郑州黄河公铁两用桥施工控制关键技术研究

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文章编号:1003-4722(2011)02-0005-04

郑州黄河公铁两用桥施工控制关键技术研究

孙英杰,肖海珠,徐󰀁伟

(中铁大桥勘测设计院有限公司,湖北武汉430056)

摘󰀁要:郑州黄河公铁两用桥是斜边桁无竖杆的三主桁、单索面多塔斜拉桥,为了使该桥建成后达到设计目标受力状态,对其施工全过程进行控制,钢梁顶推过程中以最大悬臂状态关键杆件内力控制为主、线形控制为辅;顶推到位后以预制桥面板抄垫高程和索力控制为重点。建立板梁索相结合的空间模型模拟施工过程,根据计算结果确定施工临时平联布设方案,并实现顶推过程平面中线控制、顶推完成后墩顶3桁高差调整、桥面板高差控制、斜拉索张拉控制,确保各施工阶段的杆件内力、斜拉索索力和主梁线形3项指标均达到设计要求。

关键词:公路铁路两用桥;斜拉桥;结合梁;桁架;顶推法架桥;施工控制中图分类号:U448.121;U448.27;U445.1󰀁󰀁文献标志码:A

ResearchofKeyTechniquesforConstructionControl

ofZhengzhouHuangheRiverRai-lcum-RoadBridge

SUNYing-jie,XIAOHai-zhu,XUWei

(ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignInstituteCo.,Ltd.,Wuhan430056,China)

Abstract:ZhengzhouHuangheRiverRai-lcum-RoadBridgeisasingle-cable-planeandmult-ipyloncable-stayedbridgehavingthreemaintrusseswithoutverticalmembersandwithtwoin-clinedsidetrusses.Toensurethatthecompletedbridgeofthebridgecouldmeetthedesigntargetforceconditions,thewholeconstructionprocessofthebridgewascontrolled.Intheprocessofincrementallaunchingofthesteeltrussgirder,theinternalforceinthecriticalmembersofthe

girderinthestateofthemaximumcantileverwascontrolledmainlywhilethegeometricshapeofthegirderwascontrolledsubsidiarily.Oncethegirderwaslaunchedinplace,theprecastdeckslablevelingelevationandthecableforcesofstaycableswerethemajorpointsthatwouldbepar-ticularlycontrolled.Thespatialmodelsoftheslab-girder-cableweresetuptosimulatethecon-structionprocessandinaccordancewiththecalculation,thearrangementoftemporaryconstruc-tionlateralbracingswasdetermined,thecontrolofcenterlineinplaneintheprocessofthelaunching,theadjustmentofheightdifferenceofthethreemaintrussesatoppiersafterthelaunching,thecontrolofheightdifferenceofthedeckslabsandthecontroloftensioningofthestaycableswererealizedandconsequentlythethreeindicesoftheinternalforceinthemembers,thecableforcesofthestaycablesandthegeometricshapeofthegirderinvariousconstructionstageswereallensured.

Keywords:rai-lcum-roadbridge;cable-stayedbridge;compositegirder;truss;incrementallaunchingerection;constructioncontrol

收稿日期:2010-11-10

作者简介:孙英杰(1978-),男,工程师,2001年毕业于西南交通大学土木工程专业,工学学士(sunyj@brdi.com.cn)。

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1󰀁概󰀁述

郑州黄河公铁两用桥是京广铁路客运专线与中原高速公路跨越黄河的共用桥梁[1],公铁合建段长9.177km,主桥第1联为120m+5󰀁168m+120m六塔单索面连续钢桁结合梁斜拉桥,全长1080m,主桥结构布置见图1。铁路设计活载为双线ZK活

桥梁建设󰀁󰀁2011年第2期

载,公路设计活载为双向6车道高速公路。

斜拉桥主梁采用斜边桁无竖杆三角形钢主桁形式[2~4]。上层公路桥面为预应力混凝土结合板[5];下层铁路桥面为正交异性整体钢桥面板。墩顶上弦中桁布置有󰀁人󰀁字形钢桥塔,塔高37m。每个桥塔布置5对平行钢丝斜拉索。

图1󰀁主桥结构布置

2󰀁施工方案及控制原则2.1󰀁施工方案

根据跨黄河桥梁施工的特殊性及该桥的受力特点,斜拉桥采用多点同步顶推技术、先梁后塔的施工方案,既确保了工程工期、节约了施工成本,又避免对行洪影响、减少对河道污染,其施工过程可分为如下3大步骤。

