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    介绍拉萨纳金大桥主梁33米宽幅轻型挂蓝施工技术,出柔性挂蓝结构设计依据和理论,从斜拉桥和斜拉索结构特征分析斜拉桥悬臂浇筑梁线性控制理论,分析拉萨市纳金大桥箱梁33米宽幅轻型柔性挂蓝设计与施工。 关键词纳金大桥;宽幅;轻型;柔性;挂蓝 1工程背景 拉萨市纳金大桥主桥为跨径(70+117+117+70)m的三塔矮塔斜拉桥,如图1所示。桥宽33m。按城市主干道I级进行设计,设计速度采用60km/h;设计汽车荷载标准采用公路I级。该桥目前在建设中。 主桥横向单塔,布置在中分带,索塔顺桥向采用变截面,塔形由两道圆弧相切形成,横桥向为2.5m等宽截面。主塔从桥面以上塔高为17.7m,桥面以上受力部位塔高为15.7m,为跨径的1/7.5。索塔采用C50混凝土实心断面,顺桥向宽度为3.243m~5.50m;横桥向宽度为2.5m,顺桥向为半径1.25m圆弧倒面。拉索在塔上采用扇形布置,每个索塔共锚固7对拉索,拉索与塔柱中心交点间距按1m的等距布置。边中跨的索对称于主塔布置。塔上拉索采用鞍座形式通过,每根索对应1个鞍座,位于塔两侧拉索出口处设置锚固装置,克服运营阶段索的不平衡拉力。 主梁结构采用C50高性能混凝土,箱型为单箱五室断面,箱梁高度由跨中2.5米至距主墩中心2米处按抛物线型变化为4米,主墩箱梁在中墩顶设置厚度为3.5米的横隔梁,有索区每节梁段长5米,每个拉索处设0.5米厚的节段横隔梁,边跨端部设厚度为1.8米的横隔梁。主梁采用纵、横、竖三向预应力体系。 主桥各单“T”箱梁除0号块采用支架现浇外,其余节梁段采用对称平衡悬臂逐段浇筑法施工,悬臂浇筑梁段最大重量451.6吨,悬臂施工挂蓝自重及施工荷载按200吨考虑,合龙段施工吊架及其它荷载按70吨考虑。 2宽幅型施工挂蓝设计思路 2.1设计模型 纳金大桥是规划的“拉萨市第一大桥”,设计采用单箱五室断面,桥宽33米,是目前采用挂蓝悬臂法施工单幅断面较宽的桥梁,所以称为宽幅挂蓝悬臂法施工,所用挂蓝称宽幅挂蓝。 为节约成本,钠金大桥挂篮系统有别于普通常用的菱形和三角形挂篮,其主梁就地取材,采用六榀定型三角梁作为主梁,分别布置于箱梁六道腹板上方,由35米长40H型钢制作而成的上横梁作为分配梁,三角梁之间加以横向连接,形成整体受力结构。整个挂篮系统属于后支点式挂篮。主组成部分为主梁、底模、侧模、翼缘板模板、上横梁、下横梁、梁底纵梁、反压梁以及挂篮行走系统组成。 挂篮结构计算模型见(图2,图3,图4),包括主桁架、立柱间横向连接系、前上横梁、底篮、导梁等所有的承重系统。 2.2挂篮主技术参数 (1)悬臂浇注箱梁梁段最大重量是3#梁段,混凝土浇筑方量210.1m3,按照钢筋混凝土2.65吨/m3计算,最大重量为556.765吨;(2)悬臂浇注箱梁梁段最大分段长度为5米;(3)人群及机具荷载取2.5KPa2;(4)超载系数取1.052;(5)新浇砼动力系数取1.2;(6)挂篮行走时的冲击系数取1.22;(7)抗倾覆稳定系数2.02。 2.3验算方法 荷载组合 ①砼重+挂篮自重+施工、人群机具+动力附加系数(强度计算);②砼重+挂篮自重(刚度计算);③挂篮自重+冲击附加系数(行走稳定性)根据梁段长度、重量、梁高等参数,设计时按以下两种工况进行计算。 验算工况 工况一3号梁段混凝土灌注完成工况。此工况梁段长度最大、混凝土重量最大。 工况二3号梁段完成,挂篮由3号至4号梁段走行工况。此工况挂篮走行距离较长,控制挂篮走行状态抗倾覆稳定及外模、底模走行梁走行状态的强度和刚度。 3关于轻型结构挂蓝 按照《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011第16.5条第1款之规定,一般挂蓝设计时挂蓝与悬浇梁段混凝土的重量比不宜大于0.5,且挂蓝的总重量应控制在规定的限重之内2。