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斜拉桥施工方法概论

斜拉桥的施工概论

第一节 概述

斜拉桥的施工,一般可分为基础、墩塔、梁、索等四部分,其中基础施工与其他类型的桥梁没有什么两样,墩塔和梁的施工也可在本书其他各章找到适当的方法。只有索的施工,包括索的制造、架设和张拉具有其特殊性。

但是斜拉桥作为一个整体,它的塔、梁、索的施工必须互相配合,服从工程设计意图。因此本章的讲述只将基础施工除外,对于塔和梁的施工不能不有所涉及,而以梁、索和各种具有代表性的斜拉桥上部结构的施工为本章叙述的主线。

近代第一座斜拉桥当属1955年的瑞典斯特姆松特桥(strem—sund),它是一座稀索辐射式的斜拉桥,中孔跨度185.5752m,边孔74.676m。钢塔由梁上吊机安装,边跨钢梁在脚手架上拼装,中跨采用悬臂拼装法。斜拉索也是利用梁上吊机安装,随着钢梁的逐节悬臂前进,先连结下端,然后吊机退回至桥塔处安装上端,用千斤顶张拉。

从1955年至1957年世界上约有60座斜拉桥建成或正在设计中,几乎都是钢斜拉桥。直至1962年才有第一座砼斜拉桥建成,它就是委内端拉的马拉开波湖桥。我国自1975年建成第一座四川云阳的汤溪河桥后,斜拉桥总数据不完全统计,至今已达50座以上,大部分是砼斜拉桥。表11—1、11—2分别介绍了国内、外近年来建成的著名斜拉桥的施工概况。

一、塔的施工

索塔的材料可用金属、钢筋砼或预应力砼。索塔的构造远比一般桥墩复杂,塔柱可以是倾斜的,塔柱之间可能有横梁,塔内须设置前后交叉的管道以备斜拉索穿过锚固,塔顶有塔冠并须设置航空标志灯及避雷器,沿塔壁须设置检修攀登步梯,塔内还可能建设观光电梯。因此塔的施工必须根据设计、构造要求统筹兼顾。

索塔承受相当大的轴向力,还可能有弯矩,因此对索塔的尺寸和轴线位置的准确性应有一定的要求。

允许偏差值应考虑以下两个原则:①偏差值对结构物受力的影响甚微;②施工中经过努力可以达到的精度。参考国外资料,沿塔高每米高度允许偏差0.5mm,即倾角正切值tga=1/2000。我国斜拉桥塔施工精度现在尚无统一规定,上海柳港桥允许倾斜度为1/200,徐浦大桥允许偏差值如表11—3所示。

 

钢索塔施工一般为预制吊装,砼索塔施工大体上可分为搭架现浇、预制吊装、滑升模板浇筑等几种方法,兹分述于下:

1、搭架现浇

此法工艺成熟,无须专用的施工设备,能适应较复杂的断面形式,对锚固区的预留孔道和预埋件的处理也较方便,但是比较费工、费料、速度慢。跨度200m左右的斜拉桥,一般塔高(指桥面以上部分)在40m上下,搭架现浇比较适合。广西红水河桥、上海柳港桥、济南黄河桥的桥塔都是采用此法。跨度更大的斜拉桥,塔柱可以分为几段,各段的尺寸、倾角都不相同,往往各段采用的方法也不同。下段比较适合于搭架现浇,例如上海南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥、武汉长江二桥,跨度都在400m以上,塔高在150m以上,下塔柱都采用传统的脚手架翻模工艺、缺点是施工周期较长。

2.预制吊装

此法要求有较强的比重能力和专用的起重设备,当桥塔不是太高时,可以加快施工进度,减轻高空作业的难度和劳动强度。东营黄河桥塔高69.7m,桥面以上56.4m,采用钢箱与砼结合结构,预制吊装。

国外的钢斜拉桥桥塔基本上都是采用预制吊装方法施工。

我国砼斜拉桥用预制吊装方法的不多,只有1981年建成的四川省金川县曾达桥,塔高24.5m.是卧地预制而成,从地面上用绞车和滑轮组板起,由锚于对岸山壁上的钢丝绳和滑轮提供吊装力。

3.滑模施工

此法的最大优点是施工进度快,适用于高塔的施工。塔柱无论是竖直的或是倾斜的都可以用这个方法,但对斜拉索锚固区预留孔道和预埋件的处理要困难些。在各个工程中有称为爬模,或称为提模,其构造大同小异。所谓滑模是指模板沿着所浇筑的砼由千斤顶(螺旋式或液压式)带动而向上滑升,它要求所浇筑的砼强度必须达到模板滑升所必需的强度。提模则是拆模后把模板挂在支架上,模板随着支架的提升而上升。支架的提升是在塔的四周设置若干组滑车组,其上端与塔柱内预埋件连接,下端与支架的底框连接,支架随拉动手拉葫芦而徐徐上升。

辽宁长兴岛斜拉桥塔高43m,为适应高塔施工,专门制作了一种提升支架,不但可用于液压千斤顶提升的滑模,亦可用于分段浇筑的提模。索塔下节117m的斜腿段采用一般的搭架模板浇筑,竖直的上节塔柱则采用滑模或提模。先施工的2号索塔采用滑模法,由于冬季寒冷不宜滑模使用,中止了施工。后施工的1号索塔采用提模法,砼蒸汽养生,解决了-20℃的冬季施工问题,因而后来将2号索塔也改成提模施工。

两塔柱间的横梁利用支架的下层操作平台就地浇筑,下层操作平台的下边则用工字钢顶撑在已浇筑的横梁上。

上海南浦大桥塔高150m,下塔柱斜率1:5271842,净高29m,采用传统的脚手架翻模工艺,施工周期较长,平均每天0.56m。中塔柱斜率1:85,高55.0m,试制成功国内首创的斜爬模,这种斜爬模的原理与提模相同,施工速度提高到每天1.14m。上塔柱同样采用爬模施工。

二、主梁施工

一般地说来,砼梁式桥施工中的任一种合适的方法,如支架上拼装或现浇,悬臂拼装或浇筑,顶推法和干转法等,都有可能在砼斜拉桥上部结构的施工中采用。

由于斜拉桥梁体尺寸较小,各节间有拉所,还可以利用索塔来架设辅助钢索,因此更为有利于采用各种无支架施工法。其中悬臂施工法是砼斜拉桥施工中普遍采用的方法。不论主梁为T构、连续梁或悬臂梁皆可采用。究竟采用哪种方法,这是设计者首先要研究决定的问题。决定时所要考虑的问题主要有所跨越的障碍的情况,斜拉桥本身的结构与构造等,兹分述于下:

1、在支架上施工

当所跨越的河流通航要求不高或岸跨无通航要求,且容许设置临时支墩时,可以直接在脚手架上拼装或浇筑,也可以在临时支墩上设置便梁,在便梁上拼装或浇筑。如果有条件的话,此法总是最便宜、最简单的。

例如贝尔格莱德萨瓦河双线铁路桥,是一座钢斜拉桥,1977年建成,中跨254m,桥宽16.5m,由于萨瓦河无通航要求,故整个桥跨都是在施工脚手架上安装,因此主梁、塔柱和斜拉索的安装都能分开进行。主梁和塔柱安装完毕后,用设在支架上的千斤顶将梁顶升,然后安装斜拉索,安装就位的斜拉索借助于放松千斤顶使主梁下降而拉紧,这样斜拉索的安装就不需要大吨位千斤顶。

我国天津永和桥也是在临时支架上安装的一个典型。永和桥是预应力砼斜拉桥,中跨260m,1987年建成。由于主梁较弱,为避免超应力,不在已架设挂索的主梁上运送预制梁段.预制梁段经由河中满铺的便桥运送至安装部位。运送到位的预制梁块下设四个临时支点,并立即穿进纵向预应力钢筋、胶拼、挂斜拉索。安装顺序是以塔柱为中心,对称地两侧同时进行.每一节段包括四块长5.8m的预制梁段,八根斜拉索,时间约需7—15天。

