三塔斜拉—自錨式懸索組合體系橋工程實(shí)例分析

1、三塔斜拉自錨式懸索組合體系橋工程實(shí)例分析 摘要：在建的漢中市西二環(huán)大橋?yàn)槿崩藻^式懸索組合橋，在亞洲尚屬首次采用。橋梁造型美觀，結(jié)構(gòu)新穎，施工難度大。本文結(jié)合該橋工程實(shí)例介紹了該新型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，施工中的一些重點(diǎn)、難點(diǎn)技術(shù)問題和解決方法。 關(guān)鍵詞：自錨式懸索斜拉組合體系分析 Abstract: the west road bridge under construction paper for three tower anchor cable stayed-from suspension cable type combination bridge, which is first used in

2、Asia. Bridge modelling beautiful, novel structure, construction difficulty. This paper introduces the bridge engineering examples, the new structure characteristics, some key points and difficulties in the construction of technical problems and solving methods. Key words: the type of suspension cabl

3、e anchor cable stayed combination system analysis 中圖分類號(hào)：U448.27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 三塔斜拉自錨式懸索組合體系橋梁作為一種新型組合體系橋梁，兼有斜拉橋和自錨式懸索橋的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)新穎，造型獨(dú)特、線形流暢優(yōu)美，充分利用了自錨式懸索橋與斜拉橋的美學(xué)特征。但作為一種新型結(jié)構(gòu)體系橋梁，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力不很明晰，對(duì)于此類橋梁的施工存在很大難度。 1、工程概況 漢中市西二環(huán)大橋主橋?yàn)槿崩?自錨式懸索組合體系橋梁，分別為斜拉與兩個(gè)自錨式懸索體系段。主橋跨徑組合為：25m（邊跨自錨段） 90m（懸索段） 2162.5m（斜拉索區(qū)段） 90m

4、（懸索段） 25m（邊跨自錨段）555m。橋型布置見圖1。其中單塔斜拉結(jié)構(gòu)體系主塔采用H型混凝土塔，塔高75.03m（橋面以上塔高60m），主塔每側(cè)設(shè)置11對(duì)斜拉索，索距8m；自錨式懸索體系為自錨式懸索結(jié)構(gòu)與斜塔斜拉背索結(jié)構(gòu)組合體系，斜副塔為橢圓型鋼箱混凝土塔，塔高48m（橋面以上35m），副塔靠近主塔側(cè)設(shè)置5對(duì)斜拉索，索距9m，副塔靠近河堤側(cè)設(shè)置自錨式懸索，錨固于主橋25m跨邊跨內(nèi)；懸索段采用V型斜吊桿，吊桿間距6m；主梁為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁與兩段63m長(zhǎng)鋼混凝土結(jié)合梁（懸索體系段）組成。 圖1 漢中西二環(huán)大橋橋型布置 2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 自錨式懸索與斜拉組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)橋梁由主纜、斜拉索、加勁梁

5、、索塔、吊索等構(gòu)件構(gòu)成的懸吊索組合體系。成橋時(shí)，主要由主纜、斜拉索、加勁梁和主塔共同承受結(jié)構(gòu)的自重和外荷載。漢中市西二環(huán)大橋主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括： （1）中間主塔斜拉索結(jié)構(gòu)體系，主塔與主梁、墩固結(jié)； （2）兩側(cè)副塔背索與自錨式懸索結(jié)構(gòu)體系，副塔墩固結(jié)，副塔與主梁之間設(shè)豎向支座； （3）自錨式懸索段采用鋼混組合加勁梁； （4）橋梁施工在主塔斜拉索結(jié)構(gòu)體系段與自錨式懸索結(jié)構(gòu)體系段間設(shè)置合龍段，來形成整體結(jié)構(gòu)體系。 3、結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì) 自錨式懸索與斜拉組合結(jié)構(gòu)體系橋作為一種新型橋梁，存在以下優(yōu)勢(shì)： （1）斜拉橋部分的荷載是通過塔傳到基礎(chǔ)，而不像懸索橋那樣要通過主纜再將這部分荷載傳給基礎(chǔ)，大大減少了懸索主纜的拉

