无铰钢管混凝土拱桥增跨顶升关键技术.pdf
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1、2 4 桥梁建设2 0 1 2年第 4 2卷第 3 期 ( 总第 2 1 3 期 ) Br i dg e Co ns t r uc t i o n,Vo 42,No 3,2 012( Tot a l l y No 21 3) 文 章编 号 : 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 2 4 0 7 无铰钢管混凝土拱桥增跨顶升关键技术 刘世 忠 , 欧 阳 永金。 , 张 ( 1 兰 州交通 大学 甘肃省 道路桥 梁 与地 市政建 设开 发 总公 司 , 福建 厦 门 3 6 1 0 0 9 ;3 慧 , 蔺鹏臻 , 王 佳 , 冀 伟 下 工程 重点实验 室,
2、甘肃 兰 州 7 3 0 0 7 0 ;2 厦 门市 兰州工业高等专科学校建筑工程系, 甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ) 摘 要 :为 满足 交通需求 , 厦 门市某 无铰 钢 管混 凝 土拱 桥 桥 下道路 需从 双 向 6车道拓 宽至 双 向 1 0车道 , 相 应 需对原拱桥 进行 顶升 增跨 改造 。改造 需将原 拱桥 整体 提 升 1 7 m, 跨径 由 4 3 2 m 增加 至 4 6 m。改造 时首先在 原结 构上 张拉 临 时 系杆 , 使 桥 梁 由无铰 拱 变为 系杆拱 , 然后 进行 拱 脚 切割 、 顶 升增跨 施 工 , 最终 形成 新的 无铰钢 管混凝 土拱桥
3、 并 解除 临时 系杆 。为确保 各施 工阶段 结构 的安全 , 采用 ANS YS建立拱桥有限元模型 , 对施工全过程进行仿真分析及位移和应力监测。仿真 分析及监 测 结果表 明 , 结构 实际位移 及 受力与理 论分 析结 果吻合 较好 ; 改造 全过程 中结构位移 及 受 力的 变化 均在 合理 范围 , 不影 响改造 后 的使 用安 全 。 关键词 :系杆拱桥 ; 钢管混凝土结构; 增跨 ; 顶升; 改造, 监测; 有限元法 中图分 类号 : U4 4 8 2 2 5 ; U4 4 5 6 文献标 志码 : A Ke y Te c h n i q u e s f o r J a c k
4、 i n g u p a n d o f a Hi n g e l e s s Co n c r e t e Fi l l e d S t e e l S p a n Le n g t he ni ng Tu b e Ar c h Br i d g e L I U S h i - z h o n g 。 0【 NG Y o n g - j i n , Z 日lANG Hu i , LI N Pe n g z h e n , , ANG d i a 。 ,J I W f (1 Ke y La b or a t or y of Ro a d Br i d ge a n d Und e r gr o
5、u nd Eng i n e e r i n g o f Ga ns u Pr ov i nc e,La nz ho u J i a o t o n g Un i v e r s i t y ,La n z h o u 7 3 0 0 7 0 ,C h i n a ;2 Xi a me n Mu n i c i p a l Co n s t r u c t i o n a n d De v e l o p me n t Co r p o r a t i o n ,Xi a me n 3 6 1 0 0 9 ,C h i n a ;3 De p a r t me n t o f Bu i l d
6、 i n g Eng i ne e r i n g,La n z ho u Po l y t e c hn i c a l Col l e g e,La nz hou 73 0 05 0,Chi n a) Abs t r a c t:To c a t e r f o r t h e t r a f f i c de ma nd, t h e r o a d u nde r a hi n ge l e s s c on c r e t e f i l l e d s t e e l t ub e a r c h br i d g e i n Xi a m e n Ci t y n e e d e
