大跨度钢筋混凝土拱桥斜拉扣挂法悬臂浇筑施工关键技术Word格式.docx

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图3悬臂桁架法现浇拱桥施工示意图

3施工控制概述

桥梁施工控制特点是在施工过程中采用有效的技术措施保证结构的安全和特征状态符合设计要求，满足最终成桥状态。

过程中采取动态控制法，主要判别方式是通过监控量测进行分析、修正，以此达到预想要求。

4悬臂浇筑法拱桥关键技术控制

马蹄河特大桥采用的是悬臂浇筑施工中的斜拉扣挂法，施工控制的关键结构为挂篮、扣挂系统、索力，主要涵概结构体的设计分析、运行监测控制。

图4马蹄河特大桥挂篮悬浇施工简图

4.11#节段斜拉支架法

拱圈第一节段拱圈长10.284m，宽7.5m，高3.3m，单箱双室结构，采用C50混凝土，方量为155.9m³

，重量为405.4t。

根据现场测量的实际情况，2#拱座边缘靠近悬崖边线，3#拱座左幅边缘离基座边缘最小距离为0.5m，最大距离为5.9m，不能满足现浇段8m宽度的要求，故不能采用常规的落地支架施工。

分别从施工成本、施工工期、施工速度及难易程度等进行了比较，推荐采用斜拉支架（墩柱作为斜拉塔柱），即第四种方案，支架比选方案见下表：

表1现浇段支架比选方案

序号

支架类型

优点

缺点

结论

1

落地支架

（钢管支架或满堂支架）

工艺成熟，施工简单；

支架施工速度块；

安全性高；

支架成本较低；

支架沉降可控；

可与墩柱同时开始施工，节约工期

对地基承载力要求较高，受地形条件限制，无法搭设落地支架；

不可用

2

悬臂支架

（在拱座上预埋型钢支架，靠支架本身刚度作为支撑）

结构简单，支架施工速度快；

可与墩柱同时开始施工，节约工期；

型钢刚度要求高，钢材用量多；

变形较大；

安全性较低；

3

斜拉支架

（在拱座上安装钢管，在钢管中灌注混凝土，形成塔柱，采用钢绞线作为斜拉索将支架锚固于钢管上，形成斜拉支架）

钢管混凝土塔柱工艺成熟，施工简单，施工速度快；

钢管混凝土塔柱不可回收，拆除困难；

成本高；

塔柱上锚固点设置复杂，且变形较大，安全性不高；

可用

4

（利用墩柱作为斜拉支架的塔柱，扣索采用精扎螺纹钢筋，反拉锚索采用钢绞线锚固于承台上）

充分利用了现有结构物作为斜拉支架的塔柱（墩柱）和后锚（承台）；

墩柱作为塔柱，刚度大，变形小，安全性高；

支架变形小，拱圈线性较好；

墩柱内预埋件多，且预埋精度要求高；

需要墩柱施工完成后，方可进行斜拉索的穿索，不能节约工期；

推荐采用

4.1.1支架的设计

现浇段支架采用交界墩墩柱作塔柱，精轧螺纹钢筋和钢绞线作拉索，形成简易“斜拉桥”的方式进行悬浇，为保证墩柱的受力平衡，对墩柱进行反拉，支架的设计施工必须考虑以下几个方面：

①、“斜拉支架”由拱脚处的三角托架和斜拉扣锚索组成，斜拉支架必须承受1#节段拱圈砼自重和施工荷载，以保证拱圈和拱座交接面不出现裂缝。

②、“斜拉支架”的斜拉索锚固于交界墩上，会对交界墩产生局部应力集中，同时扣索与锚索受力的不平衡会引起墩顶偏位，因此，该支架方案要求墩顶偏位不大于10mm，墩底拉应力不大于1.83MPa。

