多塔斜拉桥关键技术研究

３２　中　外公路　第２２卷第３期　２　０　０　２年６月　文章编号：１６７１—２５７９（２００２｝０３—００３２—０５　多塔斜拉桥关键技术研究　胡建华，廖建宏执笔　４１００１１）　（湖南省交通规划勘察设计院．湖南长沙摘要：简要舟绍了岳阳洞庭湖大桥三塔斜拉桥新技术研究的主要内容和成果，包括多　塔斜拉桥基本性能、施工工艺及Ｃ６０高性能混凝土技术、强迫振动法测颤振导数、斜拉索风　雨振的控制、预应力混疆土空心索塔试验等研究课题。　美羹词：斜拉桥；模型试验；振动；高性能混凝土；施工工艺　岳阳洞庭湖大桥位于洞庭湖出口，水利与通航要　求甚高，采用三塔四跨的大跨度斜拉桥既满足功能需　要，又与历史名楼岳阳楼等城市景观相映生辉，是非常　成功的方案。该桥结构形式新颖．技术复杂，规模宏　大．以大桥为工程背景．湖南省交通厅于１９９７年组织　成立了岳阳洞庭湖大桥多塔斜拉桥新技术研究课题　组．课题组经过大量的理论分析、试验研究及相关测　试，形成了多塔斜拉桥设计施工成套技术　课题成果　通过在洞庭湖大桥的实际应用，解决了多塔斜拉桥一　系列的技术难题，使用先进的设计施工手段降低了成　本．确保了大桥的施工安全和整体质量。　１．１合理桥型布置方案　１　多塔斜拉桥基本性能研究　岳阳洞庭湖大桥主桥为１３０＋２×３１０＋１３０　ｍ三　塔双索面漂浮体系斜拉桥（图１）：采用这种结构形　式，首要问题是必须找到提高结构整体刚度的技术措　施和方法。为满足桥梁美观及通航泄洪的特殊要求，　该桥摒弃了采用空间刚性塔、塔顶对拉索、斜索交叉布　置或边跨加辅助墩等传统的措施来提高结构整体刚　度，而是研究采用了一套经济有效的技术措施。　ｌ　．２６　０　！．　２６－０　ｌ　围ｌ岳阳洞庭湖大桥三塔斜拉桥计算网格固（单位：ｎ１）　为了得到最优的设计方案，课题组经过详细的计　算分析，并综台考虑景观因素，最终选定了８个方案类　型进行比较研究。从分析结果得出结论：减小背索索　距、增加背索面积、合理配重等措施对改善结构的变形　２）加大背索截面面积，背索采用３１３　７　ｍｍ镀锌　钢丝；　３）在中跨跨中及边跨粱端加２　０００　ｋＮ压重；　４）适当增加中塔和主粱的刚度。　由于采取了以上措施，虽然斜索用钢量及混凝土　性能有良好的效果，而单纯靠增加主梁刚度及索塔刚　度．虽然也能降低塔梁的挠度值．但效果并不理想，且　经济性差。因此，方案虽终采用以下措施来提高结构　整体刚度：　１）背索索距由标准距８．０　ｍ改成６．Ｏ　ｍ；　数量略有增加，但总的造价增加较少，而结构的整体刚　度相应提高了３０％左右，取得了满意的效果。　１　２合理设计状态的确定　１　２．１确定合理成桥状态的最优化方法　收稿日期：２００２—０２一ｌ５　作者简介：胡建华，男．硕士，高衄工程师　维普资讯 http://www.cqvip.com

３期　多塔斜拉桥关键技术研究　该方法分两步来确定合理成桥状态：先确定主粱　的合理受力状态，然后再根据合理成桥状态的要求确　定全桥的合理受力状态　主粱的成桥恒载弯矩的确定　是确定成桥状态的关键。课题组提出用“应力平衡法　来确定主粱的成桥恒载弯矩．其基本思路是：根据主粱　备截面上下缘的拉压应力控制条件来确定其合理的预　６０　昌　４０　２０　＼　一’加力数量以及恒载弯矩的台理域。合理预加力数量可　作为预应力布置的依据。．实际布置的预加力通常比台　理预加力数量多，根据实际预加力数量确定主粱恒载　弯矩可行域，该可行域即可作为斜拉桥合理成桥状态　确定时的主粱恒载弯矩控制范围（图２）　１．