预应力曲线连续梁顶推施工与设计secret.docx

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预应力曲线连续梁顶推施工与设计secret

预应力曲线连续梁桥的顶推施工与设计

xx桥的顶推施工

xx桥为双线3连三跨（共9跨）预应力连续梁，下行线跨度为2连3×40.9m+1连3×42.4m，上行线跨度为2连3×42.4m＋1连3×40.9m。

全桥在半径R＝1400m的圆曲线上，采用等高度箱形截面。

按设计采用顶推法施工，是日本目前顶推施工规模最大的一座桥梁。

一、施工概要

本桥采用集中（TL）式顶推施工，即顶推千斤顶设置在预制节段前方的桥台（或墩）上，集中对桥梁施架顶推力，梁在支点和墩顶上设置的滑动支承上滑动。

TL装置有两种方式，即拉杆方式和垂直、水平千斤顶方式（图1）。

本桥根据上行线与下行线两者的具体情况，两种方式均采用。

上行线中，由于桥台与主梁制作台距离较短，因而采用拉杆方式。

下行线中距离较长，由于拉杆伸长带来的损失较大，因而在初期采用拉杆方式而后期用垂直、水平千斤顶方式。

图1TL顶推装置方式

本桥的最大顶推力，考虑滑板支承的摩擦系数、上坡方向顶推的升力、平面线形和横向坡度等因素，达到700吨。

因而设置了2台400吨千斤顶。

本桥除在平面上处于R＝1400m的圆曲线上外，还设有i＝2.016%～4.083%的纵坡和R＝18000m的竖曲线，横向设有i＝2.488%～3.0%的坡度，使得顶推需要在一个复杂的空间曲线上进行。

