调顺跨海特大桥主桥中跨合龙施工控制关键技术.pdf
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1、世界桥梁 2023年第51卷第S1期(总第224期)World Bridges#Vol.51,No.S1#2023(Totally No.22471DOI:10.20052/j.issn.1671-7767.2023.SI.011调顺跨海特大桥主桥中跨合龙施工控制关键技术代强波代强波12,陈 飞陈 飞3,王 云,王 云24蔡雄庭蔡雄庭24(1.中铁大桥局集团第四工程有限公司,江苏南京320100;2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室,湖北武汉430034;3.浙江交投高速公路建设管理有限公司,浙江杭州310016;4.中铁大桥科学研究院有限公司,湖北 武汉430034)摘 要摘 要:调顺跨海特
2、大桥主桥为(147.5+296+147.5)m双塔双索面全封闭钢箱组合梁斜拉桥,中跨合龙段长12 m,重452 t,中跨合龙难度较大&采用MIDAS Civil软件建立主桥空间有限元模型,对主桥中跨合龙进行施工控制&针对主桥施工工艺、桥址环境及结构体系特点,采用温度配切法作为中跨合龙方案;在合龙前对合龙口进行敏感性分析,选择对横向对拉、端部配 重相结合的方式调整合龙口空间姿态;对合龙口温度及长度进行准确预测,同时解除中跨侧塔梁临时固结纵向约束;合龙时 将“倒梯形”合龙改变为“梯形”合龙;主要构造焊接后体系转换与次要构造焊接同步进行,提高中跨合龙效率;优化合龙口桥 面板横向湿接缝施工工序,增加成
3、桥状态压应力储备&合龙后的索力、线形偏差均较小,合龙状态较好&关键词关键词:斜拉桥;钢箱组合梁;中跨合龙;温度配切;应力优化;施工控制;有限元法中图分类号中图分类号:U448.27;U445.1 文献标志码:文献标志码:A 文章编号:文章编号:1671-7767(2023)Sl-0071-071概述概述调顺跨海特大桥位于广东湛江,主桥为三跨双 塔双索面全封闭钢箱组合梁斜拉桥(见图1),跨径 布置为(147.5+296+147.5)m,采用半飘浮体系&中跨位于-=16 000 m的竖曲线范围内,与两侧边 跨顺接,最大纵坡为2.5%。桥塔采用C55混凝土 门形塔,高136.916 m(含塔座)。斜
4、拉索采用标 准抗拉强度为1 770 MPa的平行钢丝拉索,呈扇形 空间双索面布置,全桥共44对斜拉索。-591147.5 亠 亠 296 亠 亠 147.5n1 j,合龙段(F)匸1 1单位:m图图1调顺跨海特大桥主桥立面布置调顺跨海特大桥主桥立面布置Fig.1 Elevation view of main bridge of Tiaoshun Sea-Crossing Bridge主梁采用扁平流线型全封闭钢箱组合梁(见图 2),宽37.5 m(含风嘴),中心线处梁高3.5 m(不含铺 装),设双向2%横坡。桥面板采用C55混凝土,厚 0.280.40 m;钢箱梁采用Q345qD桥梁用结构钢,
5、由顶板、底板、边腹板、横隔板、纵隔板、小纵梁及加劲 肋等组成箱形结构,横隔板间距为4 m;桥面板与钢 箱梁之间通过剪力钉连接组成钢箱组合梁,在工厂预 制叠合;梁段间桥面板横向湿接缝宽0.5 m,在工地 现场浇筑。主梁划分为6种(AF)梁段类型,共53 个梁段,F梁段为中跨合龙段,长12 m,重452 t。主 梁采用浮吊和桥面吊机进行架设2-,梁段间均采用焊 接,A、B、E梁段采用浮吊吊装M,C、D梁段采用桥面 吊机悬臂架设56,中跨合龙段(F梁段)采用两侧桥 面吊机抬吊合龙7-(见图3)。2 7初单位:cm图图2主梁标准横断面主梁标准横断面Fig.2 Standard cross-sectio