２　２确定合理施工状态的正装迭代法　Ｉ　、一　趔　毒ｌ　一　、、　．苜§　、　２０　、，　、’　—４卜—　—、　二二　，：：：　＾＼一　．　＿＿．、，、．，、　，　、ｊ　：≈　５　’、、　．　．　可行域下限静一　４０　６０　Ｉ　．　．　．一．　Ｉ／２全桥主懿位置／ｍ　雷２主粱成桥恒载弯矩圈　本方法基本思路为：先假定一个张拉索力．按正　３）试验验证了计算分析所得到的主粱和塔的控　制截面应力的正确性　应力实测值与计算值相差一般　在０．５ＭＰａ左右，相当于实桥上０　２５　ＭＰａ。　装计算得到一个成桥状态，将该成桥状态与事先定好　的合理成桥状态进行比较，按最小二乘法原理使两个　成桥状态相差最小，以此来修正张拉索力，再进行新的　一４）试验验证了计算分析所得的主粱纵向漂移值。　实测值偏小０　２２　ｍｍ，对应实桥上为６．６　ｍｍ。　５）在主塔处对主粱的横向限位装置在偏载下有　轮正装计算，直至收敛为止。该方法只需作正装计　算，且将不闭合原因造成的影响通过最小二乘法原理　减小到最低限度。　１．３全桥模型试验　明显的作用，台显著减小主粱的横向位移。　６）主粱翼板中的正应力基本均匀，有些截面稍显　正剪力滞．用平面杆系计算结果乘以≥ｌ　Ｏ６的系数就　得到翼板中最不利压应力值。　７）本桥的基本振动周期为７　３　ｓ，属于长周期　为了研究多塔斜拉桥的基本性能，同时验证静、动　力理论分析结果的正确性，课鼯组进行了三塔斜拉桥　全桥模型试验。整个试验模型由主粱、桥塔、斜拉索、　水平和垂直加载系统及静力和动力测试系统等组成　第一振型为纵向飘移振型，符合飘浮体系斜拉桥的特　征，这对减小结构的地震反应是有利的，但将产生较大　模型缩尺比为１：３０，全长２９　３３３　ｍ。　课题组在模型设计制作过程中，采用剐度相似法　解决了多塔混凝土斜拉桥铝台金模型的设计问题，采　用大节段整体铸造技术解决了多塔混凝土斜拉桥铝合　金模型的制作问题，采用杠杆加载系统有效地解决了　加载规模较太的难题。　的结构位移。　８）理论分析得到实际模型桥的一阶扭转频率为　１０　６　Ｈｚ，模态试验测出的频率为１０　９　Ｈｚ。　９）试验和分析均验证丁洞庭湖太桥三塔斜拉桥　具有足够的稳定安全度。索塔稳定安全系数为９，主　模型试验分静力试验、动力试验、稳定性试验三大　部分，其中静力试验包括平面静力试验、偏载试验、横　隔板试验、桥面板剪力滞试验等内容。模型试验取得　以下主要成果：　粱最大悬臂施工阶段空间稳定安全系数为２１，全桥空　问稳定安全系数为９。　２施工新工艺及Ｃ６０高性能混凝土技　术研究　２．１施工工艺创新研究　１）试验验证了计算分析所锝到的主粱和塔的位　移的正确性。位移实铡值与计算值相差一般在０．１　１＂／１１１１左右，相当于实桥上３　ＩＴｌＩｎ。　２）试验验证了计算分析所得的索力的正确性。　索力实测值与计算值相差一般在ｌＯ　Ｎ左右，相当于实　桥上９　ｋＮ。　岳阳洞庭湖太桥桥位处地质复杂，水深且覆盖层　厚；主桥索塔为倒Ｙ型，斜率大；主粱设计为变宽，变　高，节段最大荷载为４　６００　ｋＮ，斜拉索为三维空间的　维普资讯 http://www.cqvip.com

