飞燕式钢管混凝土拱桥（共9篇）
飞燕式钢管混凝土拱桥 篇1
引言
太原市南中环桥是跨越汾河、连接太原东西城区的重要通道, 大桥全长约1 005 m。主桥跨径组合为60 m (边跨) +180 m (中跨) +60 m (边跨) 。中跨采用钢叠合梁组合式系杆拱体系, 钢管拱由4根主、副拱肋组合而成, 主、副拱之间采用拉杆连接, 主拱向桥外侧倾斜16°, 副拱倾斜26.82°, 主拱之间通过斜拉杆与耳叉连接。主拱上下弦管填充C 50微膨胀混凝土, 上弦管长度为175.768 m, 填充面积为1.659 m2。下弦管长度为174.836 m, 填充面积为1.184 m2, 混凝土总方量为997 m3。图1为桥型立面图, 图2为主桥跨中横断面图, 图3为主拱截面示意图。该桥拱肋外倾, 造型新颖, 结构复杂, 技术含量高, 施工难度大。本文对其钢管拱混凝土顶升施工进行探讨。
1 泵送混凝土技术性能及配合比
该桥钢管拱混凝土的灌注采用泵送顶升法施工。混凝土配合比的选择除了要考虑高强、早强和良好的可泵性及较长的凝结时间外, 还需特别考虑其自密实性及微膨胀性。该桥钢管拱设计混凝土坍落度为240 mm±20 mm, 所用水泥为太原智海集团产P·O 42.5水泥, 减水剂为麦迪UNF-3B, 膨胀剂采用天隆UEA。结合该桥的实际情况, 经过反复试配, 确定的最佳配合比见表1, 混凝土的技术性能见表2。
2 钢管拱混凝土的泵送顶升施工
2.1 混凝土顶升施工方法
钢管混凝土泵送采用顶升加接力的方法进行施工, 每根弦管由两个拱脚同时向拱顶对称进行, 严格遵守对称加载的原则。顶升分3级完成, 左右两侧主拱分开进行, 每侧主拱先施工下弦管, 待混凝土强度达到设计强度的80 %后再施工上弦管。在顶升过程中, 随着混凝土自重的不断增加, 混凝土内部的压力也在不断增大, 使得混凝土密实饱满。
2.2 钢管混凝土顶升施工所用设备
钢管混凝土的灌注采用泵送顶升灌注法, 从拱脚一次性对称顶升至拱顶。泵送时, 在梁顶面两拱脚处各布设1台混凝土输送泵, 桥下各布设1台汽车泵, 混凝土输送车到达工地后, 由汽车泵向梁面拖式输送泵内泵送混凝土, 再由拖式输送泵向弦管内泵送混凝土。
2.3 泵管、注浆孔、排气孔及出浆管、振捣孔的布置
主拱上、下弦管各对称布置6个注浆孔, 每侧3个, 如图4所示。
注浆孔位置应根据输送泵主管道确定, 即先安装主管道 (沿拱肋布置) , 根据接头的位置确定注浆孔的位置。注浆孔与钢管轴线的角度应≯45°, 以减小泵送压力。在混凝土进浆口设置回流栅, 即在钢管的上半圆周上开设3个相平行的Φ 30 mm孔, 并在孔上焊联M 32螺帽, 在泵送混凝土时先用M 32螺栓封闭, 待泵送混凝土完毕、拆泵送管之前, 将M 32螺栓拆除并插打Φ 28 mm钢筋, 防止混凝土回流。在拆除泵管后, 应在进浆管口安装预先加工的泵管盖, 防止因压力增大而造成混凝土回流。
为便于观察混凝土的顶升情况, 同时排除管内的空气, 混凝土顶升前, 在弦管竖直截面最高处开设1排Φ 20 mm的排气孔, 跨中30 m范围内应间隔1 m, 其余位置应每隔4 m开一排气孔。
出浆管设置在拱顶, 采用Φ 125 mm的钢管, 高1 m, 用弯头引出主拱范围。
因南中环桥主拱弦管内无隔舱板, 在跨中合拢时, 为防止管内混凝土一侧提前到达出浆管, 造成另一侧混凝土顶升时管内空气无处可排, 应在出浆管两侧50 cm处设置1个Φ 80 mm的振捣孔, 振捣孔上焊接高10 cm的钢管, 以方便封堵该孔。同时采取如下措施来保证混凝土合拢时空气能顺利地排出。
(1) 拱顶30 m范围内的排气孔对称编号, 并做好标记。当混凝土到达拱顶30 m范围后, 严格控制两侧混凝土面的高度, 保证两侧混凝土面高度一致。
(2) 泵送混凝土时, 拱顶范围内的排气孔冒浆应对称, 例如左侧1号排气孔冒浆后, 必须等到右侧1号排气孔也冒浆, 才能继续泵送。
(3) 当混凝土面距离两侧振捣孔30 cm时, 应缓慢泵送, 保证混凝土面高度相同并同步升高。同时从振捣孔插入振捣棒进行振捣, 帮助排气。
(4) 当两侧振捣孔同时冒浆后, 应暂停泵送, 并封闭振捣孔。
2.4 弦管混凝土泵送施工
混凝土顶升施工的工序为:两侧的输送泵同时、等量地将混凝土泵送入两侧的第1个进浆口→第2个进浆口冒混凝土浆时, 将第1个进浆口封闭, 泵管插回流栅, 在第2个进浆口处接管→重复上述程序, 继续泵送顶升混凝土, 直至拱顶的排气孔冒出混凝土浆为止→封闭排气孔, 混凝土灌注完毕。
在压注混凝土前, 先用相同强度等级的水泥净浆润滑管壁, 以减少混凝土与管壁的摩阻, 使其顺利顶升。开始泵送时, 泵机处于低速压送状态, 应注意观察泵的压力和各部件的工作情况, 若压送顺利, 方可提高至正常压送速度。然后连续压注拱肋混凝土, 并保持慢速、均匀、对称、低压的压注状态, 压注过程中随时用锤击的方法了解混凝土的输送高程, 以便随时调整压注速度, 使两端弦管内的混凝土长度差保持在5 m范围内。
3 混凝土泵送顶升施工的技术要点与质量控制
3.1 混凝土泵送顶升施工的技术要点
(1) 考虑到温度对钢管拱线形的影响及混凝土在高温条件下坍落度损失较大, 不利于混凝土的顶升施工, 故顶升施工宜尽量避开正午高温时段。
(2) 为保证混凝土的可泵性, 在泵送混凝土配料时要严格计量, 控制粗骨料的最大粒径和搅拌时间, 随时抽查混凝土的坍落度, 符合要求后方可送入泵中。
(3) 每根弦管顶升的混凝土, 宜在8～12 h内连续、对称、同步顶升完毕, 相邻两压注孔间的混凝土必须在3 h内顶升完毕。
(4) 泵送混凝土时, 料斗内的混凝土不得少于其容量的2/3, 以免在泵送过程中吸入空气。当混凝土供应不足时, 应降低压送速度, 以免中断。
(5) 两侧顶升弦管长度差应控制在5 m之内。
(6) 当一段顶升完毕, 需在进浆口设置回流栅, 拆除M 32螺栓后插打Φ 28 mm钢筋, 泵机反泵减压后方可拆除泵管, 并在进浆口处安装封口钢板。
(7) 混凝土顶升灌注时, 出浆口需排出正常混凝土后方能停止压注, 然后及时封闭出浆口。
(8) 当混凝土压送困难、泵压升高、管路产生振动时, 不能勉强压送, 应对管路进行检查, 并放慢速度或使泵反转, 以防发生堵塞。
(9) 混凝土泵送施工时, 派测量人员对钢管拱肋及支架体系进行跟踪观测, 一旦发现异常, 应及时通知现场负责人, 并停止混凝土泵送施工, 及时分析原因, 以便采取措施。
3.2 钢管拱混凝土的质量检测方法
钢管混凝土灌注完成后, 应对管内混凝土质量进行全面检查。可先采用敲击钢管的方法进行初步直观的检查, 如有异常部位, 再借助于超声波技术进行检测。检测结果以超声波检测为主、人工敲击为辅, 对不密实的部位采用钻孔压浆填实, 然后等强补焊钢管。
4 结语
太原市南中环桥钢管混凝土采用了泵送顶升施工技术, 经检测, 拱管混凝土密贴性较好, 混凝土灌注质量可靠, 压注完成后复测的拱肋线性满足设计要求。可见南中环桥钢管拱混凝土的泵送顶升施工是成功的, 对同类型拱桥混凝土的施工具有借鉴意义。
摘要：介绍了桥梁钢管拱混凝土泵送填充的施工方法, 阐述了施工中可能出现的主要问题和处理方法。
关键词：钢管拱,混凝土,泵送顶升
参考文献
[1]JGJ/T10—95, 混凝土泵送施工技术规程[S].
[2]JTJ 041—2000, 公路桥涵施工技术规范[S].
[3]陈宝春.钢管拱混凝土拱桥设计与施工[M].北京:人民交通出版社, 1979.
飞燕式钢管混凝土拱桥 篇2
钢管混凝土提篮式系杆拱桥施工方法研究
钢管混凝土提篮式系杆拱桥,施工工序复杂,施工技术难度较高.以某一典型桥梁为例,介绍了该种桥梁的`结构特点和先进、具体的施工方法.