③、1#节段混凝土浇筑过程中，斜拉支架的斜拉索会逐渐伸长，加之三角托架的非弹性变形，可能导致拱脚顶面出现裂缝。

④、对斜拉扣锚索的初拉力的确定，以及混凝土浇筑过程中是否进行实时调整索力的问题，这是控制托架标高和墩顶偏位的关键因素。

针对以上问题，在设计上采取了以下措施：

①、采用三角托架+斜拉扣锚索形式组成“斜拉支架”，三角支架选用双拼“H”型钢，并组合成三角形，增加其刚度和稳定性，斜拉扣索选取伸长率较小的高强度精扎螺纹钢筋，减小非弹性变形；

同时，在1#节段拱圈混凝土浇筑完成后，对拱脚处进行二次振捣，消除支架非弹性引起的表面裂缝。

②、对斜拉扣锚索在墩柱上的锚固点位置，埋设钢板，设置应力分散的楔形垫块，同时监控墩顶偏位和墩底应力。

③、对于斜拉扣锚索初拉力的确定原则是保证三角托架承受索力不变形，且墩柱承受水平力尽量平衡的原则，采取有限元分析进行确定，详见下一节支架验算；

如果在混凝土浇筑过程中进行索力调整，则施工非常繁琐且很难做到实时调整，更容易引起斜拉索受力不均导致结构受力的不明确，故采取一次张拉到位，混凝土浇筑过程中不调索的方式。

斜拉支架如下图所示。

图5斜拉支架立面图图6斜拉支架平面图

图7斜拉支架扣锚索安装照片

4.1.2支架验算

采用有限元软件Midas/Civil建立拱圈现浇段斜拉支架模型。

三角支架、横纵向分配梁和交界墩用梁单元模拟，模板用板单模拟，扣锚索用只受拉桁架单元模拟。

主要检查支架的变形和应力，墩柱的拉应力和偏位，扣锚索索力是否满足规范要求。

如表2所示的各计算工况进行分析，计算结果如下。

图8支架计算模型图及结果

表2斜拉支架计算工况

计算工况

工况说明

CS1

自重

CS2

扣锚索张拉（初张力15t）

CS3

现浇段混凝土浇筑完成

通过midas/civil计算，墩柱偏位、应力等结果如下表3所示：

表3支架计算结果表

名称

计算最大值

允许值

型钢支架竖向位移

5.1mm

11000/400=27.5mm

型钢支架应力

72.9MPa

140MPa

I32工字钢应力

66.1MPa

交界墩墩柱偏位

0.7mm（河心方向）

10mm

5

交界墩墩底拉应力

-0.74MPa（内侧）、-1.35MPa（外侧）

1.83MPa

6

扣锚索索力

24.3t

101t

4.2悬浇拱桥挂篮

4.2.1悬浇拱桥挂篮的设计

挂篮作为悬臂法施工的重要部分，其设计不仅要考虑结构受力，因拱桥的挂篮不同于普通梁桥的挂篮，普通梁桥的挂篮多数在坡度不大的桥面上运行，拱桥的挂篮则要解决较大坡度上的浇筑和行走问题。

所以挂篮结构形式选择将决定施工效率的高低。

马蹄河特大桥的挂篮采用下承式倒三角挂篮，与木蓬特大桥采用的挂篮结构形式形似，但又有所不同，在锚固形式和行走方法得到改进，设计方案整体得到优化。

图9马蹄河特大桥下承式倒三角挂篮

挂篮的结构形式主要有平行弦、弓弦式、菱形、三角形式、斜拉式等，不同的受力特点决定不同的挂篮结构拓扑形式，通过拓扑优化设计分析得到的受均布荷载悬臂梁的拓扑形状就是三角形，对于斜拉式因刚度比较差，所以三角形的主桁结构是最优的选择。