2.顶推法

当桥下不允许设置过多临时支架,如跨越道路、铁路的高架锈,可以考虑采用顶推法。钢斜拉桥首次采用顶推法架设的是前联邦德国杜塞尔多夫市区内的一座公路高架桥,称为尤利西大街桥。此桥1963年建成,中跨98.7m,安装过程如图11—1中所示。

在西桥台后先拼装东半跨,临时支点I至VI。顶推过程中,斜拉桥的自重通过钢箱中的横隔梁传递至纵向箱梁,因此拉索只是部分受拉。在塔顶鞍座上设有顶升机械来消除顶推节段最外绕的悬臂挠度。当桥梁最外缘顶推至永久墩Ⅷ时,用千斤顶将支座顶起约10cm,使永久墩Ⅷ上的支承压力消除。桥梁更向前推进时,墩Ⅷ上的支承压力将增加;当最外缘超过临时墩IV约7.3m时,这个支承压力达到允许值。这时,将墩Ⅷ的支座回复到原来位置,继续顶推至达到其最终位置,拆除临时墩IV、X。

前苏联1976年建成的第聂伯河钢斜拉桥是独塔体系,河跨300m,曾经比较过各种架设方法,结果发现还是顶推纵移法最有利。在300m跨径内设置了三个滑动支座,其间距为75m,主梁拼装及滑移全部工作在13个月内完成。

我国1993年建成的无锡石城河斜拉管桥系将41.8m的水管在临时墩上拖拉就位。此外重庆石门桥(1989年建成)的引桥5×50m预应力砼连续梁和南海九江桥长达690m的连续箱桥(1988年建成)也是用顶推法架设。

3.转体施工

转体施工在斜拉桥施工中采用不多,比利时1988年建成的跨越默兹河的邦纳安桥,独塔,其左岸3×42m和右岸168m主跨共294m的梁体均在平行于河流的岸边制造,在安装和调整后,将整个桥塔-缆索-梁体以塔轴为中心转体700就位,并与右岸就地浇筑的一孔42m桥跨相接。

四川金川县留达桥是我国第一座转体施工斜拉桥,1981年建成。该桥为独塔,孔跨布置为41m+70m,桥面宽5.5m,墩、塔、梁固结。主梁为钢筋砼三室箱梁。桥址附近河滩干整且墩身较矮,适合于平转法施工。先在河滩上搭设低支架浇筑梁身,索塔则卧地预制。将索塔挂起,与梁固结并安装斜拉索后,平衡转体施工就位。转体装置为砼球铰和钢滚轮,短跨内配有平衡重。

1997年建成的汤河大里管铁路斜拉桥位于秦皇岛站疏解线上,下跨京秦线,斜交,是一座槽形主梁、刚性索的斜拉桥,油塔,主跨50m,边跨42m(图11—2)。施工时,先沿所跨越的线路方向在支架上建造斜拉桥,包括塔、梁和刚性索,待砼达到设计强度后,张拉梁内和索内的预应力筋,然后整个斜拉桥绕转盘转动。转动时边孔的后端沿圆形轨道移动,主孔的前端悬空,为防止最前线悬空引起外主索悬吊点主梁上缘有过大拉应力,在转体时增加临时震吊住前墙。待转体就位后,卸除临时索,转盘用砼封实,再铺设道碴线路和人行道。

4、悬臂拼装

国外早期建造的钢斜拉桥,大多数是用悬臂拼装而成。我国东营黄河桥是我国目前唯一的一座钢斜拉桥,中跨288m,1987年建成,岸侧跨度136.5m,在支架上拼装,河侧悬臂拼装,栓焊结构。上海南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥主跨都是钢与钢筋混凝上板结合梁桥,它们也全都是悬臂拼装。

砼斜拉桥的悬臂拼装施工是将主梁在预制场分段预制,由于主梁预制砼龄期较长,收缩、徐变变形小,且梁段的断面尺寸和砼质量容易得到保证,我国上海柳港桥(1982)、安康汉水桥(1979)、郧阳汉江桥(1994)等都是采用悬臂拼装法。

美国帕斯克和肯尼维克两地之间,1978年建成的跨越哥伦比亚河的砼斜拉桥(简称P—K桥),其正桥部分的分跨为123.9m+299m+123.9m,桥面宽24.30m,梁采用半封闭式箱形截面。其主梁施工方法采用预制节段的双悬臂法。主梁高2.13m,分段长度为8.10m,由于是全截面整体制作,因此最重节段达到254t。主梁节段在预制后,存放六个月后再张拉横向预应力筋,浮运至桥孔处安装,以保证砼的强度相减小收缩、徐变变形。

图11—3为该桥的部分主要安装程序,其步骤是:

先在斜撑式支架上现浇20m长的梁段,然后用特制的移动式吊架起吊梁段,逐节进行悬臂拼装。梁段间用环氧树脂粘结,并由拉索的水平分力施以预加力。梁内另布置有预应力粗钢筋。为了保证在安装过程中不致出现过大的塔顶水平位移,在塔顶与另一桥墩之间设有辅助拉索,它与边跨的背索一起来约束塔顶位移。该桥每安装一个节段的周期仅需四天,全桥拼装工作在不到一年时间完成。因此,如运输、起吊设备条件可以解决,以整体截面预制为好。

5.悬臂浇筑

斜拉桥特别适合于悬臂浇筑。我国在七八+年代悬臂浇筑的大部分斜拉桥还是沿用一般连续梁常用的挂篮。无论是桁梁式挂篮还是斜拉式挂篮均系后支点形式,这种形式的挂篮为单悬臂受力,承受负弯矩较大,浇筑节段长度受到了很大的限制,挂篮自重与所浇筑梁段重力之比一般在0.7以上,甚至可能达到1~2。例如1981年建成的广西红水河铁路斜拉桥,跨径48m+96m+48m,中跨悬臂浇筑,采用桥梁式挂篮,挂篮自重与梁段重力之比为0.77。80年代后期,我国桥梁工作者根据斜拉桥的特点,开始研制前支点的牵索式挂篮。利用施工节段前端最外侧两根斜拉索,将挂篮前端大部分施工荷载传至桥塔,变悬臂负弯矩受力为简支正弯矩受力。这样,随着受力条件的变化,节段悬臂长度及承受能力均大大提高,例如1995年建成的吉林临江门斜拉桥、浙江上虞人民桥、铜陵长江公路大桥及武汉长江二桥等。我们特在第二节着重介绍牵索式挂篮的工艺特点。

第二节 牵索式挂篮工艺

1988年建成的美国佛罗里达州杰克逊成尔的达姆斯角桥(简称D—P桥)首先采用牵索式挂篮。1991年建成的挪威海尔格兰桥也是采用牵索式挂篮施工,挂篮长28.8m,重115t。为了准确地确定梁上斜拉索锚固装置的位置和方向,将带法兰盘的钢管在工厂预埋在一个短的砼构件中,施工时将预制件栓接在挂篮的模板上,以便在浇筑砼前装入最终斜拉索并施加部分预拉力,使挂篮支承在其端部。为了承受斜拉索的水平分力(压力),在预制件和已浇筑的砼梁之间设有一个预制抗压支柱(图11—4),每次浇筑长度为12.90m,砼数量约110m3。

我国1995年建成的广东三水大桥采用带斜向工具索的挂篮悬浇,挂篮与节段梁重之比为0.53.由于挂篮较轻,为斜拉索一次张拉到位创造了条件。吉林临江门大桥、铜陵长江大桥、武汉长江二桥也都先后研制了不同构造的牵索式挂篮,兹分述于下;

一、吉林临江门斜拉桥牵索式挂篮

临江门斜拉桥是吉林市跨越松花江的一座大桥,全长685.17m。主桥采用独塔斜拉桥,塔高61—8m,跨度2×132.5m,桥面宽27.5m,索距715m,为塔、墩、梁固结体系。主梁截面采用倒梯形双室开口预应力砼箱梁,梁高2m.在标淮梁段每一索区梁体砼重300t。