作 者：祝强 ZHU Qiang 作者单位：盘锦市公路管理处,盘锦,124010刊 名：北方交通英文刊名：NORTHERN COMMUNI CATIONS年，卷(期)：2009“”(5)分类号：U448.22+5关键词：钢管混凝土 系杆拱桥 施工方法
飞燕式钢管混凝土拱桥 篇3
【关键词】钢管混凝土；系杆拱；施工；难题；对策
0.引言
近年来，钢管混凝土系杆拱桥以其跨度大、结构轻、造型美、 省建材等优点，被广泛应用于公路工程。但该桥型技术复杂，施工难度大，已经暴露和潜在的问题还很多，亟待广大工程技术人员在实践中不断探讨和完善，本文将结合工程实践就有关问题做简要阐述。
1.钢管混凝土系杆拱桥施工技术难题及对策
1.1支承系统
1.1.1功能
系杆拱桥支承系统宜选用WDJ齿碗扣型多功能支架，该系统具有支架竖向组合微调功能，主要以工具支架和特制微调座组成。
1.1.2地基处理
WDJ齿碗扣型多功能支架必须搭设在经处理的坚实地基上，地基须高出原地面0.5~0.8m，做好防水，避免雨季浸泡。在立杆底部铺设垫层和安放底座，垫层可采用厚度≥20cm的混凝土或厚度≮10cm的钢筋混凝土或厚度≮5cm的木板。
1.1.3预压
支架使用前须全程预压，不能以一孔预压取得的经验数据推概全桥。静压5d(120h)以上及达到沉降稳定状态2d(48h)以上，沉降稳定标准：24h沉降不超过1mm。
1.2主拱肋拱轴线控制系统
1.2.1以激光照准和精密测标组成定位系统
监测项目为拱肋的线形变化、拱脚位移和拱脚沉降。
1.2.2建立测量控制网
在每节拱肋端头设置固定的测量控制点，控制点设在拱肋中线位置。施工放样及检查都采用全站仪进行，每架设一节段拱肋，对全部控制点都要进行观测。此外，对拱座的偏位进行观测。钢管拱对温度，特别是日照影响非常敏感。为了减少温度和日照对线形控制的影响，标高的测量包括合拢时间都安排在凌晨。
1.2.3施工控制
(1)在扣索塔架顶部设有扣、锚索调整装置千斤顶， 通过改变扣索的张力，并采用在拱段之间的内法兰盘接头处抄垫钢板的方法，来实现拱段接头标高的调整(跨径较小的拱肋可利用WDJ支撑系统高度及其竖向微调功能实现)。
(2)设置临时横撑固定拱肋。每架设一节拱肋，就利用钢管拱的横联钢管临时焊接固定上下游拱肋，特别是在合拢段基肋端一定要设置临时支撑。
(3)在焊接拱肋接头外包板时，对称布置的焊缝，采用成双焊工对称施焊，这样可使各焊缝所引起的变形相抵消；非对称焊缝，先焊缝少的一侧，这样可使先焊的焊缝变形部分抵消。
(4)为保证钢管拱在吊装过程中的横向稳定性，在每吊装一节段拱肋时，采用通过对称设置两道浪风绳来调整和控制拱段就位中线位置，减少拱肋自由长度，增大横向稳定。控制浪风绳长度基本相同。
1.3钢管混凝土配制
1.3.1选材
(1)设计高性能微膨胀混凝土应选择525R早强型水泥为主体，其用量不宜过大，初凝时间以8~12h为宜。
(2)配制高性能微膨胀混凝土须使用干净的河砂并严格控制云母含量、硫化物含量、含泥量和压碎值，一般选用细度模数2.6-3.1的中砂为宜。不宜用砂岩类山砂、机制砂、海砂，此 类砂对混凝土的膨胀率影响极大。
(3)粗骨料石质对高性能微膨胀混凝土影响很大，主要体现在骨料一砂浆界面粘结强度、骨料弹性模量和骨料强度。在考虑混凝土可泵性的同时，要考虑混凝土的早强性和后期强度。碎石需二次破碎，使其基本无棱角，并减少针片状颗粒的含量。选用 时应严格控制含泥量、强度、弹性模量和粒径≤30mm。
(4)粉煤灰与水泥“二次水化反应”产生的凝胶封堵了混凝土的毛细管路，增强了密实性，提高了耐久性。“二次水化反应”只有Ⅰ级粉煤灰和磨细粉煤灰可以彻底完成：“使混凝土升温降低 15%~35%；应严格控制粉煤灰SO3含量，以0.5%~1.5%”为宜； 粉煤灰应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定。
(5)选择外加剂一定要经过多次试验。试验表明，缓凝型减水剂会降低混凝土膨胀率，所以应反复试验，膨胀率合适才可使用；高效减水剂还应具有缓效凝作用和缓凝剂掺配作用，且是非引气型、低气泡减水剂；其质量应符合现行标准《混凝土外加剂》规定。
(6)膨胀剂在有钢管约束条件下，在结构中建立0.2~0.3MPa预应力，可抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩应力，从而提高抗裂能力。选择时一定要多试验几个品种，膨胀剂应对混凝土后期强度及质量无害，与所用水泥適应性好。我国主要使用U型膨胀剂、复合膨胀剂及明矾石膨胀剂。
1.3.2设计高性能膨胀混凝土的三个问题
(1)混凝土施工可按一般高性能混凝土设计方法进行配制强度计算，不必计算后将强度提高一个等级作为配制强度，关键在于施工配合比的施工现场验证。设计时应严格控制水灰比，将其 确定为定值。
(2)混凝土是采用钢管中顶升灌注，粗骨料在顶升过程中不 能因自身重力而下落，否则会造成顶升压力过大而失败。在设计混凝土配合比过程中碎石应稍微呈悬浮状态，不能下沉。所以该种混凝土的砂率可提高一些。
(3)许多工程实践认为钢管混凝土设计为微应力时，限制膨胀率28天内应控制在(2~6)×10-4的范围内是合理的。
1.4主拱肋钢管的拼装
1.4.1钢管拱肋的制作
(1)钢管拱主弦管直径>600mm采用螺旋焊管。
(2)宜选用具有CAD加工设计技术和成功经验的厂家；单元阶段制造好后在工厂进行平面和立面组拼检查；螺旋焊管弯曲成型在中频弯管机上进行，采用埋 弧自动焊；腹板安装采用CO2气体保护焊；单元阶段焊接完成后， 若与理论线形不符，可用“火工矫正法”矫正。
(3)钢管拱单元阶段制好后运至工地组焊成吊装段，运至施工现场，最后用跨墩龙门吊机或其它起重设施将吊装段吊上桥组装。
(4)为便于调整拱肋预埋段制造、 温度引起的偏差，钢管制造在工厂时，拱脚预埋段与拱中段之间预留80mm调整量；拱肋合拢锁定温度为10~15℃。
1.4.2钢管拱肋单元构件的防护
预拼成型的安装节段必须对接口进行地面预接和必要的技术 处理，拱肋每一个吊装阶段之间采用内法兰连接，法兰间可抄垫钢板进行微调；单元制造阶段之间采用临时外法兰连接。
1.4.3钢管拱肋的悬拼
(1)拱肋吊装采用悬拼和扣挂施工。拱肋作完后，首先在制作场地进行预拼，合格后方可吊装。
(2)拱肋吊装前应安装好拱脚临时铰， 悬拼过程中允许拱肋绕铰转动。每吊装一个阶段除安装好横撑及临时横撑外还要设置横向浪风索。以利调整拱轴线和保证横向稳定。
(3)两阶段接头端面先用螺栓对接，安装合拢段前应预先通过扣索调整拱肋横向位置，然后再安装拱顶合拢段。
(4)两条拱肋全部合拢后，再全面校核一次拱轴线坐标，并调整至误差容许范围内。再对焊主拱钢管、烧掉螺栓，用加劲钢板补焊拱肋钢管接头，以保证受力连续。
(5)用钢管焊接封死拱脚临时铰，浇注拱座预留槽口C50混 凝土，形成无铰钢管桁架拱，待拱脚混凝土达到强度后拆除扣索。
(6)泵送压注填充管内C50微膨胀混凝土。
1.4.4跨径较小的桥梁可用WDJ支撑系统配合吊车、揽绳完成拱肋组拼
1.5波纹管堵塞
系杆拱桥横梁、系梁多为群锚后张预应力混凝土，于是防治波纹管堵塞，避免钢铰线局部拉伸率、应力超标是施工中不容忽视的大问题。对此我们的预防措施是：
(1)波纹管固定后，将半硬性塑料管穿入波纹管内，其外径小于波纹管内径8~10mm，长度大于波纹管长4~6m。
(2)指派专人，在浇筑混凝土过程中不停抽动塑料管至混凝土浇筑完毕。
(3)抽出塑料管，清除其表面灰浆，擦净备用。抽动半硬性塑料管法，可从根本上解决波纹管堵塞问题。
1.6支座垫石钢板悬空
预埋支座垫石钢板下混凝土悬空，既影响下部结构受力，又危害上部结构荷载均匀传递和受力平衡，也就是说，出现这种现 象是很危险的，其主要原因是混凝土在浇筑流动过程中，预埋钢板下的气体无法排除，形成了空洞，为避免该现象的发生，可在钢板中心用电钻打一个直径5mm的“排气孔”，浇筑预埋钢板处混凝土时，浓水泥浆由“排气孔”冒出即可。
1.7拱脚混凝土空洞
