CN114781026A - 一种独斜塔斜拉桥施工控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种独斜塔斜拉桥施工控制方法，在施工过程中采用支撑主动顶推力、斜拉索张拉力和主梁配重多重控制手段。基于有限元模型，以结构施工过程应力安全余量最大为原则，并考虑减少施工的复杂程度，得到最优顶推力、拉索张拉力及主梁配重方案。施工控制方法步骤如下：建立全桥精细化施工过程有限元模型，在模型中准确模拟出支撑顶推力、拉索张拉力及主梁配重对结构施工应力影响；在模型中通过敏感性分析得到最优顶推力、拉索张拉力及主梁配重最佳组合方案。本发明的有益效果是：降低了斜塔施工难度，结合有限元方法采用多重控制手段来更加准确地控制施工过程中斜塔应力及线形，保证结构施工过程安全性。

Description

一种独斜塔斜拉桥施工控制方法

技术领域

本发明属于建筑技术领域，具体涉及一种独斜塔斜拉桥施工控制方法。

背景技术

斜拉桥是一种高次超静定的组合体系桥梁，其上部结构由主梁、斜拉索、桥塔三部分构成；与其他体系桥梁所不同的是，斜拉桥可以通过调整斜拉索索力来改变主梁和主塔受力状态和线形。人们对桥梁外形的追求越来越高，具有艺术感的桥梁更能得到人们的认同和青眯，桥梁工程师设计出了独斜塔斜拉桥，它不仅继承了普通斜拉桥桥体轻盈，线条流畅的特点，而且倾斜的斜塔更给人带来了不对称的美感和强大的视觉冲击力。但与此同时，桥塔倾斜给斜拉桥施工过程造成了巨大的困难，此类桥梁施工难度越来越高。

独斜塔与双塔或多塔斜拉桥相比，独斜塔斜拉桥跨径要小很多，而这种比较新颖的结构体系相对于常规的直塔斜拉桥而言是结构体系的突破，斜塔体系的索塔是整个结构体系的关键构件，它的设计构思本质上是利用倾斜索塔的自重来代替部分边跨拉索的作用。目前斜塔施工可采用自平衡施工法，即在施工过程中依靠斜塔自身的强度承受各种荷载的方法，同时超高钢管脚手架仅作为施工平台，不承受斜塔自重。但这种方法要求桥塔自身具有很高的承载能力，桥塔成本较高。除此之外，斜塔施工也可采用在斜塔倾斜一侧安装临时支撑结构，以抵抗斜塔重力在桥塔根部处产生的倾覆力矩。临时支撑对斜塔变形起到约束作用，对斜塔产生一个约束力，被动地消除后续施工对斜塔产生的不利弯矩，这种方法不能完全消除临时支撑设置前施工产生的不利影响，在成桥阶段临时支撑拆除后桥塔根部处仍然有残余应力存在。同时，随着塔柱施工节段不断升高，自重荷载不断增加，被动临时支撑所能提供的支撑力往往不够，因此往往就需要设置很多道临时支撑来保证桥塔应力安全，这样既增加了钢材的用量，又需要更多的人力和工时。

发明内容

本发明的目的在于克服现有独斜塔斜拉桥施工中斜塔施工难度大，斜塔应力及线性难以控制的问题。提出采用支撑主动顶推力、斜拉索张力及主梁配重多重控制手段的施工控制方法，包括如下步骤：

步骤1、建立有限元模型：根据拟施工独斜塔斜拉桥的信息,采用Midas/Civil有限元分析软件建立全桥精细化的施工过程模型；其中主梁、主墩及桥塔采用空间梁单元模拟，斜拉索采用只受拉桁架单元模拟；桥塔背向支撑上支点与桥塔间通过钢臂弹性连接，支撑下支点与地面固结；支撑主动顶推力通过千斤顶添加，千斤顶采用桁架单元模拟；主梁配重通过均布荷载方式添加；

