钢桁架拱桥悬臂安装扣索单股一次张拉施工技术

Vo.l 28 N o .5

2009年10月

J OURNAL OF C HONGQ ING JIAOTONG UN IVER SITY (NATURAL SC IENCE )Oc.t 2009

钢桁架拱桥悬臂安装扣索单股一次张拉施工技术

收稿日期:2009 05 25;修订日期:2009 06 05

作者简介:汪存书(1972 ),男,湖北麻城人,高级工程师,工程硕士,主要从事桥梁工程。E ma i:l w ang cus nhus @163.com 。

汪存书,孙玉祥

(中交二航局第二工程有限公司,重庆400042)

摘要:重庆朝天门长江大桥是目前世界上最大跨度的钢桁架拱桥,在悬臂安装施工期间,设两对钢绞线扣索,与主拱形成自锚平衡共同受力体系,控制主拱结构内力和变形。单根扣索使用148股钢铰线,最大拉力16661kN,采用

单股钢绞线一次张拉成型的技术施工,其技术原理简单,施工方便,可供类似工程参考。

关 键 词:钢桁架拱桥;悬臂安装;钢绞线扣索;单股一次张拉成型

中图分类号:U 445 46 文献标志码:A 文章编号:1674 0696(2009)05 0840 04

One T i m e Tensioning For m ation Technology of Single Steel StrandW ire of

Anchor Cable of Steel Cantilever Installed Truss Arch B ridge

WANG Cun shu,SUN Yu x iang

(Ch i na Co mmun icati ons 2nd N av i ga tiona l Bureau 2nd Eng ineer i ng Co .L td .(CSNEC ),Chongq i ng 400042,Ch i na)Abstrac t :Chongq i ng Chao ti an m en Y angtze R i ver B ri dge is the l a rgest span stee l truss arch bridge i n the w or l d curren tly .D uring t he period o f cantil ever i nstall a tion ,t w o pa irs stee l strand cab l es ,tog et her w it h the m a i n arch for m i ng a se lf ancho r

comm on ba l ance wo rking syste m,are set up to contro l the i nner force and defo r ma ti on o f t he structure ofm a i n arch .E ach ca b l e g roup con tains148stocks of steel h i nge li nes and the b i ggest ra lly is up to 16661k N.O ne ti m e tension i ng for m ation tech nology of si ng le steel strand w ire is adopted i n the constructi on .T he pr i nciple of t he techno l ogy is si m ple ,and it is conven ient for construc ti on ,wh i ch m ay offer re ferences t o si m ilar pro j ects .K ey word s :stee l truss arch br i dg e ;can til ever i nsta ll ation ;anchor cab l e o f stee l lines ;one ti m e tension i ng for m ation techno l ogy o f si ng l e stee l strand w ire

1 前 言

重庆朝天门长江大桥主桥上部结构设计为190m +552m +190m 的三跨连续中承式钢桁系杆拱桥。双层桥面,上层宽36m,设双向6车道和两侧人行道,下层宽29m,中间布置双线城市轨道交通,两侧各设一个7m 宽的汽车车行道。

采用先安装合龙主拱,后安装中跨系杆和桥面板的工艺,以单根杆件作为吊装单元,从边支点向跨

中悬臂安装[1]

,杆件按设计体系温度下的无应力尺

寸加工制造[2]

,通过拼装式节点用高强螺栓连接,主拱合龙前,中跨最大悬臂276m,结构处于简支悬臂外伸梁受力状态,采取在边支点压载的方式防止倾覆,施工时在中支点上弦节点处安装扣塔,设两对扣索,与主拱铰接,形成自锚平衡共同受力体系。

扣索实际上是结构内部的一个受力单元,其索力大小完全由桁拱悬臂端自重、张拉力大小和构件整体刚度决定,体系温度变化对扣索索力的影响较小。

由于桁架拱自身刚度相对较大,所有构件均严格按设计理论尺寸加工制造,成桥线形主要靠构件加工制作精度和现场安装时栓孔定位精度来保证。

根据结构受力特点,可采用通过改变边中支点相对高差的方式调整由于悬臂端下挠造成的合龙口两侧对应杆件的相对转角,采取将一侧桁拱向跨中纵移的方式补偿悬臂端纵向位移,精确对位合龙口栓孔,实现桁拱及钢系杆跨中无应力合龙。

因此,设置扣索系统的目的是为了增大悬臂施工期间结构刚度、控制主结构内力、减小悬臂端挠度、节约主结构用钢量。通过理论分析可精确计算出施工各阶段扣索拉力,完成扣索安装张拉后,后期索力可不作调整。

以往的工程实例跨径相对较小,扣索多采用一对高强钢丝成品索,分组锚固,采用多次循环张拉的方法,控制各桁间对称扣索,及单根扣索内部各组索的索力均匀性,此方法与传统的钢箱拱和钢管拱桥

