PC板式加劲梁悬索桥上部结构施工控制研究.pdf

世界桥梁 年第 卷第期(总第 期)W o r l dB r i d g e s,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:作者简介:李长林(),男,正高级工程师,年毕业于同济大学工程管理专业,管理学学士,年毕业于西安交通大学项目管理专业,管理学硕士(E m a i l:l i c l s z e x p r e s s w a y c o m).D O I:/j i s s n P C板式加劲梁悬索桥上部结构施工控制研究李长林(深圳高速投资有限公司,广东 深圳 )摘要:针对预应力混凝土(P C)板式加劲梁悬索桥施工过程中加劲梁出现的线形不平顺和湿接缝易开裂问题,以某大跨径P C板式加劲梁悬索桥为背景,采用M I D A S软件建立主桥空间杆系有限元模型,分析加劲梁临时连接匹配精度、梁段间临时铰转动模式、湿接缝浇筑对加劲梁成桥线形及湿接缝应力的影响,并提出相应的施工控制措施.结果表明:加劲梁采用场内预拼,并以预制精度较高的加劲梁底板作为高程控制点,以及提高临时连接锚固件的制造和安装精度,可确保梁段间临时连接匹配精度;在加劲梁底部设置挡块,将临时铰转动模式固化为单向铰,保证了加劲梁吊装过程中线形平顺;湿接缝浇筑采用全跨水袋等代配重控制措施,加劲梁线形良好,湿接缝无开裂现象.关键词:悬索桥;P C板式加劲梁;匹配精度;临时铰;湿接缝;线形;施工控制;有限元法中图分类号:U ;U 文献标志码:A文章编号:()引言预应力混凝土(P C)板式加劲梁悬索桥截面高度低,有利于风动稳定;材料就地取材可显著降低工程造价;混凝土梁自重较大,可提高主缆重力刚度,进而改善悬索桥整体刚度及抗风性能,在跨度 m山区低等级公路悬索桥中优势明显.P C板式加劲梁已成功应用于我国西部山区多座低等级公路悬索桥上,如贵州乌江大桥、阿志河大桥、关兴公路北盘江大桥和云南月亮湾大桥等.P C板式加劲梁悬索桥与钢桁梁、钢箱梁悬索桥施工过程中存在的共性工程技术问题主要有:合理成桥状态难以确定;基准索股与一般索股架设控制难度大;吊索下料长度修正困难;鞍座顶推控制难度大.随着国内悬索桥的建设水平不断提高,上述共性工程技术问题的解决方案已经非常成熟 .由于P C板式加劲梁悬索桥加劲梁采用混凝土板梁,其架设难度大于钢桁梁、钢箱梁,且存在一些特有的工程技术问题,主要有:加劲梁架设过程及合龙后普遍存在台阶及波浪现象;湿接缝浇筑过程中易受加劲梁线形变化扰动开裂.相较于钢桁梁、钢箱梁悬索桥 ,P C板式加劲梁悬索桥工程应用较少,关于该类桥型的研究也较少,徐恭义等 介绍了P C板式加劲梁悬索桥在我国西南地区的建设应用现状,阐述了其适用性、结构特点与施工特点;边泽民等 阐述了汕头海湾悬索桥混凝土加劲梁架设过程中存在波浪和台阶现象,通过多次全桥调整得到较为平顺的线形;陶路等 通过对比不同湿接缝浇筑方案施工过程中湿接缝的应力情况,最终采用全桥一次性配重、逐段置换浇筑的湿接缝浇筑方案.针对该类型悬索桥上部结构施工过程中的特性技术问题,本文以某P C板式加劲梁悬索桥为背景,采用有限元和实测相结合的方法,分析总结该类型悬索桥特性技术问题的产生原因和解决措施,可为该类型悬索桥设计、施工监控、施工方案的优化提供参考.工程背景某P C板式加劲梁悬索桥主桥立面布置如图所示.主缆跨度为()m,主缆横向间距 m.主跨垂跨比为/,顺桥向吊索间距m.加劲梁采用P C板梁,板梁为哑铃形截面,如图所示.加劲梁宽 m,标准预制梁段长 m,相邻梁段间设置 m宽现浇湿接缝,主桥共 个预制梁段和 条现浇湿接缝.为适应桥位地形条件,主缆锚固采用隧道锚.该桥主要施工工序为:桥塔基础施工桥塔和隧道锚施工猫道架设主缆架设加劲梁架设湿接缝浇筑加劲梁预应力张拉二期恒载施加.加劲梁采用缆索吊机从中跨跨中向两侧桥塔方向对称架设.世界桥梁 ,()图主桥立面布置F i g E l e v a t i o nv i e wo fm a i nb r i d g e图加劲梁标准横断面F i g S t a n d a r dc r o s s s e c t i o no f s t i f f e n i n gg i r d e r有限元模型常规悬索桥施工过程计算多采用倒拆分析法,但该方法无法考虑混凝土加劲梁收缩徐变作用,故P C板式加劲梁悬索桥施工过程计算采用正装分析法.采用M I D A S软件运用正装分析法,同时考虑混凝土收缩徐变作用,建立主桥空间杆系有限元模型.主缆和吊杆采用悬链线索单元模拟,加劲梁和桥塔采用梁单元模拟,主桥悬链线索单元共 个,梁单元共 个.材料参数按材性试验报告和现场实测数据综合确定.施工过程共分 个施工阶段,限于篇幅不作详述.综合考虑永久荷载、施工过程中临时荷载、温度荷载、风荷载以及其它偶然荷载,并考虑结构几何非线性.加劲梁吊装临时连接线形控制 加劲梁临时连接匹配精度悬索桥加劲梁吊装时由于主缆位移较大,为保证结构安全,预制加劲梁间采用临时铰连接.采取加劲梁梁场内提前预制拼装与控制锚固件高度的方式,可提高临时连接匹配精度.钢箱梁、钢桁梁制造精度较高,相邻梁段临时连接匹配精度也较高,而混凝土板梁预制精度低于钢结构的制造精度,相应的临时连接匹配精度也较低,可能造成相邻梁段的台阶及波浪现象(见图).