牵索式挂篮主要由主桁承重系统、模板系统、牵索系统、锚固系统、调高系统及走行系统六大部分组成(图11—5)。

1、主桁承重系统

主桁纵向由四榀万能杆件桁梁组成,横向由三榀万能杆件桁梁连接,桁梁高均为2m。纵向四榀桁梁长度:外侧两相为20m,中间两相为18m。横向三榀桁梁长度为24m,分别连于纵梁的前端、中间和尾端。在外侧桁梁前端4m范围内设置了与牵索系统连接的锚固滑槽,在中间桁梁处设置了走行牛腿。整个挂篮通过牵索系统和锚固系统,特全部施工时的荷载传于主塔及已成梁段上。挂篮通过走行牛腿及尾端横梁上的走行轮完成转移(见图11—5b))。

2.模板系统

模板系统由底模、外侧模、开箱内模及闭箱内模组成。底模通过纵、横分配梁直接连在主桁梁上,施工及转移时始终随桁梁一起工作。模板采用型钢及钢板组焊成整体结构模板。模板系统主要承受灌注砼时的各种压力,并按设计梁形成型。在模板系统中设置了锁定及调整部件,主要是锁定、调整模板到设计位置。

3.牵索系统

该系统由异形接头、牵引杆、吊耳、水平调整螺杆、扁担梁、元宝梁及千斤顶组成。吊耳位于主桁的锚固滑槽内,元宝梁与吊耳之间采用转轴联结。异形接头一端与缆索冷铸锚联结,另一端与牵引杆连接。牵引杆通过元宝梁和扁担梁进行锚固,在元宝梁与扁担梁之间安置于厅顶。牵索系统主要作用是将挂篮前端的垂直荷载直接传至斜拉桥主塔,以减小挂篮作用在斜拉桥主梁上的垂直荷载。牵索系统的另一作用是完成体系转换,即施工时缆索锚固在挂篮上,施工后缆索锚固在斜拉桥主梁上。

4、锚固系统

该系统由侧描、中锚和后锚组成。

侧锚由垫梁、垂直吊杆、斜向拉杆、锚梁、分配梁、扁担梁及千斤顶组成。垫梁捆放在已成主梁的顶板上,前端连在主梁的砼上,垫梁与主梁间垫橡胶垫以增加水平联接力。垂直吊杆与斜向拉杆一端锚固在主桁处的锚梁上,另一端锚固在垫梁上,并与扁担梁连接。在望梁与扁担梁间设有千斤顶,用以安装和拆除锚固系统。该系统主要承受主桁两侧的垂直反力及由牵索系统传来的水平反力.并将这些力传至斜拉桥主梁上。在挂篮转移时,垂直吊杆通过千斤顶将挂篮主桁落在走行滑槽内。

中锚由上锚梁、下铺梁、分配梁、垂直吊杆、斜向拉杆、扁担梁及千斤顶组成。上锚梁安放在主梁顶面.分配梁及下铺梁安装在主桁梁上。垂直吊杆及斜向拉杆一端锚固在下锚梁上,另一端锚固在上锚梁上,并与扁担梁连接。千斤顶安放在上锚梁与扁扭梁之间,用来安装及拆除锚固系统。该系统主要是将桁梁中部垂直荷载传至斜拉桥主梁上,水平力自身平衡。

后锚由小锚梁和拉杆等组成,它位于挂篮的尾部。小锚梁安放在主梁面上,拉杆上埔锚固在小锚梁上,下端锚固在桁梁上。该系统的作用是将挂篮的尾部与斜拉桥主梁进行锚固连接。

5.调高系统

该系统由两种类型的楔块组成。一种位于挂篮主桁的尾端横梁上,另一种位于挂篮的中间横梁上。它们主要由楔座、楔块及对拉螺栓组成。上楔座与斜拉桥主梁底面接触,下楔座与析梁连接,在上下楔座间安装楔块和对拉螺栓。其作用是调整挂篮标高到设计位置,而且尾部调高模块在走行时又可作走行轮安装架。

6.走行系统

该系统由滑靴、滑道、走行轮、牵拉精轧螺纹钢筋及穿心式千斤顶等组成。滑靴安装在桁架的走行牛腿上,滑道前端设顶座,铺放在斜拉桥主梁顶面。走行轮安装在尾端调高楔块上,走行时,精轧螺纹钢筋一端与走行牛腿连接,另一端与安放在滑道顶座上的穿心式千斤顶连接,形成走行系统。该系统的主要作用是当挂篮施工完一段后,将其转移到下一段。

7.挂篮转移

(1)斜拉桥缆索张拉到设计吨位锚固后,解除锚固系统的斜向拉杆。

(2)铺好走行滑道,两侧滑道高差小于3mm。

(3)用锚固系统的垂直吊杆将挂篮桁架与底模及外侧模等慢慢落在走行滑道上。

(4)解除锚固系统的垂直吊杆。

(5)在桁梁的尾部横梁上,对称安装两台500kN千斤顶,用这两台千斤顶,将调高楔块顶离斜拉桥主梁底面,装入走行轮并进行固定。

(6)将穿心式千斤顶平放在滑道前端的顶座上,并将长8m、直径Ф32mm的精轧螺纹钢筋一线连接其上,另一消与挂篮的走行牛腿相连,千斤顶同时反复顶拉,使挂篮前移。反向设倒链以保安全。

(7)同时将主梁上的锚固系统部件移至下一段安装位置。

(8)挂篮走行就位后,借助千斤顶拆除走行轮,用锚固系统吊升,安装挂篮到设计位置

二、铜陵长江大桥牵索式挂篮

铜陵长江大桥牵索式挂篮全名称为“大节距全断面整体浇筑自行式前支点挂篮”有关参数如下:挂篮长18.50m,宽26.60m;主纵梁高L80m,宽1.70m。单只挂篮重力900kN,模板重力350kN,其它施工荷载100kN,总重力1350kN。设计要求施工荷载总控制1500kN。

挂篮主要由主体骨架(二根纵梁与三根横梁,全部采用A3钢板矩形箱梁拼焊组成)、悬挂系统(单悬臂悬挂钢梁,液压顶升调节)、前支点部位(斜拉索刚性连接液压装置及定位架组成)、后锚点定位(反支点梁下滚轮行走装置与后锚固点液压顶升装置)、行走系统(1200kN连续式千斤顶液压自调同步牵引滑行装置)等五大部分组成。

挂篮工作原理如下:

(I)挂篮悬挂脱空,此时后反力点作用力向下,挂梁作用力向上,挂篮主纵梁承受负弯矩,

(2)挂篮前移,挂篮仍承受负弯矩,呈单悬臂状态;

(3)挂篮挂梁顶升,后锚固点锚固,使挂篮就位,后反力点使标高大致调平,设预抬高量;

(4)拉索与挂篮联结,进行第一次索力张拉.此时挂篮前支点受力,纵梁受正弯矩,呈简支状态;

(5)浇至1/2梁段时进行第二次索力张拉;

(6)浇完全断面梁段砼后,挂篮端部弹性下挠度小于6mm;

(7)检测梁段标高,待强张拉预应力束;

(8)挂篮脱空待前移

本挂篮一次全断面悬浇梁段8m,自重与浇注砼重力之比仅为0.4,同时具有很大刚度,全部受力变位系统均为液压机械工作。

三、武汉长江二桥的牵索式挂篮

我国1995年建成的武汉长江二桥节段浇筑长8m,研制出长度仅12m的“短平台复合型牵索挂篮”,简介如下。

1.挂篮构造

短平台复合型牵索挂篮由挂篮平台、锚固系统、水平支承系统、微调定位系统)段的重力由牵索系统与三角架共同承担。

挂篮平台是牵索式挂篮的主体,它由前横梁、后横梁、牵索纵梁、吊杆纵梁、普通纵梁、安全尾梁、水平衡架和纵梁平面连接组成。前、后横梁为箱形截面的刚性主梁用平弦式加劲桁架加劲后的组合结构。

三角架的结构体系是刚性的下弦梁用三角式桁梁加劲后的组合结构。

牵索系统是将施工中作为牵索使用的永久性斜拉索与挂篮连接起来,构成牵索传力系统。

2.设计构思

短平台复合型牵索式挂篮的设计构思,突破了目前国内外常用的长平台牵索式挂篮的结构形式和施工工艺。

长平台型牵索式挂篮,一般仅在砼主梁下设置挂篮平台,且已成梁段下的挂篮平台长度一般略长于待浇梁段下的挂篮平台长度,因此挂篮平台总长度是很长的,如一次悬浇8m的挂篮平台长可达23m。这样做的目的,其一是为了挂篮的走行,其二是增加挂篮在顺桥向的刚度,以保证主梁的线形。由于挂篮长,自重加大(桥面宽者更甚),使得挂篮的前移必然采用类似“杠杆”传力的走行方式去完成,而这种走行方式造成挂篮前端走行挂钩直接作用于主梁上的反力过大,对某些梁断面而言,将导致仅为挂篮走行而需改变主梁截面设计,从而增加工程数量和工程费用,这是长平台牵索式挂篮的缺点。

