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1、 大跨度钢拱桥施工技术研究课题名称： 大跨度钢拱桥施工技术研究 课题承担单位（盖章）： 中国建筑第七工程局有限公司 课题起止时间： 2013年01月至2014年06 月 课题验收时间： 2014年07月 目 录1 绪 论11.1选题背景11.2国内外研究现状21.3大跨度拱桥工法概述31.4主要研究内容42 大跨度钢析架拱桥基本结构行为分析方法52.1大跨度钢桁架拱桥的基本结构52.2大跨度钢桁架拱桥计算理论73 大跨度钢桁架拱桥施工方法113.1工程概况113.2架梁吊机施工方法133.3中跨合龙施工253.4航道影响的解决办法274 大跨度钢桁架拱桥施工控制294.1施工控制分析模型294
2、.2施工控制情况325结论与展望345.1主要研究结论345.2展望与建议3511 绪 论1.1选题背景拱桥在我国使用历史悠久，古代有闻名海内外的赵州桥，近代有巫峡长江大桥、卢浦大桥等。钢桁架拱桥因为跨越能力强、承压能力高和外形刚健稳固，截至1990年，它是较大跨度桥梁中桥型的重要选择方案。1990年以后，我国钢桁架拱桥的修建方案趋于冷淡，究其原因主要是大跨度的钢桁架拱桥刚才耗费量较斜拉桥多，使得修建桥梁时出于经济角度考虑而放弃了该桥型的修建。近年来，随着我国综合实力的大幅提升，迫于经济发展和城市立体景观发展的需要，修建跨江桥梁选用钢桁架拱桥又被桥梁建设者和社会各界重视起来，犹豫钢桁架拱桥独特
3、的美观造型、不可比拟的大刚度、超强的跨越能力，特别是大于500m跨度时，比钢斜拉桥具有更好的稳定性、刚度、抗震性，大跨度钢桁架拱桥的修建又越来越多，尤其实在地质条件良好，风速和地震烈度大地区及城市，大跨度钢桁架拱桥是修建桥梁的理想的方案。众所周知，桥梁施工技术非常重要，如果在桥梁施工中出现施工事故，会给人们的生命和财产造成巨大损失。例如加拿大魁北克桥施工时，当合龙两岸钢桁架时，因缀条薄弱造成南侧下弦杆被压溃，引发了巨大经济损失，后续施工中，在重约4700t的195.2m跨度悬挂跨提升时，又因一个支撑件破裂，使得该跨倾斜滑落，造成7人丧命。宁波的招宝山斜拉桥采用悬臂法施工时，由于悬臂主要支撑发生
4、折断，使得建设方耗费4亿元用于拆除加固重建。施工贵州的小尖山大桥时，由于不当的施工措施使得支架失稳，造成正在浇筑的桥面垮塌，造成3人死亡，1人失踪，多人重伤。在施工这些桥梁时，如果采用了正确的施工方法，在施工阶段加强控制，采取合理监测措施，及时发现问题，采取合理的补救措施，这些施工事故定可以避免。事实上，由于桥梁是超静定结构，不同的施工工艺和方法会直接影响到恒载内力的分布和梁的线性结构的变化，混凝土收缩徐变、结构自重、材料的弹性模量、温度、施工荷载测量误差等也都会造成施工偏差，如施工中不能及时识别和处理便可使桥梁超出设计安全，引发施工事故。目前我国大跨度钢桁架拱桥施工技术尚不成熟，对大跨度钢桁
5、架拱桥施工方面的探索也不多，有待于进一步完善。大跨度的钢桁架拱桥应用必然随着我国交通建设迅猛发展而出现更快更新的发展态势。因此，展开大跨度钢桁架拱桥施工技术研究，完善大跨度钢桁架拱桥施工理论，具有重要的经济和社会价值。1.2国内外研究现状1.2.1大跨度钢桁架拱桥国外的发展概况18世纪,由于锻铁和铸铁实现了批量生产,铁的产量极大地提高使得其在桥梁结构中得以广泛的应用。位于英格兰中部西米德兰兹郡的18世纪的铁桥是世界上第一座铸铁拱桥它的净跨径30m; 1877年修建于葡萄牙的Pia Maria桥是镰刀形内倾双铰双助桁拱,跨径为160.13m。第一座钢桁架拱桥为153m+158m+153m三跨伊兹