图中,若梁段和梁段间临时连接锚固件高度dd,则必然会导致梁段和梁段间产生台阶,即使梁段和梁段间临时连接锚固件高度dd,受梁段和梁段间的台阶影响,梁段和梁段之间将会产生波浪现象,进而波及相邻多个梁段.图梁段临时连接匹配精度不足导致的台阶及波浪现象F i g S t a g g e r i n ga n dw a v i n go f s t i f f e n i n gg i r d e rd u e t oi n s u f f i c i e n tm a t c h i n gp r e c i s i o no f t e m p o r a r yc o n n e c t i o nb e t w e e ng i r d e r s e g m e n t s预制加劲梁可在场内进行预拼,提前处理吊装过程中相邻梁段预应力管道横向错位以及湿接缝位置纵向连接钢筋互相干扰的情况,以保证后期纵向预应力穿束及张拉顺利进行.由于混凝土板梁预制时梁顶面的预制精度较差,不可避免地存在误差,预拼时应以预制精度较高的加劲梁底板作为高程控制点.结合现场实际预制精度,提出匹配精度控制要求:单个梁段上、下游相对高差小于mm;相邻梁段相对高差小于mm;各梁段轴线偏差小于mm;相邻梁段预应力孔道相对偏差小于mm;临时连接匹配误差小于mm.预制梁段应至少以个为组进行预拼,现场将 片预制梁段分成 组进行预拼.预制梁段在台座上预拼时,实测相邻梁段临时竖杆相对高差,精确切割临时连接锚固件的制造高度,安装时应保证横杆处于水平状态,以提高安装精度.通过对临时连接匹配位置进行标记,各个梁段依次循环进行试拼并调整高差,现场实测梁段的上、下游最大相对高差为mm,相邻梁段最大相对高差为mm,梁段轴线最大偏差为mm,相邻梁段预应力孔道最大相对偏差为mm,临时连接匹配最大误差为mm.加劲梁场内预拼与控制锚固件高度提高了各梁段间临时连接匹配精度,将明显减少加劲梁吊装过程中梁段间台阶及波浪等线形不平顺的现象.梁段间临时铰转动模式 临时铰转动模式对比钢箱梁、钢桁梁的相邻梁段采用临时铰连接时,由于相邻梁段接缝宽度较小(钢箱梁为焊缝宽度),加劲梁下缘开口量只能为正值,不能为负值,因此其临时铰实际仅为单向铰,即临时铰可向下缘开口量为正值的方向转动,钢梁临时铰转动模式如图所示.而P C板 式 加 劲 梁 相 邻 梁 段 之 间 存 在 c m宽现浇湿接缝,加劲梁吊装时,湿接缝尚未施工,临时铰转动模式与单向铰有较大区别,其可向下缘开口量(开口长度相对于湿接缝宽度的变化量)正值和负值的个方向转动,为双向铰,P C板式加劲梁临时铰转动模式如图所示.P C板式加劲梁悬索桥上部结构施工控制研究李长林图钢梁临时铰转动模式F i g R o t a t i o np a t t e r n so f t e m p o r a r yh i n g e sb e t w e e ns t e e l g i r d e r s图P C板式加劲梁临时铰转动模式F i g R o t a t i o np a t t e r n so f t e m p o r a r yh i n g e so fP Cs l a bs t i f f e n i n gg i r d e r对P C板式加劲梁架设过程进行正装分析,分别计算临时连接为双向铰和单向铰的种临时铰转动模式下加劲梁的线形变化.在有限元模型中,单向铰通过在梁底添加只受压弹性连接实现.种临时铰模式下加劲梁吊装施工阶段线形如图、图所示.由图可知:临时连接采用双向铰,当梁段吊装数量较少时,加劲梁线形呈下凹状态,整体线形较平顺;随着加劲梁逐段吊装,加劲梁线形由下凹逐渐过渡至上拱状,且出现了波浪和折角;当加劲梁吊装完成时,上拱达到最大幅度,靠近桥塔位置的加劲梁线形仍存在一定的波浪、折角现象,该状态下若进行梁图临时连接为双向铰时加劲梁吊装施工阶段线形F i g G e o m e t r yo fu n d e r c o n s t r u c t i o ns t i f f e n i n gg i r d e rw i t hh i n g e s c a p a b l eo f t w o w a ym o v e m e n t f o r t e m p o r a r yg i r d e r s e g m e n t c o n n e c t i o n图临时连接为单向铰时加劲梁吊装施工阶段线形F i g G e o m e t r yo fu n d e r c o n s t r u c t i o ns t i f f e n i n gg i r d e rw i t hm o n o d i r e c t i o n a lm o v i n gh i n g e s f o r t e m p o r a r yg i r d e r s e g m e n t c o n n e c t i o n段间湿接缝浇筑,会固定各个梁段之间转角关系,导致加劲梁出现线形不平顺现象,因此需对加劲梁线形进行调整,再浇筑湿接缝.由图可知:临时连接采用单向铰,吊装梁段数量较少时,加劲梁线形呈下凹状态;随着后续加劲梁世界桥梁 ,()的吊装,其线形由下凹逐渐过渡至上拱状;当加劲梁完成吊装时,上拱达到最大幅值,与双向铰模式的加劲梁线形变化相同,但在加劲梁整个吊装过程中线形无波浪、折角出现,且全部梁段吊装完成后,加劲梁线形平顺.