6、力。 （2）對(duì)于自錨式纜索組合體系不需要修建大體積的錨碇，所以特別適用于地質(zhì)條件很差的地區(qū)。 （3）對(duì)于含有鋼筋混凝土材料的加勁梁，由于承受巨大的主纜水平分力，可以節(jié)省大量的預(yù)應(yīng)力筋，同時(shí)克服了鋼梁在較大軸向力作用下容易壓屈的缺點(diǎn)。 （4）采用混凝土材料可克服以往自錨式懸索橋用鋼量大，建造和后期維護(hù)費(fèi)用高的缺點(diǎn)。 （5）組合結(jié)構(gòu)體系橋突破了傳統(tǒng)的斜拉橋、懸索橋結(jié)構(gòu)形式，兼有斜拉橋與懸索橋的優(yōu)美外形，在中小跨徑上是很有競(jìng)爭(zhēng)力的方案。 4、施工中的技術(shù)難題及解決方法 （1）臨時(shí)支架度汛 西二環(huán)大橋主橋箱梁施工支架全部采用貝雷梁支架，各節(jié)段預(yù)應(yīng)力砼箱梁均在支架上一次澆筑成型，鋼箱梁也是在支架上設(shè)置胎

7、架進(jìn)行拼裝焊接，然后安裝預(yù)制橋面板、現(xiàn)澆橋面翼緣板和橋面砼現(xiàn)澆帶。支架使用時(shí)間長(zhǎng)，箱梁在支架上放置時(shí)間長(zhǎng)，必須要等主橋主塔施工完畢、鋼副塔安裝完畢、全橋纜索掛索張拉完畢完成第一次體系轉(zhuǎn)換后方可拆除大部分施工支架。整個(gè)施工支架體系承載時(shí)間長(zhǎng)達(dá)半年之久。 根據(jù)漢中市西二環(huán)大橋防洪評(píng)價(jià)報(bào)告，漢江橋位區(qū)域一般從每年4月進(jìn)入汛期，至10月結(jié)束，其中大洪水主要出現(xiàn)在主汛期79月。2010年進(jìn)入汛期以來發(fā)生水位在507米以上的較大洪水共有五次之多，其中2010年7月23日的洪水為最大的一次，洪水水位達(dá)到509.5米，流量5800 m3/S，一般沖刷深度2米左右，局部沖刷最大深度達(dá)到10多米（主要因?yàn)殇摪鍢秶?/p>

8、堰形成阻水所致）。 因此，如何確保主橋施工支架安全度汛，防止洪水沖刷和洪水漂浮物對(duì)支架的碰撞沖擊所帶來的危害，是支架設(shè)計(jì)及施工應(yīng)該重點(diǎn)考慮和防范的問題。為了確保施工支架安全，充分考慮洪水沖刷的危害，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將主河道外的支架基礎(chǔ)全部設(shè)計(jì)為50CM預(yù)應(yīng)力砼管樁基礎(chǔ)，插打深度15米，當(dāng)發(fā)生一般沖刷2米左右深度不利情況時(shí)，仍可保證50CM預(yù)應(yīng)力砼管樁基礎(chǔ)承載能力滿足要求，不出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。將主河道內(nèi)的支架基礎(chǔ)全部設(shè)計(jì)為100CM鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)25米至28米；即使受到最為嚴(yán)重的局部沖刷達(dá)到10米左右深度危害時(shí)，仍能確保100CM鉆孔灌注樁基礎(chǔ)承載能力滿足要求，不出現(xiàn)沉降。 圖2 全橋

