钢管混凝土系杆拱桥施工关键技术及整体稳定性分析.pdf

2 0 1 2年 第 8期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 5 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 0 5 - 0 3 钢管混凝 土 系杆拱桥 施工关键 技术及整体稳定性分析 张兴春 ( 中铁十九局集 团有 限公 司 ， 辽宁 辽 阳 1 1 1 0 0 0 ) 摘 要 ： 介 绍 了某铁 路 客运 专线跨 径 1 l 3 3 1 T I 钢 管混凝 土 系杆 拱桥 施 工 关键 技 术 ， 包括 支架搭 设 、 主 梁施 工 、 钢 管混 凝 土灌 注及 吊杆 张拉等 。并 对施 工及 运 营过程 中该桥 的整体 稳定 性进行 了分析 ， 得 出的结论 可供 同类桥 梁参 考 。 关键词 ： 拱 桥钢 管混凝 土施 工稳 定性 中 图分 类 号 ： U 4 4 8 2 2 5 文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 2 0 8 0 2 钢 管混 凝 土系杆 拱 桥 由拱 肋 、 系梁 、 吊杆及 桥 面系 组合起来共 同承受荷载 ， 是一种结构受力合理 、 外形美 观 、 新 颖 的结构 体 系。它 利用 拱肋 承担 压力 ， 系 梁预 应 力 束抵 抗拱 端 推力 ， 吊杆 及桥 面 系结构 承受 桥 面荷载 ， 既 克 服 了传统 拱桥 巨 大 的 拱端 推 力 ， 又 改 善 了梁桥 较 大的弯矩和剪力的受力状况 。 由于拱 肋 是 以承压 为 主 的压 弯 构 件 ， 当拱 在施 工 和运营荷载作用下所 承受 的荷 载达到一定 的临界 值 时 ， 整个 拱就会 失 去平衡 ， 所 以拱 桥 的稳定 安 全 13 益 受 到桥梁设计师的关注。 1工 程 概 况 大西 铁路 客运 专线 上一 钢管 混凝 土 系杆拱 桥跨 度 为 1 1 3 3 m， 矢跨 比f： L=1 ： 5 ， 拱肋立 面投影 矢高为 2 2 6 IT I ， 拱肋沿桥纵向采用二次抛物线， 横 向内倾 8 。 ， 呈提 篮式 。拱 肋 横 断 面 采 用 哑铃 型 钢 管 混 凝 土 等 截 面 ， 截 面 高度 3 IT I ， 钢 管 直 径 为 1 2 m， 由 1 6 mlT l 的 钢 板卷制而成。拱肋之间设 3道一字撑和 4道 K撑。吊 杆采用平行布置 ， 间距 5 I n ， 全桥共设 1 9对 吊杆 ， 吊杆 在纵向垂直于拱弦线布置 ， 在横 向内倾 8 。 。混凝土系 梁全长 1 1 6 m， 采用单箱三室预应力混凝土箱形截面 ， 梁 高为 3 0 5 i n ， 梁部 桥 面板及 底板 宽 为 1 8 0 m。 2施工关键技 术 该桥采用先梁后拱的施工方法 ， 梁部采用满布支 架施工 ， 跨越道路立交部分采用 贝雷梁。拱肋钢管在 梁上 搭设 支 架 安 装 ， 主 梁 采 用 分 段 现 浇 法 施 工 ， 将 其 划 分为 三个 现 浇段 ， 由 中间 向两端 方 向对 称施 工 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 1 6 ； 修 回日期 ： 2 0 1 2 - 0 4 1 9 作者简介 ： 张兴春( 1 9 7 3 一) ， 男 ， 辽宁法库县人 ， 高级工程师 ， 硕士。 2 1支 架搭 设 混 凝土 箱梁 采用 支 架 现 浇施 工 ， 跨 越 道 路 区 段 采 用 贝雷 梁支 架 ， 钢 管 立 柱 ； 其 它地 段 采 用 碗 扣 式 脚 手 架 。碗 扣脚 手架 立杆 间 距 ： 纵 桥 向 间距 在 端 横 梁 及 中 间横隔梁位置处 3 0 c m， 其它位置处 6 0 C IT I ； 横桥向间 距 在 系梁 外 侧 腹 板 及 内腹 板 位 置 处 3 0 c m， 其 它位 置 处 6 0 c m。 跨道路处钢管立柱为 + 6 3 0 mm1 2 i n 1 1 -1 钢管 ， 立 柱 横 桥 向 间距 为 2 0 m。中 问立 柱 顶 上 横 梁为 3 1 4 o 工 字钢 ， 其余为2 1 4 o 字钢。贝雷梁横向共设置 3 3排 ， 其 中系 梁边腹 板位 置 6排 ， 中腹板 位 置 3排 ， 空心 段处 5 排 。立 柱 下 为混 凝 土 条 形 基 础 ， 截 面 尺寸 为 1 0 i n 1 5 n l ， 见 图 1 。 拱 肋安 装支 架立 柱 为 6 6 3 0 mm1 2 mi l l 钢 管 ， 立 柱横桥 向、 纵桥 向每两根一连 ， 连接采用 槽 钢 、 槽钢制作成空间结构后再与钢管立柱焊接 。 