综上所述,种临时铰模式下计算得到的加劲梁吊装过程线形总体趋势相同.双向铰模式下,加劲梁线形局部存在波浪及折角现象;单向铰模式下,各阶段加劲梁线形平顺.在吊装过程中加劲梁为可变体系,单向铰可约束加劲梁下缘开口量为负值的转动,双向铰无法约束上述转动,这也是P C板式加劲梁悬索桥架设过程中加劲梁出现波浪及折角现象的原因.设置挡块改变临时铰转动模式为避免P C板式加劲梁悬索桥架设过程中加劲梁出现波浪及折角现象,提出在梁底设置挡块的措施,当板梁有闭口转动趋势时,梁底挡块约束转动,将临时铰的双向铰模式转变为单向铰模式,如图所示.设置挡块后,吊装完成加劲梁实测线形如图所示.由图可知:实测与有限元计算中线高程偏差为 c m,单个梁段上、下游实测相对高程偏差为 c m,相邻梁段相对高程偏差为 c m,偏差较小,加劲梁线形平顺.设置挡块改变临时铰转动模式确保了架设精度,且省去了加劲梁线形调整所需时间.图设置挡块改变临时铰转动模式F i g A d d i n g s t o p p e r s t o t r a n s f o r mr o t a t i o np a t t e r n so f t e m p o r a r yh i n g e图吊装完成加劲梁实测线形F i g M e a s u r e dg e o m e t r yo f s t i f f e n i n gg i r d e ra f t e rc o m p l e t i o no f g i r d e r s e g m e n th o i s t i n g湿接缝浇筑过程配重控制加劲梁吊装完成后,对全跨线形进行实测,若无明显波浪及台阶现象,则无需进行调整,将所有临时铰进行刚接锁定,即可进行湿接缝浇筑.由于湿接缝混凝土重量较大,而悬索桥刚度较小,湿接缝浇筑时,加劲梁线形受影响改变较大.且湿接缝现浇混凝土养护龄期短,可承受的拉应力较小,极易产生开裂现象.为控制湿接缝浇筑过程中的开裂现象,提出全跨水袋等代配重的控制措施,即各梁段施加与湿接缝重量一致的配重,在浇筑湿接缝的同时,对水袋进行放水操作,可避免湿接缝浇筑过程中加劲梁线形变化,使加劲梁湿接缝应力始终处于较小水平.该桥每条加劲梁湿接缝长度为 c m,重约 t,湿接缝浇筑时在相应梁段吊索位置设置等重的水袋配重,现场配重如图 所示.在全跨水袋等代配重状态下,浇筑过程中的湿接缝基本处于无应力状态,浇筑完成后,湿接缝应力分布较均匀,且应力值较小(MP a),加劲梁线形平顺,各湿接缝位置未发现明显开裂现象.图 现场配重F i g A d d i n gw a t e rb a gc o u n t e r w e i g h t s c o r r e s p o n d i n g t oh a n g e ra n c h o r a g ep o i n t sd u r i n gc o n c r e t i n go f c a s t i n s i t us t i t c h e s结论针对P C板式加劲梁悬索桥施工过程中的加劲梁线形不平顺和湿接缝易开裂问题,以某大跨径P C板式加劲梁悬索桥为背景,采用M I D A S软件建立主桥空间杆系有限元模型,分析临时连接匹配精度、梁段间临时铰转动模式、湿接缝浇筑对加劲梁成桥线形及湿接缝应力的影响,并提出相应的施工控制措施.得到以下主要结论:()加劲梁采用场内预拼,以预制精度较高的加劲梁底板做为高程控制点,提高临时连接锚固件的制造和安装精度,可确保各梁段间临时连接匹配P C板式加劲梁悬索桥上部结构施工控制研究李长林精度,明显减少加劲梁现场吊装过程中梁段间存在的波浪和台阶等线形不平顺现象.()采用梁底设置挡块措施,改变临时铰转动模式,将双向铰转变为单向铰,加劲梁吊装完成后,实测与有限元计算中线高程偏差、单个梁段上游和下游实测相对高程偏差、相邻梁段相对高程偏差均较小,加劲梁线形平顺.()采用全跨水袋等代配重措施,湿接缝浇筑过程中基本处于无应力状态,浇筑完成后,湿接缝应力分布较均匀,且应力值较小,加劲梁线形平顺,湿接缝无明显开裂现象.参考文献(R e f e r e n c e s):徐恭义,赵人达在悬索桥中再度研究设计应用板式加劲梁J中国铁道科学,():(X UG o n g y i,Z HA O R e n d a R e n e w a l R e s e a r c h,D e s i g n,a n dA p p l i c a t i o no fS u s p e n s i o nB r i d g e sS t i f f e n e db y S l a b G i r d e r sJC h i n a R a i l w a y S c i e n c e,():i nC h i n e s e)张伟,曹洪武,易伦雄贵州乌江大桥主桥设计J桥梁建设,():(Z HAN G W e i,C A O H o n g w u,Y IL u n x i o n g D e s i g no fM a i nB r i d g eo fG u i z h o u W u j i a n g R i v e rB r i d g eJB r i d g eC o n s t r u c t i o n,():i nC h i n e s