为了克服这个缺点,在已成主梁上设置三角桁架,采用与普通挂篮走行方式相同的挂篮移动方式,使挂篮平台的后挂钩直接作用于已成主梁上的反力减小到不足长平台反力的一半。依靠三角架,解决了挂篮的走行问题,因此,挂篮平台的长度可缩减到能满足8m节段主梁悬浇施工即可,从而大大减轻了挂篮自重(其总重小于长平台的总重)。

然而,置于已成主梁下的短挂篮平台的长度甚短,故该平台与已成主梁间的“连接”沿顺桥向的刚度几乎是零,在挂篮和模板等自重下的牵索刚度也不大(此时索的变形模且较小),因此,随着节段砼量的增加,悬浇节段相对于已成梁的转角亦随之加大,使主梁线形失去了有效的控制。为此,于挂篮平台前端,除设有牵索外,同时还设有上端挂于三角架的吊杆,并限定前吊杆在施工中始终保持一定拉力,利用三角架较大的刚度,确保砼主梁的线形匀顺并符合设计要求。总之,采用短平台,以减轻其自重;安装三角架,以解决挂篮平台的走行;设置前吊杆和牵索,两者共同受力,以控制主梁的线形和应力。这是本牵索式挂篮独特新颖的设计构思。

另外,本牵索式挂篮分两次走行,牵索与挂篮平台间采用弧面承压钻座的连接,模板整体脱模和前移;采用双层挂篮平台结构及一篮多用等的设计构思,都有鲜明的待色。

本牵索式挂篮的施工荷载传递途径设计为:通过挂篮平台前、后用杆,将部分荷载传给三角架,再由设于三角架立柱下的前支承座和三角架后端的锚板,直接传给已成主梁的不同模梁上;荷载的另一部分,则由牵索直接传给塔墩;牵索下端的水平力,由牵索纵梁前端传至挂篮平台底层的水平衡杆,再通过抗剪柱传给己成主梁。整个传力途径简捷清楚。直接作用于砼主梁上的强大集中力,均布置在抗弯能力大的横梁上,避免了该力落于主梁顶板上而带来的麻烦。

3.主梁节段主要施工步骤及工艺要点

主梁节段施工的主要步骤如图11—7所示

 

主梁节段施工中,在挂篮前吊杆和牵索共同作用条件下,必须保证前吊杆受效力拉力值必须是在设计所规定的范围内变动。为此装置了前吊杆杆力的测力计和显示器设计要求指导牵索索力的调整。这是主梁节段施工的最主要的工艺要求。

第三节 斜拉索的制造与安装

一、索的组成与防护

斜拉索由两端的锚具、中间的拉索传力件及防护材料三部分组成,称为拉索组装件。的材料有钢丝绳、粗钢筋、高强钢丝、钢绞线等。

拉索技术研究围绕三个方面的目标展开,

其一、是如何使拉索与锚具的组装件能在斜拉桥整个使用年限内经受得起高幅度的应力变化,亦即锚具应具备优良的抗疲劳性能。

其二、如何保证拉索组装件具备绝对可靠的、永久性的防护。

其三、在保证拉桥组装件可靠、耐久的前提下,力争施工方便,造价低廉。

兹按拉索技术的发展阶段分述于下:

1.钢丝绳

早期的斜拉桥曾采用钢丝绳做斜拉索,两端用铅锌合金的热铸锚具。钢丝绳弹性模量小,且热铸锚具的疲劳性能较差,合金熔液温度达400℃以上,使锚具附近的钢丝退火,整条索的强度不能充分利用,所以后期的斜拉桥已很少采用。我国仅1975年建成的四川云阳汤溪河桥(35m+76m+35m)使用过钢丝绳作为斜拉索,外面涂漆防护。但是作为人行桥或管道桥的斜拉索还是可以使用钢丝绳。

2.粗钢筋

冷拉粗钢筋或热处理钢筋作为斜拉索材料原则上也是可以的。

它具有较高的弹性模量和稍低于高强钢丝的强度;表面积较小,所以防锈较易解决;张拉也很方便,可以单根张拉,也可以组成强大的拉索一次张拉。较小直径的粗钢筋可以使用镦头锚具;而直径较大的粗钢筋则可使用轧丝锚具,或直接将高强粗钢筋加工成精轧螺纹钢,并配上相应的螺帽作为锚头。小直径粗钢筋的供货形式通常是盘圆,使用时只需在工地调直与镦头;当直径较大时,则必须用连接套筒来接长。国内生产的大直径粗钢筋长度有限,需用套筒很多,以致未能广泛采用。

我国1975年建成的上海新五桥,斜拉索采用Ф12圆钢筋,镦头锚,预制钢丝网水泥砂浆索套,套内填以水泥砂浆,不久索套开裂,防锈能力降低。1988年建成的美国达姆斯娜(DamesP0int)桥采用Ф32精轧螺纹钢筋做索材,用套筒接长,逐根穿在钢套管中,配以相应锚具,管中注入水泥浆。但限于当前的钢铁工艺,粗钢筋强度仅达到高强钢丝的50%左右,故此种斜拉索材料用且多,成本较高。

3.平行钢丝索(PWS)

通常采用的高强钢丝直径为5mm或7mm。这种钢丝的优点是强度高(1570~1860MPa),弹性模量高(2.0×105MPa),可以做成较长的索而无需中间接头,吨位可大可小,配用冷铸锚可以有较好的耐疲劳性能;缺点是对防锈的要求较高。我国近20年来制作平行钢丝束的工艺不断改进、发展,在斜拉桥中较广泛采用。

70年代末我国首批超过200m跨度的上海泖港桥(1982年建成,中孔200m)和济南黄河桥(1982年建成,中孔220m)都采用了平行钢丝索。前者用45mm钢丝机械除锈后,外涂快干的氯化橡胶防锈漆;组索时,钢丝间隙填满防锈油脂。拉索张拉后,高空缠包环氧树脂玻璃钢。后者采用镀锌45mm高强钢丝,拉索张拉后,外部安装钢管并注入水泥浆,两年后,钢管换成镀锌铁皮管。二者均用冷铸锚具。

80年代后期建成的广东西樵大桥(1981年,125m+110m)、天津永和桥(1987年,中孔260m)、上海恒丰路桥(1987年,76.65m+22.8m)和广东海印桥(1988年,中孔175m)都采用带PE套管的平行钢丝索,管内压注水泥浆。若使拉索全长所有空隙都能充满水泥浆,并与PE管内壁粘着紧密,则此种拉索的防护效果是令人满意的。但若水泥浆配合比控制不严,压浆不慎,管顶浆体未满,又长期处在高应力、高温、潮湿状态下,则无需几年,钢丝会逐渐锈蚀,直至断裂,国内已有此例。且这种钢丝束以半成品运至工地,在工地上的制作用有巨大的制索场和整套专用设备,难度较大。

90年代初,我国结合冷铸锚、电缆制造技术以及以往斜拉桥施工经验研制成新一代的平行钢丝索,即“成品索”。这种索的技术名称为“挤包护层扭纹型拉索”,采用45mm或67mm低松弛镀锌高强钢丝作为索材,两端用冷铸锚具,定长下料。索体由若干根高强度钢丝并拢经大节距扭绞,缠包高强复合带,然后挤包单护层或双护层而形成。单护层为黑色高密度聚乙烯,简称PE;双层内为黑色高密度聚乙烯,外为聚氨脂,简称PK+PU。其工艺流程大致为:

下料→排丝→扭织成束(左旋) →缠包高强复合带(右旋) →挤塑护套→精下料→冷铸锚制作→超张拉→上盘→进库。

这种索经工厂化生产,质量可靠.在运输方面比上述半成品平行钢丝索方使得多,运到工地后不再有工地制作要求,因此能愈来愈多地取代套管压浆的平行钢丝索。上海南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥、武汉长江二桥、重庆二桥、铜陵大桥等十来座大桥都采购或自制这种“成品索”。它的缺点是PE护套硬度较低,在放索及安装过程中被刮坏划破的事屡见不鲜,轻者1~2mm,重者可见钢丝,故挂索后还需用小缆车校查、修补,若有遗漏,则是一大隐患。

4.平行钢绞线

尽管工厂化生产的平行钢丝热挤PE索套防护的拉索,其可靠性、耐久性都得到了充分的保证,但随着斜拉桥建造跨度和索力的不断增大,挂索越来越长PE重越来越大(如杨浦大桥的已长达324m,重33t,钱江三桥则因索力已逾千吨,索重大增),新的矛盾又相继发生,如绕盘盘径已超陆上运输允许的界限,拉索的转场、起吊、安装、牵引、张拉都需要大型设备。施工风险、技术难度随之增大。拉索造价则因厂房的扩建、预张拉台座的增长、大型设备的投入和施工难度的增大而大幅度提高。这些问题有待人们继续努力去寻求更好的解决办法。

钢绞线拉索的成功使用,解决了上述困难。

绞线拉索是几乎与上述热挤PE平行钢丝拉索同时期开展研究的,是80年代拉索技术发展的另一途径,其技术基础是夹片群锚技术的完全成熟。

拉索的基本技术描述如下:钢绞线逐根穿挂、逐根张拉,以夹片固锁,组合成束后再整体小行程张拉、调整索力,以螺帽锚固。

夹片的锚固性能必须是优良的,并能在上限为0.45倍绞线破断力、应力变化幅度200MPa条件下经受200万次循环试验。为使拉索组装件的抗疲劳性能得到更可靠的保证,在夹片群锚后端再连接一段适量长度的钢套管,张拉锚固后,在钢旁管内压注砂浆或环氧砂浆,使锚具得到可靠防护,并借用砂浆与绞线的粘结力减轻夹片直接承受高幅度应力变化的作用。

出于对夹片锚固性能的绝对信任,近年来新建的斜拉桥也有在锚具后端接以较短的钢套管,在其内灌注石蜡的,石蜡只封闭绞线端头剥除PE套部分,起防护作用,全部动荷载仍直接由夹片承受,其施工更为方便。

拉索的防护有二个方案:其一是在单报绞线上逐根外包PE护套,然后挂线、张拉,成索后或再外包环氧织物,或不再外包都有成例。其二是PE管压注水泥浆。

采用防护方案1时,绒线应涂防锈该或其它防锈涂层,挤包PE可用小型挤塑机在现场进行,工艺简单。采用防护方案2时,增加了压浆工序,但绞线内涂层则不再需要,造价相差无几。

这种拉索的优点,是拉索制作、穿索、牵引、张拉全过程均“化整为零”,取消了拉索工厂制造的全部繁杂工艺,避免了大型成品索的起重、运输、吊装、穿挂、牵引方面的困难,无需大型施工设备,施工便捷,大幅度降低了拉索造价。

由于优点明显,在欧美各大公司绞线群锚技术成熟以后,各国都竞相研究并付诸实施。国际上著名的瑞士L0senger公司(VSL)、德国DyckerII0ff8LWindmann公司(DywNag体系)、

法国Freyssin就公司(F,eyssin曰体系)等均已研制成功采用各种群锚夹片、各具特征的钢绞线拉索体系,最大单索索力已超千吨,建成了许多著名的斜拉桥,如瑞士的利勃罗地桥(1978)、意大利第偏河桥(1979年)、沙特阿拉偏的摩拉桥(1983年)、日本颖明馆桥(1984年)、西斑牙卢那桥(1984年)、美国的阳光大道桥(1986年)、民赛桥(1988年)、筋国奥林匹克桥、比利时的胜德尔桥、邦纳安桥、澳门的新澳函桥等。

我国用这种拉索技术建成的斜拉桥已有三、四座。第一个采用这种技术的是广西柳江四桥,其主桥为2×125m,独塔双索面预应力砼斜拉桥,宽32m,桥面为梁板结构。26对拉索呈扇形布置,全桥拉索共104根,用我国自行研制的0VM—200型平行钢铰缆索,每根拉索由19—37根415mm.1860MPa低松弛钢绞线构成。采用单根穿索张拉锚固工艺,每根拉索挤包了两层PE护套。索距长442m,用挂篮悬浇,每一节段施工周期为九天,施工进展顺利。

1997年建成的金华金委路斜拉桥,跨度100m+125m+35m,独塔单索面,桥宽24.7m。9对斜拉索呈竖琴式布置,全桥拉索共18根,每索用109根745钢绞线。单根钢绞线用50kN卷扬机牵引安装就位,用160kN手提便携式千斤顶张拉。109根钢绞线先各自单根张拉到设计吨位的约80%,锚固在一起,然后用4×2500kN千斤顶补拉到100%。

索与塔、梁连接结构的功能是将斜拉索力可靠地传递给桥塔及主梁。其结构形式根据斜拉索布置、根数、桥塔及主梁的结构等情况确定。

拉索在桥塔上的联结有两种方式,一是直接锚固,另一是通过塔顶索鞍而延伸到桥塔另一侧主梁上锚固。两种联结方式的比较见表11—4。

 

图11—8表示一种典型的鞍座构造。鞍座设在每一对索的连接处,为了阻止由于中孔和边孔的索力不相等而产生的滑动,使用螺栓对盖在其上的压板施加夹紧力,使索在鞍座上无法滑动,达到锚固的目的。

上海徐浦大桥斜拉索与塔的连接兼取以上两种方式。徐浦大桥的斜拉索共30对,双索面,240根。下面的10对是直接锚在砼桥塔上,为此,塔壁需有相当大的厚度(100cm),且需设置横向预应力。上面的20对是锚固在鞍座上而不是连续通过鞍座。这种联结方式兼有直接锚固和通过鞍座的优点:索塔主要承受压力,塔壁不受侧向力;中孔与边孔的索分别架设,分别张拉,便于保养、检查及更换。

拉索的钢梁上的锚固大多数是通过锚箱来实现。图11—9表示拉索锚固在钢桁梁上弦杆的锚箱构造。在箱形截面上弦杆腹板之间设置一对锚梁,锚梁下部有支承板,锚头即顶在支承板上。由于箱形截面上弦杆内工作面狭窄,这种构造的斜拉索张拉一般都在塔内。

加拿大安纳西斯桥主梁是钢与钢筋砼板的结合梁,拉索联结在钢梁的上冀缘,如图11—10所示。这种构造容易使钢筋砼板产生裂经,上海南浦大桥有鉴于此,也改用锚箱联结。

拉索在砼梁上的锚固可以通过预埋套管穿过梁身锚于梁底或特制的锚块上,也可以通过套筒锚借锚固螺栓锚在箱梁内部,如图11—11所示。锚固螺栓则借助于横向锚梁及垫板预设在箱梁内.液压千斤顶通过托座顶在拉索套筒锚上,张拉到位后旋紧螺母,将拉力传给锚固螺栓。

斜拉索安装大致分为两步业和张拉作业。

斜拉索的引架作业是将斜拉索引架到桥塔锚固点和主梁锚固点之间的位置上,其作业方法一般有如下四种:

1.在工作索道上引架。

此法是先在斜拉索的位置下安装一条工作索道,斜拉索沿着工作索道引架就位。国外早期的斜拉桥较多采用此法,如1959年建成的前联邦德国科隆塞弗林桥,1962年建成的委内端拉马拉开波湖桥,1969年建成的前联邦德国来图河上克尼桥等。时至今日,这个方法已很少采用。

2.由临时钢索及滑轮吊索引架。

此法是在待引架的斜拉索之上先安装一根临时钢索,称为导向索,斜拉索拉在沿导向索滑动并与牵引索相连接的滑动吊钩上,用绞车引架就位,如1978年建成的美国帕斯科一肯尼威克桥就是采用这个方法。