中外公路　２２卷　双索面；主粱混凝土首次采用Ｃ６０高性能混凝土，而　且施工遭遇了罕见的枯水期和超历史洪水。针对本桥　特点，课题组在总结传统施工技术的基础上，提出了一　系列施工新工艺。　２　１．１深水高桩钻孔施工平台　在施工过程中具体操作方法：在施工一梁段时，挂　索前根据拉索角度，调整锚座在水平方向的位置，经测　量准确无误后，进行左右限位，并顶紧锚座前端的小千　斤顶，以便传递斜拉索的压力。该转动锚座设计先进、　新颖，施工操作衙便。　２）预应力钢结构水平止推座装置研究与应用　大桥三个主墩基础均位于主河槽，正常水位时水　深１８　ｍ，洪水时水探超过３０　ｍ，根据工程进度计划要　求，洪水季节能照常施工。课题组设计了高３３　ｍ、每　墩面积达１　２００　ｍ　的钢管桩高桩钻孔施工平台：　针对平台在高洪水位、高流速的冲击和覆盖层完　全被冲刷情况下自身的稳定性问题，进行了考虑引入　为了抵抗斜拉索张拉力的水平分力，挂篮水平止　推装置在挂篮施工中起着关键的作用。水平止推装置　由以下部分组成：止推杆、止推座、止推座预埋板、楔块　及精轧螺纹钢。　本桥挂篮水平止推座采用了新颖的工艺设计，利　用楔块填充止推座与预埋板间的凹凸槽，以承担剪力，　同时每个止推装置配备５根精轧螺纹钢，以抵抗倾覆　洪水作用机理的空间仿真分析，采取了设置水平撑、抛　锚和管桩灌砂等技术措施。由于考虑周密，三个工作　平台顺利地度过了１９９７及１９９８年两个超历史洪水位　的考验，使桩基施工在整个洪水期问正常进行，确保了　大桥的控制工期。　２．１．２首创大型水下套箱施工　承台施工期间由于洞庭湖水位高，如按常规套箱　着床施工，成本很高又不利于航道与泄洪要求，课题组　研究采取了大型水下钢套箱施工承台的方案。　钢套箱由承重系统、悬吊系统、升降系统和模板系　统组成　套箱施工承重平台用桁架立柱和贝雷架搭　设，钢套箱在水上拼装成型，用千斤顶降入水中，采取　特殊堵水措施浇注封底混凝土。　大桥主墩承台采用的大型钢套箱施工，在国内尚　力及保证止推座的稳定性，从而达到既满足受力要求，　又为施工带来很大的方便，使安装拆卸衙单易行。　２．２　Ｃｌｌｏ高性能混凝土技术研究　目前国内将高强棍凝土应用于桥梁结构上还很少　见，武汉长江二桥、珠海前山大桥等几座为数较少的桥　梁上曾使用过Ｃ５５高强混凝土，而将Ｃ６０高性能混凝　土应用于这样一座规模宏大的斜拉桥上，在国内尚属　首次。　２．２　１混凝土配比参数的选择　根据设计及工艺对混凝土工作性能的要求．混凝　土３天强度应达８５％强度等级，即大于５１　ＭＰａ，混凝　土２８天配制强度应大于７０　ＭＰａ；要求混凝土具有较　大的流动性和良好的和易性，易于泵送和振捣，坍落度　为１８～２２　ｃｍ，扩展度大于４５　Ｃｎｌ　课题组根据以上条　件进行Ｃ６０混凝土的配合比分析，对各种可能的配比　方案均予以考虑，如：采用多种水泥，分是否加掺合料　属首次，其施工设计工艺先进，降低成本约４００万元。　２．１　３前支点挂篮的工艺创新　大桥主粱设计为变高（２　５～３　４　ｍ）、变肋宽（１　７　－２　０　ｍ）、变节段长（８～６　ｍ）肋板式结构，主梁断面　宽、重量大，且斜拉索为空问布置的扇形索面，设计要　求主粱断面一次性全断面在挂篮上悬浇成型。因此，　传统的挂篮不适应这些特殊要求，课题组对挂篮关键　部位设计进行了创造性的工艺改进，满足了施工的特　殊要求。　两种情况，在用掺合料时又分采用硅灰、磨细矿渣、磨　细矿渣复合硅灰、粉煤灰复合硅灰等多个方案进行试　配试验。在初步试配的基础上，为尽快取得合理的配　合比，安排了正交试验方案＝通过对正交试验结果的　极差分析，得到了如下一些规律：①影响３天强度因　１）空间索转动锚座的研制　由于斜拉索为扇形布置的空间双斜索面，拉索与　桥轴线的水平夹角每段粱都在变化之中，因此，转动锚　座的设计既要满足受力要求，又必须适应拉索不同角　度的变化　素的主次顺序为：水灰比一硅灰掺量一胶用量一减水　剂掺量　②影响２８天强度因素的主次顺序为：硅灰　掺量一减水剂掺量一水灰比一胶用量。