e)刘鑫,王小松,但莎琦阿志河悬索桥塔梁纵向连接方式与参数分析J铁道建筑,():(L I UX i n,WAN GX i a o s o n g,D ANS h a q i A n a l y s i so fL o n g i t u d i n a lC o n n e c t i o n M o d ea n dP a r a m e t e r sb e t w e e nT o w e ra n dG i r d e ro fA z h iR i v e rS u s p e n s i o nB r i d g eJR a i l w a yE n g i n e e r i n g,():i nC h i n e s e)王碧波贵州关兴公路北盘江大桥加劲梁选型设计J人民长江,():(WAN GB i b o T y p eS e l e c t i o na n dD e s i g no fR e i n f o r c e dB e a mo fB e i p a n j i a n gB r i d g eo fG u a n X i n g H i g h w a yi nG u i z h o uP r o v i n c eJY a n g t z eR i v e r,():i nC h i n e s e)黄元文大跨P C梁式悬索桥施工过程控制与分析D昆明:昆明理工大学,(HUAN GY u a n w e n C o n t r o l a n dA n a l y s i s o fC o n s t r u c t i o nP r o c e s so fL o n gS p a nP CB e a mS u s p e n s i o nB r i d g eDK u n m i n g:K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,i nC h i n e s e)龚子松自锚式悬索桥合理成桥状态及受力特性研究J上海公路,():,(G ONG Z i s o n g R e s e a r c h o n R e a s o n a b l e C o m p l e t i o nS t a t e a n d S t r e s s C h a r a c t e r i s t i c s o f S e l f A n c h o r e dS u s p e n s i o nB r i d g eJ S h a n g h a iH i g h w a y s,():,i nC h i n e s e)王晓佳,陈凡基于物联网的南沙大桥坭洲水道桥主缆架设技术J世界桥梁,():(WANG X i a o j i a,CHE N F a n I o T B a s e d E r e c t i o nT e c 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s t i n g S c h e m e sf o r P CS t i f f e n i n g G i r d e ro f Y u e l i a n g w a n B r i d g ei n Y u n n a nP r o v i n c eJB r i d g e C o n s t r u c t i o n,(S):i nC h i n e s e)C o n s t r u c t i o nC o n t r o l f o rP CS l a bS t i f f e n i n gG i r d e ro fS u s p e n s i o nB r i d g eL IC h a n g l i n(S h e n z h e nE x p r e s s w a yI n v e s t m e n tC o,L t d,S h e n z h e n ,C h i n a)A b s t r a c t:A ne x i s t i n gs u s p e n s i o nb r i d g ef e a t u r i n gi t sP Cs l a bs t i f f e n i n gg i r d e ri su s e df o rac a s es t u d y,t o i n v e s t i g a t e t h eu n e v e na l i g n m e n t a n dc r a c k i n g p r o n ec a s t i n s i t us t i t c h i s s u e so f t h eb r i d g eo f s u c ht y p ed u r i n gc o n s t r u c t i o np r o c e s s As p a t i a l f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h ef u l lb r i d g ew a sd e v e l o p e di n M I D A Ss o f t w a r eu s i n gl i n ke l e m e n t s,t oa n a l y z et h