6、n of main girder12,12,12,12,1224T 单位:m图图3抬吊合龙状态抬吊合龙状态Fig.3 Lifting closure state收稿日期:收稿日期:2022-05-31作者简介:作者简介:代强波(1982),),男,高级工程师,2005年毕业于长安大学土木工程专业,工学学士(E-mail:)。)。72世界桥梁 2O23,51(S1)该桥为钢箱组合梁斜拉桥,中跨合龙时先钢箱 梁合龙再桥面板合龙&主桥属于高次超静定空间结 构体系,结构受力复杂,且合龙段较长,中跨合龙难 度较大8-。为确保主桥合龙精度,对中跨合龙进行 施工控制&2有限元模型有限元模型采用MIDAS C
7、ivil软件建立调顺跨海特大桥主 桥空间有限元模型(见图4)。全桥共划分为858个 梁单元,88个桁架单元,1 057个节点&其中,桥塔、主梁、过渡墩采用梁单元模拟;斜拉索采用桁架单元 模拟;斜拉索两端与塔、梁连接采用刚性连接模拟;主梁与桥塔、过渡墩之间支座采用弹性连接模拟;施 工期间塔梁临时固结约束采用弹性连接模拟,塔旁、过渡墩旁支架采用仅受压弹性连接模拟;过渡墩墩 底和桥塔塔底均采用完全固结&桥面板横向湿接缝 与钢箱梁施工过程叠合采用施工阶段联合截面模 拟;桥面吊机荷载采用节点荷载模拟,二期铺装荷载3中跨合龙方案比选中跨合龙方案比选中跨合龙前后桥梁结构受力状态变化显著,因 此中跨合龙方案对
8、桥梁结构成桥状态影响较 大912-。目前钢箱梁中跨合龙方案主要有温度配切 法13、几何控制法1517-及配切-顶推合龙法1820-等,钢箱组合梁中跨合龙同样适用以上3种中跨合 龙方案。(1)方案1温度配切法&驳船运输中跨合龙段 至合龙口下方,合龙口两侧桥面吊机抬吊合龙段至 驳船上方一定距离,调整两侧桥面吊机受力,确保合 龙口两侧等高;对合龙口长度及温度进行24 h连续 观测,确定中跨合龙时机,配切中跨合龙段;两侧桥 面吊机起吊中跨合龙段嵌入合龙口,完成中跨合龙 及体系转换&(2)方案2:几何控制法&在设计基准温度下,按 设计无应力长度制造中跨合龙段,采用驳船运至合龙 口下方;解除90号、91号
9、桥塔塔梁临时固结纵向约 束,顶推装置将主梁往边跨侧顶推约10 c=(纵向设限 位装置);合龙口两侧桥面吊机抬吊中跨合龙段嵌入 合龙口,顶推装置将主梁复位至合龙口两侧与中跨合 龙段精确匹配焊接,完成中跨合龙及体系转换&(3)方案3:配切-顶推合龙法&按温度配切法 确定中跨合龙时机,配切中跨合龙段;解除90号桥 塔塔梁临时固结纵向约束,顶推装置将主梁往边跨 侧顶推约5 c=(纵向设限位装置);两侧桥面吊机抬 吊合龙段嵌入合龙口,顶推装置将主梁复位至合龙 口两侧与中跨合龙段精确匹配焊接,完成中跨合龙 及体系转换。针对主桥施工工艺、桥址环境及结构体系特点,对3种中跨合龙方案进行对比,结果如表1所示&对
