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材料工程案例分析润扬大桥1小 组 成 员6.Descriptionofthebusiness导师：2.Descriptionofthebusiness3.DescriptionofthebusinessTitle in here5.Descriptionofthebusiness4.Descriptionofthebusiness234目 录一、润扬大桥简介二、润扬大桥关键技术三、主桥结构及技术特点四、结语5第一章 润扬大桥简介v项目背景及工程概况润扬长江公路大桥(以下简称润扬大桥)是江苏省“四纵四横四联”公路主骨架和跨长江公路通道规划的重要组成部分，北联同江至三亚、北京至上海国道主干线（沂淮江高速公路），南接上海至成都国道主干线（沪宁高速公路）。建设润扬大桥对于京沪、沪蓉两条国道主干线的联接畅通，完善我国和我省公路网总体布局，缓解过江交通难的矛盾，更好地发挥长江黄金水道的作用，加强镇江与扬州两市联系，扩大内需，拉动经济增长，实现江苏省乃至长江三角洲区域的经济共同繁荣都具有十分重要的意义。润扬大桥北自扬州南绕城公路起，跨经长江世业洲，南迄于312国道，北联同江至三亚国道主干线，南接上海至成都国道主干线。工程全长35.66公里，由北接线、北汊斜拉桥、世业洲高架桥、南汊悬索桥、南接线和南接线延伸段6个部分组成。其中南汊主桥为主跨长1490m的单孔双铰钢箱梁悬索桥，目前位居“中国第一、世界第三”。北汊主桥采用（176+406+176）m的三跨双塔双索面钢箱梁斜拉桥。从扬州南绕城公路至镇江312国道采用双向六车道高速公路标准，设计车速100公里/小时；南接线延伸段采用双向四车道高速公路标准，设计车速120公里/小时。工程概算总投资约57.8亿元，建设工期5年，于2000年10月开工，2005年5月1日提前建成通车。67v设计简介1.主要设计标准（1）桥梁等级：六车道高速公路特大桥（2）车辆荷载等级：汽车-超20级、挂车-120（3）设计车速：100km/h（4）桥面净宽：32.5m（不含锚索区和检修道）（5）通航净空：南汊净高：海轮50m、江轮24m净宽：海轮390m、江轮700m北汊净高：18m净宽：210m（6）设计洪水频率：1/300（7）设计基本风速：29.1m/sec（8）船舶撞击荷载：南汊北塔横桥向32.7MN，顺桥向16.3MN北汊南塔横桥向19.1MN，顺桥向9.55MN（9）设计基准期：100年（10）地震设计烈度：VII度（11）设计通航水位：最高：7.34m最低：-0.43m82.桥位和桥型润扬长江公路大桥桥位位于长江镇扬河段世业洲汊道尾端，镇扬汽渡上游约2.2km处。桥位北端位于扬州市邗江区境内的运西园林场西侧，经世业洲下新滩，南端位于镇江市润洲区龙门口附近。桥址江段被世业洲分隔成南北两汊，其中南汊为长江的主流，主要通行海轮和江轮船队,北汊为支流。世业洲长约13km,呈东西走向，平面呈菱形。由于桥位处南北两汊斜角40度，世业洲上两汊之间设R=1500m的平曲线。润扬大桥全长7371m，其中：南汊主桥采用主跨1490m悬索桥，北汊主桥采用主跨406m斜拉桥，引桥和高架桥均采用预应力砼连续箱梁桥。