6、(Eads)桥,1867到1874年,由美国修建,为公路、铁路双层桥。其后钢桁架拱桥得到了进一步发展,1917年美国修建的狱门(Hell Gate)桥,奠定了钢拱桥的技术基础,是钢拱桥一个里程碑,其跨径为297m。1974-1978年美国修建了上承式连续钢析梁钢桁架拱桥新河谷桥(New River Gorge Bridge),主跨为518.2m,长924m,该桥结构轻巧优雅,抗风性能好。1931年建成于美国纽约的贝永桥,主跨504m,为公路钢桁架拱桥;1932年又修建了澳大利亚悉尼港大桥,该桥为中承式钢桁架拱桥,主跨503m。此后,大跨度钢桁架拱桥再未出现跨度的超越。1.2.2大跨度钢桁架拱桥
7、在国内的发展历史1888年,我国早就开始修建钢桥,但解放前修建的钢桥,跨度很小,施工工艺简陋,1937年修建的钱塘江公铁两用钢桁架梁桥是其代表,该桥主跨径65.84m。解放后,钢桥得到了快速发展,1956年修建了主跨128m的武汉长江大桥,1968年修建了主跨160m的南京长江大桥,1993年修建了主跨214m的九江长江大桥,2000年建成了主跨312m芜湖长江大桥。1.3大跨度拱桥工法概述桥梁的施工方法直接影响到桥梁的安全和设计是否被采用。大跨度拱桥施工方法按照拱桥所处位置、结构型式、跨径大小、材料等不同,可分为转体施工法、悬臂施工法和缆索吊装施工法等。（1）转体施工法。转体法施工是将拱圈或
8、整个上部结构分成两个半跨,分别在河的两岸利用地形支架灌筑或预制装配成半拱。然后,利用动力装置将两半拱转动至桥轴线位置上或设计标高合龙成拱。转体过程中利用扣索拉力平衡拱片水平推力量。（2）悬臂施工法。悬臂施工法是钢拱桥最常用的施工方法,该方法是首先在两边搭设临时支墩或临时支架,用斜拉索或斜拉粗钢筋将悬臂的拱助拉住,从拱脚开始,逐渐地向拱顶悬拼拱助节段,直至全桥合龙,用拉索扣将节段间接头挂于塔架上,由拉在边跨上或地锚上的背索来维持塔架平衡。（3） 缆索吊装施工法。缆索吊装施工法由桥两端向中间对称进行,水平运输、安装拱圈节段构件垂直起吊采用缆索吊机进行,拱圈各节段悬挂后,每个连接节点的位置被调整到所
9、需的高程然后放松节点使拱圈自承受力,取出带扣缆索。此法使用了大跨越能力的起重设备,构件运输方便,安全可靠,适应范围广泛。1.4主要研究内容1、阐述拱桥的基本结构,指出其结构特点,对大跨度钢桁架拱桥计算理论进行深入探讨,为施工的控制计算提供理论支持。2、结合论文依托实体工程,从大跨度钢桁架拱桥施工方案施工、施工现场准备、构件加工制作及运输、钢桁构件安装、中跨合龙施工、航道影响解决的办法等方面对大跨度钢桁架拱桥施工方法进行深入系统研究,以解决大跨度钢桁架拱桥施工方法问题。3、介绍施工控制的分析方法与原则、施工控制分析的平面和空间分析模型,接着阐述实体工程施工控制方法和测点布置,最后采用有限元法对主
10、要控制工况进行了理论分析,对大跨度钢桁架拱桥施工控制问题进行深入探讨。2 大跨度钢析架拱桥基本结构行为分析方法2.1大跨度钢桁架拱桥的基本结构钢桁架拱桥结构型式根据系梁和拱助刚度的比例关系分为洛泽拱系、系杆拱、蓝格尔拱和其他组合体系。洛泽拱是由竖直吊杆组成的刚性系梁刚性拱,梁的刚度与拱的刚度与比例适中。系杆拱是由竖直吊杆组成的柔性系杆刚性拱,梁的刚度远小于拱的刚度,拱承担了所有的弯矩,拱的推力由系杆来全程接受,系杆承担全部活载所产生的水平力,拱承担的全部弯矩由拱的推力来平衡,因系杆属于柔性的牵制,拱容易产生垂直地抖动。蓝格尔拱是刚性系梁柔性拱,其重要组成就是竖直吊杆。吊杆与拱助为铰接,保持稳定