③影响坍落　度因素的主次顺序为：胶用量一减水剂掺量一水灰比　一硅灰掺量。　２　２．２防裂措施　为了验证室内试验结果是否适用现场施工．在试　课题组对挂篮转动锚座设计工艺进行了大胆创　新，锚座整体构造以尾端转动轴为中心，锚座可在水平　方向转动，适应拉索角度的变化，便于调整，使之能严　格控制空间索的三维坐标。　验室工场根据初步配比，按与施工相似的条件进行多　次模拟试验。模拟试验结果表明，混凝土的３天强度　维普资讯 http://www.cqvip.com

３期　多塔斜拉桥关键技术研究　没问题，但混凝土表面有细微裂纹．针对混凝土的早期　干缩裂纹．课题组从配比至施工采取了一系列措施．有　为减少混凝土表面的干缩裂纹，对室内试配的初　步配比进行调整，主要是减少混凝土拌和物中砂浆数　量，并适当增大水灰比、正式用于施工的Ｃ６０混凝土　配台比如表１所示。　效地减少了裂纹的发生　１）配比的调整　表１　０５０混凝土配比及性能裒　２）严格控制混凝土的施工工艺　①拌制时严格控制原材料用量、严格按配比执行。　②加强混凝土的振捣，采用二次振捣和二次压　面，减少硬化前后的裂纹。　③混凝土浇筑后马上进行收浆。　④在混凝土收浆抹面后立即将其用湿润麻袋予　以覆盖。　３强迫振动法测颤振导数　为确保大桥施工和运营阶段的抗风安全，进行了　节段模型风洞试验。课题组在国内最先实现了强迫振　动法测颤振导数，用此方法对岳阳洞庭湖大桥三塔斜　拉桥颤振导数进行了识别。结果表明：强迫振动法具　有试验数据重复性好、测定折减风速范围宽、无需复杂　的系统识别过程即可得到交叉导数项等一系列优点。　颤振导数测定试验用颤振试验的同一模型．整个　试验在均匀流场中进行。首先采用自由振动法分纯弯　⑤在最早可能时间（混凝土强度为５　ＭＰａ左右　时）进行连续７天以上的湿养护，保持混凝土表面及模　板表面处湿润状态。　⑥温差较大时．采用篷布包裹混凝土．热水养护　等措施。　和纯扭两个单自由状态测定，只得到Ｈ　、Ａ　和Ａ　三条颤振导数曲线。为改进试验结果，课题组又发展　了强迫振动法测颤振导数，采用此方法能够很精确地　得到８个颤振导数，为国内首创。强迫振动法测试　装置见图３所示。该系统通过变频器和交流电机，驱动　一　由于采取了科学的配比和先进的工艺，主梁Ｃ６０　混凝土施工进展相当顺利，创造了采用Ｃ６０高性能混　凝土的施工先例，为今后推广采用高性能混凝土积累　了经验：　偏心轮　电机　：　风洞　风洞　固定　杆２　模型Ｆｌ占ｉ　器模型固定　杆１　ｆ　ｉ：　杆２　嚣　感器　ｆ　风速　驱动系统作纯竖向振动　驱动系统作纯扭转振动　圈３强迫振动法测试装置　和控制节段模型作常振幅、常频率的稳态振动。频率　无级可调，振幅分级可调。系统有两种工作状态：纯竖　向振动与纯扭转振动（俯仰）。同时，还利用Ｍａｔｌａｂ语　言开发了一套具有自检及互检功能的新一代气动导数　识别软件。测试系统启动后，只需人工调整风速大小，　其余测试工作如采样、滤波和ＦＦＴ变换等全由测试软　件自动完成。测试工作完成后．软件能够及时绘出颤　振导数测试曲线，大大节省了测试时间　试验在国防科技大学ＫＤ一０３闭口直流式低速风　洞中进行，试验段宽１　ｍ．高Ｏ　８　ｍ。不同风速下的测　量在流动达到稳定之后进行，为改善精度采集样本足　够长。从试验结果可以看出．在攻角为一３　、Ｏ、＋３　的　范围内，所有导数均与理论解有较大偏离。但除Ａ　外，其余导数与理论解变化趋势基本相同。Ａ　则在　较低的风速下即由负变正，说明大桥有可能发生扭转　发散，但换算到成桥状态的发散风速均高于自激振动　维普资讯 http://www.cqvip.com