顶推时将全桥连接成一个全长380m的连续梁。

顶推完成后再将其切断，松去临时连接预应力束，分成三连三跨连续梁。

全桥共分成30个节段顶推，每段长约14m或7～8m。

整个桥梁的施工过程如图2所示。

（节段施工程序）30模

（预备、临时设施）（主梁制作顶桩）（支座设置）（附属工程）

图2施工流程图

二、顶推设施

1.顶推装置

按照本桥上、下行线的最大设计顶推力，每线约700吨，顶推装置的千斤顶如表1所示。

表1顶推千斤顶

上

行

线

用涂

规格

件数

设计顶推力

张拉千斤顶

400吨×600st

730吨

下

行

线

张拉千斤顶

500吨×350st

640吨

竖直千斤顶

400吨×50st

水平千斤顶

200吨×300st

2.滑动支承

1）构造

滑动支承由混凝土制成。

分别由各墩台上的最大反力来决究其长度尺寸L，L＝1000mm为400t用标准滑动支承，L＝1200mm为550t用。

支承表面尽量平整以减小摩擦。

滑动支承上面盖有不锈钢板。

在梁与其间插入表面贴有聚四氟乙烯板的硬质橡胶滑板。

梁的移动在不锈钢与滑板间进行。

为了便于活动，滑板长约40～60cm。

随着梁的前进顺次插入和取出，为便于操作，滑动支承两方均设置曲面（图3）。

图3滑动支座与滑板

滑板的尺寸为400×400×15及400×150×15mm两种。

在滑板与不锈钢板间涂有润滑剂。

为调整混凝土表面的凹凸不平，在滑板与混凝土面嵌入厚12mm的胶合板。

由于横向导向装置的需要，用预应力钢筋（直径32mm）将两侧的滑动支承连接。

导向装置为表面贴了不锈钢板的钢托架（图4）。

为了适应曲线主梁底面横向坡度（3－4%），滑动支承表面相应构造了同样坡度。

图4滑动支座与导向装置

2）安装

滑动支承的方向及坡度按顶推移动轨迹的切线方向设置。

为使顶推过程中主梁不产生过大的附加应力，支承面高程的误差在测量时要严加控制。

特别是左右两个滑动支承面的相对高程误差精度要求很高。

3）施工中的管理

每个节段顶推前和结束后，对滑动支承面要进行高程测量，当出现过大误差时，则利用滑板面上的胶合板的厚度来调整。

当顶推作业中发现支承灰浆发生龟裂时，应立即中止作业进行高程测量。

如果比较严重、危及安全时，则直接进行修补或补强。

如果影响轻微，则可继续作业到该节段完成后再行检查。

4）撤除

在永久支坐安装后，将滑动支承面下的混凝土破坏，将滑板拔出。

3.导梁

导梁由两片钢板梁构成，梁根部高度3.1m，端部高1.0m。

梁长约为主梁最大跨度的三分之二：

28m。

全梁分为3个8m的节段和1个4m长的连接节段制作，为适应梁的平面曲线按折线形布置（图5）。

为满足竖曲线的要求，在纵平面上导梁也按顶推轨迹的割线方向按折线制作。

因而导梁与端面的接合面左右是不对称的。

图5图6

导梁与主梁第一节段的刚性连结使用了Φ32预应力粗钢筋64根。

4.防止逆滑装置

顶推工作由下坡端向上坡端进行。

为了防止在顶推千斤顶停止施力时主梁顺坡道逆滑，在各支点处均配置了防止逆滑的千斤顶（图6）。

三、顶推施工

本桥上、下行线各30个节段的顶推工作，按图3中示的流程循环进行。

大约可分为四种节段：

1）端部节段（连结节段）

2）无横隔板中间节段

3）有横隔板中间节段

4）中间支点节段。

顶推过程中的管理重点是顶推力（摩擦系数）和顶推线形（轨迹）两个项目。

因而，特别注意保持左右千斤顶出力的均等性以及作为导向装置的滑动支承及水平导向装置的设置精度。

对于各支点（包括后方支承墩、台上方支承）的下沉和水平变位都要不为测量。

在梁需要作微小的调整时，用改变插在横向导向装置上的水平千斤顶处的垫板厚度来进行。

图7连接处预应力束的布置

四、主梁的连续与分离

顶推时将3连连续梁连接成为一个9跨连续梁。

连接部的施工：

将端面仔细清扫后，涂以有效的隔离剂，再浇注下一节段的混凝土，养生达到强度后进行连结预应力束和顶推临时预应力束。

连接处的构造如图7所示。

a．施工流程

顶推完成后进行分离，分离的施工步骤如图8所示。

图8分离的施工步骤

分离时，由于体系变化将使主梁内部应力发生变化，所以在分离前进行二次预应力（连接索）的张拉。

分离作业利用在张拉主梁预应力束所留的槽口和伸缩缝预留的槽口插入千斤顶进行（图9）。

第一连连续梁的定位利用桥台上设置的顶推反力台作锚碇。

五、顶推设计中研讨的事项

1.从第1节段到第30节段的整个顶推过程的分析（应力与预应力索设置）。

2.导梁撤除时的应力变化。

3.主梁临时连接与分离时的预应力束布置和应力重分布（体系转换）

4.导梁与导梁、与主梁联结部的设计计算。

5.三跨连续梁临时连结部份的分析。

6.顶推过程中梁的倾倒稳定性的讨论。

7.I次预应力钢束（施工预应力束）张

拉半数时的讨论。

8.架设时各种可能状态的讨论。

图9分离千斤顶设置

横向一号桥的概要设计

横向一号桥，全长350米，位于国立公园内。

为与环境协调，不破坏公园景观，采用9跨曲线预应力连续箱形梁桥，跨度划分为24.9m+36.0m+6×42.0m+34.7m，箱形桥台，正八角形截面桥墩。

全桥布置在R＝350米的圆曲线上，圆心角约80°，并采用同一纵坡i＝4.8%，横向坡度均为5%。

一、结构特点

从竖直面上看，本桥与一般的曲线箱形梁类似，但在水平面内，以两桥台为支点形成一个拱构造。

矢跨比约1/5.5。

在水平荷载下类似一个水平置放的拱桥。

采用这样的结构主要的基于以下这样一些理由：

1.对于将主梁轴向固定在水平面内形成拱的作用与不加固定按曲梁计算的作用作了比较。

图10中示出了在荷载强度q＝3.5t/m的水平地震荷载作用下弯矩和墩顶水平反力的计算结果，（其它方向的地震作用也有类似关系），将端支点轴向固定，在中间桥墩支承失效无反力时，梁内最大弯矩仅为不固定支点的曲梁的2.1%，同时水平支反力也大大减小。