9第二章 润扬大桥关键技术v北锚碇基础关键技术研究v南锚碇基础关键技术研究v结构混凝土耐久性研究及寿命评估研究v钢桥面铺装研究研究v其他关键技术研究102.1 北锚碇基础关键技术研究11北汊悬索桥北锚碇基础采用平面为69m50m的矩形地下连续墙支护结构,墙厚仅1.2m,深约56m,基底置于基岩上,采用明挖法施工,基坑深度48m,工程规模国内最大,世界罕见;基坑内设11道钢筋混凝土支撑梁与地下连续墙共同形成基坑的永久围护结构,结构受力复杂;北锚碇位于江中小岛世业洲上,距长江大堤仅70m,场区上部覆盖较厚的软土层,下部基岩破碎,风化程度不一,地下水与长江有密切水力联系,水位高,水量丰富。由于工程规模巨大,所处场地工程地质及水文地质条件复杂,国内外缺乏工程实绩,现行设计、施工无先例可循,面临众多需解决的关键技术问题,如基坑及支护的安全与稳定问题,基坑防渗与止水施工中岩体裂隙渗流控制问题以及地连墙槽段成槽困难、槽段接头施工难度大和大吨位钢筋笼吊装等一系列施工难题。12在深基坑工程中首次采用了“坑外隔水帷幕、坑幕之间降水”的方案(1)设计计算模型和方法方面(2)防渗、降水设计与渗流控制(4)信息化施工与主动控制技术(3)施工技术与工艺北锚碇基础关键技术研究成功实施了嵌岩地连墙成槽、槽段接头防渗与防混凝土绕流、百吨重型钢筋笼吊装与安放、自密实大落差混凝土浇注、超大仓面有侧限混凝土浇注等新技术和新工艺。工程实践表明,有限元方法比传统地基梁方法计算深大基坑更接近实际。建立了包括地连墙和内支撑结构变形及应力、坑内外水位、水土压力、地基沉降、长江大堤变形等14项监测内容,1872个测点的监测系统。13研究采用多种有限元分析方法(二维和三维弹塑性、空间非线性弹性以及考虑坑周土体流变性状的平面粘弹性有限元等)对北锚碇基坑开挖施工全过程进行仿真分析,并建立有限元计算模型,以研究基坑及其支护结构体系在开挖施工过程中的受力变形情况和安全稳定性,并采用土工离心机模型试验进行了对比验证。142.2 南锚碇基础关键技术研究南锚碇基础采用长70.5m,宽52.5m,深29m的矩形嵌岩基础,基础施工采用排桩冻结工法,以排桩及内支撑作为支护结构体系承担水土压力,以含水地层人工冻结形成安全可靠的封水冻结帷幕承担防渗作用。该工法在特大型深基础施工中属首次采用,缺乏设计、施工可供借鉴的经验,需要对排桩-冻土壁基坑支护结构体系的设计理论与方法进行深入的探讨,需要准确把握冻土的力学性质、冻胀力的发展规律,需要对排桩-冻土帷幕支护体系在开挖过程中的工作状态和安全性进行细致的研究,还要对排桩冻结法施工相关工艺问题进行研究。15（1）排桩冻结围护结构大型物理模型试验16(2)设计方法南锚碇排桩冻结工法基坑支护结构的设计采用了动态设计思想。通过理论分析,结合室内模型试验所得到的设计参数,提出初步设计模型,根据施工监测信息和反分析,反复修正设计模型,最终形成了采用“弹簧”模拟冻胀效应的设计计算模型。(3)数值仿真分析采用增量理论进行了施工全过程三维有限元确定性分级建模计算。(4)实现了信息化施工采用先进的智能传感器和大型自动监测系统,全面监测土体温度场、变形(冻涨、地面位移、桩和深层土体的水平位移)、结构的应力应变、地下水位及土体水平压力等,共布置了380个温度传感器、380个各类应力应变传感器、24个测斜管、44个水平和垂直位移光学测点和30个地下水位测点。17(5)施工工艺与技术对卸压孔孔形、位置、卸压孔填充材料进行试验研究,确保卸压孔起到释放冻涨力的作用;采用地面局部预注浆方法对基岩预处理,保护冻结壁,等等,并形成了成套排桩冻结法施工技术,创造了平均每层12天、最快一层达10.5天的国内基坑施工记录。(6)设计施工优化实践证明,排桩冻结法完全能够应用于超大深基坑的支护,冻结帷幕可有效的封水,形成基坑开挖的干施工,但是冻结帷幕形成的冻胀力、温度应力对基坑围护结构的影响较大,需要优化设计,缩小冻结孔间距及冻结孔与排桩间距,提高冻结帷幕交圈的可靠性和冻结帷幕的均匀性,并在保证排桩质量的前提下,缩短冻结孔与排桩布置轴线距离,减少冻土体积,缩短冻结封水时间。