9、現(xiàn)澆支架體系 （2）鋼副塔豎轉(zhuǎn)技術(shù) 漢中西二環(huán)大橋鋼副塔與水平面夾角60度，由副塔塔身和“魚嘴”裝飾段兩部分組成，其中副塔塔身分預(yù)埋段、預(yù)埋加強(qiáng)段、AD節(jié)段，“魚嘴”裝飾段分為E節(jié)段、F節(jié)段。副塔單塔重約765t，兩塔共約1530t。為全焊結(jié)構(gòu)，主要材料為Q420qD Q345qD。 鋼副塔豎轉(zhuǎn)技術(shù)是一項(xiàng)新穎的傾斜、大型構(gòu)件安裝施工技術(shù)。它采用柔性鋼絞線承重、提升油缸集群、計(jì)算機(jī)控制、液壓同步提升原理，結(jié)合現(xiàn)代化施工工藝，將成千上萬噸的構(gòu)件在地面拼裝后，整體提升到預(yù)定位置安裝就位，實(shí)現(xiàn)大噸位、大跨度、大面積的超大型構(gòu)件超高空整體同步提升。它具有施工安全性好、效率高的優(yōu)點(diǎn)。 計(jì)算機(jī)控制液壓同步牽

10、引技術(shù)的核心設(shè)備采用計(jì)算機(jī)控制，可以全自動(dòng)完成同步升降、實(shí)現(xiàn)力和位移控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報(bào)警等多種功能，是集機(jī)、電、液、傳感器、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)于一體的現(xiàn)代化先進(jìn)設(shè)備。 鋼副塔豎轉(zhuǎn)工裝主要由張拉控制系統(tǒng)、三角支架、后拉點(diǎn)和轉(zhuǎn)鉸等組成，如下圖： 圖3 鋼塔豎轉(zhuǎn)平面布置示意圖 張拉系統(tǒng)：主要由穿心油缸、鋼絞線、液壓站、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。 豎轉(zhuǎn)三角支架：主要由壓桿、拉桿、壓桿鉸座和拉桿鉸座等組成。 后拉點(diǎn)：主要由油缸支架、箱梁、反力架、鋼絞線等組成。 轉(zhuǎn)鉸：主要由基礎(chǔ)轉(zhuǎn)鉸和塔體轉(zhuǎn)鉸兩部分組成。 （3）兩次體系轉(zhuǎn)換方案優(yōu)化 漢中市西二環(huán)大橋主橋?yàn)槿崩?自錨式懸索組合體系，施工階段為三橋獨(dú)立

11、，分別為自錨式懸索體系橋和主塔斜拉體系橋，通過合攏段合攏、臨時(shí)約束解除進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換后形成六跨連續(xù)的三塔斜拉自錨式懸索組合體系橋。 全橋施工過程中，包括兩次體系轉(zhuǎn)換。第一次是通過張拉吊索及斜拉索，將自錨式懸索體系段和斜拉體系段主梁的自重由支架支承轉(zhuǎn)換為吊索及斜拉索支承；第二次是澆注斜拉體系段與自錨式懸索體系段之間的合攏段，解除臨時(shí)約束釋放水平推力形成三塔斜拉自錨式懸索組合體系橋。 按照設(shè)計(jì)提供的施工順序，施工時(shí)自錨式懸索段先在塔梁處臨時(shí)固結(jié)，然后自錨式懸索段和斜拉段先獨(dú)立成橋；再澆筑合攏段，隨后拆除臨時(shí)固結(jié)，進(jìn)行合攏段預(yù)應(yīng)力張拉；最后施工加二期恒載。 按照以上順序進(jìn)行施工，通過設(shè)計(jì)院提供的計(jì)算結(jié)

