处(即河岸距离塔吊中心的距离)为6t,因此对于本桥拉索重量小于6t的拉索,利用塔吊整盘吊装上桥,然后在桥面展开并挂设。斜拉索整盘起吊时,采用专用吊装带捆绑拉索盘,避免硬物与拉索接触以损伤拉索,而且吊点必须居中,避免起吊过程中失稳或者滑动。吊运至桥面的拉索放在特制放索盘中,锚头端安装牵引头,通过卷扬机拖移前行。为了保证斜拉索在前移过程中,拉索的PE材料不被破坏,在拉索移动轨道上设置三向防滑托辊,托辊用硬质PE材料包封,如图2所示。采用以上方法将拉索平铺于桥面上,拉索的张拉端、和固定端分别至于张拉端、和固定端附近。自重大于6t的拉索,由于受塔吊起吊能力的限制,不能整盘起吊。本桥由于翼缘板宽度为7m,而且翼缘板厚度为28cm,因此不可能在桥侧安装大型起吊设备,将拉索整体提升上桥。但是拉索必须提升上桥,而且必须展开,才能完成挂索工序。综合考虑桥梁结构特性、塔吊起重能力、地形地貌等特点。在距离主塔45m的岸侧主梁翼缘板外侧安装一转向架,拉索在桥面翼缘板下方的河岸上解盘,利用桥面卷扬机牵引拉索的一端,通过转向架,一边解盘,一边牵引上桥。3.2拉索锚头及锚垫板间距离和索力间的关系斜拉索的通常挂设方法为,先利用卷扬机或塔吊等配合工作将拉索的一端安装在锚板上,然后利用卷扬机、千斤顶、牵引杆等配套设备牵引并安装好另外一端。斜拉索挂设过程中,斜拉索的索力必须克服垂度变化及弹性伸量的变化所产生的反力。也就是说锚头和锚垫板之间的距离不同,则牵引力发生变化。如果不能准确计算锚头和锚垫板之间距离和索力的关系,则不能正确选择牵引设备,甚至造成重大安全事故。根据系统分析,拉索一端按照设计位置锚固后,另外一端锚头与锚垫板距离和牵引索力间存在如下关系:ΔL=已经安装好一端锚固点外索长-两锚点间距离-垂度产生的索收缩量+索变形产生的伸长量ΔL=L−L0−ω2L2XL024T2+TL0AEΔL=L-L0-ω2LX2L024Τ2+ΤL0AE公式(2)ΔL:拉索锚头与锚垫板间的距离,m;L:已经安装好一端锚固点外索长(包括锚头长度),m;L0:两锚点间距离,m;ω:斜拉索单位长度自重,N/m;LX:斜拉索两锚点间的水平投影长度,m;T:牵引索力,N;A:拉索横断面积,m2;E:为钢丝弹性模量,Pa。采用叠代法求解方程(2):T=(ω2L2XL0/24)/(TL0AE+(L−L0−ΔL))−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√Τ=(ω2LX2L0/24)/(ΤL0AE+(L-L0-ΔL))3.3拉索、锚索的安装所有拉索都是先挂设塔端,然后挂设梁端。部分拉索在塔上张拉,部分在梁内张拉,塔上既有张拉端的冷铸锚头,也有固定端的冷铸锚头。由于张拉端冷铸锚有内螺纹,设计一牵引头,牵引钢丝绳通过牵引头与冷铸锚相联接。标准固定端冷铸锚并无内螺纹,为了方便地完成牵引挂设工作,将固定端锚头加长2cm,形成5cm长的内螺纹,以方便牵引。在每个塔顶安装3台8t卷扬机,两台分别起吊河、岸侧的拉索,中间设置一台,在塔内通过索道管牵引拉索进锚头。首先将塔顶中间卷扬机钢丝绳从索道管放出,用连接牵引头与斜拉索塔端锚头相连,利用塔顶起重卷扬机配合塔吊将拉索提升至塔端索道管口。吊钩通过索夹与拉索相联,并且在所外侧需垫衬橡胶皮,以免损伤拉索。而且,吊点位置选定时,必须考虑:吊点外侧拉索长度能够满足拉索的张挂长度;不会由于吊点距离锚头过长,拉索自重引起拉索弯曲半径过小而损伤拉索。然后收紧塔顶牵引卷扬机,将拉索牵引至锚垫板后,并带好锚头螺母。注意通常情况下锚头螺母外露锚头长度应等于标准值,但是为了避免索长误差或其他原因,引起另外一端锚头的外露量误差,施工过程中应加强复核,并根据已经施工拉索的实测值,调整后期拉索锚头外露量。而且拉索挂设时,必须使拉索锚头中心位于锚垫板中心。3.4拉索挂设重构根据挂索力计算可知,随着斜拉索编号的增大,挂索力不断增加。梁端锚头挂设以前,已经挂设好塔端,因此梁端挂设时,需要较大的牵引力。本桥将挂索力小于30t的拉索定义为短索,利用桥面卷扬机压锚完成挂设工序。挂索力大于30t的拉索定义为长索,长索挂设先利用压锚法将锚头尽量靠近锚垫板,然后利用硬牵引法完成挂索。长索有两种情况:一种张拉端在梁内;一种为固定端在梁内。