此外,冻胀力对结构的影响也很大,可通过盐水温度与流量的调节,控制冻结壁厚度以避免冻胀力的增加,也可采取卸压孔或卸压槽的方式减少冻胀力。182.3 结构混凝土耐久性研究及寿命评估研究(1)对以耐久性为主的高性能混凝土(HPC)配合比设计方法进行了研究。(2)研究开发出一套高精度的混凝土变形自动化测试系统,实现了早龄期混凝土收缩的测试,采用90个电感调频式位移传感器,测量30个试件的自身体积收缩和30个试件的干燥收缩或膨胀变形,自动化控制,测试精度达1m。(3)对不同强度等级、不同粉煤灰掺量的桥用箱梁高性能混凝土徐变性能试验表明,优质适量粉煤灰的掺入不仅不会增大箱梁的预应力损失,而且由于其抵抗徐变变形能力的提高,预应力损失也相应减少。(4)针对润扬大桥工程各主体部位所处力学与环境特点,揭示了各结构部位混凝土在不同破坏因素作用下混凝土材料损伤失效过程、规律与特点。192.4 钢桥面铺装研究润扬大桥南汊悬索桥和北汊斜拉桥均采用钢箱梁结构。铺装最高设计温度70,最低设计温度-15,温差大,使用条件较为恶劣,为确保润扬大桥钢桥面铺装满足精品工程的要求,有针对性地开展了润扬大桥钢桥面铺装研究。20沥青是钢桥面铺装的关键材料之一。通过黏度试验、直接拉伸试验、复合梁疲劳试验对三种类型环氧沥青进行对比试验,确定了润扬大桥采用的环氧沥青结合料类型,包括A、B两组分,组分A是由双酚A和表氯醇经反应得到的液态双环氧树脂,组分B是一种由沥青和固化剂组成的匀质合成物,A与B两组分按比例混合并在一定条件下固化可得到环氧沥青,其技术要求及具体性能见表1。通过对喷锌涂层(表面封孔)、喷锌涂层(表面不封孔)与喷环氧富锌漆三种试验进行耐热性与漆膜拉拔对比试验,环氧富锌漆试件与钢板附着力均大于6.0MPa,推荐钢桥面板采用环氧富锌漆防腐涂装。由于粘结层破坏是铺装破坏的主要类型之一,特对环氧沥青粘结剂、SBR改性橡胶沥青粘结剂两种材料进行重点研究比选,环氧沥青粘结剂拉伸试验、剪切试验、热稳定性试验、拉拔试验等结果表明,该粘结剂粘结力强,热稳定性好,推荐为润扬大桥粘结层材料。2122利用有限元软件对润扬大桥铺装体系进行了多参数的力学分析,包括钢桥面铺装层控制荷位分析、双层铺装体系的力学分析、钢桥面铺装体系的参数敏感性分析。分析得到以下结果:铺装与钢桥面板应视为一个整体;钢桥面铺装体系的荷载响应具有很强的局部效应;铺装层控制应力为最大横向拉应力,控制荷位为车轮位于U肋正上位置;铺装层弹性模量的改变对铺装层的受力影响较大;钢箱梁顶板厚度不应低于14mm;铺装层厚度的变化对受力影响较为复杂,铺装层厚度宜在46cm范围内。室内试验研究与力学分析结论提出了“浇注式沥青混凝土+环氧沥青混凝土”与“环氧沥青混凝土+改性沥青SMA”两种全新的铺装结构方案。对多种铺装方案的室内试验研究发现,“双层环氧沥青混凝土”与“浇注式沥青混凝土+环氧沥青混凝土”的铺装方案在各方面的性能都优于其他方案,可作为推荐方案。通过实桥试验,综合考虑理论分析与室内外试验结果、工期等因素,并参考江阴大桥维修实况,润扬大桥选择“双层环氧沥青混凝土”方案。23润扬大桥共进行了二十余项的关键技术研究,其他主要项目还有:(1)“结构安全监测与评估关键技术研究”,通过现场测试、模型实验、理论分析、计算模拟和工程应用等工作,系统研究了特大型桥梁的基础稳定与安全监测、地基基础安全性监测信息管理、结构安全健康监测评估。