中检验风速，说明大桥具有足够的抗风稳定性。　外套路　２２卷　发生多次风雨振。２００１年５月２６日，该桥又发生了　风雨振，当时阵风５级，小雨。课题组通过安装在　Ａ１０、Ａｌｌ、Ａ１２三索上的加速度传感器记录了拉索风　４斜拉索风雨振动控制研究　岳阳洞庭湖大桥自２０００年１０珂建成通车后．曾　雨振的垒过程。风雨振现场监测系统如图４所示。　磁流变阻尼器减振性能试验研究通过测试阻尼器　器　圈４风雨擐监羽系统布置圈　安装后在不同电压下拉索系统的模态阻尼比．可以评　估该阻尼器的减振性能。　安装磁流变阻尼器后．拉索的模态阻尼比有了显　标，对预应力的优化布束方式进行理论分析，提出了最　终的预应力布束方式　在此基础上．进行典型索塔足尺节段模型加载试　验，并根据试验结果与理论计算结果进行比较，试验主　要结论如下　①通过对索塔的预应力布束方式进行优　化设计，节约预应力材料达１７　４％．并使塔内受力更　趋均匀合理。②空间有限元法分析结果与实测应变　著提高，总的趋势是阻尼器安装高度越高，模态阻尼比　增加越大。为了避免拉索风雨振的发生，拉索具有的　阻尼必须满足：　。一ｍｄ丛。　一２　ｐＤ２一ｎ　一一、１ｎ　值基本吻台；且水平方向受力是主要的．垂直方向的应　力与水平方向的相比是次要的。③单室加载时．Ｐ＝　４　０００　ｋＮ为塔体不出现拉应力的临界荷载：　式中：Ｓ、ｍ、ｄ、　Ｄ、ｅ分别表示雷诺数、拉宿每米质　量、阻尼对数衰减率、空气密度、拉索直径和阻尼比。　对于洞庭湖大桥的拉索，为避免风雨振的发生，由上式　计算得到的模态阻尼比应大于０．２５％～０．３％。　试验结果表明，采用磁流变阻尼器进行风雨振控制　是可行的、有效的，得到了以下主要结论：①实际风雨　振的监测结果表明，拉索振动形式为驰振，加速度振动　轨迹为椭圆形，拉索在面内的振幅大于面外的振幅。＠　拉索在风雨振时存在耦合振动．即面内、面外同时增大　或减小，在进行拉索减振时，如果抑制了拉索面内的振　动，其面外振动将同时被抑制。③拉索风雨振通常以　拉索的２、３阶模态频率振动，在进行拉索智能控制后，　拉索不再只按某阶模态频率振动。④根据实际风雨振　６结束语　岳阳洞庭湖大桥多塔斜拉桥新技术研究，由湖南　省交通规划勘察设计院牵头，联台湖南省公路桥梁建　设总公司、中南大学、长沙交通学院、湖南大学和岳阳　洞庭湖大桥建设指挥部共同承担，１９９８年立项后，被　列为湖南省重大科研课题，２００１年１２月１９日通过了　由湖南省科学技术厅组织的省级成果鉴定。国内十二　所大学和科研机构的１５名知名专家教授组成鉴定委　员会对课题成果给予了很高的评价，认为本研究成果　整体上达到了国际先进水平。　时的实测数据，安装磁流变阻尼器后加速度响应降低了　２０～３０倍．显示了该阻尼器良好的减振效果。　５　索塔优化布束及其模型试验研究　根据典型索塔结构空间有限元分析．提出多种可　能的预应力配束方案。在确保安全的前提下．以塔内　受力均匀、节约预应力筋及锚具的数量、方便施工为目　参考文献：　［１】湖南省交通规划勘察设计院［Ｒ］．２００２，　［２］胡建华．等预应力混凝土多塔斜拉桥设计构思［Ｍ］．国　外公路．１９９９（５）．　多塔斜拉桥新技术研究