CN109972494B - 一种节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥设计与施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥设计与施工方法，包括以下步骤：(1)浇筑桥塔、桥墩，搭设满堂支架和临时墩，将主梁架设至满堂支架上；(2)加工主梁节段及两侧的铰接构造；(3)架设各主梁节段至临时墩上，连接各主梁节段两侧的铰接构造；(4)架设主缆，张拉位于各主梁节段的吊杆，当铰接构造的转角差值调整至零，停止张拉吊杆；(5)将相邻主梁焊接为整体，完成后续悬索桥施工步骤。经过本发明的施工步骤，可以有效地解决自锚式悬索桥大节段吊装施工难以达到合理成桥状态的难题，进一步提升大跨度、有临时通航要求的自锚式悬索桥的竞争力。

Description

一种节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥设计与施工方法

技术领域

本发明属于桥梁设计与施工技术领域，具体涉及一种节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥设计与施工方法。

背景技术

自锚式悬索桥与地锚式悬索桥的最大区别在于，地锚式悬索桥的主缆锚固于大地上，而自锚式悬索桥的主缆锚固于主梁上，由主梁承担主缆传递来的巨大水平分力。地锚式悬索桥的施工方法较为简单：先架设主缆，将主缆通过锚锭锚固于大地上，再将主梁节段逐一吊装至设计位置，此过程中，主缆内力均由锚锭承担。自锚式悬索桥由于没有锚锭构造，因而需要将主缆锚固于主梁上，由主梁来承担主缆的水平分力，此为成桥状态时的自锚式悬索桥受力状态。但在施工过程中，对于节段拼装架设的主梁来说，主梁在未形成整体前无法承受强大的主缆水平分力。因此如何在施工过程中让主梁承担主缆锚固力成为自锚式悬索桥设计和施工的重难点。

目前自锚式悬索桥施工方法主要有两种：先缆后梁和先梁后缆。先缆后梁是通过预先设置临时措施，来承担施工过程中主缆传递来的水平分力，在主梁形成整体后，将临时措施锚固力传递至主梁；先梁后缆则是先将主梁形成整体并可以承受水平分力，然后进行主缆架设、吊杆张拉等施工。

先缆后梁的施工过程与地锚式悬索桥相似，在施工过程中，设置一些临时构件，其作用是承担主梁吊装过程中主缆传递的锚固力。随着主梁吊装的进行，主缆的内力也随之增大，因此临时构件的结构设计取决于吊装最后一块主梁时的主缆内力。由此可见，先缆后梁的自锚式悬索桥的跨度大小取决于临时构件的强度和刚度值。若要实现较大跨度的自锚式悬索桥施工，则需要价格昂贵且复杂的临时构件，往往得不偿失。

公开号为CN106149569A、CN204418031U和CN104652285A的中国专利提出采用塔-梁临时锚固装置，通过该临时锚固装置来承担施工过程中的主缆水平分力；但随着自锚式悬索桥的跨度不断加大，主缆的水平分力也在不断加大，主梁和墩塔之间的临时固结以及墩塔自身的抗推刚度限制了自锚式悬索桥跨度的进一步加大。

先梁后缆是目前自锚式悬索桥较为常用的施工方法之一，相比于先缆后梁的施工方法，该方法因无需复杂昂贵的施工临时措施而备受推崇。先梁后缆通常采用支架法施工：在全桥范围内搭设满堂支架，在支架上架设主梁并将主梁焊接成整体，随后进行主缆锚固施工及吊杆张拉。对于跨度较小、桥下无临时通航要求且河床深度较小的自锚式悬索桥，支架法施工较为经济且操作简便；但对于跨度较大且跨越河床较深，或者有桥下临时通航要求的自锚式悬索桥，支架施工的经济成本陡然增加，尤其对于桥下有临时通航要求的桥址，支架法施工已不再适用。