10、3种方案的合龙过程进行计算分析,考虑合 龙时桥梁结构应力、索力、线形及塔偏等各项控制指 标,并对比分析了方案优缺点,最终选择更适合的方 案1(温度配切法)作为主桥中跨合龙方案&4中跨合龙施工控制关键技术中跨合龙施工控制关键技术4.1合龙口敏感性分析为确定合龙调整措施,研究合龙时调整斜拉索 不考虑合龙温度影响,合龙时间充足;不改变设计合龙段无2 应力长度,成桥状态较好;提前解除两侧塔梁临时固结,能 较快完成体系转换表表1中跨合龙方案对比中跨合龙方案对比Table1 Comparisonofthreemidspanclosureschemes方案优点 缺点1不改变合龙口长度,没有塔梁临时固结解除时
11、产生的风险;,;,;,;考虑合龙温度影响,改变设计合龙段无应力长度,对成桥状态存在一定合龙段2条焊缝同步焊接,合龙速度快;塔顶往边跨侧偏 屁片砒t宀出殛严亠*十口讥严r r 丁尸尸 而口工严 影响;现场配切精度难以保证,口龙段嵌入口龙口较缓慢;口龙完成后,75=,桥塔压应力储备较大,施工风险较小;无需配重模于拟吊重状态 需及时完成体系转换,合龙时间较紧张为克服边中跨水平向不平衡索力及支座摩阻力,需顶推力约7 662 kN,顶推需要额外辅助设备;塔顶往边跨侧偏236=,上塔柱根部存在拉应 力;需解除塔梁临时固结,顶推位移量难以精确控制,施工风险较大考虑合龙温度影响,改变设计合龙段无应力长度,对成
12、桥状态存在一定 影响;顶推需要额外辅助设备,塔顶往边跨侧偏139=,上塔柱根部压 应力储备较小;需解除一侧塔梁临时固结,顶推位移量难以精确控制,存 在一定施工风险对合龙温度依赖小,可以调整合龙口长度,合龙段能较快嵌3 入合龙口;已提前解除一侧塔梁临时固结,合龙时间较充 足;无需配重模拟吊重状态调顺跨海特大桥主桥中跨合龙施工控制关键技术 代强波,陈 飞,王 云,蔡雄庭73索力、端部配重、端部对顶及横向对拉等调整措施的 有效性和适用性,1-,在主桥中跨合龙状态对合龙口 进行敏感性分析&拟定5种敏感性分析工况:斜 拉索Z11张拉100 FN;合龙口端部对顶100 FN;合龙口端部配重100 FN;合
13、龙口端部横向对拉 100 FN;结构整体升、降温10 C&5种工况合龙 口敏感性分析结果如表2所示&表表2合龙口敏感性分析结果合龙口敏感性分析结果Table2 Sensi7iviyanalysisresul7sofclosuregap合龙口位移调整量/mm工况-纵向*x横向*竖向*50.3080.408008080士18.80士26.2由表2可知:各合龙调整措施对合龙口空间姿 态调整均有不同程度的影响&其中,调整斜拉索索 力施工效率较低且位移调整量受温度变化影响;合 龙口端部顶推对纵向位移调整量影响有限;合龙口 端部配重、横向对拉可有效调整竖向、横向位移量;温度变化对合龙口空间姿态影响较大&因
14、此,合龙 时应严格控制中跨合龙段配切长度,选择温度较稳 定、较低时段进行中跨合龙,否则合龙段难以嵌入合 龙口,在合龙时选择横向对拉、端部配重相结合的方 式微调合龙口空间姿态,确保合龙精度&4.2 合龙口观测及预测合龙温度对合龙口长度、主梁线形、斜拉索索力 等均会有不同程度的影响,因此,在合龙前应对合龙 口温度及长度进行准确预测&根据调顺跨海特大桥 主桥施工组织计划,预计在2021年1月下旬进行中 跨合龙,设计基准温度为20 C,气象台预测1月的 日最高气温平均值约24 C,日最低气温平均值约 16 C&为准确预测合龙口温度及长度,桥面吊机抬 吊合龙段至驳船上方一定距离,用吊重代替配重,调 整桥