从监测系统的设计、监测策略、预警系统、结构状态识别及评估等方面对基础与上部结构安全监测与评估的关键技术问题进行了系统的研究,有效地实现了施工过程的动态超前控制,并实现了可视化辅助决策。(2)“长大跨径悬索桥上部结构施工新技术应用研究,”结合润扬大桥悬索桥上部结构安装施工需求,对猫道结构及抗风减振技术、主缆索股牵引系统新技术、全液压跨缆吊机进行了研究。(3)“复杂水文地质环境下深基坑降水及周边沉降控制研究”,针对润扬大桥南锚场地工程地质、水文地质条件提出了可以实时计算出各分层地下水位的双层结构地下水运动的数学模型和有限元计算方法;基于双层结构地下水流理论提出了双层结构变参数降水沉降计算模型和深基坑降水与沉降的非线性耦合计算、分析的具体方法;优化了帷幕-排水组合降水方案,提出一般情况帷幕后的降水井深度宜小于帷幕深度。24第三章 主桥结构及技术特点南汊悬索桥25采用全焊扁平流线形封闭钢箱梁断面，整体性好，满足抗风稳定性的要求。索塔塔身由两个塔柱、三道横梁组成的门式框架结构，塔高约210m，上、中、下三道横梁的高度分别为8m、8m、10m。采用重力式锚体、预应力锚固系统。加强梁索塔锚碇综合考虑桥位地形、河势、通航、桥位线型及构造统一等因素，南汊桥采用470+1490+470m三跨双绞悬索桥。主缆系统26北汊悬索桥27索塔采用空间索面花瓶型砼塔柱，桥面以上呈倒Y形，下塔柱呈V形。采用扁平闭口流线型钢箱梁，满足抗风稳定性要求。箱梁标准段长15m，沿中心线梁高3.0m，箱梁总宽37.4m，高跨比1/135，宽跨比1/10.9。采用镀锌钢绞线拉索，为空间扇形双索面体系。拉索由多股无粘结高强度平行钢绞线组成，采用双层HDPE套管进行防护。索塔加强梁斜拉锁北锚碇位于镇江市丹徒县世业洲尾部南侧，是润扬大桥控制性工程，采用钢筋砼结构，砼方量达16万方，建成后将承受6.8万吨的主缆拉力。锚碇28润扬大桥南汊悬索桥主跨1490m，全桥由5跨组成，由北向南分别为：北锚跨、北边跨、中跨、南边跨、南锚跨。其跨径组成为(21.76+470+1490+470+21.76)m。中跨主缆理论跨径1490.051m，设计成桥状态理论垂度为149.605m，垂跨比1.10。3.1 主缆架设工程概况29全桥主缆共2根，每根长2580.8m，重约10444t。单根主缆由184股平行钢丝索股组成。索股横截面呈正六边形，每股含127丝5.3mm的镀锌高强钢丝，见图a。钢丝抗拉强度1670MPa，索股单位长度为22.06kg/m。每根主缆紧缆前竖向排列成尖顶的近似正六边形，见图c。紧缆后主缆横截面形状为圆形，其直径在索夹处为895mm，索夹间906mm，见图b。索股两端为热铸式锚头，锚头由锚板、锚环和盖板组成，每束索股经主索鞍、散索鞍后，通过锚头用拉杆与锚固系统连接，形成主缆系统。30主缆索股牵引是依靠牵引系统完成的，根据润扬长江公路大桥场地地形特点及工期安排等，主缆架设阶段采用双线往复式牵引系统，全桥共布置2套，分别位于上游和下游侧。牵引动力由我局联合外协单位共同开发研制的JKB25智能化卷扬机提供。双线往复式牵引系统见下图。3.1.1 主缆索股牵引系统及机具布置3132主缆索股架设分为基准索股架设和一般索股架设两类，1号索股为基准索股，其他索股为一般索股。索股架设顺序按编号从1184号依次进行，首先架设1号基准索股，待基准索股线形调整完成后，再依次开始一般索股架设。索股架设前，先将待架设的基准索股从存放区运至放索区内，利用锚后80t龙门吊安装在放索支架上，拉出索股前锚头，用专用连接器将索股锚头与牵引系统拽拉器连接，检查拽拉器并调整好平衡锤，保持在牵引过程中拽拉器的平稳，然后启动25t牵引卷扬机进行索股牵引作业。