11、的形状主要是采用加劲梁,拱助只承担轴向力。其他组合体系主要是指悬臂梁、拱、桁架的纽合结构,中央的主跨的结构往往是系杆拱桥,支承在有伸臂梁的边跨上。钢桁架拱桥的上部结构主要有拱助、系杆、吊杆、桥面系和联结系。拱肋拱桥结构是以受压为主的主要偏心受压承重构件,承受的轴向压力较大,荷载变化时,还承受较小弯矩。析式拱助够能够发挥材料的特性,杆件主要承受轴向压力,材料截面较小,纵横向抗弯刚度大,比箱形拱肋的自重轻,拱桥的的跨越能力更大,析式拱助节间杆件的钢种和截面能够灵活改变。系杆承担拱桥拱的全部推力,承受的轴向拉力较大。刚性系杆为析式加劲梁的弦杆,用型钢制成,主桁拱间的连接受力明确、构造简单,能增加结构
12、的竖向刚度,减少拱脚水平变位。柔性系杆施工安装方便,但增加了主析上的错固构造设计难度,一般由平行钢丝束制成。吊杆是轴心受拉构件,桥面上的恒载和活载都由它传递至拱助。钢桁架拱桥的吊杆主要是根据其受力特性分为刚性和柔性吊杆两种。刚性吊杆一般情况下承受拉力,但根据现场负载压力下也可能出现压力,因此多考虑用型钢或钢管制作;柔性吊杆只能承受拉力,采用高强平行钢绞线或钢丝束制成。使用刚性吊杆对增强拱助的横向刚度有利,但施工程序多,工艺较复杂。使用柔性吊杆可以部分消除拱助和桥面系之间的相互影响,施工方便、外形较好。桥面系是指横梁、纵梁及纵梁之间的联结系,纵梁之间的联结系将两片纵梁连成整体。纵梁首先承担桥面传
13、下来的荷载,再将该荷载传给横梁,最后经横梁传给主桁架节点。联结系的作用是将主桁架连接起来,使桥跨结构成为稳定的空间结构,有横向联结系和纵向联结系。横向联结系在桥跨结构横向平面内,端横联位于桥梁端部,对于承式桁架桥又叫桥门架,架设在主桁架端斜杆平面内,中横联在桥跨结构中部,在主桁架竖杆平面内,主桁架没有竖打时,则设在主桁架中间斜杆平面,间距一般不大于两个节间,其作用是增强钢桁梁的抗扭刚度,桥跨结构受到不对称横向或竖向荷载时,它可以适当调节两片纵联或两片主析的受力不均。设在主桁架的上、下弦杆的平面内的为纵向联结系,上弦杆的平面内叫上平纵联,下弦杆的平面内叫下平纵联,它们的主要作用是承受作用于桥跨结
14、构上的桥面、桥面系、主桁架和车上横向摇摆力、车上的横向风力及曲线梁上的离心力等横向水平荷载。平纵联对横向的自振频率和桥梁的横向刚度有较大影响,它的另一个作用是,横向支撑弦杆,减少弦杆平面以外的自由长度不难发现,大跨度钢桁架拱桥结构体系特点为:（1）每个节间杆件都能够根据受力大小而灵活改变截面和钢种,经济性能良好。具有较好的竖向刚度,能满足受力和高速行车的需要。杆件多为承受轴向力构件,能充分发挥材料的力学性能。桥型雄伟壮观,外形轮廓柔和,与周边景观易于协调搭配,能够体现现代工业化的风貌。桁架拱桥的单根杆件相对较轻,不需要大型的起吊设备,施工迅速,便于施工高空作业。（2）要考虑材料的长期防腐性能,
15、节点构造复杂,设计时需重点考虑其抗疲劳性能。大的弦杆和腹杆自由长度较大,杆件设计时要充分考虑稳定性要求。水平推力较大增加了下部结构的工程量,对地基要求较高,大跨度钢桁架拱桥在施工中的整体稳定性能较弱。2.2大跨度钢桁架拱桥计算理论最初拱桥的计算分析采用弹性理论,由于考虑挠度影响计算内力大于不考虑挠度影响的内力,拱桥采用弹性理论计算存在安全隐患,从而挠度理论逐渐取代了的弹性理论。挠度理论的基本假定为:（1）恒、活载可叠加假定。可将恒、活载分别分析叠加求得总内力。但在计算中,若有必要,应将恒、活载作用一并考虑。（2）弹性中心不动假定。弹性中心在变形前后的位置不变,即将拱轴变形引起的弹性中心位置的改变量忽略不计。（3）平截面假定。拱圈截面变形按平面变形考虑,截面切线方向与法线方向的夹免在变形前后保持不变,符合虎克定理。近年来,随着桥梁建设的迅速发展,许多大跨度和新型拱桥不断出现,由于结构形状和所受的荷载很复杂,桥梁计算按解析法求解变得十分困难,数值法得到了广泛应用和不断发展。有限元方法现己成为桥梁结构计算分析的主要方法,MIDAS/Civil、ANSYS、SAP2000等大型通用有限元程序已被广泛应用于大跨度拱桥的空间静、动力分析。2.2.1大跨度钢桁架拱桥计算的有限