3.5梁端锚头安装短索本身的自重轻,在挂设过程中受力较小,利用桥面10t卷扬机、滑车组、链滑车、索夹、拉索顶管、托索支架等配合进行压锚,将梁端锚头安装锚固于梁端锚垫板处,梁端锚头安装如图。卷扬机和滑车组主要是牵引拉索,索夹的作用联结牵引钢丝绳与索体,顶管的作用是将索夹对索的牵引力传递给锚头,以避免索夹撕裂拉索PE保护层。链滑车和托索支架主要用来调整拉索方向,避免拉索死弯或则拉索与索道管摩擦。3.6硬牵引挂设构建根据施工设计图以及斜拉索挂索力的计算可知,固定端在梁内的拉索为拉索竖向倾角较大的拉索,其最大挂索力不超过110t。因此,采用牵引头、牵引头转换器和牵引杆能够完成斜拉索的硬牵引挂设,各构建之间的联结关系如下图所示。先利用卷扬机压锚法,将锚头压入索道管内,然后利用张拉千斤顶和撑脚,将拉索逐节张拉,直到锚头螺母带好3～4丝。千斤顶的行程为20cm,因此每次张拉不宜超过19cm,每张拉一次,需倒一次千斤顶。3.7牵引张拉接长的选择张拉端在梁内的拉索,其锚头的内螺纹可直接与张拉杆联结,张拉杆之间能够通过螺纹逐级接长,根据需要可以分为50cm或80cm一段接长,接长时特别注意,接缝之间必须保证螺纹的顺接,以便螺母能够顺利过渡接缝。张拉杆后端车有内螺纹,可以联结牵引杆。先利用卷扬机压锚将锚头尽量靠近锚头,然后逐级张拉,使锚头带好螺帽3～4丝,完成挂索。4斜拉体拉4.1斜拉索张拉及预留空间斜拉索的张拉端可以设置于梁上或塔上,对于箱形截面梁或塔来说,由于截面闭合,可能存在箱内净孔小于张拉需要的空间。随着悬臂施工节段数量的增加,斜拉索力逐渐变化,拉索倾角也在不断变化。索力不断变化则需要不同的张拉设备,不同张拉设备需要不同的张拉空间,如图所示。根据图7可以看出,斜拉索的张拉空间主要有四部分组成:张拉空间=锚头外露量+补芯内螺纹长度+张拉杆长度+预留量l=A+B+C+0.2公式(3)l:张拉空间,m;A:张拉到位后锚头外露量,参照斜拉索构造尺寸,m;B:补芯内螺纹长度,补芯外螺纹连接于斜拉索冷铸锚内,内螺纹连接张拉杆;C:张拉杆长度,张拉杆长度=撑角高度+千斤顶高度+张拉杆螺帽长度+D,为了减少张拉杆数量,可以分为几个长度区域,每个区域用一种类型张拉杆;0.2:张拉到位后,退千斤顶预留空间,m;根据对每根索张拉空间的计算以及梁内和塔内实际空间的测量,确定高塔中跨H1#索在塔内张拉、其余中跨索全部在梁内张拉、矮塔所有拉索全部在塔内张拉,矮塔中边跨1#索都在塔内张拉,但是塔内空间不能满足两根同时张拉,因此对于该对索采用分级不同步张的方式,即分成50t一级,先张拉中跨拉索50t,然后拆除千斤顶,张拉边跨拉索50t,一次逐级张拉直到设计索力。4.2施工控制及监督斜拉索的张拉设备包括千斤顶、撑脚、变径螺母、张拉丝杆等,张拉设备的布置,张拉时张拉设备、斜拉索、索道管轴线应在统一直线上。张拉要求对称的四个位置同步分级进行,张拉力以设计、监控提供数据为准。张拉采用几何控制法进行施工控制,张拉时通过斜拉索的安装长度来进行控制,以安装长度的索力进行检验,第一次张拉索力误差控制在±3%范围内。张拉前后应对桥面高程、塔顶偏位情况进行测量。拉索施工过程,做好全过程施工记录,记录每天的温度、湿度、风速,特别要记录软牵引和张拉过程的拉伸量和牵引力、张拉力斜拉索的长度、延伸量、调整垫片的厚度、钢箱梁的实际重量、桥面荷载、桥面线型、索塔倾斜度、桥梁轴线以及施工过程的调整情况。5测量和控制雇主的强度5.1拉索张拉及索力控制方法斜拉桥施工中,索力控制为全桥结构控制的关键点,索力误差将影响梁体标高、梁的内力状态、主塔应力等,因此拉索施工过程中必须严格控制索力误差。斜拉索索力测量方法有:油表读书法、压力传感器法、频谱法、拉索伸长值复核法等。油表读书法是根据张拉千斤顶的活塞面积和油缸内的油压强度能够算出张拉力的原理测量拉索张力,该种方法比较直接、准确,也容易控制。压力传感器法运用电测应变测量原理,将索力的大小转变为电信号,并由电子秤显示,该种方法适用于张拉时的索力控制,具有较高的精度。频谱法是根据索力与其自振频率之间存在一定的关系,测出拉索的自振频率就可得到其索力值,频谱法相对压力传感器法是一种经济、简便的索力检测方法,其精度也能满足工程控制精度的需要,但