因此，采用这个结构方案不仅可以有效地增加主梁的水平向抵抗能力，大大减少钢筋用量，而且有效地减少了墩身的尺寸和钢筋用量，达到经济而美观的目的。

2.桥梁两端在轴向固定，其构造简单，养护方便，在曲线梁桥上，特别对于本桥而半径较小，实现较为容易。

3.采用这样的结构，有效地减小了下部结构的规模，尺寸较小的柔性高桥墩与国立森林公园的山谷景观协调。

图10

4.全桥在一个半圆曲线上，纵横坡全桥相同，桥宽也无须变化，便于采用顶推施工。

这样结构的桥，在水平面内的荷载反应，特别是地震荷重、温度变化和干燥收缩等的影响与一般直线桥梁和弯桥都有很大不同。

二、预备设计的步骤

日本桥梁的预备设计，相当于我国的初步设计阶段，但又比初步设计详尽得我，在许多方面接近于我们三阶段设计中的技术设计阶段。

本桥预备设计的内容和步骤如图11中的流程图所示。

1.通常桥梁设计一般没有支持条件的比选问题。

2.与通常桥梁的地震分析不同，通常桥的地震分析一般用静力法进行。

本桥采用动响应分析方法，三维结构模型，以日本土木研究所的地震反应谱曲线作为输入的地震波。

3.进行了上部结构与下部结构的静力作用下和地震作用下内力与变形的比较。

4.支座采用BP平板橡胶支座，但考虑端部轴向固定。

其它方向均按日本道路桥梁设计示方书等规范规定进行。

三、方案拟定时对主要结构的考虑

1.主梁结构

主梁采用扭转刚度较大的箱形截面，为适合顶推施工全桥采用同一梁高。

2.主梁的支承条件

支承的构造要适应主梁在桥台轴向固定，水平面内具有两铰拱特征的要求。

在各桥墩上放置平板铰支座，支持在箱的中部。

3.桥跨划分及梁高

桥跨的划分从经济性以及下列各方面来综合决定：

桥墩避开跨越的高森川河道及其它沟谷。

上、下部结构的

应力和稳定验算

竖向荷载在梁内产生的扭转应力所占的比例不要过大。

适于顶推施工，不设临时墩（30～50m）。

从公园的景观需要，从美观角度考虑，尽可能采用等跨连续梁，其次要避免采用过小的跨度。

经过比选，取42m为本桥的主要跨度。

梁高按跨度的1/15左右决定为2.75。

4.桥墩

水平力在上、下部结构的分配与它们之间刚度的相对值有很大关系，为了减轻结构负担的地震力和温度变化力，有效地利用上部结构的拱作用，采用柔性桥墩。

桥墩截面选用正八边形。

5.桥台

为承受主梁拱作用从梁端传来的水平力，采用长度大的箱形桥台。

6.施工特点

拟采用TL集中顶推方式架设主梁。

顶推从下坡推向上坡端单方向进行，顶推全长350m，每个顶推节段约10.5m。

利用桥墩顶部设置的导向装置来帮助方向控制。

四、设计中着重研究的问题

在预备设计中，进行了下列项目的计算研究：

桥墩上主梁支承条件的研讨

架设中地震影响的分析

在竖直荷载下的概要计算分析和设计

在水平面内荷载作用下的概要分析设计

桥台支承条件的研究

考虑到本桥是在两端轴向固定的半径较小的9跨连续梁桥这一特殊的构造特征，在预备设计中对于下面所述的一些问题，作了重点的讨论研究：

1.主梁支承状态的选定与地震分析

对于多跨连续梁，地震力的作用、温度影响以及混凝土的收缩、徐变等影响随支承条件的不同而有很大的差异。

另一方面，要充分发挥水平面内的拱作用，也必须对支持条件进行研究选定。

在本桥的场合下，主梁温度收缩等变形，可以通过水平面内的曲率变化（突出或缩进）来实现。

对支承状态的选定主要是通过对地震影响的讨论来进行。

在日本，桥梁的地震分析通常用静力法（震度法）进行。

考虑到本桥的特殊性，还进行动响应分析（用平均地震反应谱曲线）。

1）主梁支承状态的各种比较情况如表2一览表内所示：

情况

支点种类

轴向位移

绕轴转动

S轴

Q轴

V轴

S轴

Q轴

V轴

①

桥轴方向可动

桥台

固定

自由

桥墩

自由

弹性支承

固定

自由

②

横桥向可动

桥台

固定

自由

桥墩

弹性支承

自由

固定

自由

③

两方向固定

桥台

固定

自由

桥墩

弹性支承

固定

自由

④

两方向自由

桥台

固定

自由

桥墩

自由

固定

自由

注：

S轴：

桥轴方向；Q轴：

横桥向（水平），V轴：

竖直方向

2）静力法地震分析

一般桥梁只进行桥轴方向和与横桥向的水平地震分析。

考虑到本桥的特殊性，还进行了与桥轴成45°方向的地震力作用，共三种地震力方向的分析。