(1)钢桁梁架设。先在岸边桥墩处架设钢桁梁组装平台和顶推滑道(图2);在组装平台上拼装7个节间钢桁梁,然后安装连续同步顶推装置和液电操控系统,操作液电控制系统对钢桁梁进行顶推作业。上述一轮钢桁梁顶推作业结束后,在组装平台上继续拼装钢桁梁,依次循环架设顶推作业直至全桥钢桁梁贯通。钢桁梁顶推施工见图3。

(2)公路桥面板施工。待钢桁梁施工完毕,利用架板吊机架设全桥的预制公路桥面板,现场浇筑

纵、横向湿接缝,张拉纵、横向预应力,完成公路桥面板结合施工。

(3)桥塔及斜拉索施工。利用架板吊机架设钢桥塔,挂设斜拉索并根据控制指令进行初张拉。施工公路桥面附属结构,铁路预制道碴槽板架设,剪力槽施工。第2次张拉全桥斜拉索。最后完成铁路铺轨,全桥竣工。2.2󰀁控制原则

施工控制过程遵循以下原则:

(1)在钢桁梁顶推过程中,以最大悬臂状态关键杆件内力(应力)控制为主、以钢桁梁线形控制(平面坐标和高程位置)为辅。

(2)钢桁梁顶推到位后,主桥还要进行公路桥面结合、斜拉索张拉及二期恒载施工。此时以预制桥面板抄垫高程和斜拉索的索力为控制重点,确保公路桥面及铁路轨面的设计高程及杆件内力符合要求。3󰀁施工控制计算及主要成果3.1󰀁计算模型

由于该桥的空间受力特性比较突出,平面杆系程序无法解决该桥的控制计算分析问题,因此控制计算采用中铁大桥勘测设计院有限公司自主开发的空间有限元计算软件3D-bridge[6],大范围利用板单元结构进行施工控制计算,以便更精准地模拟施

图2󰀁岸边的钢桁梁组装平台及滑道

工过程。在控制过程中辅以MIDAS软件进行校核。

控制计算模型共23709个节点,6044个梁单元,16578个板单元,60个索单元,540个支承单元,41154组约束方程。公路桥面及铁路桥面(包括铁路横梁)均采用板单元模拟,桥梁计算模型见图4。

结构材料特性根据现场试验室提供的结果进行修正;施工临时荷载,根据现场实际荷载进行调整;外界环境变化根据现场监测反馈数据进行修正。图3󰀁钢桁梁顶推施工郑州黄河公铁两用桥施工控制关键技术研究󰀁󰀁孙英杰,肖海珠,徐󰀁伟

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表1󰀁斜拉索第2次张拉后部分索力测试值与理论值对比

斜拉索编号

NA1NA3NA5

理论值/kN554145315752284562335555653512554085269652533569555587854148552535464252740561905536053648

测试值/kN559095181551826557045391952312545325119052763562015387953751555795312251283560445368752134

差值百分比/%

0.9-2.5-0.9-0.9-2.9-2.2-1.6-2.90.4-1.3-3.6-0.70.6-2.8-2.8-0.3-3.0-2.8

图4󰀁计算模型

3.2󰀁主要施工控制成果3.2.1󰀁钢桁梁应力

主桥钢桁梁在顶推过程中支承节间交替变化,结构体系工况不断改变,从钢桁梁架设直至钢桁梁顶推到位共经历了180个主要工况,经施工全过程控制模拟计算,结构稳定性和杆件强度均满足规范要求,安全可靠。中桁上弦杆上、下缘顶推应力包络图分别见图5、图6。现场监测结果表明,钢桁梁顶推到位后钢桁梁内力与设计值基本吻合,钢桁梁水平、竖向线形达到设计要求。

SA1

SA3SA5NB1NB3NB5SB1SB3SB5NC1NC3NC5SC1SC3SC5

󰀁表2󰀁斜拉索第2次张拉后公路桥面路冠高程对比

位置第1跨L/4第1跨L/2第1跨3L/4第2跨L/4第2跨L/2

设计标高

铁路二期成桥预恒载挠度拱度

0.0070.0100.0080.0180.0290.0170.0180.0310.023

测量值

m

差值

121.151-0.003121.151-0.009121.151-0.003121.151-0.005121.151-0.012121.151-0.004121.151-0.004121.151-0.012121.151-0.004

121.1640.003121.168-0.002121.1630.001121.172-0.002121.182-0.010121.164-0.008121.167-0.006121.183-0.011121.169-0.009