15、面吊机受力,确保合龙口两侧等高,在吊重状态 对合龙口温度及长度进行24 h连续观测,每2 h观 测1次&合龙口测点布置如图5所示,合龙口温度 及长度随时间变化如图6所示&由图6可知:合龙口最高温度为22 C,最低温2-2 3-3 4-4图图5合龙口测点布置合龙口测点布置Fig.5 Layout of measurement points at closure gap422 0 8 62 2 1110:00 14:00 18:00 22:00 02:00 06:00 10:00 14:00时刻(a)合龙口温度11.94悭*共如11.9011.92tl康板康板2-2底枫底枫4-410:00 14:
16、00 18:00 22:00 02:00 06:00 10:00 14:00时刻(b)合龙口长度图图6 合龙口温度及长度随时间变化合龙口温度及长度随时间变化Fig.6 Variation of closure gap temperature and leng7hover ime度为16 c,日温差在6 c以内,合龙口长度最大变 化量14 mm,与理论计算基本一致,日变化量较小,观测数据可用于指导合龙段配切;在22:00至次日 06%0,温度趋于稳定且温度较低,有利于合龙段嵌 入合龙口&因此,选择夜间22:00的温度17 C作为 合龙温度,在22:00至次日06:00进行中跨合龙&4.3 钢箱梁
17、合龙温度配切合龙工艺要求在较短时间内完成合 龙,对每道工序施工效率要求较高&合龙施工工序 分为合龙段配切、吊装初匹配、精确匹配、锁定焊接 以及体系转换5道工序,合龙前应细究每道工序操 作流程,提高各道工序施工效率&为减少后续体系转换施工时间,决定在合龙前 解除中跨侧塔梁临时固结纵向约束&在合龙段抬吊 状态,斜拉索边中跨水平向不平衡索力差为 5 100 FN(往中跨方向),经计算仅靠边跨侧塔梁临 时固结纵向约束能起到主梁纵向限位作用&且斜拉 索边中跨水平向不平衡索力能抵消合龙段环缝焊接 时因温度上升产生往边跨方向的水平轴力,在体系 转换未完成前可以很大程度上消除温度上升对结构 体系产生的不利影响
18、&钢箱梁合龙具体施工工序如下:74世界桥梁 2O23,51(S1)(1)合龙段配切&根据对合龙口温度及长度 24 h连续观测结果,以合龙口温度17 m时的合龙口 长度作为配切尺寸,合龙口两侧各预留1 cm焊缝宽 度,在驳船上对中跨合龙段进行精确配切,配切完成 后桥面吊机抬吊合龙段至合龙口下方,待到合龙口 温度时段将合龙段嵌入合龙口&(2)吊装初匹配&由于主梁设计线形有竖曲线 且有施工预拱度,在抬吊状态,合龙口侧面略微呈(到梯形)犬态,合龙口顶板长度较底板长8 mm,在 纵向位移调整量有限且温度变化较小的情况下,中 跨合龙段较难嵌入合龙口&为改变合龙口状态,结 合合龙口敏感性分析结果,对合龙口两
19、侧端部配重 桥面汽车吊,合龙口每侧配重2台汽车吊,单台汽车 吊重35 t,配重后合龙口端部高程下降50 mm,合龙 口底板长度较顶板长10 mm,合龙口侧面略微呈“梯形”状态&合龙口状态变化后,两侧桥面吊机抬 吊合龙段缓慢嵌入合龙口,同时汽车吊向边跨方向 逐步移动以减小端部配重直至完成合龙吊装初匹 配&配重前、后合龙口形状如图7所示&(3)精确匹配&合龙段精确匹配时主要控制合 龙段与两侧主梁轴向偏差、相对高差以及焊缝宽度&轴向偏差调整时,在合龙段左、右幅与相邻钢箱梁顶 板设置横向倒链,通过横向对拉4处横向倒链进行 微调,微调时需考虑主梁边腹板、纵隔板对接匹配,微调后轴向偏差最大10 mm;相对