牵引过程中同一牵引系统中的2台卷扬机保持同步运行，收、放速度一致，被动卷扬机保持一定的反拉力。索股牵引速度一般控制在2030mrain，在过塔顶门架、锚碇门架及猫道门架时适当降低牵引速度，减小拽拉器对门架的冲击力。当索股前锚头接近北锚前锚室时，将已从南锚锚后放索架索盘上脱出的后锚头装上专用的托板小车，然后继续牵拉，最后用塔吊辅助将锚头放入前锚室适当位置。3.1.2 主缆索股牵引33当索股牵拉到位后，利用放置于锚碇门架和塔顶门架顶上的10t卷扬机进行索股的上提、横移和整形入鞍工作。在距离主索鞍前后各20m的位置处和散索鞍前20m、鞍后10m左右的位置处，将索股握索器安装在主缆索股上，拧紧握索器上的夹紧螺栓，确保主缆索股与握索器不产生相对滑移。卷扬机钢绳经动、定滑车组绕线后与握索器相连组成提升系统。待全部握索器和提升系统安装完毕后。启动塔顶门架和锚碇门架顶上的卷扬机，将整条索股提离猫道托滚，同时利用门架上吊挂的手拉葫芦，将散索鞍支墩顶和主塔处索股提离索鞍处托滚，此时，索鞍前后两握索器之间的索股呈无应力状态，在此状态下将该段索股整形人鞍。3.1.3 索股整形入鞍343.2 润扬大桥悬索桥猫道系统设计猫道是大跨径悬索桥施工必备的临时结构，主要为主缆索股牵引、索股调整、主缆紧固、索夹和吊索安装、钢箱梁吊装、主缆缠丝防护以及除湿系统等提供施工平台和人行通道。猫道的使用贯穿整个悬索桥上部结构安装工程始终，周期长，如何提高其抗风稳定性确保施工安全，且做到施工简便、费用节省，是猫道系统设计的关键问题。在以往国内外大跨度悬索桥施工中，多采取设置抗风索的措施来提高猫道的抗风稳定性。为加快施工进度和降低费用，对润扬大桥锚道采取调整横向通道的间距和数量的方法来保证其整体抗风稳定性，并增设水平和竖向制振装置减小猫道在活荷载作用下的振动。353.2.1 锚道设计润扬大桥悬索桥猫道横桥向与主缆轴线呈对称布置，在上下游对应于主缆中心线下方各设1幅猫道。边跨侧猫道距主缆中心线铅垂方向1.7m，中跨侧猫道距主缆中心线1.5m每幅猫道设计长度为2555m，设计宽度4.0m。其主要由猫道承重索、扶手索、猫道面层、横向通道、制振结构、锚固体系等组成。猫道总体布置见下图。36(1)猫道承重索及扶手索每条猫道设1O根54mm镀锌承重索，安全系数大于3.0，采用三跨连续的布置形式，减少了其在索塔处的锚固和长度调节装置。3段猫道承重索在分别架设完成后在索塔靠近中跨一侧连成1根，在塔顶设置支撑鞍，并通过在塔顶附近设置变位刚架及下压装置，使猫道线形与主缆线形保持一致。猫道每侧每6m设置一栏杆立柱，用以固定上下3根扶手索。扶手索上层采用2Omm钢绳，下层采用216mm钢绳。(2)猫道面层猫道面层由1层粗面网和1层细面网构成，其上每隔05m绑扎1根防滑木条。在猫道面层网上每隔6m设1道50mm50mm2.5mm方钢管，每隔6m设1道80mm80mm4mm方钢管，交替设置。另每隔50m设置1道HI75175型钢门架，其由254mm门架承重索固定，并与猫道共同形成空间结构。37(3)横向通道猫道共设置13道横向通道。中跨9道，两边跨各2道，除满足上下游猫道之间人员的通行外，通过其提高猫道自身的整体稳定性，使其具备足够的抗风能力。(4)制振系统为了改善猫道抗振力，提高人员施工操作时的舒适性，根据需要在相应的横向通道部位设置制振装置，支撑架上安装竖向和水平制振索，见左图。38(5)猫道锚固体系三跨连续猫道承重索通过锚固系统锚固在锚碇鞍部预埋件上，锚固系统采用拉杆及锚梁组合结构。