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1、三峡库区大跨度悬索桥设计、施工关键技术研究(大纲)Final 重庆市交通科学技术项目 研究工作大纲 项目名称：三峡库区大跨度悬索桥设计、施工关键技术研究 承担单位：重庆建工涪南高速公路有限公司 重庆交通大学 鹏方研究院 重庆市交通规划勘察设计院 重庆桥梁公司 2010年10月 1. 项目概况（项目背景及研究目的） 大跨度悬索桥已成为跨谷越江的主要桥型，重庆拥有最大跨径的拱桥，但如果按跨径排名，重庆却没有跻身前八名的悬索桥。重庆虽有“桥都”之称，却因缺少这种大跨度的悬索桥而略显遗憾。建设近14年举世瞩目的三峡工程已经竣工，长江重庆段的江面较以往更为宽阔，因此，作为跨越能力最强桥型的超大跨度悬索桥
2、必将在三峡库区（重庆及周边地区）掀起新的建设篇章，主要体现在下列方面： （1）库区的地形特点：库区地形的主要特点表现为三多，即多高山、多江河、多峡谷。如果在这些地方建桥，当跨度要求较大时，大跨度的悬索桥往往为不二选择。 （2）三峡工程已竣工，目前，其蓄水位有望达到175米，按照这个蓄水位，长江上游的江面将较原来有极大的拓宽，如果在长江上建桥，受通航要求限制，主梁底缘高程也必然有大幅度增高，从而导致桥梁跨度的增加，这更加大了修建大跨度悬索桥的竞争力。我们坚信，随着经济的发展，为满足长江两岸人民的交通需要，大跨度悬索桥必将在三峡库区大量修建。 总之，不论是峡谷、高山、还是长江上，大跨度悬索桥的修建
3、必将在三峡库区掀起一个高潮。三峡工程给库区的重庆带来了机遇，同时也带来了挑战，重庆目前最大跨径的悬索桥是鹅公岩长江大桥，主跨为600米，由上海市政院设计，重庆本土单位施工完成。而作为库区最大跨径的青草背长江大桥，主跨达到了788米且由重庆本地单位设计和施工，相对鹅公岩大桥而言，这不仅是跨度的飞跃，也是重庆人民设计、施工水平的一次飞跃，其顺利建成必将给“桥都”添上精彩的一笔。为了这精彩的一笔，也为了青草背长江大桥的安全施工，有必要对一些设计、施工的关键技术进行研究。 随着大跨径桥梁的发展，钢箱梁已被大量使用，然而，实践证明，大跨径钢箱梁桥面铺装非常容易出现损毁，如果损毁后的桥面铺装没有得到及时的
4、修补，极有可能导致钢箱梁的锈蚀，从而导致安全隐患。钢箱梁桥面铺装易损毁问题在国内外还没有得到圆满解决。三峡库区蓄水后，库区周边的地形变化大，风环境也因此而改变，这些复杂风环境对大跨度柔性悬索桥的影响显著吗?桥梁能安全运营吗？是否会出现恶劣的风环境需要关闭交通？大跨度的悬索桥造价高，如何才能以安全适用、经济合理为出发点，多层次、全方位地提高全桥的耐久性和使用寿命？这一系列的问题都需要我们去深入的研究，研究的结果不仅是资料的积累，同时为后续同类桥梁的建设奠定设计、施工关键技术基础。 综上所述，项目的实施对三峡库区的重庆乃至其它地区大跨度悬索桥的建设都具有非常重要的指导意义，其经济效益和社会效益是非
5、常显著的，在实现“畅通重庆”的同时，从桥梁建设层面实现“平安重庆”！ 2. 项目总体目标 本研究以已立项的青草背长江大桥为依托工程，以在三峡库区建立结构合理、经济、适用安全的大跨度悬索桥为研究目标，以动、静力理论以及试验为指导，形成经济合理的设计、施工技术。针对三峡库区的复杂地形条件，寻找适用于三峡库区的锚碇形式并进行优化设计；研究高水平且具有特色的锚碇混凝土配制及关键施工工艺；探索钢箱梁新的制作工艺和新的架设方法；提供车-桥-风耦合作用下桥梁的安全性和舒适性评价指标及其确定方法，对青草背长江大桥的安全性和舒适性进行系统的评价；对依托工程的吊杆锚固系统进行安全性能评估；使钢桥面铺装无损使用寿命