3.利用吊装天线引梁

例如我国1981年建成的广西红水河铁路斜拉桥就是采用这种方法。如图11—12所示,主索①是Ф22mm的钢丝绳,用Ф13mm钢丝绳做拉索②,通过单门滑车②和吊环与主索系在一起,每个单门滑车上穿人一根Ф19mm的白棕绳④,白棕绳的作用是捆绑并提升斜拉索⑤。全桥共设两旁天线,位于主梁两侧,大致与斜拉索中心线在同一竖直平面。

4.利用卷扬机或吊机直接引架。

这个方法最为简捷,也特别适合于密索体系悬臂施工,前面提到的斯特姆松特桥就是用桥上吊机引架斜拉索。当索塔很高时,吊机没有那么高,则可以在浇筑桥塔时,先在塔顶预埋扣件,挂上滑轮组,利用桥面上的卷扬机和牵引绳通过转向滑轮和塔顶滑轮将斜拉索起吊,一端塞进箱梁,一端塞进桥塔。此法在吊装过程中可能损伤索外防护材料,但只要小心施工,这个问题不难克服。我国80年代以后建造的斜拉桥大都采用这个方法。1997年建成的徐浦大桥斜拉索为双护层的“成品索”,出厂前缠绕在特制的索盘上,水运至工地后,由地面水平和垂直运输设备将其运到桥面,再由桥面吊机将索盘搁在特制的放索架上。施工时由安装在桥面上的80一200kN卷扬机通过塔顶上家具及滑轮组将斜拉索缓缓抽出,然后用桥面吊机将锚固端锚具在钢主梁中安装就位。此时,塔顶上的滑轮组继续牵引斜拉索,当张拉端锚头(锚头前端还装有“探杆”)接近塔柱上的索孔时,将其和张拉千斤顶上伸出的钢绞线连接,开动塔内张拉力6000kN千斤顶将索牵引至所需位置;套上固定螺栓。如此安装就位后即可按施工控制要求张拉。

5.单根钢绞线安装

1995年建成的澳大利亚悉尼格莱贝岛桥跨度140m+345m+140m,按照弗雷西奈专利的预应力法即所谓“等拉力法”,用轻型的张拉设备每次提升一根钢绞线(7Ф5),其承载力225kN。一根斜拉索中有25—74根这样的钢绞线,这样一根根地提升、张拉、锚固,直至一根斜拉索中的全部钢绞线安装完成。前面(本节第一段之4款)介绍的“平行钢绞线”就适用于这种安装方法。

斜拉索的张拉作业大致有以下三种

1.用千斤顶将塔顶鞍座顶起。

每一对索都支承在各自的鞍座上,鞍座先就位在低于其最终的位置,当斜拉索引架就位后,将鞍座顶到其预定的高程,使斜拉索张拉达到其承载力。前面提到的前联邦德国莱图河上的克尼桥和麦克萨来图河桥都是采用这个方法。

2.在支架上将主梁前端向上顶起。

斜拉索引架时处于不受力状态,比受力状态时要短,为此,于主梁与斜拉索的连接点上将梁顶起。例如前面提到的塞弗林桥一对索的连接点要顶起40cm。斜拉索引架完成后放下千斤顶使斜拉索受力。

3.千斤顶直接张拉。

这是最常用也是最方便的方法,下面在第五节实例中将对此有较详细的叙述。

第四节 斜拉桥施工控制

斜拉桥采用斜拉索来支承主梁,使主梁变成多跨支承连续梁,从而在大跨径情况下可以大大降低主梁的高度。这一特点使斜拉桥成为大跨径桥梁中最有竞争能力的桥型。

由于主梁纤细又是靠斜拉索支承着,显然索力的大小和索的变形将给整个结构的状态带来很大影响。而且任一索力的改变对全桥都有影响,具有牵一发而动全身之状。因此,必须很好地控制索力使梁塔处于最优的受力状态,并利用斜拉索的预拉力来调整主梁标高以符合设计要求。

但是通过施工如何达到这个理想状态尚有许多工程技术问题需要解决。施工控制就是一个关键。必须根据设计与施工相结合,工程与控制相结合的现代系统工程学的观点来完善这一课题。现就其中主要问题作扼要介绍。

一、误差特性与索力调整

在实际桥梁施工中,结构产生偏离目标值的原因所涉及的范围极其广泛,诸如,结构分析时模型误差,设计参数如弹模,截面特性,构件自重等取值与实际不符。此外还有构件制作误差,架设定位误差以及索力张拉误差,变位和索力计测误差等等。作为索力调整的主要误差对象应该是所谓“固定误差”,即发生了的误差作为结构特征值以后不再变化的,如尺寸、自重、刚性等误差。误差的性质与索力调整有着密切的关系,例如:

构件自重误差:

这是最常见的误差,Pc桥梁中由于模板刚度不足,常使构件自重增大,如天津永和桥自重误差达5%以上,因此当施工中着重于控制索力,采用一次张拉法时,梁轴线位置偏差随着悬臂拼装伸长将愈来愈大。为了保证梁轴线位置和改善内力状况,这时只有控制轴线位置调整索力才是比较有效的办法。

索的刚性误差:

在同样引伸情况下索之刚性误差引起索力误差,因此施工中只有控制索力,也就是把索力作为施工管理目标时才能有效地消除这一误差的影响。

梁的制作误差:

如发生主梁预拱度或局部形状误差.这类误差在以索力为管理项目的施工中,由于线形不受限制,所以制作误差将原祥地保留在结构中,结构内力不受影响。相反,采用轴线位置为管理项目的施工控制中,为了保证理想的线形特使索力发生偏差,甚至大大地扰动了结构内力分布状况。

以上说明索力调整原则与误差性质的关系。误差分布状况与索力调整也有关系。

误差分布沿桥纵向出现同号增加或减少的误差称之谓大范围误差。相反,出现正负交替分布的误差称之谓小范围误差。

显然,小范围误差类似于均值为零的自噪声干扰,可以归人偶然误差来一齐考虑。小范围误差对于索力和轴线位置影响并不显著,图为通过主梁刚度将使小范围误差影内平均化。如构件自重误差或主梁刚性误差出现正负交替分布时,以轴线位置来控制施工时产生索力编差将很小,因此,大范围的误差才是索力调整的主要对象。

从以上分析可见,控制索力或控制轴线各适用于不同的误差场合。但施工中要对于所有这些误差都进行正确的区别和定量分析,事实上近于不可能。国内外工程实践表明,恰当地选择施工管理项目,通过索力调整有可能使斜拉桥在应力与形状两方面都得到改善。

二、索力调整的方法

斜拉桥的恒载索力大多数是根据刚铰支承连续梁的原则确定,然后通过倒退分析逐步计算出各施工阶段的索力及相应挠度。但理论计算与实际施工是存在差别的,因此在施工中就必然会发生挠度和索力偏差值。对于偏差的处理和索力的调整,有以下几种方法:

1.一次张拉到设计索力

在施工过程中每一根索都是一次张拉到设计索力,对于施工中出现的梁端挠度和塔顶的水平位移不用索力调整,任其自由发展,或保持索力为设计值条件下通过下一块件接续转角进行调整,直至跨中合拢时挠度的偏差采用施加外力(如压重)的方法强迫合拢。一次张拉法简单易行,应用很广,但对构件的制作要求较高。如蚌埠淮河桥就是用一次张拉法施工的。

一次张拉法对已完成主梁标高和索力不予再调整。结果,主梁线形不好,索力也不符合刚性支承连续梁计算结果,跨中强迫合拢更是进一步扰乱了内力状况。

2.多次张拉法

在整个施工过程中对拉索进行分期分批张拉,其目的是使施工各阶段的索力较为合理,竣工后索力也基本达到期望值。三台涪江桥采用多次张拉法,天津永和桥的自动调索法也属于多次张拉法。上海南浦、杨浦、徐浦大桥都是由设计单位逐次下达施工控制文件(施工单位称之为设计指令),施工单位按指令规定的张拉值张拉,一根索要重复张拉六、七次之多,通过索力补拉来调整主梁的抽线位置。多次张效法成桥后的线形和内力状态优于一次张拉法,但施工比较复杂。