步骤2、确定最优顶推力方案：通过模型进行支撑主动顶推力敏感性分析，主要包括顶推力高度位置、顶推力角度和顶推力大小；

步骤21、改变支撑主动顶推力高度，保持其他参数不变，研究在不同顶推力高度下桥塔施工阶段最大应力的变化规律；

步骤22、改变支撑主动顶推力角度，角度通过三角架控制，保持其他参数不变，研究在不同顶推力角度下桥塔施工阶段最大应力的变化规律；

步骤23、改变支撑主动顶推力大小，保持其他参数不变，研究在不同顶推力大小下桥塔施工阶段最大应力的变化规律；

步骤24、根据步骤21至步骤23的规律确定最优顶推力方案使得桥塔施工阶段应力安全余量最大；

步骤3、确定最优斜拉索张拉力：在建立的全桥有限元模型中，通过对施工过程中桥塔和主梁关键截面的应力和位移控制，改变斜拉索张拉力，保持其他参数不变，研究在不同斜拉索张力下桥塔及主梁施工阶段应力变化规律，以此确定最优斜拉索张力使得桥塔及主梁施工阶段应力安全余量最大；

步骤4、确定最优主梁配重方案：通过模型进行主梁配重敏感性分析，配重添加在钢主梁节段上，配重通过均布荷载添加，主要包括配重位置和配重大小；改变模型中配重添加钢主梁节段位置，保持配重大小不变，研究在不同配重添加位置下桥塔及主梁施工阶段应力变化规律，以此确定最优配重位置使得桥塔及主梁施工阶段应力安全余量最大；最优配重大小确定方法与上述相同。

本发明一种独斜塔斜拉桥施工控制方法的有益效果是：建立基于独斜塔斜拉桥施工过程风险控制的优化模型，提出采用支撑主动顶推力、斜拉索张力及主梁配重多重控制手段的施工控制方法。以结构在施工过程中应力安全余量最大为原则，并考虑减少施工的复杂程度，通过参数分析和优化设计方法，得到最优的支撑主动顶推力、斜拉索张拉力及主梁配重方案，保证了桥塔在施工过程中的安全性。

附图说明

图1为该发明施工控制方法中示例独斜塔斜拉桥立面布置图。

图2为图1的全桥有限元模型示意图。

图3为图2中桥塔背向支撑图。

图4为图3中背向支撑主动顶推力施加示意图。

图5为图3中背向支撑中三角架示意图。

图6为图2中主梁配重添加示意图。

图7为图1中桥塔施工节段划分图。

图8为图1中桥塔基础施工示意图。

图9为图1中桥塔下塔柱施工示意图。

图10为图1中塔梁结合段施工示意图。

图11为图1中桥塔中塔柱施工示意图。

图12为图3中第一道桥塔背向支撑施工示意图。

图13为图3中第二道桥塔背向支撑施工示意图。

图14为图3中第三道桥塔背向支撑施工示意图。

图15为图1中桥塔上塔柱施工示意图。

图16为图1中1—11#斜拉索张拉示意图。

图17为图1中拆除桥塔支撑示意图。

图18为图1中12—17#斜拉索张拉示意图。

图19为图1中全桥合拢示意图。

具体实施方式

本发明的独斜塔施工控制方法采用支撑主动顶推力、斜拉索张力及主梁配重多重控制手段，结合附图对该方法作进一步的详细描述，具体应用到独塔斜塔斜拉桥施工示例，包括如下步骤：

步骤1、建立全桥有限元模型：根据拟施工独塔斜塔斜拉桥的信息,采用Midas/Civil有限元分析软件建立全桥精细化的施工过程模型。其中主梁、主墩及桥塔采用空间梁单元模拟，斜拉索采用只受拉桁架单元模拟。桥塔背向支撑采用钢管材料，背向支撑上支点与桥塔间通过钢臂弹性连接，支撑下支点与地面固结。支撑主动顶推力通过千斤顶添加，千斤顶采用桁架单元模拟。主梁配重通过均布荷载方式添加。