7、 d t o b e wi d e n e d f r o m du a l 3 l a ne s t o d ua l 5 I a ne s a n d a c c o r d i n g l y t h e e x i s t i n g a r c h b r i d g e o v e r t h e r o a d h a d t o b e r e h a b i l i t a t e d b y j a c k i n g u p a n d s p a n l e n g t h e n i n g ,i e t h e b r i d g e wa s t o b e i
8、n t e g r a l l y j a c k e d u p 1 7 m a n d t h e s p a n o f t h e b r i d g e wa s t o b e l e ng t he n e d f r o m 43 2 m t o 4 6 m I n t he r e ha b i l i t a t i o n p r o c e s s o f t h e b r i dg e,t he t e mpo r a r y t i e m e m b e r s we r e f i r s t l y a d d e d t o a n d t e ns i
9、o ne d on t he e x i s t i ng br i d ge t o ma ke t h e b r i dg e c h a ng e f r o m a h i ng e l e s s a r c h t o a t i e d a r c h,t h e n t h e a r c h s pr i ng s o f t h e b r i dg e we r e c u t o f f ,t he br i dg e wa s i a c ke d u p,t h e s pa n wa s l e ng t h e ne d a nd f i n a l l y
10、a n e w h i ng e l e s s br i d ge wa s f o r me d a n d t he t e mp o r a r y t i e me mb e r s we r e r e l e a s e d To e n s u r e t h e s t r u c t u r a l s a f e t y o f v a r i o u s c o n s t r u c t i o n s t a ge st he f i n i t e e l e me n t mod e l f or t he b r i dg e wa s e s t a bl
11、i s he d,us i n g t h e ANSYS,t he s i m u l a t i on a n a l y s i s o f t h e wh o r e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s wa s ma d e a n d t h e d i s p l a c e me n t a n d s t r e s s we r e mo rn t o r e d Th e r e s ul t s o f t he s i mul a t i o n a n a l y s i s a nd m o n i t o r i ng
12、s ho w t h a t t h e a c t u a l di s pl a c e m e nt a nd f o r c e c o nd i t i on s o f t h e br i d ge a r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h t ho s e of t he t he o r e t i c a n a l ys i s The 收稿 日期 基金项 目 作者简介 2 O1 2 01 31 国家 自然科( 5 0 9 6 8 0 0 8 ) ; 甘肃省道路桥梁与地下工程 重点实验室开放基金( No Kf j j 一 1 0