1.7.1拱脚混凝土振捣
拱肋与系杆节点——拱脚之钢筋构造纵横交错、交叉重叠，混凝土浇筑困难，振捣棒无法正常工作，混凝土密实成了问题。一般采用刚度较大的钢模，浇筑混凝土时，先用一巨型扁铲(其宽度≥ 振捣棒直径)在振捣棒插入处，临时将钢筋间距拨宽，至振捣棒顺利插入、正常振捣为止，可确保混凝土振捣密实；待振捣棒拔出后， 开启固定于模板两侧的附着式振动器，一方面有助于被拨动的钢筋恢复原来位置，另一方面可避免混凝土漏振，有助于混凝土密实、均匀。
1.7.2拱脚混凝土预防裂缝
为预防拱脚混凝土裂缝，可选用钢纤维混凝土，钢纤维用量一般为60kg/m3。
1.8空腹式端横梁浇筑工艺
端横梁为封闭式变断面空心梁，其施工有两种方法：一种方法是采用木模或其它一次性芯模，不考虑翻番周转，此类模板只侧重考虑其强度，满足混凝土几何尺寸需要即可；另一种方法是采用钢模或其它可周转性芯模，浇筑混凝土时在梁顶预留“天窗”， 待拆除芯模后再二次浇筑混凝土，将天窗堵死，但应注意两期混凝土的结合牢固问题。
1.9钢管混凝土“紧箍效应”落空
由于施工工艺和混凝土收缩，混凝土总是无法完全充满钢管， 使得“紧箍效应”无法实现，混凝土达不到三轴压缩的理想效果。防治该问题的一般方法有两种：
1.9.1预防
微膨胀混凝土随着龄期增长，混凝土的收缩仍然不可避免，为防止这类问题发生，在混凝土配合比设计时，在添加 UEF微膨胀剂的同时增添“聚丙烯腈纤维”。
1.9.2处置
待混凝土大于28d龄期后，用小锤对拱肋进行全面敲击检查，发现空隙，则确定准确位置，钻孔并压注环氧树脂水泥浆进行补救。
1.10其它问题
近年来，系杆拱桥普遍出现系梁混凝土于吊杆处裂缝、吊杆护套提前开裂、下端预埋管进水、锚头及钢丝提前腐蚀和拱肋钢管腐蚀等严重问题，危及桥梁的安全。
1.10.1防腐
(1)拱肋防腐可用经济、实用，便于现场施工和后期维护的方案——有机环氧富锌涂料，分为3层，底层富锌涂料、中层环氧云铁、面层聚胺酯喷涂。涂装时环 境温度宜控制在5℃~35℃之间。
(2)防腐钢绞线应用较多的有镀锌钢绞线和环氧喷涂钢绞线，前者，经镀锌处理后，机械性能均有所下降，且一旦被刮伤则伤处的阴极反应会使腐蚀速度加快；后者，机械性能与原钢绞线基本上没有差别，而且在生产过程中进行了充分的表面处理和再次稳定处理，其抗拉强度和延伸率较普通钢绞线稍有提高。故此应尽量用环氧喷涂钢绞线。
1.10.2吊杆处系梁纵向钢筋的处理
系梁钢筋是通长的，而結构设计需要吊杆穿过系梁，如此以来，系梁纵向通长钢筋就必然被截成数段，势必影响结构受力，为解决这一矛盾，可采用于吊杆处设置“方形环筋”，系梁纵向钢筋截断后分别与其焊接，吊杆在其方形环筋中穿过。这样，即可以保证系梁纵向通长钢筋的连续，又可以保证吊杆与系梁联结位置准确。
1.10.3横撑与拱肋节点处应力集中的预防
为避免钢管横撑与主拱肋结合部，在使用环境中开焊，影响桥梁整体性能，一般采用在其结合部增设4个加强联结钢板，按90o间隔均匀布设，焊接牢固。
2.结语
钢管混凝土系杆拱桥施工中需要研究的问题还很多，这就需要我们广大工程技术人员积极探索，不断完善，使这一先进技术在公路交通设施建设领域发挥更大作用。
【参考文献】
［１］上海城市轨道交通明珠线苏州河桥施工设计总说明.1998.4.
［２］陈宝春,钢管混凝土拱桥发展综述.桥梁建设.1997,(2).
飞燕式钢管混凝土拱桥 篇4
对于钢管混凝土的静力分析的研究比较多, 动力性能的研究相对较少。早期陈水盛对国内一些主要大桥的频率、振型、阻尼等几个方面进行研究[2]。欧碧峰等人对某252m上承式桥的横撑结构形式“一”字撑与“K”撑的动力特性进行对比[3]。李玲瑶等人对400m中承式丫髻沙大桥的“K”字撑与“米”撑及布置位置分析对大桥的影响[4]。王頠等人分析某下承式拱桥的结构参数对桥梁的动力特性的影响[5]。
对于中承式与下承式钢管混凝土拱桥的动力研究比较多, 且主要分析的是横撑形式与横撑布置位置对桥梁的影响, 而对上承式钢管混凝土拱桥的结构参数研究非常少, 所以该文对268m的恩施龙桥特大桥上承式钢管混凝土拱的含钢率、“米”撑面积、桥面宽度等方面分析对上承式钢混凝土拱桥的动力特性影响。
1 工程概况
龙桥特大桥钢管混凝土拱桥主桥采用268m上承式钢管混凝土桁架拱桥, 变截面悬链线无铰拱, 矢跨比f=1/5, 矢高53.6m, 拱轴系数m=1.5。拱肋为等宽变高度的空间桁架结构, 拱肋拱顶截面高度为5m, 拱脚截面高度为9m;两片拱肋中心间距为12.5m, 一片拱肋横向宽度为4.5m。每根拱肋由上下各两根1 150×32mm、1 150×25mm、内灌C55高强低膨胀混凝土的钢管弦杆组成。
上弦、下弦横向用550×16mm横联钢管连接, 上弦、下弦之间用500×16 mm (立柱处和拱脚铰附近) 、400×16mm钢管作为腹杆, 肋内剪刀撑仅在竖腹杆处布置, 采用219×8mm钢管;在拱脚处与铰相连的两斜腹杆及销轴钢管内灌注混凝土。
全桥在两片拱肋间设10道X撑、12道横撑, 均为空钢管桁架。横撑平联杆采用550×16mm钢管, 横撑斜腹杆采用299×8mm钢管, 横撑竖腹杆采用400×16mm钢管。
2 有限元模型
采用Midas Civil对全桥进行三维有限元模拟 (图2) , 全桥采用梁单元进行模拟, 钢管混凝土主拱圈采用程序中提供的联合截面;拱脚采用固结, 桥面板与钢帽梁采取刚性连结。全桥共2 678个离散单元, 1 508个结点。
3 振型分析
对该桥三维模型的自振特性进行分析, 得到该桥前5阶自振频率及相应的振型特点如表1所示。
从前5阶动力特性看, 本桥钢管混凝土拱桥动力特性有如下特点:1) 前5阶振型特点以侧弯为主, 第3阶与5阶为面内竖弯, 说明本桥横向刚度明显小于竖向刚度;2) 下承式桥型桥面系与主拱圏之间通过柔性吊杆进行受力传递, 桥面系与主拱圈的振动不完全同步[5], 而上承式桥型主拱圏与桥面系通过钢立柱连接, 主拱圏与桥面振动呈现出一致性;3) 人体对振动感觉比较敏感的频率范围是2~6Hz, 从表中可以看出前5阶频率都不在这个范围之内, 所以不会使司机和乘客感觉到有明显的振感。
4 参数分析
4.1 主拱圏含钢率
主拱圏含钢率的变化通过改变主拱圏壁厚, 保持核心混凝土方式来对比分析。原设计含钢率为9.3%, 分别取原设计值上下一定范围内的含钢率计算, 计算结果如表2所示。
/Hz
从表2中数据可知:1) 对于上承式钢管混凝土拱桥随着含钢率的增加, 除3阶竖向频率呈现递增趋势外, 其它几阶频率呈递减趋势。出现这种现象的原因主要是增加含钢率时结构质量增速大于结构刚度增长速度。2) 对于上承式钢管混凝土拱桥不能通过增加含钢率方法来提高结构横向刚度。
4.2 风撑截面面积
风撑结构由上下平联与竖直面的两根斜杆与一根竖杆组成, 如图4所示。原设计平联钢管外径为550mm, 现通过改变钢管外径来研究风撑截面面积对桥梁自振特性的影响。
只改变上下平联钢管直径, 不改变斜杆与竖杆的计算结果, 如表3所示。
从表3中数据可知:1) 随着风撑面积增加, 桥梁横向刚度有一定贡献, 但对竖向刚度没有贡献;2) 风撑面积增加30%时, 桥梁横向频率只增加2%, 表明风撑面积的变化对桥梁横向刚度影响不大, 这点与下承式桥梁规律一样;3) 风撑面积变化对横向刚度的影响不如风撑位置的变化那么明显。
/Hz
4.3 桥面宽度
桥面宽度的变化主要通过改变上下游拱圏中心间距来实现, 原设计拱圈中心间距为12.5m, 在原设计基础上依次增加7.5m的宽度对比, 结果如表4所示。
从表中数据可知:1) 桥面宽度对不同阶数频率的影响差异很大, 对第一、二、四阶的影响非常明显;2) 桥面宽度的变化趋势与频率变化趋势呈曲线形, 其中拱肋中心间距为20m左右时桥梁横向刚度提升得最大。
5 结论
a.上承式钢管混凝土桥的桥面与主拱圈振动基本一致, 与下承式桥不同。
b.对于上承式桥梁来说提高主拱圏的含钢率并不能有效增加桥梁的横向刚度。
c.与下承式桥梁相同, 风撑面积变化对横向刚度的影响不如风撑位置的变化那么明显。