承重索垂度调整通过调节拉杆进行，见左图。393.3 润扬大桥悬索桥主缆除湿系统设计 针对国内部分悬索桥主缆钢丝出现不同程度的锈蚀题，润扬长江公路大桥在国内首次设置除湿系统对主缆进行除湿防腐，提高主缆使用寿命。悬索桥主缆共设2根，每根主缆由184股平行钢丝索股组成，每股含127丝直径为5.30mm的镀锌高强钢丝，钢丝抗拉强度1670MPa。主缆是悬索桥的主要承力结构，主缆防腐质量的优劣直接关系大桥的使用寿命。经多方调研比较，润扬大桥设计采用主缆除湿系统，通过在主缆内通干燥空气法进行主缆除湿防腐。403.3.1 设计要素除湿系统是将干燥空气送人主缆，通过送入空气和主缆内空气的气压差，使干燥空气在主缆内流动，以改善主缆内空气的湿度条件。润扬大桥除湿系统设计时，综合考虑了以下因素。（1）主缆内部条件：一种是主缆架设时雨水进入和架设完成时空气中的水分；另一种情况是除湿系统运转对主缆内的空气进行干燥时，外部新进入的湿空气。（2）干燥空气除湿原理：根据主缆内水分的位置和条件的不同，干燥速度变化很大，因此送人气流的流量和时间应根据主缆内的湿度条件设定。（3）主缆内气流：主缆要达到完全气密非常困难，实际上，干燥空气在主缆内部通过，从表面溢出。出气口的空气流出量取决于人口处的流人量和压强以及气流通过距离。主缆内的干燥速度会随着主缆内气流总量的变化而变化。（4）吸人空气条件：干燥空气是指桥梁周围被吸入、干燥并送人主缆的空气。由于润扬大桥的建设地点是长江内陆地区，空气温度、湿度等条件对除湿机输出的空气条件影响很大。413.3.2 除湿系统设计（1）送气长度。送气长度即为进气夹与出气夹之间的距离。参照下表中各桥的经验，选择润扬大桥送气长度为边跨125m，中跨190m，分段总数46，气夹总数40。42（2）气流量与送气压力。主缆干燥时间取决于干燥空气泄漏率，泄漏率、送气长度和气流量、送气压力(人口处)关系见下表。润扬大桥主缆干燥时间按1年设计，根据相关经验，泄漏率取值为0.005m。43（3）送气设备位置及流量见下表。按照上述要求，润扬大桥除湿系统总体布置见下图。443.3.3 设备配置（1）过滤装置(2)除湿机（5）传感系统（8）送气夹和排气夹（9）管道（7）计量仪器（3）进气送风机（6）送气设备（4）冷却器45进气夹和排气夹供空气进出主缆，要求设计简单，操作方便，并能防雨水渗入。排气夹一般布置在离塔和锚碇最近的主缆索夹前面。进气夹和排气夹的安装位置根据进气距离设置。考虑到雨水容易在中跨的最低处聚集，因此中跨设置的比较密集。进、排气夹位置大样见下图。463.4 主缆除湿系统工作流程(4)每一个送气装置都配有流量计和调节流量的调节阀，当主缆内压强达到400mmAq或以上时，压强计和安全阀指导排气。(1)在过滤装置中除去颗粒后，外部空气被输入除湿机，然后用鼓风机压缩到大约17Ncm2，然后通过后冷却装置冷却到60或以下。(2)气流通过管道分流入每一个送气装置，气流流量通过送气装置的调节阀调节至规定值，并从进气夹送入主缆。(3)在送气装置中，鼓风机出口处设置气压测量装置，后冷却装置有温度和气流流量装置。47润扬大桥是国家“十五”重点建设项目,主桥之悬索桥跨径在已建成桥梁中位居中国第一、世界第三,其建设条件复杂,技术难度大。润扬大桥所有前所未有的技术研究，紧紧围绕润扬大桥工程建设,系统研究了特大跨径桥梁设计与施工的关键技术,形成了具有创新成果的成套技术,并在大桥工程中成功应用,确保了润扬长江公路大桥工程优质、安全地提前建成通车,标志着我国由建桥大国变成建桥强国。48Add your company slogan49