13、0 1 ) Na t i o n a l Na t u r a l S c i e n c e Fo u n d a t i o n o f Ch i n a( 5 0 9 6 8 0 0 8 ) ;Ope n Fu n d s o f Ke y La b o r a t o r y o f Ro a d B r id g e a n d Un d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g o f Ga n s u P r o v i n c e( No K f j j 一 1 0 0 1 ) 刘 世忠, 教授 , E - ma i l : l i u s z
14、 2 0 0 0 1 6 3 e o m。研究 方向: 桥梁结构有限元分析 、 桥梁检测加 固与安全性评估 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 无铰钢管混凝土拱桥增跨顶升关键技 术 刘 世忠 , 欧 阳永金 , 张慧 , 蔺鹏臻 , 王佳 , 冀伟 2 5 c ha n ge s of t he s t r u c t u r a l di s p l a c e m e nt a n d f o r c e c on di t i o ns o f t he br i d ge i n t he wh ol e r e h a bi l i t a t i o
15、 n p r o c e s s a r e wi t hi n r a t i o na l r a ng e a nd t he s e r v i c e s a f e t y o f t he b r i d ge ha s n ot be e n a dv e r s e l y a f f e c t e d a f t e r r e ha b i l i t a t i o n Ke y wo r d s :t i e d a r c h b r i d g e ;c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e s t r u c
16、t u r e ;s p a n l e n g t h e n i n g;j a c k i n g up;r e h a bi l i t a t i on;mo ni t or i n g;f i n i t e e l e me nt m e t ho d 1 概 述 厦 门某 中承 式 钢管 混 凝 土 系杆 拱 桥 于 2 0 0 4年 建成投入使用 。桥梁建成时桥下道 路为双 向 6车 道, 桥梁 跨径 4 3 2 m, 桥面净宽 5 1 m, 总 宽 6 m。 桥梁拱 肋采 用钢 管混凝 土平 行双拱 肋 , 矢 高 7 2 m, 拱脚深入拱座混凝土内形成无铰有推力拱 。拱肋
17、钢 管采用 Q3 4 5 B钢 材 , 直 径 6 0 0 mm( 拱 脚 段 加 强 为 8 0 0 mm) , 壁厚 2 c m, 管内填充 C 4 0微膨胀混凝土。 拱顶采 用 2道横 梁连接 拱肋 。主梁 采用 单箱 三室 钢 箱梁 , 由 Q3 4 5板 材 焊 接 成 型 。全 桥 共 设 1 O根 吊 杆, 间距 5 m。桥梁结构 ( 改造前) 见图 1 。 近年来 , 随着 厦 门市经 济 的跨 越式 发展 , 桥下 原 有的双向 6车道 已经 不能满 足城 市交通 的需 求, 2 0 0 6 年厦门市政府决定对桥下道路实施改造 , 将其 拓宽为双 向 1 O车道。为满足改造后
18、桥下道路对桥 梁跨度和净空的要求, 并考虑 到将原有拱桥废除重 建不仅 造 成 巨大 浪费 , 而且 污染环 境 , 最终决 定对 原 桥进行顶升增跨改造 。本文对该无铰钢管混凝 土拱 桥增跨 顶 升关键 技术 进行研 究 。 2 桥 梁 顶升增 跨 改造要 点 根据桥下道路改造设计标高, 需将原拱桥 ( 拱 肋、 主梁) 整体提升 1 7 m, 改造后桥梁结构见图 2 。 桥跨结构改造的主要 内容为 : ( 1 )拱肋改造。拱肋须保证原拱轴线线形 ( 抛 物线) 不变, 桥梁跨径增加至 4 6 m, 矢高增加至 8 1 6 m。原拱脚 加 强段 8 O 0 mm 钢管 需接 长 1 6 9
19、m( 接 长段一端与原拱肋对接焊焊接 , 另一端与拱座内预 埋板 焊 接) , 接 长段 内填 充 C 4 0微 膨胀 混凝 土 。 ( 2 )拱 座 改 造 。 由于 桥 梁跨 度 增 加 , 原拱 座 无 法 利用 , 但原 承 台及桩基 础可 加 以利用 , 故拆 除原拱 座 利用 原桩基 础 建造 新 拱 座 , 保 证新 拱 脚 蚨 固于新 拱 座 内 。 图 I改造前桥 梁结构 Fi g 1 Br i d g e S t r u c t u r e b e f o r e Re ha bi l i t a t i o n 单位 :m 图 2改造后桥梁结构 Fi g 2 Br i d