d.可通过桥面宽度来提高上承式钢管混凝土拱桥的横向刚度, 设计时可综合考虑来选取合适的桥面宽度。
参考文献
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飞燕式钢管混凝土拱桥 篇5
丹东月亮岛大桥 (图1) 位于辽宁省丹东市, 跨越鸭绿江, 是连接丹东市和月亮岛的唯一通道, 它的建成对开发位于鸭绿江中心的月亮岛具有重要作用。
月亮岛大桥为下承式钢管混凝土系杆拱桥, 跨径202m, 桥宽9m, 矢高37m, 矢跨比为1/5.5, 拱轴线为二次抛物线, 该桥总布置图见图2所示。
一般大跨径钢管混凝土拱桥的拱肋都设计成由4根弦管形成的空间桁架结构, 弦管之间由横向和竖向的腹杆联结, 这样的拱肋虽然在受力和稳定性方面都比较合理, 但是用钢量较大, 而且弦杆和腹杆之间的焊接工作量较大。在成功的设计了大连市海昌华城桥、浙江铜瓦门大桥之后 (跨径分别为110m、238m的中承式钢管混凝土拱桥, 拱肋由单片桁架组成) , 大连理工大学桥梁研究所提出在月亮岛桥中也采用这种单片桁架拱肋。由两根Φ1100×12mm的钢管做为弦杆, 中心距为3.5m, 以Φ500×10mm钢管作为腹杆, 组焊成平面桁架拱肋, 拱肋弦杆内填充50号微膨胀混凝土。吊杆采用镀锌高强钢丝, 间距5m。
预制的混凝土横梁由吊杆吊起, 横梁上预留的连接钢筋与后浇桥面板连成整体, 桥面板内设有37束预应力束, 每束由12根15.24mm钢绞线组成, 与混凝土桥面板共同形成系杆, 平衡拱的水平推力;基础采用桩基础。月亮岛大桥为目前国内跨度最大的钢管混凝土提篮式系杆拱桥, 结构设计新颖、美观、经济, 富有创造性, 施工工序复杂, 施工技术难度较高。
2 钢管混凝土的特点
钢管混凝土是在薄壁圆形钢管内填充混凝土而形成的一种复合材料, 它一方面借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性, 同时又利用钢管对核心混凝土的套箍作用, 使核心混凝土处于三向受压状态, 从而使其具有更高的抗压强度和抗变形能力。
钢管混凝土除具有一般套箍混凝土的强度高、塑性好、质量轻、耐疲劳、耐冲击外, 尚具有以下几方面的独特优点:
(1) 本身就是耐侧压的模板, 因而浇注混凝土时, 可省去支模、拆模等工序, 并可适应泵送混凝土浇注。
(2) 钢管本身兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用, 既能受压, 又能受拉。
(3) 钢管本身又是劲性承重骨架, 在施工阶段可起劲性钢骨架的作用, 在使用阶段又是主要的承重结构, 因此可以节省脚手架, 缩短工期, 减少施工用地, 降低工程造价。
(4) 在受压构件中采用钢管混凝土, 可大幅度节省材料。理论分析和工程实践表明, 钢管混凝土与钢结构相比, 在保持结构自重力相近和承载能力相同的条件下, 可节省钢材约50%, 焊接工作量显著减少;与普通钢筋混凝土相比, 在保持钢材用量相当的条件下, 可减少构件横截面积约50%, 混凝土和水泥用量以及构件自重也相应减少一半。
3 实例桥梁的结构特点
月亮岛大桥除具有上述钢管混凝土拱桥的特点外, 还具有以下结构特点:月亮岛大桥跨径达202m, 而宽跨比仅为1/22.4, 属于窄桥。从桥梁的美感上看, 在窄桥中使用平面桁架式拱肋, 可以避免空间桁式拱肋的构件繁杂、空间视觉效果差的缺点, 使桥梁的通透性好;另外, 平面桁架式拱肋相对于空间桁式拱肋和劲性骨架箱型拱肋, 本身的横向尺寸较小, 因此在窄桥的应用中可以避免由于拱肋本身横向宽度大而在桥面的有效宽度上加宽, 或者使横梁的跨度加大, 从而可以减小投资。因此, 这种拱肋比较适合于大跨度钢管混凝土窄桥中。由于采用了平面桁架拱肋, 其横向抗弯刚度较小, 稳定性问题是月亮岛大桥施工控制的一个重点。
月亮岛大桥为钢管混凝土系杆拱桥, 成桥后拱脚产生的水平推力由系杆拉力平衡, 桩基础只承受竖向力作用。为了保证安全, 拱座与承台之间采用硫磺垫块临时固结。这样, 桩基础与拱脚由于硫磺垫块的约束而共同承担水平力, 如果施工过程中桩顶的水平位移过大, 桩基础会由于较大的弯矩作用而导致桩的开裂, 从而使得整个基础失去承载力。因此, 施工中严格控制拱脚和承台的水平位移。
月亮岛大桥施工过程中, 拱脚处产生的水平推力由系杆力平衡。系杆张拉力的大小和张拉时间必须与施工过程协调一致, 尽量做到“恰到好处”, 不能过大, 也不能过小。否则, 桩基础会由于承受过大的弯矩而开裂, 导致失去承载力。因此系杆张拉力大小和张拉时间应按照施工控制步骤严格操作。
4 施工方法
丹东月亮岛大桥的总体施工方案经过多方面比较, 确定其施工工序为“钢管拱肋拼装—泵送钢管混凝土—安装横梁—浇注桥面混凝土—浇注桥面铺装”, 各工序中均需张拉相应的预应力束, 以平衡拱脚的外推力。
该桥具体施工步骤如下:
(1) 施工下部结构, 浇注拱座、端横梁及硫磺砂浆垫块。
(2) 钢管拱肋拼装成形:将整个拱肋分成三段在岸上制作, 拱肋两边段长度均为56m, 重量120t, 中段长度85.4m, 重量185t。拱肋分段拼接成型后, 利用已有便道拖拉至桥位。在主跨内设2个塔架, 两边段采用竖向转体提升, 中段采用垂直提升 (图3) 。拱肋就位后, 连接接头钢管成拱, 并在两拱座横梁间张拉预应力筋, 以抵消在吊点卸力后拱肋产生的推力。
(3) 钢管拱肋形成后, 向钢管内泵送混凝土:先对称同步泵送2根下弦管, 待管内混凝土达到设计强度后, 再对称泵送2根上弦管。
(4) 钢管混凝土拱肋形成后, 对称均衡安装预制39根横梁。
(5) 安装桥面模板, 浇注桥面板混凝土。
(6) 拆除硫磺垫块, 张拉剩余的所有系杆。
(7) 浇注桥面铺装。
(8) 安装附属设施及伸缩缝。
5 主要施工工序的探讨
5.1 硫磺砂浆垫块的采用
在拱肋拼装过程中, 拱座要承受较大的水平推力作用。如果拱座仅仅由支座支承, 那么在钢管拱肋架设过程中, 拱座由于较大的推力可能会发生倾覆和水平滑移, 造成拱肋拼装困难, 难以保持拱肋合拢后的线形, 故采用硫磺砂浆垫块临时固结承台与拱座, 以保证拱肋顺利安全的架设, 并保持理想的拱轴线线形。在后续施工过程中, 由于硫磺垫块的约束, 使基础与拱脚共同承担水平力, 此时, 基础实际上对拱脚水平方向起着弹性支承的作用。这样, 可以利用基础的弹性支承作用来共同抵抗施工中拱脚可能突然发生的大位移, 从而有利于拱肋施工中的安全。硫磺垫块在桥面形成以后拆除。
5.2 钢管骨架的架设
钢管混凝土拱桥的施工方法本质上是自架设方法, 成桥过程先合拢钢管骨架, 再浇注管内混凝土形成主拱圈。
丹东月亮岛大桥因工期较紧, 考虑到桥位处有一便道可利用, 因此, 在钢管拱肋架设方案比选时主要对以下两种方案进行比较:一是竖向转体施工方案, 原理是在两拱座后侧分别布置一个钢塔架, 塔架后设钢筋混凝土锚碇, 钢管拱从中间分两大段, 分别在两拱座后侧预拼成型, 运输至桥位后采用竖向转体法起升就位。这个方案虽可行, 但需要较大的锚碇系统, 所以不甚经济, 工期也较长。如果能利用现有便道, 在桥跨内搭设塔架, 便可减少塔架的水平推力, 锚固系统的工程量就可大大减少, 塔架的高度也可减小。鉴于以上考虑, 提出了第二套方案。为抵消在吊点卸力后拱肋产生强大的推力, 在两拱座横梁之间张拉4束预应力筋, 每束为12根Φ15.24钢绞线, 张拉力控制在800kN, 张拉结束后交替缓慢放松吊点, 直至最后成拱。
5.3 钢管内混凝土的泵送顺序
理论分析表明, 不同的混凝土泵送顺序对拱肋的受力以及拱轴线线形有很大的影响。由于拱轴线在施工过程中的调整是非常有限的, 成桥后结构的线形和应力也不能再作调整。所以, 确定合理的泵送顺序是保证结构理想受力状态和良好线形的关键。
经过严密的计算分析对比, 最终采用的泵送方案为:先对称同步泵送两根下弦管混凝土, 待混凝土达到设计强度后, 再对称同步泵送两根上弦管混凝土。
5.4 横梁安装和桥面浇注方案