进而，先梁后缆衍生出不设置满堂支架的主梁架设方法，例如斜拉扣挂法、顶推施工、大节段施工等。

斜拉扣挂法是东苕溪大桥提出的一种较为新颖的施工方法，其公开的专利号为CN107059637A和CN106149569A，这些专利提出了采用临时钢塔和临时斜拉索的方法进行悬臂拼装主梁节段，施工中由临时钢塔和临时斜拉索先承受主梁自重力，待主梁形成整体后进行吊索张拉施工，实现体系转换；为了充分利用临时斜拉索的拉索力，该施工方法往往需要较高的临时钢塔，从而导致钢塔纵向刚度较小，对主梁节段定位和监控带来困难；随着跨度的加大，临时钢塔可能比永久桥塔造价更高。

大节段施工因其施工便利、造价相较于其余几类低等优点受到关注。大节段吊装施工，是在主通航孔设置若干个临时墩，通过大型机械设备将主梁节段吊装至临时墩上，由于通航要求限制，此时的主梁节段往往有几十米甚至上百米长，因此将其称为大节段主梁。大节段主梁架设后，因其自重影响，将发生自重变形，在各节段内预存了初始内力和初始位移值(称之为初始状态)，若不消除初始状态的影响，将导致施工结束后无法回到合理成桥状态。目前大节段施工的自锚式悬索桥，均存在这个问题。

公开号为CN108505443A的中国专利提出了采用顶升-焊接-回落的施工步骤，来解决初始状态的影响，即通过顶升主梁节段，使得相邻节段间的相对位移调零，焊接成整体后回落节段，按此循环，则将主梁初始状态消除；但是随着大节段的跨度增加，顶升量也相应增加，往往因千斤顶的行程不够而改用其他施工方法。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥设计与施工方法，能够在施工完成后达到合理成桥状态。

一种节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥施工方法，包括如下步骤：

(1)施工桥塔、桥墩以及A区域主梁，其中A区域为满堂支架施工区域；

(2)将B区域主梁划分成N个节段，其中N是大于0的自然数，B区域为主梁节段吊装施工区域；按照加工线形加工主梁节段，同时加工主梁节段两端的铰接构造；

(3)将各主梁节段架设至B区域临时墩上，使相邻主梁节段通过所述铰接构造连接，同时使B区域两端的主梁节段与A区域主梁通过铰接构造连接；

(4)在桥塔上架设主缆并施工主缆与主梁的锚固构造，张拉主缆与各主梁节段之间的吊杆，实时监控各铰接构造的转角差值，当转角差值调整至零后停止张拉吊杆；

(5)将各铰接构造处的相邻主梁节段焊接为整体，使得各铰接构造处转变为刚性连接，并完成后续悬索桥施工步骤。

进一步地，所述A区域位于桥梁两侧，B区域则位于桥梁中间。

进一步地，所述步骤(1)中施工的桥墩包括临时墩、辅助墩和过渡墩，辅助墩位于桥塔与过渡墩之间，临时墩位于B区域内。

进一步地，所述步骤(1)中对于A区域主梁的施工，则先在A区域内搭设满堂支架，按加工线形加工A区域主梁，同时加工其与B区域主梁相接的铰接构造，进而将A区域主梁架设至满堂支架上并焊接形成整体，在B区域内搭设临时墩。

进一步地，所述铰接构造为一种传递轴力和剪力，但不传递弯矩的构造。

进一步地，所述加工线形是在成桥线形基础上考虑主梁压缩量后的线形。

进一步地，所述A区域和B区域根据是否需要进行主梁节段吊装施工划分，A区域覆盖范围大于等于零，B区域覆盖范围大于零。

进一步地，所述步骤(3)中当完成主梁节段架设施工后，在自重作用下各主梁节段发生下挠，使得各铰接构造存在转角差值；对于任一铰接构造，相邻主梁节段通过该铰接构造相接，其中一主梁节段与水平线的夹角为θ1，另一主梁节段与水平线的夹角为θ2，则该铰接构造的转角差值＝|θ1-θ2|；在转变为刚性连接前实时监控各铰接构造的转角差值，转角差值一方面通过有限元软件仿真分析获得，另一方面则通过现场传感器测量获得，以实现双控。