6、得到较大的提高，实现真正意义 上的长寿命钢桥面铺装。无损使用期间，几乎不需要对钢桥面铺装进行处治，节省了大量的资金，体现出显著的经济效益。项目成果必将为三峡库区带来巨大的经济效益和良好的社会效益。 3. 研究内容及关键技术； 专题一（设计）：锚碇形式及优化选型研究 锚碇是悬索桥中的关键受力构件，且造价高，不同的地质条件适用于不同的锚碇形式，对于特定的地质地形条件，应该设计出特定的锚碇，这不仅仅会节省大量的建设费用，还会缩短工期，甚至可以增强锚碇的安全性，因此，优化合理的锚碇结构形式势必会节省造价且受力更合理，因此，对锚碇结构的优化选型进行研究不仅具有较高的经济实用价值，还会带来极大的社会效益。
7、基于上述考虑，该专题的主要研究内容包括： （1）三峡库区合理的锚碇形式的选择，目前常用的锚碇形式主要有重力式锚碇、岩锚、隧道式锚碇，各锚固方式拥有自己的优点和缺点，通过该项目的研究，找出其经济和安全的平衡点，在确保安全的基础上尽量降低造价。 （2）确定锚碇形式后，对锚碇的构造形式进行优化。优化结构时，需综合考虑安全、合理、经济等因素。对优化后的锚碇形成合理的评价体系，对合理的锚碇构造进行论证和推广。 专题二（施工）：锚碇大体积混凝土配制及关键施工技术研究 锚碇属大体积混凝土结构，其造价在全桥总造价中的比重极高，锚碇是悬索桥结构中的关键受力构件之一，可谓是悬索桥的生命之源，它的受力性能直接影响全
8、桥的安全。大量的研究实例表明，如果悬索 桥锚碇混凝土配制不当，则浇筑过程中容易产生大量的水化热，致使内外温差过大，从而引起锚碇混凝土的开裂。对于重力式锚碇而言，裂缝直接影响桥梁的使用寿命，因为土壤当中的水分会进入出现裂缝的锚碇中，引起锚碇内部钢筋的锈蚀，从而使裂缝进一步扩展，致使更多的钢筋出现锈蚀，最终引起锚碇混凝土的破坏，毫无疑问，破坏后的锚碇是无法承受主缆拉力的，必然导致桥梁结构的损毁。为了避免上述安全事故的出现或者说提高锚碇的使用寿命，应该使用合理的配比并且加入高性能的外加剂，才能在浇筑过程中产生最小量的水化热并且具有良好的抗渗性能，配合适当的施工控制技术，则可大大减少甚至是杜绝裂缝的产
9、生。 该专题的主要研究内容包括： （1）锚碇施工过程、成桥运营受力仿真分析； （2）锚碇混凝土配比及外加剂性能研究，增强锚碇的抗渗性能，降低施工过程中的水化热，从根上控制裂缝的形成； （3）研究锚碇温度控制措施，确定锚碇温控施工关键技术； （4）研究锚碇平面分段，竖向分带原则，形成锚碇合理分层分块的关键施工工艺； （5）提出合理的养护方案，实现多步骤、全方位的裂缝控制技术； （6）形成成套的锚碇大体积混凝土配制方法及关键施工技术，提高锚碇的使用寿命，为三峡库区悬索桥锚碇的施工奠定基础。 专题三（设计、施工）：加劲梁制作及架设新工艺研究 钢箱梁制作复杂，焊接难度大，不合理的制作工艺不仅会增加钢箱
10、梁的残余应力，还会引起钢板的局部过大变形，因此有必要对加劲 梁的制作工艺展开研究： （1）加劲梁钢板切割工艺研究。 （2）加劲梁定位、拼装工艺研究 （3）加劲梁焊接工艺研究。 悬索桥加劲梁的吊装主要采用的方法是待主缆假设完成后，在主缆上安装跨缆架梁吊机，其优点是架设方便，但其造价极高。桥梁施工的方法具有多样性，往往不同的施工方法都可达到相同的目的，只是经济性的差异而已。因不同地区的地形差异极大，也就决定了不同地区修建的相同类型的桥梁时可以采用不同的方法。三峡库区的地形有其自身的特点，结合地形和当地的社会环境选择合理的施工方法极其重要，我们可以借用其它桥梁常用的施工方法而形成具有自己特色并且经济