根据拱结构以受压为主的受力特点, 施工荷载的加载要尽可能对称均衡的进行, 使拱结构尽量均匀承受压力, 减小不对称荷载引起的拱肋弯矩, 保证结构受力合理。
月亮岛大桥在钢管混凝土拱肋形成后, 接着的工序就是安装39根预制横梁, 每根横梁重15t, 充分考虑拱结构均匀受压的要求, 并配合现场的实际施工条件, 最终确定横梁安装方案为:先从拱脚向跨中方向对称安装7根横梁, 两侧共14根;再安装跨中附近9根横梁;最后对称安装四分之一截面附近的各8根横梁, 两侧共16根。
安装桥面模板和浇注桥面混凝土的工序中, 根据拱结构的受力特点, 桥面混凝土的浇注顺序为:先浇注两侧拱脚附近和跨中附近各40m的范围, 共120m;再浇注两侧四分之一截面附近各35m的范围, 共70m;最后浇注桥面端部两侧的各5m范围。这主要是由于桥面的受力特点决定的:因为桥面端部截面承受较大的负弯矩作用, 如果先期浇注该范围内的混凝土, 会导致混凝土开裂。采用该浇注顺序满足拱结构的受力特点与要求。
6 结 论
(1) 钢管混凝土提篮式系杆拱桥, 结构合理、施工工序复杂、施工技术难度很高。本文所举实例月亮岛大桥为目前国内跨度最大的钢管混凝土提篮式系杆拱桥, 由于采用了平面桁架拱肋, 因此具有简洁美观、经济适用、施工方便的优点, 大大降低了工程造价。
(2) 月亮岛大桥施工过程中, 由于建立了一套较为完整、科学的施工方法, 保证了大桥的安全施工, 并使结构的受力和线形符合设计要求。这对于同类型桥梁的施工控制同样具有重要的指导意义。
摘要：钢管混凝土提篮式系杆拱桥, 施工工序复杂, 施工技术难度较高。以某一典型桥梁为例, 介绍了该种桥梁的结构特点和先进、具体的施工方法。
关键词：钢管混凝土,系杆拱桥,施工方法
参考文献
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[2]范金军, 邱文亮, 张哲.丹东月亮岛大桥施工过程中的稳定性分析[J].公路2003, (5) :1-3.
飞燕式钢管混凝土拱桥 篇6
关键词：桥梁工程,钢管混凝土拱桥,振动台试验,动力响应
0 引言
钢管混凝土拱桥自20世纪90年代引入我国。其以结构受力合理、跨越能力强、外型轻盈等特点正逐渐成为大中跨桥梁设计中有竞争力的桥型。钢管混凝土拱桥结构形式多样、拱肋样式富于变化，因此其动力特性具有自身特点;目前对钢管混凝土拱桥还没有建立起有针对性的抗震设计规范，且该桥型尚未经历大震的考验，对其抗震性能的掌握大多通过数值模拟分析。振动台试验是了解结构抗震性能的有效手段，介于以上可见有必要通过试验研究掌握钢管混凝土拱桥的动力特性及抗震性能。
本文以某下承式钢管混凝土拱桥为原型，通过刚度转换制作了单一材料的试验模型，实施了以研究其抗震性能的振动台试验[1]。通过整理分析，掌握了该桥型受不同地震波、在不同烈度等级作用下地震响应的特点及规律，得出了一些有益的结论。
1 模型振动台试验
1.1 试验原型及振动台简介
本次试验原型为某下承式钢管混凝土系杆拱桥。该桥主跨跨径99 m，矢跨比1/5，拱肋线形为二次抛物线。拱肋为哑铃形截面，采用双肢800 mm钢管加中部间距500 mm的钢板一对构成，管壁钢板12 mm厚，内填C40混凝土。拱脚处拱肋下部加劲为矩形断面。肋间设一字撑四道，截面为600 mm空心钢管。拱脚间用钢绞线作为预应力系杆，以承担恒载作用下的拱脚水平推力。每肋下的系杆为12根，每根为9束15.2 mm(7j5)的钢绞线。吊杆为1105高强低松弛钢丝。吊杆横梁为钢筋混凝土工字梁。吊杆间距6 m。为加强桥面系的整体性，在系杆处设加劲纵梁。桥面板为预制钢筋混凝土板，湿接缝联结。桥面铺装为10 cm厚的C30防水钢筋混凝土。振动台试验在单向电液伺服振动台上完成。该振动台台面尺寸为2 m×2.2 m，最大载荷4.5 t，最大加速度1.0g，最大速度100 cm/s，可输入规则波和不规则波，有效频率范围为0.5 Hz～20 Hz。
1.2 模型设计
为了更详实反映结构的动力特性及地震响应特点，试验模型几何相似比例取1/30。考虑到在试验室该相似比例下试验模型加工的难易程度及研究掌握结构整体抗震性能的试验目的等原因，本试验按照截面换算法，通过刚度相似关系，将原型拱肋钢管混凝土截面转化为纯钢截面再予以缩尺。截面刚度转换公式为:
其中，Ea,Eg,E分别为钢管混凝土中混凝土、钢管的弹性模量与换算截面的材料弹性模量;Aa,Ag,A分别为钢管混凝土中混凝土、钢管的截面面积与换算截面的截面面积;Ia,Ig,I分别为钢管混凝土中混凝土截面、钢管截面在组合截面中的截面惯性矩与换算截面的组合截面惯性矩;γa，γg，γ分别为钢管混凝土中混凝土、钢管的剪切模量与换算截面的材料剪切模量。
以式(1)，式(2)为主要计算依据;式(3)为参考。
缩尺后纯钢试验模型跨径3.3 m，矢高0.66 m，拱肋仍保持二次抛物线线形。其中构件截面具体尺寸如图1所示。试验模型在机械构件加工厂完成，细部尺寸误差控制在5 mm以内。
由于振动台最大荷载限制，试验模型实际配重4 t，处于配重不足状态。根据相似理论及桥梁动力试验相关理论，欠配重模型试验各相似关系见表1。
1.3 模型的安装
拱桥模型安装示意图见图2a)。试验制作辅助支座一对，模型一端通过固定支座与振动台台面螺栓刚性连接;另一端架设于滑动支座上，放于台面外。试验用滑动支座见图2b)。
1.4 加载方案与测点布置
1)模型加载。试验模型配重总计4 t，为了贴近原型实际工况，按照原型上部构件(拱肋和横撑)质量与下部构件(横梁、纵梁等)质量的比值进行分配。其中试验模型上部配重2.5 t，下部配重1.5 t。分部位配重情况见图3。
2)输入地震波选取。试验中为了掌握释放能量方式不同的地震波作用下可能的结构响应的区别，输入地震波选取了释放能量集中的EI Centro波或较均匀的Taft波作为输入波形。经过相似关系处理后，试验加速度控制在6度基本60 gal,7度基本120 gal,8度基本240 gal。其中EI Centro波持时5 s;Taft波持时9 s。围绕基本烈度，同时试验加载工况中在区分烈度等级上还做了多遇、基本、罕遇、重要结构罕遇等工况。
3)传感器测点布置。本次拱桥模型振动台试验量测内容包括:加速度监测、位移量测和应变量测。其中加速度监测通过在振动台台面及滑动支座端设置加速度计，监测输入地震波波形及峰值大小，图4为试验监测的8度基本工况下的EI Centro波和Taft波，波形完整。
位移量测是通过在试验模型各显著截面布设纵向和属相位移计，量测台面和拱肋各显著截面的位移变形时程，见图5。
为了掌握模拟地震波输入过程中拱肋内力的变化规律，分别在拱脚、拱肋1/4跨和拱顶等拱肋截面侧面沿轴向粘贴应变片，量测拱肋轴向应变。
2 试验结果分析
2.1 结构振动特性分析
振动台试验开始前对结构进行了锤击试验，测定模型拱肋面外及纵桥向自振频率，见表2。表2中附加了有限元计算结构前两阶振型:拱肋面外侧弯及拱肋和桥面板对称竖弯对应的振动频率。试验数据显示结构侧向自振频率明显小于纵向振动频率，符合通常对下承式钢管混凝土拱桥结构轻盈，侧向刚度小的直观判断。
Hz
2.2 拱肋应变响应分析
构件表面准确应变的变化能够很好描述其表面应力的变化趋势。试验中试通过量测拱肋表面轴向应变来掌握和分析拱肋应力的变化规律。如表3所示EI波和Taft波作用下，6度，7度，8度基本烈度工况下拱肋各显著截面的应变最值。同一地震烈度下，拱脚到拱顶的应变最值呈递减关系，约为拱顶应变的6倍～8倍。反映出拱顶应力较小，拱脚轴向应力起设计控制作用。
如图6所示EI波8度烈度下拱肋拱脚、1/4跨、拱顶应变时程曲线。拱肋内力显著截面的应变时程曲线波形接近地震波输入波形。
与拱肋位移响应规律相反，同一烈度同一显著截面中能量集中释放的EI波作用下拱肋轴向应变峰值大于能量分散释放的Taft波作用下的峰值。
3 结语