支架施 工完 成后 ， 需对 支架 进行 加载 预压 ， 消 除非 弹性变形 ， 其预压重量不小于梁体混凝 土重量与钢管 拱 重 量之 和的 1 2倍 。预 压初 期 每 6 h观测 一 次 ， 基 本 稳 定后 ， 问 隔 1 2 h观 测一 次 ， 若 连续 3 d观测 结果 在 5 mm 以后 ， 则 可认 为支 架变形 基本 稳定 。 2 2主梁施 工 主梁分 为 3段 浇 筑 ， 中 间 设 置 2道 湿 接 缝 ， 缝 宽 1 5 I n ， 当 3段 施工 完成 并 达 到 施工 强度 后 ， 采 用 无 收 缩 混凝 土 浇筑 湿接缝 。 为使梁体在拆除支架后能满足设计规定的线形 ， 须在施工时设置一定数值的预拱度 。在确定主梁施工 预拱度 时应 考虑 下列 因素 ： 卸 架 后 上 部构 造 本 身 及 活载 一半 所产 生 的竖 向挠 度 ； 支 架 在 荷 载作 用 下 的 弹性压缩 ； 支架在荷载作用下的非弹性压缩； 支架 基底在荷载作用下 的非弹性沉陷 ； 由混凝土收缩及 6 铁道建筑 图 1 支架结构立面 ( 单位 ： c m) 温度 变化 引起 的挠 度 。 2 3钢 管混凝 土灌 注 钢管 拱肋 内泵 送混 凝土 的顺序 按上 管 、 下 管 、 腹部 进行 ， 见 图 2 。并 严格 控制 混凝 土 的 泵送 管 内 压力 ， 保 证 混凝 土 的连 续 泵 送 ， 中 途 不 得 停 歇 ， 并 严 防 拱 管 涨 裂 。 当上一环 混凝 土达 到设 计 强 度 的 9 0 后 ， 才 可泵 送下一环混凝土。拱脚处先期 灌注 的拱肋 混凝土 ， 其 施 工接 缝 必须垂 直 于拱肋 轴线 。 亘 一 直 一 酉 一 亘 图 2拱肋截面形成过程 2 4吊杆 张拉 由于不 同 的 吊杆 加 载 顺 序会 影 响 吊杆 的 受力 ， 各 施工阶段对 吊杆索力 实时监控 和调整 ， 避免局部 吊杆 索力过大直接影响拱肋线形和桥梁的使用。两片拱肋 的吊杆在施加预应力过程 中需交叉 、 对称地进行 ， 并严 格按照设计张拉顺序和张拉力施工 ， 每次张拉应注意 拱脚 支座 位移 情况 。 吊杆张拉 结束 ， 进 行 防腐 处理 ， 并 及 时涂装 拱肋 钢 管 。 3施 工阶段 稳定性 分析 3 1稳定性 分析 理论 结构的稳定问题分 为两大类 ： 屈曲问题与极值问 题 。就钢管混凝土拱桥而言 ， 此类桥梁的拱肋属于压 弯结构， 需要考虑这类 桥型的第二类稳定问题 ( 极值 问题 ) 。实际拱桥设计 中， 由于按第二类稳定 问题分 析拱 的稳 定性 相 当复 杂 ， 所 以对 中小 跨 度 的拱 桥 多 按 第一 类稳 定理 论 ( 屈 曲问题 ) 验 算拱 桥 的稳定性 。 根据 最小 势 能 原 理 ， 结 构 的 有 限 元 平 衡 方 程 为 ( + K ) = P 当结 构处 于 临界状 态 时 ， 则 得 到 第一 类 稳 定 问题 的特征 方程 f +A l=0 式中的最 小特征值 A， 即为第 一类稳定问题的稳 定系数 ， 对 应的极 限荷 载为 P = AP0 3 2计算模型 采用有限元 软件 Mi d a s c i v i l建立该桥 的计算模 型 。其 中主梁 、 钢管 混凝 土拱 肋 及 拱 肋横 撑 均 采 用 梁 单元 ， 吊杆采用 只受拉的杆单元模拟。荷载计入 自重、 二 期恒 载 、 风 荷载及 Z K标准 活载 。 在 施工过 程 中 ， 主拱 肋截 面 由钢 管 渐 次 向钢 管 混 凝 土转 变 ， 材料 性 质 和截 面特 性 相应 发 生 变 化 。在 混 凝 土未 凝 固之前 以外 荷 载形 式 施 加 在 结构 上 ， 当混 凝 土达到设计强度后即成为组合截面。计算模型 中， 钢 管混凝土拱肋等效为等刚度单材料单元， 钢管混凝 土组合截 面 特性 按 两种 材料 简单 叠加 的公 式 进 行 计算 EA = Ec Ac+ Es As E1 = Ec l c+ E s l s 拱肋与主梁单元模型见图 3 。 图 3 拱肋及主梁单元 3 3稳 定性 结果分 析 各工况下第一阶稳定 系数及失稳模态见表 1 ， 在 运 营 阶段 该桥 的第 一 阶失 稳模 态见 图 4 。 2 0 1 2年第 8期 钢 管混 凝土系杆拱桥施工关键技术及整 体稳 定性 分析 7 表 1 各工况下 第一阶稳定系数及失稳模态 图 4运营阶段拱肋第一 阶失稳模 态 从 计算 结 果可 知 ， 各 施 工 阶段 拱 肋 均 为 面 外 侧 倾 失 稳 ， 表 明拱肋 的 竖 向 刚度 远 远 大 于 侧 向刚 度 。