3.卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波法类似一次张拉法,但各阶段索的张拉力不是原来的设计索力,而是根据变位的实测数值经过滤波和反馈控制计算后给出索力的修正值。它把梁的挠度看作随机状态矢量,索力Lr作为外加控制矢量,通过适当地选算索力以控制最后梁端或塔顶位置达到某一指定值δ,因此它对位置的控制是绝对的,对于索力的控制则是在满足设计位置的基础上,以结构内能为最小条件下的最忧。

由此可见以往的施工控制方法,是单单从控制索力或单单从控制轴线位置来制定的。由上节所述的误差特性与索力调整关系可知,单方面的控制往往会顾此失彼不能获得理想的结果。

4.以最小二乘法确定索力调整的原则

设可调整的索数为N,施工管理项目数为M,施工管理项目可以包括索力、梁的挠度、塔的位移或构件截面应力等,并允许M>N。设及为索力调整后管理项目的残余误差列向量R=[R1,R2,…,Rn]T,目标函数Ω可表示为:

 

图为残余误差R是索力Nj的线性函数,使上式为最小的索力为

由式(2)得到N元联立方程,解方程很容易求出Ni值。最小二乘法在控制管理项目中能我们所关心的控制内容,因此,只要在施工中适当地选择管理项目就能获得所预期的效果。

三、斜拉桥施工管理系统

1.建立理想状态

斜拉桥是一种高次超静定结构,因此可以通过指定索力来建立其恒载内力状态。为了得到在每一施工阶段的初始张拉力,可以对结构的理想状态进行所谓逆施工步骤的解体分折。但是,斜拉桥又是一种柔性结构,在外荷载作用下,其荷载-位移关系是非线性的。引起这种非线性关系的主要原因是:索的垂度、梁-柱效应、结构受力后产生的大位移。

在施工阶段由结构自重、施工临时荷载引起的非线性效应甚为显著,因此,在进行斜拉桥施工阶段的结构分析时,就必须用有限位移理论来考虑这种非线性的增大影响,给出从所谓倒退分析中得到的各个阶段的位置和内力控制值,以及结构在零应力状态下的初始几何形状和位置,使得理论分析结果更接近实际结构的反应特性。

2.斜拉桥的管理系统

斜拉桥施工管理系统是将“施工-测定-解析-施工”的周期过程联结起来在现场借助计算机强大的计算能力和信息处理能力以实现施工控制。建立施工管理系统的基本要求:

(1)管理系统应具有良好的适应性,对于施工可能出现的各种情况和误差,能够正确而迅速地处理;

(2)施工管理项目应能根据实际需要自由选择确定,也就是所关心的管理项目可以是索力、梁塔变位、截面应力或临时支架反力等;

(3)施工过程对索力或轴线位置都应有一定宽容度以适应施工的需要,此外,必须有安全的施工报警系统;

(4)能迅速制定出最佳的索力调整方案,使索力调整方便且在整个施工过程中调整次数最少。

根据以上要求提出斜拉桥施工管理框图如图11—13。

四、施工控制管理框图中的三个系统

1.解析系统

解析系统包括倒退分析程序、反馈控制程序和向前分析程序三部分。

倒退分析程序:

施工各阶段的目标值即索力、主梁、塔的形状等是根据完工时桥梁设计的理想状态,按架设顺序的倒序逐步捅去构件和荷载,用倒退分析程序计算出来的。因此由倒退分析程序计算出来的目标值是理想计算值,用以指导当前阶段的施工。

反馈控制程序:

架设阶段的计算值与实测值之差称谓架设误差,反馈控制程序根据现场实测数据和误差信息进行架设误差分析并制定出索力调整的最优方案,指导现场调整作业。调整控制程序可以用卡尔曼滤波法、最小二乘法或自适应控制法等。

实时向前分析程序:

向前分析和倒退分析是按施工正逆序计算的程序,因此从理想状态进行向前计算与倒退分析所得的结果应该是一致的。在斜拉桥分析中由于非线性因素存在,二者计算结果略有差异,但基本一致,可供互相效验。实时向前分析的主要目的是确定出最终计人误差和调整之后结构的实际目标。施工后结构的实际应力状态是设计者所关心的内容。

向前分析程序的另一功能是根据当前施工阶段向前计算至竣工为止,预告今后施工中可能出现的状况以及报警当前已安装构件是否出现超应力状态。

2.计测系统

现场计测包括设计参数计测和施工管理项目计测二方面。

设计参数包括砼、钢材等容重、弹性模量、预制或现浇构件尺寸,施工荷载及状况等内容,通过采样分析可以获得各参数的误差情况,为误差分析和修正设计提供依据。这部分工作量较大,且没有明文规定,因而实施有一定困难。但明确施工控制是工程施工和质量校验的重要内容后,实施是容易的。

施工管理项目主要包括索力,梁、塔变位、截面应力和临时支架或辅助墩的支座反力,管理项目的计测可靠性直接关系到施工控制的成败。图为所谓反馈控制是根据结构实际响应值进行调整控制的,管理项目的精确测定是施工控制的基础。

测定拉力值的一个方法是用振动频率来计算.这是利用钢弦的横向振动来导出频率和拉力的函数关系:

 

可以计算振动50次的时间t50,于是f=50/t50或

 

测得各拉索拉力后,可以用塔顶各拉索水平分力之和应为零来检查1.5%。

现在已有多种测定拉索拉力的专用设备,基本上都是用频率关系来测定效力。使用仪器时应注意到如测得的频率是多个正弦波,并有反射波的影响时的量测及换算方法。

3.允许误差和报警系统

没有误差的施工是不存在的。为了方便施工必须订立允许误差标准。关于预制构件尺寸误差,以及材性误差在一般施工设计规范中已有规定。斜拉桥施工管理项目的允许误差尚无标准。其实确定允许误差标准是优化决策问题,一方面用以保证施工的准确度,另一方面要给一定宽容度,便于施工。下列因素可供确定标准时参考:

(1)由于索力或梁截面应力在设计上都留有余量,因此在施工某过程中出现的较大误差并不一定导致超应力;

(2)允许误差与施工方法有关,一次张拉法应尽可能减小误差,采用多次张拉法时第一次调整的误差标准可以适当放宽;

(3)施工的不同阶段对误差的要求也有历区别,如悬臂施工过程要求索力允许误差为±15%,竣工后要求±5%;

(4)对于施工误差引起的结构误差响应进行预先分析,根据残余误差的限度来确定施工精度要求;

(5)尽可能减少施工麻烦。

斜拉桥施工控制误差标准确定比较复杂,有必要结合实际桥梁工程来讨论决定。

五、能够一次张拉到位吗?

这里所说的一次张拉到位是指在保证索力与主梁线形完全符合设计要求的前提下,不需调索,一次张拉到位。它与前面提到的一次张拉到设计索力完全不同。

大跨度斜拉桥一次张拉到位在理论上是完全办得到的,施工控制计算机软件可以求出各根索施工时的张拉理论值,使得斜拉桥合拢三年(经过收缩徐变)以后,索力和线形都达到设计要求的理想状态。

但是有两个问题需要解决:

1.主梁的弯矩承受能力。

斜拉桥主梁一般是比较薄弱的,施工时有挂篮的(悬臂浇筑)或架桥机(悬臂架设)作用在主梁上,而且位置在不断变化,完全靠索力调整与之平衡。若索力一次张拉到理论值,会使主梁施工时弯矩过大而无法承受。

2.主梁一次达到的变位幅值是否过大。

在大跨度斜拉析的施工中,斜拉桥索力一次张拉到位而不予调整,会使一次达到的变位幅值非常大。变位幅值的理论值与实际值之间也是会有误差的,一次很大的变位幅值也必会导致可观的标高偏差.最后导致合拢困难。

以上两个因素都会使施工控制中不得不采取多次张拉法。但目前牵索式长挂篮的使用可以大大降低挂篮重量和主梁在施工中的弯矩值和变位幅值.这就为一次张拉到位提供了有利的条件。同时,通过现场实测实时反馈有效地消除理论值与实际值的不一致性,调整计算参数,使各阶段施工循环中保证主梁标高与索力按着预先指定的轨迹变化,这也为一次张拉到位解决了上述第二个问题。