扣索的施工方法基本一致,施工工艺较为复杂。

当单根扣索拉力较大,且需要设置两对以上扣索时,若用高强钢丝成品索和传统的张拉方法施工,对挂索及张拉设备的要求更高,且索力调整过程相互干扰,索力均匀性不易控制。

重庆朝天门长江大桥主桥上部结构悬臂安装过程中最少需设置两对扣索,单根扣索最大拉力达16661kN,根据其结构体系的受力特点,拟采用普通钢铰线夹片式群锚结构作为扣索,单股钢铰线一次张拉成型工艺施工。

2 扣索系统设计

2 1 设计原则

扣塔用铰轴与中支点顶主拱上弦节点铰接,扣索用钢锚箱与主拱上弦节点铰接,形成自锚平衡共

同作用受力体系[3]

。

扣索系统由扣塔、钢铰线扣索、锚具、钢锚箱等几部分构成,施工各阶段扣索索力,按确保各工况下主结构内力均满足设计要求的原则,采用倒拆法计算确定,且安全系数不小于2 0。扣塔按容许应力

法设计,进行强度和稳定性计算[4]

。2 2 结构形式

塔架由4根 800mm,壁厚20mm 的Q345c 钢管组成的格构柱,高98 07m,用直径为510mm 的35#

锻钢铰轴与主桁A15节点铰接。上下游两桁中心距29m ,每隔22m 设置一道横向联撑。

扣塔安装过程中设两道风缆,控制扣塔垂直度,上下层风缆均由2组6 15 24钢绞线组成,上端锚固在塔架32 806m 及68 806m 处,下端分别锚固在主桁上弦A 4、A 5、A 19、A 20节点上。

边跨内、外扣索每根均使用148股 15 24钢绞线,分4组锚固,主跨内、外扣索每根均使用122股 15 24钢绞线,分2组锚固。顶端为锚固端,用钢锚箱与扣塔连接,扣索中心延长线与塔架立柱中心线重合,底端为张拉端,用钢锚箱分别与主桁上弦杆A 2、A 3、A 25、A 31节点铰接(图1)

。

图1 扣索系统布置

2 3 扣索索力分析

建立空间有限元模型,考虑钢绞线扣索非线性

影响,分析施工各阶段主桁结构内力及变形、扣索索

力及锚点位移等参数。施工过程中主要控制工况的计算模型见图2。

(a)工况1:中跨最大自由悬臂状态,悬臂长度168m

(b )工况2:中跨悬臂240m,内扣索最大索力由此工况控制

(c)工况3:桁拱跨中合龙前,外扣索最大索力由此工况控制

图2 施工控制工况计算模型

控制工况1:中跨悬臂安装12个节间,主拱自

由悬臂长度168m,控制杆件内力接近设计容许应力,需张挂内扣索。

控制工况2:中跨悬臂安装18个节间,悬臂长度240m,准备张挂外扣索,内扣索最大拉力由此工况控制设计。

控制工况3:主拱合龙前,悬臂长度276m ,外扣索最大拉力由此工况控制设计。

施工各阶段扣索索力及内、外扣索的张拉力由工况2和工况3采用倒拆法计算确定。

内、外扣索的主要控制参数分析结果见表1,施工各阶段扣索拉力变化曲线见图3。

表1 扣索主要控制参数

名称钢铰线

数量/股水平角度/( )总破断力/kN 总张拉力/kN 最大索力/kN 安全系数S 2

4 3734 1338260133941652 3S 14 373

5 56382609693166612 3N 12 6119 02315408715144112 2M 2

2 61

9 31

31540

11657

14659

2 2

注:表中数据均为理论分析值,内扣索张拉力以表中数据为

准,外扣索主要参数需根据内扣索的最大索力实测值进行修正。

841

第5期 汪存书,等:钢桁架拱桥悬臂安装扣索单股一次张拉施工技术

3 扣索施工

扣塔分3个阶段安装,下塔柱安装时塔脚临时固接,待下层风缆张拉后解除,安装中塔柱时,张拉上层风缆,解除下层风缆,塔架全部安装完成后,调整上层风缆拉力,将扣塔向边跨预偏,预偏量为悬臂安装过程中扣塔顶部纵向位移总量的1/2。上层风缆待内扣索张拉完成后解除。

钢绞线扣索采用单根挂索、单根张拉的工艺施工,按索长和索力双控,以索力控制为主,施工时将边、中跨钢绞线分成12轮挂设,边跨每轮12根,中跨每轮10根,边、中跨每桁均布置2台250kN张拉千斤顶,边挂索边同步对称张拉,单股钢铰线一次张拉成型,施工时需严格控制每股钢铰线的张拉锚固力,确保各桁间对称扣索索力误差小于等于3%,单股钢铰线索力误差小于等于5%,防止扣塔和桁拱扭转。