11、合理的施工方法。例如，目前拱桥施工中的缆索吊装技术已经非常成熟，从理论上说可以通过改进拱桥施工所使用的缆索吊装技术，将其引入大跨度悬索桥的施工，这需要从理论上对比两套施工体系的经济合理性，可择优选用。本专题的主要研究内容包括： （1）调研并对比桥梁中常用的施工方法，总结各施工方法的特点，为形成加劲梁架设合理的方案奠定基础； （2）调研国内外已建大跨度悬索桥所使用的施工方法，总结出各方法的优缺点及适用的具体条件； （3）在（1）、（2）的基础上，借用（1）的长处，改进（2）中的短处，形成合理经济的施工方案，为三峡库区的大跨度悬索桥的修建奠定施工技术基础。 专题四（设计、施工）： 基于风-车-桥耦
12、合振动理论的柔性悬索 桥行车安全性与舒适性研究 桥面车辆通过大跨度柔性悬索桥时，由于路面粗糙度和车辆行车速度效应的激励下，车辆与桥梁会产生耦合的振动响应；当车辆与桥梁位于强风环境中时，侧向风会使车辆受到横向力和倾覆力矩的作用，从而显著改变车辆的振动特性，柔性桥梁受风的脉动成分的影响，也将产生风致桥梁振动，这三种振动模式的叠加及耦合效应将会大幅强化桥梁与车辆的振动响应，其响应幅值随着风速的增大成非线性增大的趋势。因此，在一定的风速作用下，桥上行驶车辆的安全性及舒适性必将恶化以至于发生事故，如图1所示。 图1 广东虎门大桥风致行车安全事故 在风荷载的作用下，行驶在振动桥梁上的车辆的安全性和舒适性研
13、究不仅是一个科学问题，同时关于强风作用下关闭交通的临界风速标准的确定更是一个影响广泛的社会问题。如果发生桥梁上大风所导致的行车事故，不仅仅会因车辆破坏、桥梁损毁、人员伤亡、交通中断、货物人员滞留等带来直接和间接的经济损失，还会影响受众的心理，让其出行时另择他路，甚至还会带来极为不良的社会影响。为了减少大风天气下的交通事故，有关部门已经采取了一些措施，如制定大风天气下的车辆行驶限制车速，以及在自然风达到一定风速等级时关闭交通。目前，车辆行驶的车速限制也好，关闭交通措施也罢，相关指标的确定和决策都缺少量化的数据支撑。如果限制车辆行驶的风 速标准制定的过高，就会让车辆在本已不安全的大风环境中行驶，必
14、然会增加行车安全事故发生的几率；反之，过低的限制车辆行驶风速标准，势必又会影响桥梁的通行效率，过多地关闭交通无疑将会造成极大的经济损失，并带来不良的社会影响。故而，通过大风所致车桥系统的动力响应研究，对大风天气下桥梁封闭、关闭交通临界风速的合理评定是至关重要的。 2010年5月，重庆垫江和梁平地区发生飓风自然灾害，瞬时风速达到30m/s，青草背长江大桥临近该风灾区，存在遭遇飓风袭击的可能。为了预测强风天气下行驶在青草背长江大桥上的车辆响应，确定关闭交通临界风速的限值，必须建立风汽车桥梁系统的耦合振动分析模型，开展专门的研究。 从设计的角度而言，风汽车桥梁系统的空间耦合振动分析可以评价主梁刚度取
15、值的合理性，并确定合理刚度的取值范围；从养护的角度而言，耦合振动分析的位移和应力等数据可以作为实测检查的参考；从管理的角度而言，耦合振动分析确定的关闭交通临街风速可以作为强风天气下封闭桥梁的重要参考。总体上看，针对三峡库区最大跨径的悬索桥，开展风汽车桥梁系统的空间耦合振动研究具有十分重要的工程实用价值和指导意义。 大跨度柔性悬索桥在风荷载与车辆荷载共同作用下的振动性能分析可以从下述四个方面进行： （1）建立大跨度悬索桥与车辆在风场中的耦合动力学分析模型； （2）建立良态气候和飓风气候下的数值高仿风场模型； （3）评价大跨度悬索桥在车辆和风荷载共同作用下的振动性能； （4）评价大跨度悬索桥上行驶车辆在风场中的运行安全性及行车 舒适性； （5）强风环境下关闭交通的临界风速的确定。 专题五（设计）：吊杆锚固系统力学性能试验研究及安全性能评估 吊杆锚固系统是主缆和加劲梁之间的关键传力构件，其力学性能直接关系全桥的安全，而吊杆锚固系统的受力又极其复杂，特别是在车辆、风荷载等作用下，容易出现疲劳破坏，吊杆锚固系统的破损往往是疲劳和腐蚀共同作用的结果,在反复高应力的作用下，吊杆锚固系统的疲劳为腐蚀创造