1995年建成的广东三水大桥实现了一次张拉到位,其事先确定购标高限制为±3cm,索力误差为15%,在施工中,一次最大的主梁变位幅度约50cm,结果合拢时误差仅在1cm之内,是国内大跨度预应力砼斜拉桥施工中索力一次张拉到位的成功实例。
第五节 斜拉桥施工实例

徐浦大桥为主跨590m一跨过江的双索面混合结构斜拉桥,岸跨为5孔202m的砼连续梁,河跨为结合梁。过渡孔为跨度40m的预应力砼简支梁(如图11—14)。过渡孔以外则为4×40m的主引桥。大桥主桥宽为35.95m,其中检修道、防撞墙二边各为2.25m,实际车道宽31.45m,设来去8车道,为目前黄浦江上最宽的桥梁。

徐浦大桥于1994年5月开工,1996年8月11日采用自然合拢法使钢箱梁合拢,8月18日结构合拢,1997年6月24日正式全线通车。兹将徐浦大桥主桥安装施工要点介绍于下。

主桥安装的工作范围包括以下十项:

1.岸跨预应力砼工字梁吊装,浦东、浦西各五孔,每孔18片,共2.5号墩上锚固端横梁的立模、扎筋、浇筑、张拉、压浆。

3.0号段的施工,包括临时固结、横向限位装置、球铰支座的安装、0号段与1号孔的连接等。

4.岸跨各孔18片工字梁经过补缺、填芯、张拉、压浆等工序,首先构成单箱多室的简支梁。

5.1号、2号、3号、4号墩上中间横梁的施工,岸跨各孔由简支梁体系转化

6.河跨钢结构67节段的吊装,高强螺栓连接。

7.河跨、岸跨斜拉索各60对的吊装及张拉。

8.河跨钢筋砼板的吊装及后续缝的浇筑。

9.浦东、浦西主桥过渡孔各一孔,主引桥各四孔T梁的吊装及横向连接。

10.桥面施工,包括砼铺装层、防撞墙及其外侧石、防撞栏杆、伸缩缝及其他零量设施不包括沥青铺装层)。

以下主要介绍比较关键的几项工作。

一、0号段的施工

0号段是河跨结合梁和岸跨砼结构的结合部,本身为砼结构。整个0号段顺桥向7.5m,横桥向35.95m,高度为3m,砼约810m3。其中横向贯通预应力束80根,纵向贯通预应力束124根,钢箱梁z0A的端部伸向。号段内的锚杆有25根,锚杆上面还有倒刺(图11—15),0号段下面有四个球铰支座,它的支承垫板必须在0号段模板尚未立筋以前安放平整,其平整度要求每块边缘高差不超过1mm。

在整个主梁安装期间,0号段必须予以临时固结,包括纵向、横向限位以及抗倾覆稳定。由于0号段是巨大的砼实体结构.施工时0号段是支承在下横梁上的,岸跨侧与已联成整体的预应力砼梁固接,因此抗倾覆稳定是不成问题的。只需在0号段上、下游与塔柱内侧之间设置纵、横向限位的卡块即可。待全桥合拢后,必须及时迅速地解除纵向限位装置,将横向限位的功能转移到永久性的横向限位装置(每塔上、下游各两个)上去。

二、钢梁、斜拉索及桥面板的安装

徐浦大桥主桥河跨钢箱梁共分67节,134根,其中0a号、0b号、0c号节长度分别为5.082m、9.0m、4.5m;1号一30号为标准段,长度9.0m;31号节为合拢段,其长度约5.0m,需根据合拢时温度实11d确定。再加上横梁、纵梁等,共有各种规格的钢梁1135根,计7300t。斜拉索编号从1号到30号,共240根,重1650t。M30、M22高强螺栓共21.5万套,各种规格的桥面板520块,计12250t。桥面板接缝用现浇微膨胀高标号砼,计3500m3。由于徐浦大桥岸跨是预应力砼连续梁,因此河跨只需单悬臂拼装,而且二者可以平行施工,岸跨稍稍超前。图1号索距0号段较远,0b节段尚未达到1号索,因此拼装0II节段必须额外利用临时塔架和临时拉索,如图11—16所示。

 

主桥桥面标准段施工程序如下:

主梁一横梁、小纵梁一斜拉索一桥面板一张拉一接线砼一张拉。

斜拉索施工主要由以下几步组成:放索、安装锚固端、牵引安装张拉端、张拉及调索。

兹分述于下:

由于斜拉索为盘装成品索,施工安装时需将索从盘中放出。索盘有两种规格,一种为盘径Ф4000mm、轴孔径Ф200mm、盘宽b=2560mm的小盘,盘重5.6t,适用于短小索5另一种为盘径Ф4600mm、轴孔径Ф250mm、盘宽b=2700mm的大盘,盘重6.5t,适用于长重索。连盘带索最重的达40t。斜拉索外层2mm的聚胺腹防护管虽具有很好的抗拉性能,但抗撕裂性能较差,再加上厚度太薄,故放索过程中与桥面摩擦很容易受到损伤,必须采取适当的措施加以防护。一般可铺设地毯、设置滚轮、走管或安置滚动托架解决。考虑到操作的便利和放索的连续性,采用了设置走管的方法。

每根索两端均有一只冷铸锚,最重的一只达0.4t。放索时.当把索的一端锚头拉出后,另一只锚头就产生了约10kN·m的不平衡力矩作用在转动的索盘上。这样,当力矩作用方向与索盘转动方向一致时,索盘的转速就会发生突变而导致散盘。索散开后碰到硬吻合损伤索护套,故放索时采用卷扬机留缆法限制索盘转速,保护索外护套。

2)安装锚固端及张拉端

本桥斜拉索锚固端设在钢主箱梁内,锚箱内高强螺栓固定在主箱梁的服板上用钢支承垫块锚固形式。

先用吊机把索钢护套管穿在索上并用绳索捆在央索吊点上,然后由布置在乡机与桥面吊机配合将索锚固端穿人箱梁锚箱内,装上钢支承垫块,拧紧定位螺栓端安装即完成。

牵引安装张拉端分两步,分别由200kN卷扬机及YQL一600型千斤顶完成。先穿好牵引钢绞线,就位在所安装索塔的内锚板孔上。

先启动200kN卷扬机将已安装好锚固端斜拉索的张拉端向上提升牵引,直至所挂索塔外孔口处停止。利用高吊和由80kN卷扬机组成的辅助吊点调整角度,操作人员在塔外提升平台上将钢绞线连接螺母拧进已与张拉端锚头连接的螺纹套简内,接下来用千斤顶牵引。因斜拉索张拉端锚头与塔柱预留索孔钢管间间隙仅9—13mm,而有全外螺牙的锚头最长达720mm,加上锚头前接了2.4—3.75m的刚性探杆,所以牵引过程中要特别注意斜拉索的进孔角度并进行调整。当钢绞线牵引完开始由探杆锚固牵引时.由于此时索力较大(已近1000kN),所以边牵引、边旋紧固定螺母,以确保挂索安全。当张拉端锚头牵引出塔内索孔锚板面、拧平永久螺母后斜拉索安装完成。

由于整个牵引系统中连接环节较多,所以除了要保证所有机械设备正常运转外,还需注意各连接、固定构件的可靠性,如螺牙的安全旋合长度和防松措施及在牵引过程中密切注意探杆、锚头的进孔角度,注意油索压力表值,如遇压力突升就应及时关机,查明原因并解决后再继续车引。

3)张拉a

在每个标准段施工过程中,每根斜拉索一般密由YQL一500型千斤顶张拉二或三次。第i号索安装到位后需对其进行第一次张拉;在j段接缝砼施工后,进行第二次张拉;当i+1导索第一次张拉及桥面吊机前移后,对i号索进行第三次张拉(放松)。二期荷载完成后还需进行调索。

斜拉索张拉程序主要是依据设计单位发来的《徐浦大桥中跨主梁安装施工控制文件》进行的。自I995年12月7日至1996年8月16日,一共发下此类控制文件23次;结构合拢后,又发下《徐浦大桥主桥二期荷载施工控制文件》13次,例如1996年4月12日发下的10号节段钢梁安装施工控制文件如表11—5所示。

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