3 1 扣索无应力长度计算

扣索无应力索长根据扣索系统的设计几何参数、张拉完成后各锚固点位移、扣索悬垂度、弹性伸长量等参数计算确定,见表2。

表2 扣索无应力长度计算

扣索编号

张拉后

钢铰线

索力/kN

锚点间悬

链线长

(1)/m

弹性伸

长量(2)/

m

锚点间无

应力长度

L0(1)-

(2)/m

工作长

度(3)/

m

实际长度

(1)-(2)+

(3)/m

S290 5209 8280 747209 0811 5+0 5211 081

S166 **** **** 499198 5281 5+0 5200 528 M170 8145 2860 3144 71 5+0 5146 7

M295 5211 8770 812211 0651 5+0 5213 065 注:工作长度张拉端按1 5m计,锚固端按0 5m计。

单股钢绞线均按无应力长度下料,对索长进行

标记。

3 2 单股钢绞线张拉力分析

边跨每桁148股钢绞线,分74次张拉,中跨每桁121股钢绞线,分61次张拉,施工过程中已张拉完成钢绞线的索力随锚点位移的变化,处在不断减小的过程中,且每股钢绞线的索力变量均是一致的,可根据每根扣索的总张拉力,采用倒拆法精确计算出每股钢绞线的张拉力,表3列出了内扣索每股钢铰线的张拉力。

表3 内扣索每股钢绞线张拉力分析

边跨内索(S1)中跨内索(M1)张拉次序/n张拉力/kN张拉次序/n张拉力/t 张拉第1股103 8张拉第1股130 6

张拉第2股105 9张拉第2股124 3

张拉第3股98 6!!

张拉第4股100 6张拉第3股128 3

张拉第5股101 8张拉第4股123 6

张拉第6股102 4张拉第5股119 7

张拉第7股102 7张拉第6股116 5

张拉第8股102 8张拉第7股113 8

张拉第9股98 9!!

张拉第10股99 1张拉第8股115 6

张拉第11股99 1张拉第9股113 1

张拉第12股98 9张拉第10股110 8

张拉第13股98 7张拉第11股108 7

张拉第14股98 4张拉第12股106 8

张拉第15股95 7!!

张拉第16股95 5张拉第13股107 8

张拉第17股95 2张拉第14股105 9

张拉第18股94 8张拉第15股104 2

张拉第19股94 5张拉第16股102 7

张拉第20股92 4!!

张拉第21股92 0张拉第17股103 1

张拉第22股91 7张拉第18股101 6

张拉第23股91 3张拉第19股100 1

张拉第24股90 8张拉第20股98 8

张拉第25股90 4张拉第21股97 5

张拉第26股88 7!!

张拉第27股88 3张拉第22股97 7

张拉第28股87 9张拉第23股96 4

张拉第29股87 5张拉第24股95 2

张拉第30股87 0张拉第25股94 0

张拉第31股86 6张拉第26股92 9

张拉第32股85 2!!

张拉第33股84 8张拉第27股92 9

张拉第34股84 4张拉第28股91 8

张拉第35股83 9张拉第29股90 8

张拉第36股83 5张拉第30股 8

张拉第37股82 3张拉第31股90 7

张拉第38股81 9!!

842重庆交通大学学报(自然科学版) 第28卷

续表3

边跨内索(S1)中跨内索(M1)张拉次序/n张拉力/kN张拉次序/n张拉力/t 张拉第39股81 5张拉第32股88 7

张拉第40股81 1张拉第33股87 7

张拉第41股80 6张拉第34股86 8

张拉第42股80 2张拉第35股85 9

张拉第43股79 2!!

张拉第44股78 8张拉第36股85 8

张拉第45股78 4张拉第37股84 9

张拉第46股78 0张拉第38股84 1

张拉第47股77 6张拉第39股83 2

张拉第48股77 1张拉第40股82 4

张拉第49股76 2!!

张拉第50股75 9张拉第41股82 3

张拉第51股75 5张拉第42股81 5

张拉第52股75 1张拉第43股80 7

张拉第53股74 7张拉第44股80 0

张拉第54股74 3张拉第45股79 2

张拉第55股73 5!!

张拉第56股73 1张拉第46股79 0

张拉第57股72 8张拉第47股78 3

张拉第58股72 4张拉第48股77 6

张拉第59股72 0张拉第49股77 0

张拉第60股71 3!!

张拉第61股70 9张拉第50股76 7

张拉第62股70 6张拉第51股76 1

张拉第63股70 2张拉第52股75 4

张拉第股69 9张拉第53股74 8

张拉第65股69 5张拉第54股74 2

张拉第66股68 9!!