在地震分析时，除梁的支承条件外，上部结构承担的水平地震力还由上部结构的刚度比来决定其承担的比例。

下部结构的刚性受到墩身刚度、基础的刚度和地基的刚性的影响，而地基刚性的准确评价却是一个较困难的问题。

如果假定地基刚性较弱，整个下部结构的刚性就小，相应的上部结构负担的力就大。

所以，假定地基较弱时，上部结构的设计就偏于安全。

在预备设计阶段，为了讨论简单，对于地基刚性的影响，不对每个桥墩和地基分别决定取值，而统一对桥墩的弹性系数假定一个较小的数值进行评价。

在详细设计时，再针对验算的构件或截面分别针对不同的最不利情况来选取适当的弹性系数。

静力法分析的计算模型如图12所示。

弹性支承的方向按计算的情况分别取桥轴方向或与桥轴垂直方向。

图12静力法计算模型

计算的荷重状态为：

y方向地震，震度0.15g

x方向地震，震度0.15g

45°方向地震，震度0.15g

温度变化，全体变温15℃

温差，图12示模型中下侧较上侧为±5℃。

3）动力法地震分析

（1）基本方针

采用三维多质量振动系统模型。

地震反应分析采用模态分析方法用平均反应谱曲线进行，输入地震水平加速度150gal。

衰减常数：

上部结构0.02，下部结构0.05。

地震反应分析中考虑有效质量在95%以上的阶数。

地震响应的最大值以各模态响应量最大值的最大值平方和的平方根作为其解答。

各模态的衰减常数，按这个振动模态运动能量上、下部结构分担的比例值分别与各自的衰减常数之积之和来计算。

（2）解析模型

采用的解析模型如图13所示。

在模型中梁与桥墩作为分开的两个部件考虑。

本分析的目的在于掌握地震时梁和下部结构在水平方向的情况，讨论其抗震稳定性。

集中质量的数目及位置按此目的来决定。

图13动力法解析模型

为考虑基础和地基支持的影响，并考虑到本分析的特点，对模型还作了下面的假定：

将各桥墩作一定程度（约5米）的延长，其根部作为因定点输入地震力，以此方式来考虑深基础的变形的影响。

桥头处在梁的支点上输入地震力。

进行x和y两个方向地震力输入的计算。

4）桥墩支承条件的选定

（1）解析结果

上述计算分析，按四种支承情况进行，表3中列出了部分结果。

表3主梁支承条件分析结果比较表

支承条件

1S向可动

Q向固定

2S向固定

Q向可动

③两向固定

④两向可动

种类

主梁最

大弯矩

（t-m）

主梁最

大轴力

（t）

墩底最

大弯矩

（t-m）

主梁最

大弯矩

（t-m）

主梁最

大轴力

（t）

墩底最

大弯矩

（t-m）

主梁最

大弯矩

（t-m）

主梁最

大轴力

（t）

墩底最

大弯矩

（t-m）

主梁最

大弯矩

（t-m）

主梁最

大轴力

（t）

墩底最

大弯矩

（t-m）

温度变化15℃

1733

362

1144

744

141

520

*1261

1540

*279

656

*845

1169

571

静力法地震分析

1709

（703）

1514

5561

867

3040

*2506

1649

*819

792

*1269

1400

3826

457

动力法地震分析

3762

（3823）

815

（1240）

1609

7194

（2891）

590

（1504）

2511

3696

（3670）

554

（1423）

（1321）

4450

（3391）

803

（1598）

1061

[注]1.无括号者为X方向地震，有括号者为Y方向地震

2.有*号者为考虑深基础的变形计算之值

3.表中之值未考虑支座摩擦的影响

从分析的结果可以看到以下各点：

各种支承条件的梁在水平方向都存在拱的作用。

桥轴方向可动与两方向固定两种情况具有相似的性质。

温度变化的影响较其它情况为大，地震力在整个梁上的分布比较均匀。

在桥轴垂直方向可动的情况，温度变化对主梁结构的影响较小，而地震产生的反应比较强烈，特别在x方向的地震作用下更为明显。

两方向自由的场合，地震反应不怎么大，弯矩较桥轴直角方向可动的要小，但较两方向固定的只大了20%左右。

这主要是由于其一阶固有周期较大（2.848秒）的缘故。

这时，上部结构几乎不传给桥墩地震力，温度变化的影响也最小，桥墩的受力情况良好。

（2）关于桥墩的弹性系数

在桥墩与梁固结的情况下，桥墩的弹性不同对内力分布将产生不同的影响。