进一步地，所述A区域的满堂支架架设线形为成桥后主梁线形扣除主梁结构高度和铺装层厚度，B区域临时墩的墩顶架设高程为临时墩处成桥后主梁标高扣除主梁结构高度和铺装层厚度。

进一步地，所述主梁加工线形按成桥后主梁线形+主梁压缩量考虑。

本发明中主梁架设后的初始位移状态为节段之间有一定的转角差值且各节段存在竖向挠度，初始内力状态为节段自重作用下的带铰多跨简支梁内力分布；张拉位于各主梁节段的吊杆，是为了将相邻节段之间的转角差值调零，此时节段内力分布和位移形状与多点支承的连续梁一致，两者不同的地方在于：前者节段间为铰接，后者主梁为一个整体。因此，将此时的节段之间连接形式改为刚性连接，该状态即与一次落架的多点支承连续梁完全一致，进行后续的张拉吊杆施工，即可回到合理成桥状态。

本发明适用于独塔、双塔或更多塔的结构形式，具有设计思路简明、临时措施少且便于监控等优点；与传统支架法施工相比，避免了全区域满堂支架的搭设，通过搭设若干个临时墩即可进行主梁吊装施工，不再中断施工期间桥下的通航；与先缆后梁施工相比，则避免了复杂昂贵的临时锚锭等措施。本发明可以进一步提升大跨度自锚式悬索桥的竞争力，有利于推广自锚式悬索桥在具有临时通航要求的桥址处的使用。

附图说明

图1为本发明节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥结构示意图。

图2为本发明节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥施工步骤一后的结构示意图。

图3为本发明节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥的节段划分示意图。

图4为本发明实施例中大节段间铰连接构造示意图。

图5为大节段吊装后多跨简支梁体系受到自重作用的位形示意图。

图6为本发明中铰接构造的转角示意图。

图7为本发明节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥施工步骤四后的结构示意图。

图8为多点支承的连续梁线形示意图。

其中：1—桥塔，2—主梁，21～24—主梁节段，31—主缆，32—吊杆，41—辅助墩，42—过渡墩，5—满堂支架，6—临时墩，71～75—铰接构造，81—满堂支架施工区域(A区域)，82—大节段吊装施工区域(B区域)。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图1是一座双塔五跨自锚式悬索桥的合理成桥状态，该状态规定了各构件在施工结束后的一系列的状态，例如：吊杆32的内力、主缆31的线形、主梁2线形等。根据无应力状态理论，对于自锚式悬索桥，只要确定了各构件的无应力状态，就能得到合理成桥状态；各构件的无应力状态主要包括：缆吊系统的无应力索长、主梁2的无应力线形、主塔1的初始标高等等。对于缆吊系统，由于其仅受轴力作用，其无应力状态为缆吊系统的下料长度；对于主梁2，其受到弯矩和轴力作用，精确来讲，主梁2无应力状态应为在成桥线形基础上，吊杆32间上挠，并考虑一定的压缩变形后的位形，一般讲自锚式悬索桥的主梁2弯矩相对于轴力较小，因此其无应力状态即为成桥线形基础上考虑一定压缩量后的线形；对于主塔1，由于其仅受竖向力作用，其无应力状态为不考虑竖向压缩量的主塔1结构位形。