12、果及第三方監(jiān)控單位的仿真計(jì)算結(jié)果，均顯示了在懸索段和斜拉段獨(dú)立成橋，完成后第一次體系轉(zhuǎn)換后，在自錨式懸索段塔梁臨時(shí)固結(jié)處會(huì)將成產(chǎn)生非常大的臨時(shí)固結(jié)力（單塔臨時(shí)固結(jié)處達(dá)到約30000KN）。 圖4 體系轉(zhuǎn)換方案調(diào)整示意圖 在進(jìn)行全橋第二次體系轉(zhuǎn)換時(shí)，通過全橋合攏，臨時(shí)固結(jié)解除，水平力釋放，最終水平推力在跨中（6#斜拉塔主墩）進(jìn)行平衡的過程，轉(zhuǎn)換形成六跨連續(xù)的三塔斜拉-自錨式懸索組合體系。在臨時(shí)約束解除的過程中，由于此時(shí)臨時(shí)固結(jié)處存在近30000KN的臨時(shí)固結(jié)力，如果直接釋放，如此大的水平推力在梁體傳遞平衡過程中若出現(xiàn)級(jí)差過大的不平衡情況時(shí)，將對(duì)梁體及6#主墩產(chǎn)生破壞，因此水平推力釋放是全橋施工中

13、存在的一個(gè)重要安全風(fēng)險(xiǎn)。 調(diào)整方案的出發(fā)點(diǎn)是自錨式懸索段不進(jìn)行塔梁間臨時(shí)固結(jié)，施工時(shí)的施工順序調(diào)整為完成各梁段及主塔、副塔的施工后，先完成斜拉橋段體系轉(zhuǎn)換，然后安裝勁性骨架，合攏主梁并張拉合攏段預(yù)應(yīng)力，拆除斜拉段主梁下部支架，再安裝及張拉主纜、吊索、斜拉背索，完成自錨式懸索段體系轉(zhuǎn)換，拆除剩余支架，最后施工二期恒載。 按此調(diào)整后方案進(jìn)行施工，是先進(jìn)行全橋合攏，再進(jìn)行兩懸索段掛索張拉，施工過程中不設(shè)副塔處的塔梁臨時(shí)固結(jié)，掛索張拉過程中所產(chǎn)生的水平推力，在對(duì)稱施工過程中已平衡抵消。 由原設(shè)計(jì)方案與調(diào)整方案對(duì)比可看出，原設(shè)計(jì)方案在懸索段進(jìn)行獨(dú)立成橋時(shí)需進(jìn)行塔梁臨時(shí)固結(jié)，此臨時(shí)固結(jié)力隨著自錨式懸索段吊

14、索的張拉逐漸增大，且在合攏澆筑后，臨時(shí)固結(jié)拆除前達(dá)到最大，這給臨時(shí)固結(jié)的設(shè)計(jì)、施工及拆除等工作均帶來了很大的難度，且在拆除過程中發(fā)生重大安全事故的風(fēng)險(xiǎn)較大。 調(diào)整后方案通過先合攏后進(jìn)行自錨式懸索段掛索張拉施工的方式，將懸索段吊索張拉時(shí)所產(chǎn)生的水平推力在兩側(cè)懸索段的對(duì)稱施工過程中，經(jīng)由全橋梁體的內(nèi)部傳遞而平衡消除，最大限度地降低了水平力釋放所引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。 結(jié)合以上比較分析，調(diào)整方案既滿足了設(shè)計(jì)對(duì)該橋在成橋狀態(tài)下的線形和內(nèi)力要求，又避免了臨時(shí)固結(jié)的設(shè)計(jì)、施工及拆除過程中所產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)，且施工工期安排基本無影響，對(duì)全橋體系的施工更有保障。 5、結(jié)語 三塔斜拉自錨式懸索組合體系橋是一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)已建橋梁中未見先例，具有較高的技術(shù)含量。施工中沒有成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒，施工難度大。本套施工方案是完全根據(jù)本橋的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合理論計(jì)算完成，在國內(nèi)同類結(jié)構(gòu)橋梁中屬于首創(chuàng)，對(duì)以后同類型或類似工程的施工具有一定的借鑒價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 1 任更新自錨式懸索-斜拉組合體系橋梁模型試驗(yàn)研究D西安：長(zhǎng)安大學(xué)，20096 2 長(zhǎng)沙理工大學(xué)漢中市西二環(huán)大橋監(jiān)控報(bào)告R長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2011 3 馮廣勝自錨式懸索橋技術(shù)問題探討。公路，2