纳金大桥所用挂蓝充分最大重量145吨,节段混凝土重量547.56吨,挂蓝与悬浇梁段混凝土的重量比为0.265,应该说是一种轻型结构挂蓝。 普通挂蓝结构一般为三角挂篮或菱形挂篮,结构高度一般在5~8米,挂篮用钢量大、自重大、迎风面相应也大。拉萨地区四季多风,最大风速可达25米/秒以上,多年平均大于或等于17米/秒的大风日数达32.3天;此外,拉萨地区地震场地类别为Ⅱ类,桥梁抗震设防类别为B类,抗震措施按9度区设防3。这对挂蓝结构稳定性非常不利,因此必须选择横向稳定性好、结构建筑高度低、相对轻型的挂蓝结构形式。纳金大桥挂蓝结构高度为2.6米,而且横向由6榀三角桁架组成,这对抵御强风和地震非常有利。 针对该挂蓝结构轻型化,为了进一步验证结构刚度,采用加载预压的方法进行荷载试验(如图6),第一次的挂篮预压(8#),由于将前支点、后锚压梁等构件受力变形值,全部考虑在挂篮的弹性变量中,非弹性变量无法准确测算,挂篮整体变形偏大;第二次按照最重梁段的1.2倍重量预压,预压重量高达656t。而施工的1#梁段,重量约为430t,远远低于预压重量。按照挂篮预压数据,其1#块最高下挠达2.3厘米,设计理论抛高值为1.9厘米;为了使挂蓝刚度满足求,降低实际施工时的变形量,对三角主桁梁采取加劲措施每榀三角梁顶部设置一道直径32毫米的精扎螺纹钢筋,施加20吨预应力;同时在6榀三角桁梁前吊点位置各加设一道“X”型剪刀撑,这样挂篮前、中、后都有横向支撑,加强了挂篮的整体受力和稳定性(如图6)。 对采取加强措施后的挂蓝进行第三次荷载试验,预压过程中逐级加载逐级测量,挂篮整体性良好,所有构件节点均无变形,挂篮变形量呈线性变化,挂篮最大下挠值1.82厘米。通过48小时120%荷载测量,变形消除。说明挂篮自身安全、稳定,刚度满足求。 4柔性挂篮结构 4.1柔性结构 所谓柔性结构,形式上表现为宽幅、大跨结构等,几何学上的柔性结构是指其几何非线性因素在分析中影响较大而不可忽略的结构;在数学模型上表现为结构的刚度小,柔性大,几何非线性不能忽略;在计算方法上柔性结构的问题与刚性结构也不相同,需将结构简化成非线性的柔性结构系统进行计算。随着社会和科技的发展,工程中新材料、新设备、新结构和新施工工艺的运用,结构向高(深)、轻、大这三个方向发展,结构形式也由原来的刚性结构转变为柔性结构。 目前悬臂法施工梁桥梁底线型一般按二次或四次抛物线设计。根据以上分析和假设斜拉索近似于悬链线型,悬臂梁由于索力和结构内力影响也属于非几何线型,也可以拟合成为悬链线型,柔性桥梁决定柔性桥梁施工设备。这就求用于悬臂法施工的挂蓝设备在允许范围内具有一定的柔性,其变形满足桥梁整体变形协调性。直观地说成桥后的线型更接近于实际,这种挂蓝结构我们称之为柔性挂蓝结构。纳金大桥所设计制造的宽幅、轻型挂蓝结构,通过对10#墩挂篮进行了预压,满载预压监测结果其变形符合柔性变形特点,应该是这种柔性挂蓝结构的特例。 4.2部分斜拉桥结构形式的柔性特点 纳金大桥部分斜拉桥结构形式,所谓部分斜拉桥是介于连续梁与斜拉桥之间的一种桥型。如果说连续梁桥属于刚性桥梁,斜拉桥属于柔性桥梁,则部分斜拉桥为一种刚柔相济的桥型。一般认为,当斜拉索的竖向荷载承担率超过30%或斜拉索在活载作用下的应力变化幅超过50MPa时,即进入斜拉桥范围,斜拉索容许应力取0.4倍极限应力,安全系数为2.5。部分斜拉桥的拉索应力幅度比一般斜拉桥小,拉索可按体外预应力索的容许应力取值,为0.6倍的极限应力,对应的安全系数为1.67,在施工过程中索力可不作调整。由于斜拉桥是高次超静定柔性结构,而且在施工过程中结构体系不断改变,使主梁内力分布合理且结构线形满足求。 4.3斜拉索柔性结构 纳金大桥斜拉索采用OVM250AT-43,OVM250AT-37两种型号1。分别由43、37根7φ5的钢绞线组成。OVM250AT-43拉索由锚固段+过渡段+自由段+抗滑锚固段+塔柱内索鞍段构成。