20、 g e St r uc t ur e a f t e r Re h ab i l i t at i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 3桥 梁顶升 增 跨改造过 程 拱 桥 顶 升前 首 先 要 切 断 坡 道 等 与 主结 构 的联 系, 设置张拉操作台及顶升操作 台, 然后张拉临时系 杆( 拉索) 。待系杆张拉后切割拱脚 。当结构顶升到 设计高度时, 改造原拱座, 接长加强段拱肋 , 浇筑拱 座混凝土, 形成新拱座。待拱座混凝土强度达到设 计强度后拆除顶升操作平台
21、, 放松临时系杆, 形成超 静 定拱 式受 力体 系 , 最后 进行 坡道 、 梯道 等 的后 续施 工 。 。 3 1 桥 梁体 系转换 桥 梁 顶 升 增 跨 改 造 过 程 中需 进 行 4次 体 系 转 换 。第 1 次体系转换时, 于拱梁结合部( 图 1 节点 4 和节点 2 2拱 肋 上 缘 ) 设 置 临 时 系 杆 ( 临时 系 杆 由 6 根 钢绞 线组 成) , 利用 千斤顶 对两 侧临时 系杆进 行 同 步 、 分 阶段 ( 逐步 张拉 至 0 3 P、 0 5 P、 0 7 P 和 1 O P, P为设计张拉力) 张拉 , 使拱脚推力缓慢地转移至 临时 系杆上 , 张拉
22、 过 程 中 对拱 肋 、 主梁 的 应 力 、 变 形 进 行实 时监 控 。当临 时系杆 张拉 到设计值 时完 成首 次体系转换 , 使桥梁由无铰拱变为系杆拱 , 成为外部 静定体系。经监控系统确认 , 解除拱脚约束( 将拱脚 切断) 完成第 2次体系转换 。顶升桥梁至设计高程 , 将 接 长后 的拱脚 与新 拱 座 嵌 固, 完成 第 3次 体 系转 换 。最后放松临时系杆实现第 4次体系转换 。 3 2 桥梁 整体 顶升 顶升 支 撑 部 位 位 于 拱 梁 结 合 部 , 经 分 析 需 要 2 2 0 0 k N 顶 升力 方 能 将 全 桥 顶 起 。全 桥 4个 拱 梁 结合部
23、各设 1 个千斤顶同步顶升 , 按设计要求总的 顶升 高度 为 1 7 m。选 用 大行程 千斤 顶逐 步 顶升 到 位的方法进行施工 , 千斤顶与临时支撑交替支撑梁 体 。为保 证顶 升过 程 中临 时支 撑 的 承载 力 , 临时 支 撑采 用 由厚钢 板焊 接而成 的六 面体结 构 。 3 3 拆 除原拱 座制 作新 拱座 拆 除原 拱 座而 保 留原拱 座 桩基 , 在 原 桩 基上 修 建新的承台, 使新拱座落于承 台上。承台混凝土分 2次浇筑, 第 1 次浇筑至预埋钢板顶面位置, 待拱肋 接长焊接后再进行第 2 次浇筑 。拱脚受力前应保证 混凝 土 强度达 到 9 0 以上 的设计
24、 强度 。 4顶升 增跨 施工 过程有 限元 仿真 分析 为 确 保 各 施 工 阶 段 结 构 的安 全 , 采 用 ANS YS 建 立拱 桥有 限元 模 型 ( 图 3 ) , 对 顶 升 增 跨 施 工全 过 程进行仿真分析 。建模时拱肋 、 主梁 、 吊杆分别 采 用 B e a m4 、 S h e l l 6 3 、 L i n k 8单元 模拟 。通 过调 整模 型的边界约束模拟结构体系的转换 。 图 3有 限 元模 型 Fi g 3 Fi ni t e El e m e n t M o d e l 4 1 临时系杆张拉力确定 在切 断原 拱脚前 , 为平衡 拱脚处 的水 平推
25、力 , 对 拱梁结合部设置的 6根临时系杆( 拉索) 进行张拉。 张拉力 的 大小 由 临 时 系杆 锚 固 处 的 拱 肋 水 平 力 确 定 , 原则 是使 临时 系杆 的拉 力 完全 平 衡 此 处拱 肋 的 水平推力 , 使桥梁变为系杆拱桥。为此, 首先分析改 造 前桥 梁 自重作用 下结 构受力 及变 形情 况 。改造 前 自重作用下 结构 内力 及位 移分 别见 图 4 、 图 5及 表 l 。 由图 4可知 : 改造前 自重作用下拱肋轴力在拱 脚 处 、 临时 系杆 锚 固点处 、 拱 肋 与 主梁 结合 部 、 拱 肋 1 7 9 1 1 7 1 3 1 6 3 4 1 55
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- 钢管 混凝土 拱桥 增跨顶升 关键技术
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