步骤2、确定最优支撑主动顶推力方案：通过建立的全桥有限元模型进行支撑主动顶推力敏感性分析，主要包括顶推力高度位置、顶推力角度和顶推力大小。(1)改变支撑主动顶推力高度，保持其他参数不变，研究在不同顶推力高度下桥塔施工阶段最大应力的变化规律。(2)改变支撑主动顶推力角度，角度通过三角架控制，保持其他参数不变，研究在不同顶推力角度下桥塔施工阶段最大应力的变化规律。(3)改变支撑主动顶推力大小，保持其他参数不变，研究在不同顶推力大小下桥塔施工阶段最大应力的变化规律。根据以上得到的桥塔应力随顶推力参数变化的规律，确定最优顶推力方案使得桥塔施工阶段应力安全余量最大。

步骤3、确定最优斜拉索张力：在建立的全桥有限元模型中，通过对施工过程中桥塔和主梁关键截面的应力和位移控制，不断改变斜拉索张拉力，保持其他参数不变，研究在不同斜拉索张力下桥塔及主梁施工阶段应力变化规律，以此确定最优斜拉索张力使得桥塔及主梁施工阶段应力安全余量最大。

步骤4、确定最优主梁配重方案：通过建立的全桥有限元模型进行主梁配重敏感性分析，配重添加在钢主梁节段上，主要包括配重位置和配重大小。改变模型中配重添加钢主梁节段位置，保持配重大小不变，研究在不同配重添加位置下桥塔及主梁施工阶段应力变化规律，以此确定最优配重位置使得桥塔及主梁施工阶段应力安全余量最大。最优配重大小确定方法与上述相同。在本例中得到得最优配重位置分别为3#、7#和11#钢主梁节段，配重大小为100kN/m。

步骤5、确定最优拆除支撑时机：在模型中改变桥塔背向支撑拆除时机，其他模型参数保持不变，研究在不同支撑拆除时机下桥塔施工阶段应力变化，以此来确定最优支撑拆除时机使得桥塔施工阶段应力安全余量最大。在本例模型中得到得最优支撑拆除时机为张拉11#斜拉索之后。

步骤6、施工桥塔基础：在塔基础施工过程中适时搭设塔柱施工平台，安装塔式起重机。

步骤7、下塔柱施工：搭设施工支架，绑扎下塔柱钢筋，立模浇筑下塔柱混凝土至4节段。

步骤8、塔梁结合段施工：搭设塔梁结合段主梁满堂支架，对满堂支架进行预压，消除非弹性变形。绑扎塔梁结合段钢筋，立模浇筑塔柱5节段(塔梁结合段)混凝土、养生。待主梁混凝土强度达到90％设计强度等级值且混凝土龄期不小于7天时，张拉塔梁固结处横梁横向预应力、腹板、顶板钢束并锚固、真空辅助压浆。

步骤9、中塔柱施工：绑扎中塔柱钢筋，立模浇筑中塔柱混凝土、养生。提升模板浇筑中塔柱至第8节段，在对应位置设置横向临时支撑。

步骤10、施工第一道支撑：绑扎中塔柱钢筋。立模浇筑中塔柱混凝土、养生。提升模板浇筑中塔柱至桥面以上约25m位置处，在对应位置设置横向临时支撑。提升模板浇筑中塔柱至第10节段，在桥面上19.5m位置设置钢管砼竖向临时斜撑。施加第一道支撑主动顶推力，根据步骤2中得到的最优主动顶推力大小、角度及顶推位置添加。

步骤11、施工第二道支撑：绑扎中塔柱钢筋，立模浇筑中塔柱混凝土、养生。提升模板浇筑中塔柱至桥面以上约36m位置处，在对应位置设置横向临时支撑。提升模板浇筑中塔柱至12节段，在对应合适位置设置钢管砼竖向临时斜撑。施加第二道支撑主动顶推力，根据步骤2中得到的最优主动顶推力大小、角度及顶推位置添加。