在 运 营阶段稳定 系数 大于 4 ， 满足规范要求 。在各 阶模 态 中 ， 主 梁基 本 不 动 ， 表 明主 梁 的 刚度 远 远 大 于拱 肋 的 刚度 。 4 结 论 1 ) 在施 工过 程 中应 加 强 施工 监 控 ， 包括 主梁 及 拱 肋 的线 形控 制 ， 吊杆 内力 控制 ， 以使 成桥 后各 杆件 受力 合理 ， 线形满足规范要求。 2 ) 在运营阶段 ， 拱肋 面外失稳显得尤为突出。对 于大跨度拱桥 ， 宽跨 比较小 ， 拱的侧 向刚度相对较小， 当荷载到达临界值时拱一般发生空问弯扭形式 的侧倾 失 稳 ， 侧 向稳 定 问题更 为 突 出。 3 ) 在满 足 承 载 能力 的基 础 上应 对 拱肋 与 主 梁 刚 度 比 进 行 合 理 的 优 化 设 计 ， 以 增 加 结 构 的 整 体 稳 定 性 能 参 考 文 献 1 金成棣 预 应力 粱拱组 合 桥梁一设计 研 究与 实践 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 1 2 陈宝春 钢管混 凝土拱桥 设计 与施工 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 0 3 刘 志波 钢管混凝土提篮 拱桥钢管 拱肋施 工技术 J 铁道 建筑 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 2 2 2 4 4 向木生 下承式系杆拱桥稳定 性影 响参数 研究 J 交通科 技 ， 2 01 1 ( 2)： 8 1 0 5 赵 长军 ， 王 锋君 大跨 度 钢 管混凝 土拱 桥空 间稳定 性 分析 J 公路 ， 2 0 0 1 ( 2 ) ： l 6 1 8 An a l y s i s o n c o n s t r u c t i o n k e y t e c h n o l o g i e s a n d i n t e g r a l s t a b i l i t y o f C F S T( c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b u l a r )t i e d a r c h b r i d g e Z HANG Xi n g c h u n ( C h i n a Ra i l wa y 1 9 t h B u r e a u G r o u p C o ， L t d， L i a o y a n g L i a o n i n g 1 1 1 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e k e y c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e s o f a CFS T t i e d a r c h b r i d g e wi t h 1 1 3 3 me t e r s p a n i n t h e r a i l wa y p a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e， wh i c h i n c l u d e s t h e b r a c k e t e r e c t i o n， t h e ma i n g i r d e r c o n s t r u c t i o n， c o n c r e t e c a s t i n g a n d s u s p e n d e r t e n s i o n i n g， e t c ， a n d a n a l y z e d t h e g l o b a l s t a b i l i t y i n t h e c o n s t r u c t i o n a n d o p e r a t i o n p r o c e s s， t h e r e s u l t s o f wh i c h c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e t o t h e s i m i l a r b r i d g e c o ns t r uc t i on K e y wo r d s： Ar c h b r i d g e； CF S T； Co ns t r u c t i o n； S t a b i l i t y ( 责任 审 编 赵其文)