对于满堂支架法的自锚式悬索桥，主塔1和缆吊系统的无应力状态能较容易地找到，主梁2的无应力线形(加工线形)可根据上述分析得到，主梁2的架设线形即无应力线形，因为将主梁节段架设至满堂支架上后，主梁2自重由支架承担，其本身不承担自重作用。但是对于大节段吊装的主梁2，采用无应力线形加工主梁2并吊装至临时墩6上后，由于大节段架设后处于有应力状态(自重作用下)，此时将大节段焊接成整体，其状态将与主梁2的无应力状态不一致，进行后续的施工将得不到合理成桥状态。经过本发明的施工步骤后，通过调整主梁2状态至无应力状态，即可达到自锚式悬索桥的合理成桥状态，具体步骤如下：

步骤一：施工桥塔1、桥墩(辅助墩41、过渡墩42、临时墩6)以及A区域81主梁2，其中A区域81为满堂支架5施工区域，如图2所示。

一座典型的自锚式悬索桥，在布跨上一般布置主跨和边跨。自锚式悬索桥由于主缆31锚固于主梁2上，主缆31内力分解为水平分力和竖向分力，可知，主缆31水平分力由主梁2承担，而竖向分力则需通过锚固段的自重来承担。当悬索桥跨度较大时，为了平衡该竖向分力，往往会将边跨再往两端延伸一部分，形成锚跨这一天然配重，达到平衡主缆31竖向分力的效果。此时，边跨与锚跨间的桥墩被称为辅助墩41，锚跨与引桥间的桥墩被称为过渡墩42。

一般讲，自锚式悬索桥在主跨范围内可能会有施工期间临时通航的要求，为了保证桥下通航的净空和净宽，主跨范围内采用大节段吊装施工，因此需要在此处先搭设临时墩6，以便于后续大节段吊装施工。临时墩6的间距，及大节段主梁的长度由通航净宽决定，由于自锚式悬索桥桥下通航等级一般较高，对大节段主梁长度提出了一定要求，因此，在考虑了大型机械设备的起吊能力、大节段主梁在自重作用下的承载能力以及通航要求等因素下，综合比选出经济合理的大节段主梁长度，本实施例中，主通航的主梁节段长度为93m。需要指出的是，由于节段长度较长，主梁节段21～24在自重作用下产生较大的跨中挠度，应验算此时主梁2是否侵占桥下通航净空。对于边跨和锚跨无临时通航要求的情况下，并且有搭设满堂支架5的条件，为节省工程造价，可在这些区域采用支架法施工，该区域主梁2的架设和焊接等施工步骤与支架法施工的自锚式悬索桥无二，支架架设线形可按照成桥后线形并考虑一定的压缩量来确定。

自锚式悬索桥主梁2的加工线形即为主梁2的无应力线形，因为工厂对各板件加工时，均处于不受力状态。根据前述分析，自锚式悬索桥主梁2的加工线形为成桥后主梁2线形考虑压缩量后的线形。事实上，对于本实施例，主梁2压缩量仅在主缆31锚固点内侧(边跨和主跨)产生，对于锚跨主梁2不存在压缩。对于本发明，在对支架区域81的主梁2按照加工线形加工时，要预先加工该区域主梁2的铰接构造71/75，以便于后续和大节段吊装区域82的主梁2相连。

步骤二：将B区域82主梁2划分成N个节段(本实施例中，划分为四个节段21～24)，其中N是大于0的自然数，B区域82为主梁节段21～24吊装施工区域；按照加工线形加工主梁节段21～24，同时加工主梁节段两端的铰接构造71～75，如图3所示。

由步骤一及前述无应力原理可知，在B区域82的主梁2的加工线形只需要在成桥后线形的基础上考虑压缩量即可。为实现本发明的施工操作，最关键的构造是节段21～24两侧的铰接构造71～75。根据先梁后缆施工方法，主梁2在施工过程中要承受主缆的水平分力，这一铰接构造71～75的作用，是为了在施工过程中，传递主缆31的水平分力，同时为了施工安全考虑，限制竖向剪力方向的位移。因此，该铰接构造71～75的特点是：可以传递轴力和剪力，但不传递弯矩。事实上，若施工操作得当，现场严密监控，并经过计算确认，在保证施工过程中相邻节段间有可靠的竖向限位装置，铰接构造71～75的竖向剪力也无需限制。从原理上看，仅传递轴力的铰接构造71～75即可满足本发明的要求，但是为了安全起见，本发明提出了同时限制轴力和剪力方向位移。因此，若仅改变铰接构造71～75的约束条件而不改变本发明原理的自锚式悬索桥施工方法，均属于保护范围内。