1)通过分析模型在EI波和Taft波不同烈度作用下结构各显著截面的应变响应，显示同一波形作用，不同烈度工况下结构应变响应提高显著，增幅接近烈度提高比例;同一烈度下拱顶处应变时程曲线整体表现为拉应变，约为拱脚应变的1/8。符合拱顶主要表现为拉应力的受力特征。
2)同一波形作用下，拱脚、1/4跨处应变时程曲线线形与地震波波形一致。
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飞燕式钢管混凝土拱桥 篇7
新建武汉至黄冈城际铁路路口特大桥位于黄冈市路口镇,设计里程为DK52+429.735～DK58+393.495,全长5.964 km,共计177跨。其中92号～93号跨上部结构设计采用1-112 m提篮拱,跨越106国道,与线路夹角151°,系杆拱梁全长116 m,计算跨度112 m。拱肋采用悬链线方程(拱肋平面内)为y=f(chkξ-1)/(m-1),拱肋钢管直径为1 200 mm,截面高度为3.0 m,采用哑铃形钢管混凝土截面,由厚18 mm的钢板卷制形成,腹板采用厚16 mm的钢板与拱肋连接,钢管内填充C55无收缩混凝土,钢管及钢板采用Q345q-D和Q235q-D钢材。拱肋在横桥向内倾9°,形成提篮式,拱顶处两拱肋中心距9.19 m,拱脚处两拱肋中心距16.20 m。全桥共有48根吊杆,采用尼尔森体系,索体采用外包不锈钢防护低应力索体,采用127根ϕ7高强低松弛镀锌平行钢丝束,冷铸镦头锚。
2施工准备
2.1 上道工序验收
钢管拱安装完成后,对钢管拱线型及焊接质量进行验收,钢管拱线型应符合《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》的要求,采用100%超声波和不少于10%的X射线对全溶透焊缝及溶透性焊缝进行检测,焊缝质量符合国家标准及《钢结构工程施工质量验收规范》。焊缝强度要求与母材等强,焊缝高度he=s,焊缝余高c应趋于零。经以上验收合格后方可进行混凝土灌注施工。
2.2 施工配合比设计
提篮拱钢管混凝土采用C55无收缩混凝土,泵送法施工,设计坍落度180 mm～220 mm,初凝时间不小于12 h,为确保内填混凝土的密实及确定膨胀剂的品种及掺量,对混凝土进行严格的性能试验。
根据基准和调整的配合比混凝土拌合物的性能、抗压强度及耐久性试验结果,按照经济合理的原则,选定配合比为:
水泥∶粉煤灰∶矿粉∶砂∶石∶水∶膨胀剂∶减水剂=350∶30∶70∶
712∶1 068∶140∶50∶7.0。
核算单方混凝土氯离子含量(占胶凝材料):
[(350×0.02%+30×0.004%+70×0.01%+712×0.004%+1 068×0.006%+140×38/106+50×0.02%+7.0×0.03%)/500]×100%=0.04%<0.10%。
核算单方混凝土总碱含量:
350×0.59%+1/6×30×1.12%+1/2×70×0.46%+140×55/106+50×0.40%+7.0×1.9%=2.623 kg/m3<3.0 kg/m3。
核算单方混凝土三氧化硫含量(占胶凝材料):
[(350×2.5%+712×0.25%+1 068×0.2%+30×0.8%+70×2%+140×56/106)/500]×100%=2.9%<4%。
该配合比耐久性指标均满足设计使用100年年限级别要求。
3施工工艺及方法
拱肋钢管混凝土共计606 m3,单管混凝土最大方量为130 m3,考虑混凝土拌合站混凝土供应能力约35 m3/h,单管对称压注时间约4 h左右,总计分3次压注,钢管内混凝土采用由拱脚向拱顶连续顶升泵送施工,距离提篮拱拱脚8 m～15 m左右,在地面各设置1台HBT90.20.180S地泵,四个拱脚处地泵同时泵送,一次到顶,施工时准备6台SY5125THB-9018Ⅲ地泵(4台施工,2台备用),泵送顺序为上管→下管→腹腔。待混凝土强度达到设计强度90%以上方可灌注同拱肋相连的其他钢管施工。
3.1 混凝土灌注工艺流程
钢管混凝土灌注工艺流程见图1。
3.2 施工方法
1)施工前期准备。
a.施工开始前组织压注混凝土的工人进行培训,并现场演练,明确各自的职责范围,对闸阀的开关,管节的接头,泵送的机械进行调试,并试压清水。
b.压注孔、出浆孔、排水孔的设置:在离拱脚1 m～1.5 m处钢管及腹腔侧面开设主压注孔,钢管压注孔连接管在施工现场焊接连接。压注孔连接管与钢管侧壁成30°～45°进行焊接,压注孔连接管采用125 mm直径钢管(见图2)。出浆孔设于拱顶最高处侧面,并接出1.5 m长,出浆管采用ϕ125 mm的钢管,排水孔开设于拱脚最低处,在上钢管、腹腔侧面及下管的下面开设50 mm排水孔。压浆孔密闭示意图见图3。
压浆管采用与地泵大小相吻合的钢管,露出拱肋或腹板表面30 cm～40 cm,压注完成且混凝土形成一定强度后拆除,按设计要求将拱肋修补复原,压浆管通过截止阀(闸阀)与地泵泵管连接。截止阀示意图见图4,闸阀组装示意图见图5。
c.压注施工设备检修到位及管道连接:检查混凝土输送泵,混凝土拌合站等,配齐各类短管,接头弯管,接头扣件及密封圈,检查地泵管节的固定是否可靠牢固,管节的接头是否漏水,与接口管相连的第一节泵管为直管,并尽量减少弯接头。
d.泵送混凝土前测量队对拱肋的线性进行现场测量,记录拱肋的三维坐标,在拱脚,1/4L,1/2L等处做好无棱镜反射标志,并在泵送混凝土过程中监控坐标的变化,每隔一段距离在拱肋截面的顶底部安放应变片,灌注混凝土前后对拱肋的应力进行监控,并与理论值进行对比,在钢管拱肋弦管顶面沿钢管轴线每1.0 m处作好标志,以便混凝土泵送顶升时准确判断混凝土顶面标高。
e.沿着系梁顶面,顺着支撑拱肋的钢管支架布置多级泵水管,以便及时冲洗拱顶溢出水泥浆液及混凝土,清洗的混凝土及浆液及时运走。
2)清洗管内污物湿润内壁。
用高压水泵抽水从出气孔注入清水,冲洗管内壁,水由泄水孔排出。
3)混凝土灌注。
混凝土由输送车运至现场,由四台地泵同时压注混凝土,制作试块。泵送开始时,位于低速低挡状态,待工作压力及工作状况稳定时,调整至正常泵送速度,泵送压力启动前,地泵料斗内充满混凝土,防止吸入空气,万一进入空气,地泵反向转动,彻底排除空气后再转为正常压注,开始泵送时采用低压,待混凝土上升到拱肋的1/4截面时采用高压状态,理论最大压力20 MPa,施工时控制在8 MPa～15 MPa,每个拱脚处各安排一个人随时监测混凝土的质量,另安排4人专门察看地泵管路有无漏浆情况,固定有无松动情况,并安排人在拱肋上用锤击监测混凝土顶升面的位置,并加强与地面总指挥联系,以保证顶升时同步,上升高度基本一致,泵送速度均匀对等,两侧混凝土面上升高度不宜超过1 m。泵送过程中,测量班随时监控钢管拱的线性变化,以调节泵送速度。
4)拱顶排浆。
压注时直至拱顶出浆孔排出合格的混凝土并持续的时间不少于20 s,利用混凝土截止阀对压注管封堵,完成混凝土顶升压注。
5)关闭闸阀。
用多级泵水管对拱肋、腹板遗留的混凝土进行清洗,待混凝土强度达到2.5 MPa后拆除管节接头,切割压注管等临时设施。
3.3 人员分工
112 m提篮拱混凝土压注是提篮拱施工的一道关键工序,工作必须职责到人,分工明确,密切配合。
4质量控制及检验
4.1 混凝土灌注质量控制要点
1)严格按混凝土施工配合比施工,泵送混凝土前拌合站用砝码重新标定归零,混凝土出拌合站前试验室对坍落度、含气量等指标进行检测,合格后才运至现场,如有异常,立即处理,拌合站及现场各配备一名试验人员,发现泌水,决不允许出料,必须另做处理。2)顶升前,对止浆阀、输送管的布管及接头等进行检查,防止漏气,混凝土输送泵进行试运转正常后方可开始工作。泵送混凝土宜选择在阴天、温度低时进行,以免拱肋温度过高,坍落度损失严重,泵送混凝土前,先泵送清水,后泵送同标号混凝土砂浆,待管壁充分湿润后连续泵送混凝土。3)顶升泵送混凝土应遵循匀速对称,慢送低压的原则,两台固定泵的压注速度应尽量保持一致,确保两端混凝土同时压注,其顶面高差不大于1 m。应安排专人沿顶升长度方向检查顶升情况;当混凝土从拱顶排气管冒出时,即停止泵送,可用土工布封住冒浆口,关闭闸阀,加强混凝土车量调度,尽量避免停顿时间,保持压送畅通及连续性。4)在混凝土初凝时间内两侧拱肋上管或下管必须一次顶升压注完毕。5)泵送混凝土顶升过程中,测量队用全站仪测量拱肋三维坐标,如变化较大出现异常情况应及时通知现场总指挥。