图5󰀁中桁上弦杆上缘顶推应力包络图

第2跨3L/4第3跨L/4第3跨L/2第3跨3L/4󰀁注:L为跨度。

一步监测,根据测量数据对索力进行微调,使控制结果与理论设计目标值更为接近。

图6󰀁中桁上弦杆下缘顶推应力包络图

3.2.2󰀁斜拉索索力

结合施工工期安排,经过计算分析,主桥斜拉索张拉分2大步完成。先挂设斜拉索,进行索力初张拉;待铁路道碴板和公路二期恒载施工完成后,进行第2次索力张拉。斜拉索第2次张拉后部分索力测试值与理论值对比见表1。通过表1可以看出斜拉索测试值与理论值的误差均小于5%。整个斜拉索的施工控制均采用无应力状态法实现[7~9]。3.2.3󰀁公路桥面板高程

在第2次斜拉索张拉完成后,对公路桥面顺桥向每5m间距截面的不同位置高程进行了测量,测量高程与理论计算基本吻合(表2),达到设计要求。斜拉索第2次张拉后公路桥面路冠高程对比见表2。

通过控制分析对比,发现部分斜拉索索力欠张拉,部分公路桥面高程略低于设计值。下一阶段待铁路二期恒载施工完成后,将对索力和桥面高程进4󰀁施工控制的技术难点

(1)施工临时平联的布设。该桥是无平联的钢桁公铁两用桥,此构造具有杆件数量较少、结构简洁美观、桁式整齐通透、架设简单快捷等优点,但同时带来了成桥前单独钢桁梁横向刚度较差的缺点。为保证钢桁梁在大悬臂顶推时抵抗大风天气、施工临时荷载等作用,经计算后在前端6个节间布设施工临时平联。

(2)钢桁梁顶推过程平面中线的控制。该桥主桥为斜边桁的三桁结构,架设难度大,钢桁梁的平面中线不易控制。为解决好此问题,要求后续架设的钢桁梁杆件在拼接螺栓终拧前认真测量钢桁梁中线线形,不仅与相邻节点对比测量,还要与最前端节点保持联测以确保各三桁节点中心的准确,避免钢桁梁出现󰀁蛇形󰀁中线。

如果架设节间杆件中线与理论中线有差异,通[10]

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过施加机械外力调节或采用颠倒铁路正交异性桥面板焊接顺序靠焊缝收缩来调节。

(3)顶推完成后墩顶三桁高差调整。钢桁梁顶推到位后,钢桁梁各支承节点均位于墩顶滑道梁上,先通过千斤顶将钢桁梁落位至永久支座上,在此工况测量发现悬空钢桁梁部分节点高程与理论计算差值达2cm,为满足高速列车行车要求,避免墩顶支反力分配不均,通过控制计算与现场千斤顶反力对比,将成桥的支座高程进行适当调整,调整范围控制在1cm以内,最终钢桁梁高程得以较好控制,支反力也基本与理论计算相当,保证了整个结构的受力与设计吻合。

(4)桥面板架设高差的控制。钢桁梁顶推完成后开始公路预制桥面板的架设,为保证公路桥面高程,监控要求对现场架设的公路桥面板桁顶处高程进行测量。从测量结果发现在桁顶处板顶高程与设计有偏差。分析原因有钢主桁架设累计误差,预制公路桥面板的施工尺寸误差,临时荷载的任意摆放及测量误差。为使公路桥面高程满足设计要求,可通过调节桥面板与主桁间的细石混凝土垫层高度来实现。

(5)斜拉索张拉控制。索力是斜拉桥重要的控制参数,斜拉索索力的大小不仅影响到主梁三桁高程的变化和三桁内力的分配,而且关系到安装过程中整个结构的安全。因此在施工中必须严格控制索力张拉,确保索力测量正确可靠。

在保证结构受力安全的前提下,斜拉索张拉次数尽可能少以加快施工工期,经监控计算后该桥斜拉索张拉分2次进行。公路桥面板结合后开始挂索并初张拉40%索力;待公路铺装及铁路道碴槽板架设结合后再将索力补拉到设计索力。最终现场测量索力与设计值偏差均小于5%,满足规范要求。5󰀁结󰀁语

郑州黄河公铁两用桥主梁设计采用了斜边桁的三桁结构,公路桥面采用大跨混凝土结合板,铁路桥面采用无纵梁的正交异性钢桥面板。施工采用了多点同步顶推新技术。监控工作根据设计特点,结合现场实际情况,采用板梁索相结合的空间计算模型,使控制计算与施工过程更加吻合。

郑州黄河公铁两用大桥于2007年7月开始施工,2010年9月30日公路桥面开始通车运营,铁路桥面将于2011年底开始通车运营。

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