与常规的先梁后缆不同的是：本发明在传递主缆31水平分力的过程中，主梁2并没有完全形成整体，相邻梁段间弯矩在铰接处被释放。图4为本实例给出的一种铰接构造，这一类铰接构造类似于竖向放置的摇轴支座，节段制作时，应注意制作端部铰接构造，待节段架设至临时墩6上后，插入销轴进行节段间的连接。当然，也可采用其他形式的铰接构造，例如将活动支座放置在节段间等，任何改变本铰接构造形式但原理一致的其他构造均在本发明的保护范围之内。

步骤三：将各主梁节段21～24架设至B区域82临时墩6上，使相邻主梁节段21～24通过所述铰接构造71～75连接，同时使B区域82两端的主梁节段21/24与A区域81主梁2通过铰接构造71/75连接。

主梁节段21～24架设至临时墩6上后，在自重作用下各节段21～24发生下挠，其下挠的内力状态和位移形状为简支梁体系，随后连接各节段21～24间的铰接构造72～74，针对本实施例的铰接构造4，则在架设节段发生自重变形后，插入销轴，因此在设计销轴时，应考虑由于自重作用下，节段两侧铰接位置的改变导致销轴无法插入的影响。为了在全梁范围传递主缆31水平分力，还需要连接A区域81和B区域82主梁间的铰接构造71/75，此时自锚式悬索桥B区域82主梁位移形状如图5所示。在自重作用下，各铰接构造71～75处存在转角差值，如图6所示，该转角差值可通过有限元软件轻易获得，同时通过现场传感器测得该值，以实现双控。

步骤四：在桥塔1上架设主缆31并施工主缆31与主梁2的锚固构造，张拉主缆31与各主梁节段21～24之间的吊杆32，实时监控各铰接构造71～75的转角差值，当转角差值调整至零后停止张拉吊杆32，如图7所示。

在桥塔1上架设主缆31并施工主缆31与主梁2的锚固构造是自锚式悬索桥的常规施工步骤。随着张拉各节段间的吊杆32，节段21～24的挠度不断减小，且各节段21～24端部的转角值也逐渐减小。当节段21～24间吊杆力32等于节段自重时，节段21～24处于支座脱空状态，由于吊杆32处于节段21～24跨中位置，节段两侧属于悬臂受力模式，此时的节段21～24位移形状应为跨中上挠、端部下挠，节段两侧的转角应与简支梁体系时节段两侧转角方向相反。因此，总是存在一组吊杆32力，使得节段两侧的转角差值为零，亦即将各节段铰接连接71～75处的状态调整至节段加工时状态。可知，为了使铰接构造71～75转角差更快的调零，需要让节段间最外侧吊杆32与铰接点的距离(即悬臂距离)尽量长，因此要实现本发明的自锚式悬索桥施工方法，最优的解决方案是仅张拉节段21～24中间几根吊杆32，位于节段21～24两侧的吊杆32则在铰接变刚接后进行张拉。

对于连续梁，在发生任意位移时，任一截面的转角差值均为零。因此，步骤四的作用，是为了将带铰多跨简支梁体系的内力状态和位移分布调整至多跨连续梁体系一致，如图8所示。此时可通过改变铰接连接71～75为刚接连接，将多跨带铰简支梁转变为多跨连续梁。假设采用支架法施工，架设于支架上的主梁处于无应力状态，即主梁不受力，若将此时主梁的边界条件调整为多跨连续梁(相当于一次落架施工)，则主梁受到自重作用，其位移形状和内力分布为多跨连续梁模式。上述假设的主梁的第二种状态，可以在不改变主梁本身结构条件下逆回到无应力状态。可以证明，经过步骤四的作用，可以将主梁2的位形和内力分布调整为一次落架后多跨连续梁的状态。