4.2 混凝土灌注质量检验
1)原材料进场后,按验标要求抽检批次合格后方可投入使用。2)管内混凝土的灌注工艺及顺序应符合设计及技术方案的要求。3)试验室对同条件试块进行抗压强度试验,当拱肋及腹板混凝土满足设计强度后,请资质符合要求的检测单位对拱肋及腹板内混凝土进行密实度试验,试验结果应满足《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》。
参考文献
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飞燕式钢管混凝土拱桥 篇8
梁拱组合体系就是梁和拱的组合, 两者协作将跨径范围内的竖向荷载传递到受压为主的拱肋, 充分发挥拱肋材料的抗压强度。两者组合, 既能发挥他们的优点, 又能克服各自的缺点[1]。
天津杨村双龙桥是我国公路桥梁史上最早建设的梁拱组合体系桥, 为3×20 m的下承式钢筋混凝土梁拱桥, 于1922年建成。改革开放后, 我国基础建设发展迅猛, 涌现了各类梁拱组合桥。随着钢管混凝土拱桥的应用推广, 施工技术问题受到广泛关注, 至今已取得了相当多的研究成果[2,3]。其中, 钢管混凝土拱肋成拱施工是拱桥施工中的重点和难点, 一般采用缆索吊装斜拉扣挂法、少支架安装法、竖转提升法、平转法、满堂支架法等[4], 本文介绍了针对该现场施工环境选取拱肋竖转提升技术, 严格按照现行规范要求并顺利完成拱肋安装。
1 工程概况
叙永 (震东) 至古蔺 (二郎) 高速公路螺丝寨特大桥位于四川省泸州市叙永县震东乡境内, 地处叙永到古蔺S309公路侧边, 车流量极大, 拱桥位置原地貌纵坡较大, 施工型材运输及拱肋运输等为施工带来安全隐患, 给施工带来难度。拱肋为等截面钢管混凝土结构, 拱肋截面高2.8m, 宽1.2 m, 每肋上下各为一根1200×16 mm钢管与16 mm厚的链接钢板组成哑铃型截面, 内灌注C50自密实微膨胀混凝土。拱桥布置如图1~2所示。
该拱桥钢管混凝土拱肋施工是控制全桥工期的关键环节, 而钢管拱肋的吊装是本桥施工的重点和难点, 经方案对比分析, 由于拱桥地处叙永到古蔺S309公路侧边, 车流量极大, 给施工型材运输及拱肋运输等施工带来安全隐患, 交通组织困难, 施工便道无法运输大件型件, 考虑与实际施工环境、经济与施工工期相结合, 最终选用拱肋竖转法提升技术进行施工。
2 拱肋竖转提升施工技术
2.1 拱肋竖转施工工艺流程
拱肋竖转法提升技术包括竖转塔及缆风、牵引扣锚体系、提升站、架拱临时支架等。拱肋竖转施工主要由拱肋复拼支架系统、竖转塔架系统、拱脚转动装置系统和竖转起重系统四大部分组成。拱肋竖转法提升技术施工流程如图3所示。
2.2 拱肋竖转施工工艺原理
桥道梁纵向第一批及横向预应力张拉后在梁上安装拱肋临时支柱, 采用ф325×6 mm的Q235螺旋钢焊管作为拱肋支撑体系, 拱肋安装支架高度4~11 m, 按拱肋设计线性+预台值进行施工现场节段复拼, 合龙段长度为2.5 m;拱肋复拼安装拟定一台Q25 t、一台Q50 t汽车吊, 配合在桥道梁1/2位置安装拱肋竖向提升塔, 塔高39.5 m。拱肋复拼完成后进行焊接质量、拱肋线型验收, 验收合格后, 再由设在桥道梁跨中位置竖转塔架和牵引系统将拱肋竖转提升到设计标高, 并在合理时间进行钢管拱合龙施工。
2.2.1 拱肋复拼支架系统
拱肋复拼支架采用ф273×6 mm的Q235螺旋钢焊管作为拱肋支撑体系, 平面尺寸1.2×2.0 m进行布置, 钢管立柱间采用[16型钢设置平联和剪刀撑, 以增强整体稳定性, 钢管立柱顶部设置2 125工字钢作为拱肋安装横梁, 并安装调节装置, 采用千斤顶调节拱肋标高及轴线。在调节装置下方搭设拱肋施工操作安全平台。
2.2.2 竖转塔架系统
在桥道梁中跨位置设置竖转塔架, 塔架采用4根ф720×8 mm的Q235螺旋钢焊管作为塔架立柱, 钢管立柱上安装2I56工字钢作为提升支点横梁, 4根钢管采用ф273×6 mm连城桁片增强整体稳定性, 钢管支撑体系与桥道梁顶面预埋钢板连接牢固, 中间留出拱肋与横撑的运输通道。
2.2.3 拱脚转动 (绞) 装置系统
拱脚转动绞装置为钢板 (40 mm) 和拱肋预埋段进行焊接, 然后安装拱肋节段及绞装置钢板, 然后进行绞钢板连接, 形转动轴。
2.2.4 竖转起重系统
拱肋竖转起重系统由4台8 t卷扬机、H50X6D (6轮50 t) 滑车组、ф21.5 mm钢丝绳、导向轮组成。将滑轮组安装在竖转塔架系统2I56工字钢, 导向轮布置在塔架钢管立柱根部, 卷扬机分别安装在12号交界墩、13桥台位置。
3 拱肋竖转提升施工技术
3.1 拱肋竖转提升系统安装
3.1.1 拱肋支架拼装
拱肋复拼支架采用ф273×6 mm的Q235螺旋钢焊管作为拱肋支撑体系, 平面尺寸1.2×2.0m进行布置, 钢管立柱间采用[16型钢设置平联和剪刀撑。立柱上设置安全操作平台及拱肋安装工装装置。
3.1.2 竖转塔架
桥道纵梁中跨位置安装4根φ720×8 mm的Q235螺旋钢焊管作为竖转塔架, φ720钢管立柱上安装2I56工字钢作为受力支点横梁, 钢管采用ф273×6 mm钢管联桁片以增强整体稳定性, 塔架采用塔吊辅助吊装施工。塔架钢管安装完成后, 在各ф720 mm钢管顶部纵、横向设置两道ф22.5mm钢丝绳, 横向缆风绳锚固于桥梁两侧, 采用混凝土地锚。通过纵向、横向缆风绳把所有钢支撑连成整体, 增加支撑系统的整体稳定性, 在缆风锚固点和塔架顶部设置位移观测点, 确保安全。
3.1.3 竖转提升起重系统安装
全桥共布置8台8 t卷扬机、H50X6D (6轮50 t) 滑车组, 采用ф21.5 mm钢丝绳走12根。起升荷载Q=38 t, 经验算所需牵引力p=4.11 t<5.0 t, 起吊钢绳抗拉强度为1850 MPa, 安全系数K=5时的容许拉破力p=5.3 t>4.1 t, 验算表明在起重许可范围内。起升荷载滑轮组安装在竖转塔顶部横梁工字钢上。
3.2 拱肋现场安装
起吊设备采用一台Q50 t汽车吊, 吊装前先在拱肋背吊点上挂一台10 t链条葫芦, 由链条葫芦调整拱肋倾斜度。待拱肋节段吊装就位后, 进行拱肋轴线、标高测量。线性、标高采用工装平台上32 t千斤顶进行调整。拱肋接头均采用在钢管内设衬套并兼作导向, 线性和标高调整合格后安装马板, 段间接头间隙控制在5 mm内。拼装完成示意图如图4所示。
3.3 拱肋竖转提升
对拱肋焊接探伤和接头进行防护处理且验收合格, 并做好拱肋竖转提升准备工作。提升拱肋缓慢进行, 竖转速度宜控制为0.005~0.01 rad/min[5], 待提升高度离桥道梁10~15 cm时检查各竖转系统各构件工作状况, 测量监控人员对塔架系统进行实时监测, 如发现数据异常, 须立即上报现场总指挥, 并停止拱肋提升工作。一切正常后再进行提升, 提升流程如图5所示。
3.4 拱肋合龙段安装
拱肋合龙段与主弦管安装要求按设计留空隙, 位于空隙处的主弦管临时定位锁定, 通过内部安设临时法兰盘来实现, 最后实施电焊固结。
3.4.1 合龙段前期施工准备
合龙时需做适当施工准备, 对已架拱段悬拼线型进行调整, 控制两侧拱段前段中心偏差值在规范阀值内[5], 确保拱段前端四点相对高差满足规范要求。精确测量线型调整后的主弦管前端相对净间距, 布置不少于8个测点并对此进行加工和安装误差计算。因合龙时环境温度对合龙质量有较大影响, 合龙时的温度宜控制为18℃[6], 施工时可选择一天中气温平稳且较低的连续时段。
3.4.2 合龙段施工顺序
合龙段的施工顺序为:精确测量两侧拱段前端净间距→记录测量数据并对已加工的合龙段进行切割修正→提升就位→安装环向对接内衬圈→安装临时法兰盘→到达设定温度时临时固结→焊接合龙。