挂篮的承重形式按承重结构在混凝土上、下分为上承式挂篮和下承式挂篮，其形式关系到挂篮的重心高低，重心高低决定了挂篮的行走及工作是否平稳。

三角形挂篮的支撑方式主要为上承式,但上承式主要用于T型钢构桥、连续梁桥和斜拉桥，对于拱圈结构，存在变角度机构复杂和重心高影响移动等。

经过比较采用主桁布置在拱箱下部的下承式，重心底，实践证明了下承式挂篮适合在在拱圈上的施工及行走。

挂篮结构受力明确、传力直接，由于节段混凝土重量大，承重结构避免常规挂腿受力，采用锚固系统的精轧螺纹钢受力，挂腿仅在挂篮空载时（挂篮行走）受力。

锚固结构作用在已浇筑的混凝土节段上，对于挂篮，相当于中支点作用。

考虑到拱圈弧形结构，锚固系统中的锚固箱体设计为球铰，解决了拱圈弧形角度对挂篮锚固结构受力的影响。

挂篮后支点为顶升千斤顶（行走时为后滑轮），可以调节挂篮倾角满足拱圈线型要求。

主要平衡由悬臂端节段重量对中支点产生的弯矩作用。

挂篮的行走形式采用连续千斤顶顶推履带小坦克，使挂篮沿拱圈爬行。

连续千斤顶增加动力、减少反力挡块的频繁转换，履带小坦克在轨道上滚动前进，摩擦力小，速度快。

4.2.2悬浇拱桥挂篮的运行分析

挂篮的运行状态主要为浇筑状态和行走状态。

浇筑状态为静轧螺纹钢受力，行走状态为挂腿受力。

挂篮浇筑施工控制变形、应力，行走控制为效率分析。

分别计算典型节段，工况I：

3号节段（节段最重且长）砼方量85.2m3，节段重量221.5t，挂篮与水平夹角30.67°

；

工况II：

13号节段（倾角小节段重）砼方量64.3m3，节段重量167.1t，挂篮与水平夹角3.36°

。

（1）基于ansys有限元的典型工况分析结果

图10工况I混凝土作用下挂篮净位移云图图11工况I挂篮整体应力云图

图12工况I挂篮整体位移云图图13工况I挂篮整体轴力云图

表4有限元分析典型工况最大应力、应变

分析因子

最大位置

工况I

工况II

最大应力

主纵梁与立柱连接处

121.4MPa

111.46MPa

最大变形

混凝土箱梁端部对应的主纵梁位置

27.53mm

19.09mm

（2）施工监控的典型工况分析结果

应力监测点为挂篮左、右侧两主纵梁与立柱连接处，变形监测点为挂篮悬臂端左、中、右三点，挂篮变形值=悬臂端浇筑前高程-悬臂端浇筑后高程-拱圈悬臂端自身沉降值。

表5施工监控典型工况最大应力、应变

监测点

德江岸

应力

112.37MPa

102.61MPa

变形

24.31mm

12.84mm

沿河岸

114.22MPa

106.72MPa

25.02mm

14.66mm

（3）结论分析

挂篮最大应力工况I时主纵梁与立柱连接位置，σmax=114.22MPa<

[σ]=168Mpa。

混凝土浇筑完成后主桁最大变形工况I时混凝土箱梁端部对应的主纵梁位置，εmax=25.02<

L/350=28.17mm。

挂篮强度和变形均满足要求。

4.2.3顶推式履带小坦克行走机构

马蹄河特大桥到三挂篮行走形式上革新运用了液压千斤顶+履带式小坦克组成的“顶推式履带小坦克”行走机构，具有行走安全、速度快、操作方便、节约人工的特点。

行走系统主要由行走轨道、履带式小坦克及液压千斤顶、后滑轮组成。

其作用是实现挂篮空载前移功能。

行走原理：

液压千斤顶两端设置前支座、后支座，且前支座与挂篮上的履带小坦克连接，后支座通过销轴作用于轨道上。

行走过程中，通过销轴锁住千斤顶后支座，液压千斤顶顶推挂篮向前滑行，每行走一个卡销的距离就锁住千斤顶前支座即固定小坦克，通过行走千斤顶回油，把后支座往前跟进一个行程再锁定。