在实际中比较现实的考虑是对地基反力系数作一定范围内的假定。

静力法分析时，确定墩的弹性系数时考虑了深基础的变形，动力法分析时也作同样的考虑。

因而对于两方向固定的场合，考虑基础影响进行了计算比较，从表3可见其影响是明显的。

然而同时又使温度影响大幅度减小。

（3）关于摩擦的影响

对于两方向固定和两方面自由的情况都要对支座摩擦作考虑。

（4）徐变和收缩影响的考虑

根据计算，收缩和徐变影响分别相当于3.8℃和8.6℃共12.4℃的温度下降的作用。

施工过程中，在安设支座前收缩从一个方向进行。

这样安设支座时仅有部分收缩影响（例如二分之一，6.2℃）存在。

由收缩产生的二次力与恒载＋地震＋温度变化＋徐变收缩（换算为温度）的最不利组合计算，考虑到徐变收缩的不确定因素，在温度换算时增加了30%。

支座设置与其它顶推施工过程一样在顶推完成后进行，在桥梁开始使用时不再调整，设计的断面应能吸收安设支座后的收缩引起的二次力。

（5）支承条件的选定

按上面所述一系列分析，最后选定的墩顶支承方式为两方向固定。

实际的支承采用板式橡胶支座。

温度变化及一般水平恭喜载所产生的水平位移由于支坐的剪切变形存在而不致受太大的约束。

产生的超静定力是很小的。

在支座中央塞入一个钢制圆柱以限制梁与桥墩的相对移动，在构造上满足了在地震作用下两方固定的条件。

2.架设阶段地震作用

架设阶段的地震反应分析仍用两种方法进行即静力法和动力法。

1）静力法分析

在预备设计阶段，仅对顶推过程中的两个状态进行分析：

顶推出一半桥长，梁从A2桥台推出，到达P4桥墩前。

顶推的终了阶段，梁达到A1桥台前。

计算的内容主要是：

梁和下部结构的内力

桥墩弹性系数的分析

分析仍按顺桥（x）、垂直于桥（y）和45°方向三种地震力来分析，施工中震度降低到0.10。

其分析计算模型如图14。

架设阶段主梁的拱作用没有形成，特别在最终阶段y方向的地震中，轴向x很小，相对而言弯矩较大。

不过总的来说，因为主梁此时自重较小，计算的震度也较小，所以内力值一般都较全桥完成时要小。

2）动力法分析

和前述动力法分析一样，在顶推过程中进行了地震反应动力分析。

计算模型如图15所示。

分析方法同前，但输入的地震水平加速度减小为100gal。

图14架设阶段计算模型图15施工中动力法地震分析计算模型

3.主梁在竖直荷重下的概略设计

在竖直荷载下，由于负载产生的扭转均按曲线梁理论计算，在此不赘述。

在计算时，各支点的支承条件假定如表4所示。

种类

轴向变位

绕轴变位

S轴

Q轴

V轴

S轴

Q轴

V轴

桥台

固定

自由

桥墩

弹性支承

固定

自由

计算的情况为完成状态与顶推过程中的最大弯矩和最小弯矩情况（图16）。

预备设计中没有对其作详细的断面核算。

在应力计算中计入了恒载和活载产生的应力，2次预应力产生的应力，2次预应力产生的二次弯矩产生的应力，1次预应力钢材产生的应力。

4.主梁在水平荷重下的概略设计

在水平力作用下的应力计算利用了前述地震分析的结果。

由于最大弯矩与最大轴力不是同时出现。

为简略计，本桥采用最大轴向力的80%参与运算。

应力检算对上、下、左、右四角最外边缘点进行。

图16顶推中的最大、最小弯矩情况

小结

前面分别对在日本考察时看到的两座曲线PC桥梁的顶推施工和预备设计情况作了介绍，着重于介绍其各自的特色，以期对我国的工程实践有所帮助，在进行曲线预应力连续梁的顶推设计与施工时有可吸取的经验。

按笔者的体会，归纳起来，以下几点值得我们注意：

1.日本预应力曲线连续梁桥顶推施工的要领是：

注意控制包括滑动支承的标高坡度，导梁的形状和尺寸，混凝土节段的尺寸等多方面影响精度的尺寸，保持千斤顶出力的均等，严格施工测量和管理，辅以水平导向设施的调整。

2.为了便于顶推施工，设计中要注意尽量降低施工控制的难度，因此日本准备顶推施工的曲线梁都尽可能放在曲经同一的圆曲线上，并尽可能采用同一纵坡和同一横坡。

3.日本是一个多地震国家，在曲线连续梁设计中特别注意地震分析，他们使用的分析方法和结构措施值得我们在地震区建桥时借鉴。

4.小半径预应力连续曲线梁桥在轴向固定以利用其拱作用承受水平力的结构方式，在地震区桥梁中是一个可资借鉴的方式。

5.TL集中顶推方式在日本使用较多，我国则多使用SSY分散顶推方式。

这可能是由于我国大吨位千斤顶等设备还缺少的缘故。

集中顶推的确有管理方便，千斤顶出力控制方便等优点。