3.4.3 合龙段的吊装对位
合龙段吊装对位施工流程分三个步骤:起吊, 对位, 定位。起吊采用8 t卷扬机起吊合龙段;对位时, 调整上弦管前后吊点高度, 保持合龙段倾斜起升, 待上弦管跨过已架拱段下弦及上弦管后, 再调平下降至合龙段支承在两侧拱段上;到位后, 采用手动葫芦辅助调整线型, 并配合弦管对接处的紧线器固定合龙段位置;完成合龙段线型调整后进行各接头处的临时法兰盘安装, 该过程中须保持弦管自由伸缩。
3.4.4 拱肋合龙
确定合龙日期的气温达到规定要求并平稳后, 进行合龙段线段精调。经设计和监控单位认可后拧紧高强度螺栓至达到设计要求, 并对环向对接缝实施手工焊接。
4 现行规范施工过程中的几点技术安全问题探讨
1) 采用转体法施工时, 拱圈的预制及拼装应符合下列规定:由于该拱桥所处坡度大, 大型构件运输不同于普通处于平整地段拱桥, 给拱肋施工带来较大困难, 为保证拱肋施工过程安全顺利完成, 应按照设计确定的位置、高程, 充分利用地形, 在适当的支架和模板上进行, 支架应稳固且安装方便。在拱肋制作过程中应严格控制拱肋尺寸, 构件尺寸的允许偏差为±5 mm, 质量偏差为±2%, 拱肋轴线平面、立面的允许偏差为±10 mm。
2) 钢管拱肋正式架设前, 应对吊装设备系统进行不小于施工设计荷载的负荷运行试验, 钢管拱肋吊点的位置应经结构本身的承载力和稳定性计算确定。钢管拱肋节段吊装就位后, 应立即进行校正, 并应采取保证稳定性措施[6]。
3) 为准确控制拱肋架设时的位置及线型, 拱肋架设完成后须对如表1检测项目进行检测, 控制允许偏差值。
注:L为跨径。
4) 采用竖转法施工时, 按规范要求[5]转动前应进行试转, 检验转动系统的可靠性。竖转速度宜控制为0.005~0.01 rad/min范围内, 提升重量最大者宜采用较低的转速, 转动过程中应保持平稳。
5) 施工过程中的安全应符合技术规范[5]要求, 应贯彻“安全第一、预防为主”的方针, 做好防止汽车吊倾翻措施及防止高空坠落等措施, 且施工过程中的环境保护也应作好针对性措施, 减少对环境的破坏。
5 结论
1) 根据实际施工环境的特殊性, 该拱桥拱肋施工方案经合理比选, 采用拱肋竖转法提升技术, 结合规范要求顺利完成拱肋施工, 各项检测指标均符合验收规范。
2) 本桥拱肋竖转法提升系统在提高了拱肋施工安全性, 降低了高空作业安全风险。
3) 拱肋施工作为控制全桥施工工期的关键节点, 拱肋竖转法提升技术的实践表明该技术节约了施工成本、缩短了工期并确保了桥道梁及现浇支架安全性。[ID:003557]
参考文献
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[5]JTG/T F50-2011公路桥涵施工技术规范[S].
飞燕式钢管混凝土拱桥 篇9
1 非线性稳定分析的基本原理
非线性稳定分析方法是通过逐步施加荷载增量来求得使结构开始失稳的临界荷载,一般来说,特征值屈曲荷载(弹性分析方法)是预期的非线性屈曲荷载的上限,可作为非线性屈曲分析的初始给定荷载,在逐步加载到此荷载前,非线性求解应发散,非线性求解发散的临界荷载即为非线性稳定荷载。
1.1 几何非线性稳定分析
拱桥的几何非线性主要是指在荷载的作用下,拱轴线与荷载压力线的偏离问题,这种偏离是不可避免的。施工阶段,压力线随架设过程的不断变化、施工预拱度的设置、各种施工偏差、拱轴线的弹性压缩等的变化而发生变化。拱的几何非线性属于弹性大变形, 拱桥结构的非线性平衡方程为
式中:[K0]为小位移弹性刚度矩阵;[KL]为大位移矩阵;[Kσ]为初应力矩阵;{F}为等效节点荷载;{δ}为节点位移。
[KL]、[Kσ]是{δ}的函数,所以(1)为非线性方程组。 非线性方程组的求解方法采用荷载增量法。荷载从0开始,按照某种增量形式逐步增大到λi[F]。{δ}开始发散时的λi[F]即为拱桥稳定极限承载力,其非线性方程组形式为
式中:λ为荷载因子。
可以有如下假定
实际钢管混凝土拱桥达到极限承载力时的稳定系数一般不大于10,为保险起见,可设λ=100。对式(2)按照不同的方法进行线性化分析时,采用自修正Euler法求解。结构的极限承载力应在开始发散时的荷载和在此前一级已收敛的荷载之间。如荷载增量分得较细,可以偏于安全地认为是前一级荷载,而避免更加复杂的计算。
1.2 材料非线性稳定分析
钢管混凝土拱桥的侧向失稳大部分是发生在弹塑性变形范围,即拱发生侧向屈曲时结构的应力大于材料的弹性极限,这时按弹性理论计算的拱桥侧倾稳定安全系数就有可能大大超过实际值。因而需要用弹塑性理论重新计算结构的稳定安全系数,即需要考虑材料非线性,材料非线性分析主要问题是材料本构关系的选取。
1.2.1 钢材的三维本构关系
一般把钢材变形分为弹性、弹塑性、塑性、强化以及二次塑流等几个阶段,分别给出其本构关系。
1) 弹性阶段(σi≤fp)。
在此阶段,钢材的应力-应变关系为线性,可写为如下的增量形式
2) 弹塑性阶段(fp<σi≤fy)。
在此阶段,钢材的切线模量E
弹塑性阶段的泊松比μ
该阶段的应力-应变关系写成如下的增量形式
3) 塑性、强化以及二次塑流阶段。
根据经典力学,此阶段屈服应力与塑性应变的关系为
该阶段的应力-应变关系写成如下的增量形式
1.2.2 混凝土的三维本构关系
混凝土破坏曲面具有以下特征:①破坏曲面的横截面曲线是光滑的;②横截面曲线是凸的;③对于拉应力区和较小的压应力区,破坏曲面与偏平面相交后得到的横截面曲线形状接近三角形,而对于较高的压应力区,破坏曲面的形状越来越接近圆形。
Willam-Warnke三参数模型[7]适用于受拉、高压应力区和低压应力区,在工程上得到广泛应用。
三参数模型的一般表达式(r-θ坐标下)为
式中:平均剪应力
1.2.3 钢管混凝土的轴压应力-应变曲线
采用三维混凝土的本构关系和钢材的本构关系,建立钢管混凝土的空间分析模型,如图1所示,从而求得淳安南浦大桥钢管混凝土拱肋的轴压应力-应变曲线,如图2所示。
2 淳安南浦大桥稳定性分析
2.1 桥梁概况
淳安南浦大桥为中承式钢管混凝土桁式拱桥,拱轴系数为1.167,大桥总设计长度为330 m,净跨径308 m,净矢高为60 m,矢跨比1/5.5,桥面净宽12 m,拱肋外侧间距15.55 m,宽跨比1/19.81,其规模在国内同类桥梁中居第3位。南浦大桥的主拱肋由4根直径850 mm、壁厚12 mm的钢管构成,钢管由腹杆和剪刀撑连接形成劲性骨架,钢管内灌注C50高强混凝土,全桥共设13道双K形横撑。南浦大桥的总体布置见图3。
2.2 稳定分析模型
三维稳定分析有限元模型见图4。
2.3 稳定分析结果
为了同时分析风荷载对稳定系数的影响,同时分析1倍、2倍、3倍风荷载作用下的稳定系数。表1列出了稳定系数的计算结果。
3 结 论
1)风荷载对钢管混凝土桥的稳定性影响很小,对弹性稳定的分析结果表明风荷载对稳定系数无影响,在双重非线性稳定下风荷载影响最大,但数值较小,3倍风荷载的稳定系数为1倍风荷载的96.8%,仅下降了3.2%。
2)几何非线性对钢管混凝土拱桥的稳定性影响也较小,考虑几何非线性的影响,桥梁的稳定系数仅下降11.2%左右。
3)同时考虑材料非线性和几何非线性对钢管混凝土拱桥的稳定系数影响很大,稳定系数约为弹性分析的38.5%,表明材料非线性对钢管混凝土拱桥稳定性的影响较大。
摘要：大跨度钢管混凝土拱桥的宽跨比较小,拱肋的横向稳定成为桥梁安全的关键问题。目前对钢管混凝土拱桥的稳定分析主要采用弹性理论,同时选用较大的稳定系数来保证桥梁安全。介绍同时考虑材料非线性和几何非线性的钢管混凝土拱桥稳定性分析方法,并采用该方法对南浦大桥的稳定性进行分析,结果表明几何非线性对该桥稳定性影响较小,而材料非线性对该桥稳定性影响较大。提出在分析钢管混凝土拱桥稳定性同时应考虑几何非线性和材料非线性的结论。
关键词：钢管混凝土,拱桥,稳定分析,非线性
参考文献
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