如此反复操作，完成行走的行走。

图14挂篮行走系统模型图

图15挂篮行走系统实图

行走技术特点：

（1）较传统挂篮在轨道上滑动相比，履带小坦克滚动行走摩擦小，速度快。

（2）较传统精轧螺纹钢牵引相比，液压千斤顶顶推作用，避免精轧螺纹钢脆性断裂风险，施工过程安全性高。

（3）连续千斤顶的应用，减少了反力挡块的频繁转换，简化了操作过程，人工投入小。

（4）挂篮行走过程人工的操作少，只需油泵控制和插销锁定，省去精轧螺纹钢反复安装、调整。

（5）顶推履带小坦克行走，相比精轧螺纹钢牵引，作用力距离变短，挂篮不会左右偏移，避免与拱圈刮擦，行走稳定、安全。

结论分析：

液压连续千斤顶”增加了挂篮的动力性能，减少反力挡块的频繁转换。

“履带小坦克”改变传统挂篮划船式滑动行走为履带滚动行走，降低了行走的摩擦力。

实践证明此种行走技术具有行走安全、可靠、周期短、操作方便等特点，适合挂篮在拱圈等坡度较大的桥面上行走。

4.3悬臂浇筑扣挂系统

4.3.1扣挂系统的设计

扣挂系统中的重要组成部分为扣塔、预应力扣锚索。

扣塔是斜拉扣挂法中最明显的特征，通常在拱脚墩、台处安装临时的钢或钢筋混凝土塔架，扣锚索斜挂在扣塔上，与斜拉桥施工形式相似，但受力方面存在很大的区别。

扣塔与扣锚索都是临时结构，拱圈合拢后要拆除，在施工过程中对拱圈的线性、内力影响较大，钢筋混凝土主拱圈无预应力，混凝土拉应力控制要求高，索力的不合理或微调都有可能导致拱圈混凝土开裂，从而对索力的控制和扣塔强度、刚度、整体稳定性提出更高的要求。

施工过程中扣塔将承受巨大的竖向力，稳定分析时要计入扣塔模型，而且在施工中随时监控其扣塔变形和扣塔应力，以防局部失稳。

在满足稳定性的前提下对结构的应力和变形进行双控。

马蹄河特大桥扣塔安装在拱脚交界墩上。

由于受纵坡影响，两岸交界墩高度不一致，扣塔高度也不一样，同时对扣锚索设计存在差异。

沿河岸扣塔高37m，德江岸扣塔高41m。

根据原设计扣塔为混凝土钢管扣塔，单幅扣塔横向设置3排主钢管，纵向共2层的门式框架结构。

主钢管及部分横向连接钢管都需要灌注C50混凝土，锚箱设置3层，每层最多设置12个锚箱。

考虑钢管中需混凝土浇筑操作难度大、工期长、材料回收率底等问题，将扣塔设计为空心钢管，采用同规格尺寸的主钢管，高度相同，横向布置4排，纵向2层，并优化横向连接的门式框架结构。