20、高差以调整合龙 口两侧桥面吊机4处前支点受力大小(改变端部配 重)进行微调,微调后相对高差最大7 mm;焊缝宽度 调整时,在合龙段与两侧主梁边腹板、纵隔板处设置 纵向倒链,通过纵向对拉进行微调,微调后焊缝宽度 最大15 mm,满足焊接要求&(4)锁定焊接&经计算分析对环缝焊接较大密 度码板可代替临时锁定装置作用,故首先利用码板 完成临时锁定&然后对钢箱梁环缝进行焊接,焊接 顺序为先主后次,焊接主要构造包括边腹板、纵隔 板,次要构造包括小纵梁、底板、顶板、加劲肋、风嘴,焊接时同类构造对称焊接,由中心向两边施焊&(5)体系转换&由于环缝较长,考虑温度影响,焊接时间较紧张,故在夜晚温度较稳定时段完成
21、主 要构造焊接后,解除边跨侧塔梁临时固结纵向约束,体系转换与次要构造焊接同步进行,可有效提高施 工效率&体系转换后,主梁在温度变化时可纵向自 由伸缩,后续次要构造焊接不受温度影响,焊接时间 较充足&4.4桥面板合龙钢箱组合梁与钢箱梁合龙的不同之处在于钢箱 组合梁在钢箱梁合龙之后,还需考虑桥面板合龙&在成桥状态合龙口桥面板横向湿接缝压应力储备较 小,是主梁最薄弱的部位,在组合梁斜拉桥中跨合龙 时需着重考虑&为增加合龙口桥面板横向湿接缝成 桥状态压应力储备,对合龙口桥面板横向湿接缝施 工工序进行优化&原施工工序(工序1):浇筑横向 湿接缝$张拉合龙束$拆除桥面吊机;优化施工工 序(工序2):拆除桥
22、面吊机$浇筑横向湿接缝$张 拉合龙束&对2种工序进行成桥状态计算分析,2 种工序下成桥状态合龙口处桥面板横向湿接缝应力 计算结果如表3所示&表表3成桥状态合龙口处桥面板横向湿接缝应力计算结果成桥状态合龙口处桥面板横向湿接缝应力计算结果 Table3 Calculatedstresesintransversecast-in-situjointsofconcreteslabsatclosuregapaftercompletionofbridge工序-应力/MPa顶缘底缘14.54.225.54.9由表3可知:工序1成桥状态合龙口处桥面板 横向湿接缝顶缘压应力为4.5 MPa,底缘压应力为4.2 M
23、Pa;工序2成桥状态合龙口处桥面板横向湿 接缝顶缘压应力为5.5 MPa,底缘压应力为4.9 MPao工序2较工序1成桥状态合龙口处桥面 板横向湿接缝顶缘压应力增大约1.0 MPa,底缘压 应力增大约0.7 MPa。优化施工工序增加了成桥状 态合龙口处桥面板横向湿接缝压应力储备,且对成 桥状态索力、线形基本无影响&因此,桥面板合龙时 采用优化施工工序&4 5 合龙 控制 效果钢箱 组 合 梁 中 跨 合 龙 后#需 对 合 龙 状 态斜 拉 索 索力及主梁线形进行评价,以便按照“索力、线形双 控”的原则进行施工控制22-,在二期铺装后达到最 佳成桥状态&合龙状态斜拉索索力和主梁线形偏差 如图8
24、、图9所示&由图8、图9可知:合龙状态斜拉索左幅实测索 力偏差为2.3%5.0%,右幅实测索力偏差为 1 2%531%;主 梁 左 幅 实 测 线 形 偏 差 为 21 调顺跨海特大桥主桥中跨合龙施工控制关键技术 代强波,陈 飞,王 云,蔡雄庭75图图8合龙状态斜拉索索力偏差合龙状态斜拉索索力偏差Fig.8 Stay cable forces bias after midspan closure图图9合龙状态主梁线形偏差合龙状态主梁线形偏差Fig.9 Superstructure alignment bias after midspan closure 28=,右幅实测线形偏差为一1925=。
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