ei n f l u e n c e so fm a t c h i n ga c c u r a c yo f t e m p o r a r yc o n n e c t i o n s,r o t a t i o np a t t e r n s o f t e m p o r a r yh i n g e sb e t w e e ng i r d e r s e g m e n t sa n dc o n c r e t i n g p l a n s o fc a s t i n s i t u s t i t c h e s o nt h e g e o m e t r y o ft h es t i f f e n i n g g i r d e ra f t e rc o m p l e t i o no f t h eb r i d g ea sw e l l a s t h es t r e s s e s i nt h ec a s t i n s i t us t i t c h e s A n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a s u r e s w e r ep r e s e n t e d A sp e rt h ea n a l y s i s,t oe n s u r et h e m a t c h i n ga c c u r a c y o ft e m p o r a r yc o n n e c t i o n sb e t w e e ng i r d e rs e g m e n t s,ap r e f e r a b l es o l u t i o ni st op r e a s s e m b l et h es t i f f e n i n gg i r d e ri nt h ef a c t o r y,t a k i n gt h e b o t t o m s l a b s o ft h es t i f f e n i n g g i r d e rt h a ta r ep r e f a b r i c a t e dw i t hh i g hp r e c i s i o na st h ee l e v a t i o nc o n t r o lp o i n t,t oa c h i e v ei m p r o v e df a b r i c a t i o na n d i n s t a l l a t i o np r e c i s i o no f t h ea n c h o r i n gm e m b e r s f o r t e m p o r a r yc o n n e c t i o n A w a yt om a i n t a i nt h ee v e ng e o m e t r yo f t h es t i f f e n i n gg i r d e rd u r i n gg i r d e r s e g m e n th o i s t i n g i s t oa d ds t o p p e r so nt h es o f f i to fs t i f f e n i n gg i r d e rt oa l l o wt e m p o r a r yh i n g e st om o v em o n o d i r e c t i o n a l l y,i n s t e a do ft h eo r i g i n a l r o t a t i o n D u r i n g t h e c o n c r e t i n go f c a s t i n s i t us t i t c h e so f t h e c a s eb r i d g e,w a t e rb a g sw e r ed i s t r i b u t e do nt h ef u l ls p a na se q u i v a l e n tc o u n t e r w e i g h t s,a sar e s u l t,t h eg e o m e t r yo ft h es t i f f e n i n gg i r d e r r e a c h e dt h er e q u i r e d l e v e l,a n dn oc r a c k i n gw a so b s e r v e d i nc a s t i n s i t us t i t c h e s K e yw o r d s:s u s p e n s i o nb r i d g e;P Cs l a bs t i f f e n i n gg i r d e r;m a t c h i n gp r e c i s i o n;t e m p o r a r yh i n g e;c a s t i n s i t us t i t c h;g e o m e t r y;c o n s t r u c t i o nc o n t r o l;f i n i t ee l e m e n tm e t h o d(编辑:刘海燕)