图16（原方案）混凝土钢管扣塔图17（采用方案）空心钢管扣塔

马蹄河特大桥扣索和锚索均为预应力钢绞线。

为控制扣塔偏位，扣索与锚索分离，每半跨分13对扣索和锚索，每束由10—24根不等的钢绞线组成。

扣索和锚索是扣挂系统的重要组成部分，马蹄河特大桥的1#-3#扣锚索置于交界墩项，4#-13#扣锚索索置于不同高度的钢管扣塔上。

图18扣锚索整体布置图

表六沿河岸扣锚索设置表表七德江岸扣锚索设置表

扣索编号

索规格

锚索编号

DJS-1

24-Φ15.2

DJM-1-1

15-Φ15.2

DJS-2

18-Φ15.2

DJM-1-2

DJS-3

DJM-1-3

DJS-4

DJM-2-1

12-Φ15.2

DJS-5

DJM-2-2

DJS-6

20-Φ15.2

DJM-2-3

DJS-7

DJM-3-1

DJS-8

DJM-3-2

22-Φ15.2

DJS-9

DJM-3-3

DJS-10

DJM-4-1

DJS-11

DJM-4-2

DJS-12

DJM-4-3

DJS-13

DJM-5-1

DJS-14

10-Φ15.2

DJM-5-2

YHS-1

YHM-1-1

YHS-2

YHM-1-2

YHS-3

YHM-1-3

YHS-4

YHM-2-1

YHS-5

YHM-2-2

YHS-6

YHM-2-3

YHS-7

YHM-3-1

YHS-8

YHM-3-2

YHS-9

YHM-3-3

YHS-10

YHM-4-1

YHS-11

YHM-4-2

YHS-12

YHM-4-3

YHS-13

YHM-5-1

YHS-14

YHM-5-2

4.3.2扣塔的结构状态分析

基于midascivil空间杆系有限元分析,模型中的单元包括混凝土交界墩、钢扣塔塔架、锚索、扣索、混凝土拱圈，其中张拉锚梁、垫梁、斜撑、平联截面按封闭截面计算。

此处验算只例出典型工况分析结果。

图19midascivil空间杆系有限元分析模型图

（1）扣塔典型工况变形结果

图208#节段悬浇施工扣塔纵向位移图（mm）图219#扣锚索2张施工扣塔纵向位移图（mm）

图2212#扣锚索2张施工扣塔纵向位移图（mm）图2314#扣锚索1张施工扣塔纵向位移图（mm）

（2）扣塔典型工况杆件应力结果

图248#节段悬浇施工扣塔应力图（MPa）图259#扣锚索2张施工扣塔应力图（MPa）

图2612#扣锚索2张施工扣塔应力图（MPa）图2714#扣锚索1张施工扣塔应力图（MPa）

（3）整体稳定性计算结果

图28最大悬臂状态纵桥向一阶模态

图29最大悬臂状态横桥向一阶模态

图30最大悬臂状态纵桥向二阶模态

图31最大悬臂状态横桥向二阶模态

根据马蹄河特大桥拱圈悬浇施工全过程中扣塔计算结果得到以下结论：

1、施工过程控制扣锚索张拉程序和索力，在拱圈各节段悬臂浇筑施工过程中，扣塔塔顶纵桥向位移控制在30mm以内，满足设计文件要求。

2、在拱圈各节段悬臂浇筑施工过程中，扣塔各杆件受力均匀、合理，最大应力为14#节段扣锚索第一次张拉，106.72Mpa＜［σ］=175Mpa，强度满足规范要求。

3、最不利工况下，拱圈最大悬臂状态的一阶线弹性整体稳定安全系数为27.5，满足规范要求，因此在拱圈悬臂浇筑施工过程中，扣塔整体稳定性满足规范要求，具有一定安全储备。

4.4扣锚索力优化

采用悬臂法浇筑的混凝土拱圈中，扣索索力不仅会影响拱圈线形，还会影响到已经浇筑的拱圈截面应力，混凝土抗拉强度下，不能大幅度调整扣索力来调整拱圈线形，否则会导致拱圈结构拉应力过大而开裂。

索力计算必须满足施工阶段线型合理及内力安全前提下，使得拱圈在成桥后逼近预期线型和最佳受力状态。

挂篮悬臂浇筑拱桥索力计算步骤有两步：

（1）确定合理的成桥状态，在此状态下，拱圈所承受的恒载和活载共同作用下结构内力、线型达到某一目标。

（2）根据施工过程计算索力，保证施工过程拱圈内力和线型满足设计要求，且最终成桥状态逼近设计预期。

索力计算按不同理论方法有：

数值法（零位移法）、解析法（力矩平衡法、零弯矩法）和优化算法（零阶优化法、一阶优化法）。

目前常用的是优化算法。

马蹄河特大桥拱圈共29个节段，两个现浇段和1个合拢段。

基于ansys零阶优化模块，一整个施工过程中的拱圈结构弯曲应变能为目标函数，以扣索索力为变量，以施工过程中拱圈截面最大应力状态为变量，进行悬浇拱斜拉扣挂法索力优化。

优化设计目的在于寻求满足所有指定约束条件，而且能使得某一给定的目标趋于最小值。

通过优化得到最佳初始张拉力和补张拉力。

由两岸索力值相差不大，此处仅例出单岸索力值及预抬值。

下表为混凝土节段重量和索力值、预抬值。

表8拱圈节段重量表

类别

7

C50（m3）

155.9

82.8

85.2

72.8

70.5

67.5

重量（t）

405.4

215.3

221.5

189.3

183.2

175.5

8

9