张拉第67股68 6张拉第55股73 9

张拉第68股68 2张拉第56股73 3

张拉第69股67 9张拉第57股72 7

张拉第70股67 6张拉第58股72 2

张拉第71股67 2张拉第59股71 6

张拉第72股66 6!!

张拉第73股66 3张拉第60股71 4

张拉第74股66 0张拉第61股70 8

3 3 索股张拉及索力不均匀性控制

扣索索股按照图4的顺序张拉,为测试张拉过程中索力变化情况,控制索力均匀性,将边中跨1号索股设为基准索,各安装一个压力传感器,后张索股以基准索瞬时实测索力为准,与理论计算值核对后锚固。

施工时需严格控制基准索索长和张拉力,基准索布设完成后实测索长误差不得大于10mm,实测力误差不得大于2%,压力传感器的精度为0~1 5kN

。

图4 扣索索股张拉顺序

为确保施工精度,控制索力误差,需严格控制索股张拉时的对称性和锚固同步性,并确保基准索瞬时索力测试工作同步对称进行,不受外界因素干扰,两股基准索的实测索力相互校对,取平均值作为基准值,夹片锚固回缩量按5mm计算,对每股钢铰线的张拉力进行修正。

3 4 实际施工情况

为保证施工精度,内扣索张挂过程中,在索股张拉完成1/4、1/2和3/4时各增加了一个压力传感器,实测索力变化情况,与基准索实测索力进行比对,通过现场多次测试,各传感器的实测值误差均在5%以内,全部张拉完成后的实测索力误差见表4。

表4 内扣索张拉完成后实测索力误差分析

名称

理论索

力/kN

实测索力/kN

上游下游

两桁不

均匀性/%

实测值与

理论值

误差/%

S1969310363 210353 50.0496 86

M187159047 59109 30.344 17内扣索张拉完成后,继续悬臂安装中跨桁拱,每安装一个节间对扣索索力、主桁杆件内力、控制节点位移、扣塔偏位等参数进行测试,各项指标均满足设计及规范要求,外扣索张挂前,内扣索实测索力见表5。

表5 内扣索实测最大索力误差分析

名称

理论索

力/kN

实测索力/kN

上游下游

两桁不

均匀性/%

实测值与

理论值

误差/%

S116661165 516027 61.65-2 19 M1144111437014292 50.27-0 6根据内扣索最大索力实测值对外扣索索力进行重新分析,确定外扣索总张拉力和基准索张拉力见表6,作为外扣索张挂施工依据。

表6 外扣索主要控制参数修正分析

名称总张拉力/kN最大索力/kN基准索张拉力/kN

S21230915048126 7

M21051713020128 2

(下转第947页)

843

第5期 汪存书,等:钢桁架拱桥悬臂安装扣索单股一次张拉施工技术[14] Fo ste r S S,Cr i pps A C,Sm ith C A.N itrate leach i ng to

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1316.

(上接第843页)

外扣索张拉顺序与内扣索完全一致,各布置了2根压力传感器,张拉完成后各项实测指标见表7。

中跨桁拱合龙前,实测索力见表8。

表7 外扣索张拉完成后实测索力误差分析

名称理论索

力/kN

实测索力/kN

上游下游

两桁不

均匀性/%

实测值与

理论值

误差/%

S21230912510 112730 70.872 53 S11093311209 710778 61.960 56 M191299584 99543 10.224 76 M21051711078 610798 81.284 00

表8 桁拱合龙前实测索力误差分析

名称理论索

力/kN

实测索力/kN

上游下游

两桁不

均匀性/%

实测值与

理论值

误差/%

S21504814814911 30.04-1 00

S11336313137 312650 41.-3 51

M11096210952 510986 20.150 07

M21302012937 413099 10.62-0 01

表4~表8的数据表明,扣索张拉完成后的实测索力均大于理论分析值,实测最大索力均小于理论分析值,表明桁架拱的实际刚度略大于理论计算刚度。各桁间索力不均匀性,均控制在3%以内。理论分析计算精度、基准索索力测试精度和张拉锚固的同步性是确保钢绞线扣索单股一次张拉成型施工质量的关键。

4 结 语

重庆朝天门长江大桥单根扣索最大索力达16661kN,采用普通钢铰线夹片式群锚结构作为扣索,通过合理的结构布置,使扣索系统与主拱形成自锚平衡共同受力体系,其结构受力明确,确保了理论分析数据的可靠性和精度,根据扣索系统结构特点提出的单股钢绞线一次张拉成型施工技术,工艺原理简单,可操作性强,施工过程中扣索及主结构各项实测参数均满足设计及规范要求,与理论分析数据的误差均控制在容许范围以内,为桁拱跨中高精度合龙打下了坚实的基础,对同类桥梁施工具有较高的参考价值。

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第5期 刘相超,等:梁滩河地表水与地下水水化学及盐污染