由无应力状态理论可知，假设去掉主梁2受到的所有作用以及边界条件，此时对应的应是主梁2的无应力状态，而该无应力状态的线形与加工线形应是一致。因此，通过步骤四的操作，实际上已经把主梁2的无应力状态调整至预期目标，而此时带铰多跨简支梁体系和多跨连续梁体系的内力状态和位移分布已一致。

步骤五：将各铰接构造71～75处的相邻主梁节段21～24焊接为整体，使得各铰接构造71～75处转变为刚性连接，并完成后续悬索桥施工步骤。

步骤四已经阐明了本施工方法的原理，经过步骤四的操作后，只需通过将铰接构造71～75转变为刚接构造即可，在不考虑焊接残余应力等因素，这一连接形式的改变并不会改变主梁2的位移形状和内力分布。后续悬索桥施工包括：剩余吊杆32力的张拉、主索鞍的顶推、施工二期恒载、二次调索等。

上述对实例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种节段间带铰的大节段吊装自锚式悬索桥施工方法，包括如下步骤：

（1）施工桥塔、桥墩以及A区域主梁，其中A区域为满堂支架施工区域，施工的桥墩包括临时墩、辅助墩和过渡墩，辅助墩位于桥塔与过渡墩之间，临时墩位于B区域内，A区域位于桥梁两侧，B区域则位于桥梁中间；

对于A区域主梁的施工，则先在A区域内搭设满堂支架，按加工线形加工A区域主梁，同时加工其与B区域主梁相接的铰接构造，进而将A区域主梁架设至满堂支架上并焊接形成整体，在B区域内搭设临时墩；所述铰接构造为一种传递轴力和剪力，但不传递弯矩的构造；所述加工线形是在成桥线形基础上考虑主梁压缩量后的线形；

A区域的满堂支架架设线形为成桥后主梁线形扣除主梁结构高度和铺装层厚度，B区域临时墩的墩顶架设高程为临时墩处成桥后主梁标高扣除主梁结构高度和铺装层厚度；

（2）将B区域主梁划分成N个节段，其中N是大于0的自然数，B区域为主梁节段吊装施工区域；按照加工线形加工主梁节段，同时加工主梁节段两端的铰接构造；A区域和B区域根据是否需要进行主梁节段吊装施工划分，A区域覆盖范围大于零，B区域覆盖范围大于零；

（3）将各主梁节段架设至B区域临时墩上，使相邻主梁节段通过所述铰接构造连接，同时使B区域两端的主梁节段与A区域主梁通过铰接构造连接；

当完成主梁节段架设施工后，在自重作用下各主梁节段发生下挠，使得各铰接构造存在转角差值；对于任一铰接构造，相邻主梁节段通过该铰接构造相接，其中一主梁节段与水平线的夹角为θ1，另一主梁节段与水平线的夹角为θ2，则该铰接构造的转角差值=|θ1-θ2|；在转变为刚性连接前实时监控各铰接构造的转角差值，转角差值一方面通过有限元软件仿真分析获得，另一方面则通过现场传感器测量获得，以实现双控；

（4）在桥塔上架设主缆并施工主缆与主梁的锚固构造，张拉主缆与各主梁节段之间的吊杆，实时监控各铰接构造的转角差值，当转角差值调整至零后停止张拉吊杆；

（5）将各铰接构造处的相邻主梁节段焊接为整体，使得各铰接构造处转变为刚性连接，并完成后续悬索桥施工步骤。

2.根据权利要求1所述的大节段吊装自锚式悬索桥施工方法，其特征在于：所述主梁加工线形按成桥后主梁线形+主梁压缩量考虑。

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