鞍座采用分丝管,索鞍分散、均匀传递荷载作用。索体采用Фs15.2环氧树脂涂层预应力钢绞线,具有多层防护结构。斜拉索从塔上鞍座中连续穿过,两端锚固在梁体内,所有索鞍半径均为2.5m,施工时,在梁内对称一次性张拉到位。斜拉索索力在桥梁纵向,相当于主梁的体外预应力;在竖向,斜拉索力产生了向上的力以抵消向下的自重与活载对主梁产生的弯矩,对于活载来说斜拉索供了弹性支承。从外观线型分析,斜拉索近似于悬链线。合理的索力,使斜拉索、主塔和主梁受力总体合理,是斜拉桥结构设计的关键。斜拉桥的初始索力可以人为设定,是斜拉桥成桥合理受力的有利因素。 4.4悬臂法施工方法决定主梁线型的非几何性 纳金大桥斜拉桥采用悬臂施工方法,施工过程中结构体系随着施工进展不断改变,而且混凝土收缩、徐变等时间效应也会导致结构内力发生改变,因此,为了获得成桥状态的结构内力及线形,需进行施工过程的结构计算分析,通过各施工步骤的应力累计以及考虑施工期间的收缩、徐变影响,得到最终的应力和形状。 悬臂法施工过程中为了尽量减少各根索的调整次数,将各施工阶段所需的拉力和梁的几何位置预先算出。在每个施工阶段,索力调整后的主梁位置考虑后续施工中产生的结构变形,包括荷载效应以及收缩徐变变形,因此,必须设置反方向的变形,即预拱,随着后面的施工推进,结构形状逐渐变化到设计线形。斜拉桥是以承受轴力为主的结构体系,预拱大小考虑轴向变形的影响,同时还需考虑几何非线性的影响。准确地说梁底线型是几种几何线型的叠加,应该属非几何线型(见表1)。 4.5斜拉桥施工过程的结构分析 斜拉桥施工过程的结构分析包括正装计算和倒拆计算两种4。逆着施工过程从成桥状态开始,逐个倒拆各施工过程中安装的构件,根据拆除后的结构平衡状态确定标高(预拱度),并确定相应的索力,这种计算方法称为倒拆计算,从倒拆计算结果看索力内力分布不完全成线型关系。 5结论 目前挂篮悬浇箱梁施工中,所用的挂篮多为三角、菱形或者贝雷挂篮,但是普遍存在挂篮自重大、无法自行前移、构件成本高、施工不便等大小不一的问题。这些问题在一般挂篮施工中产生的弊端不会太影响施工,但是,在大断面箱梁整幅挂篮施工时,却大大影响到现场施工,甚至会影响桥梁自身的受力情况。纳金大桥工程利用多用途的三角梁作为主梁,工厂加工各个部件,现场组装,采用多种组合型钢焊接而成,通过体内预应力增强了梁的刚度,减小了施工挠度,其刚度和强度满足施工求,整套挂篮成本降低,同时自重下降到梁段重量的0.26左右,并在主梁上设置了行走系统,通过行走系统实现主梁自动前移,从而带动整套挂篮自行前移,施工极其方便。 纳金大桥于2012年12月底主梁悬臂挂蓝施工全部结束,在宽幅轻型柔性挂蓝使用及整体施工过程中通过上海同济质量工程监测站严格监控,主桥各混凝土构件外观尺寸正常,混凝土浇筑质量较好。箱梁梁体在梁顶板、底板、腹板及横隔板处均没有出现裂缝。斜拉索锚固端质量完好,无变形、缺损、锈蚀现象;支座外观良好,各支座在检查中未发现偏位及不均匀变形。 在横向对称加载情况下,主梁各测试断面应力实测值及挠度实测值对称性良好,且实测值在荷载分级加载下与荷载呈线性关系;在横向偏载加载情况下,实测偏载效应较理论计算小,表明大桥整体上受力均衡,整体性好,全桥上、下游斜拉索恒载索力对称性良好。 参考文献 1《拉萨市纳金大桥工程图设计》S.江苏省交通规划设计院有限公司,2010.10. 2JTJ/TF50-2011《公路桥涵施工技术规范》S.北京,人民交通出版社,2011.8. 3《拉萨市纳金大桥场地地震安全性评价报告》西藏自治区地震局地震工程研究所,2008.10. 4《〈公路桥涵施工技术规范〉实施手册》S.北京人民交通出版社,2011.8. 作者简介周桃玉(1973.9-),男,安徽铜陵人,现职称高级工程师,学历硕士研究生。

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