步骤12、施工第三道支撑：绑扎中塔柱钢筋，立模浇筑中塔柱混凝土、养生。提升模板浇筑中塔柱至中塔柱顶端17-2节段，在对应位置设置横向临时支撑。提升模板浇筑中塔柱至12节段，在对应合适位置设置钢管混凝土竖向临时斜撑。施加第二道支撑主动顶推力，根据步骤2中得到的最优主动顶推力大小、角度及顶推高度位置添加。

步骤13、施工上塔柱：绑扎上塔柱钢筋，立模分节浇筑上塔柱混凝土、养生。上塔柱施工到第22节段后，拆除中塔柱临时横向支撑。

步骤14、张拉1—11#斜拉索：吊装钢箱节段1#，安装并第一次张拉1#斜拉索；桥面吊机前移就位，第二次张拉1#斜拉索，直至索力到位。按照以上次序依次吊装1—11#钢箱节段、第一次张拉和第二次张拉1—11#斜拉索。张拉完拉索后根据步骤进行主梁配重，配重位置添加在3#、7#和11#钢主梁节段。

步骤15、拆除桥塔背向支撑：根据桥塔背向支撑施工顺序依次拆除，过程中确保桥塔处于应力安全状态。

步骤16、张拉12—17#斜拉索：吊装钢箱节段12#，安装并第一次张拉12#斜拉索；桥面吊机前移就位，第二次张拉12#斜拉索，直至索力到位。按照以上次序依次吊装12—17#钢箱节段、第一次张拉和第二次张拉12—17#斜拉索。

步骤17、全桥合拢：吊装钢箱节段18#，全桥合拢。拆除桥面吊机，安装中塔柱的两道装饰管，拆除塔式起重机。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，同样也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种独斜塔斜拉桥施工控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、建立有限元模型；

步骤2、确定最优顶推力方案；

步骤3、确定最优斜拉索张拉力；

步骤4、确定最优主梁配重方案。

2.根据权利要求1所述的一种独斜塔斜拉桥施工控制方法，其特征在于：步骤1为根据拟施工独斜塔斜拉桥的信息,采用Midas/Civil有限元分析软件建立全桥精细化的施工过程模型；其中主梁、主墩及桥塔采用空间梁单元模拟，斜拉索采用只受拉桁架单元模拟；桥塔背向支撑上支点与桥塔间通过钢臂弹性连接，支撑下支点与地面固结；支撑主动顶推力通过千斤顶添加，千斤顶采用桁架单元模拟；主梁配重通过均布荷载方式添加。

3.根据权利要求1所述的一种独斜塔斜拉桥施工控制方法，其特征在于：步骤2包括：

步骤21、改变支撑主动顶推力高度，保持其他参数不变，研究在不同顶推力高度下桥塔施工阶段最大应力的变化规律；

步骤22、改变支撑主动顶推力角度，角度通过三角架控制，保持其他参数不变，研究在不同顶推力角度下桥塔施工阶段最大应力的变化规律；

步骤23、改变支撑主动顶推力大小，保持其他参数不变，研究在不同顶推力大小下桥塔施工阶段最大应力的变化规律；

步骤24、根据步骤21至步骤23的规律确定最优顶推力方案使得桥塔施工阶段应力安全余量最大。

4.根据权利要求1所述的一种独斜塔斜拉桥施工控制方法，其特征在于：步骤3为在建立的全桥有限元模型中，通过对施工过程中桥塔和主梁关键截面的应力和位移控制，改变斜拉索张拉力，保持其他参数不变，研究在不同斜拉索张力下桥塔及主梁施工阶段应力变化规律，以此确定最优斜拉索张力使得桥塔及主梁施工阶段应力安全余量最大。

5.根据权利要求1所述的一种独斜塔斜拉桥施工控制方法，其特征在于：步骤4为通过模型进行主梁配重敏感性分析，配重添加在钢主梁节段上，配重通过均布荷载添加，主要包括配重位置和配重大小；改变模型中配重添加钢主梁节段位置，保持配重大小不变，研究在不同配重添加位置下桥塔及主梁施工阶段应力变化规律，以此确定最优配重位置使得桥塔及主梁施工阶段应力安全余量最大；最优配重大小确定方法与上述相同。

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