[分享]规模化建桥的跨越——芜湖长江公路二桥及接线工程建设技术

发表于2017-08-16    1089人浏览    2人跟帖    总热度:803  

 

皖“纵二”重要通道

芜湖长江公路二桥及接线工程是安徽省高速公路网规划“四纵八横”中“纵二”(徐州-蚌埠-合肥-芜湖-黄山)中的一段,建成后成为连接安徽省长江两岸的重要快速通道。

芜湖长江公路二桥项目始于无为县石涧镇,接规划中的北沿江高速公路,终于繁昌县峨山镇,接已经建成的沪渝(南沿江)高速公路。路线全长55.512公里,北岸接线长20.782公里,南岸接线长20.748公里。

跨江主、引桥里程长共13.982公里,主桥距离上游的铜陵长江公铁大桥24公里,距离下游的芜湖长江大桥32.5公里,距离下游拟建的弋矶山长江大桥29公里。路线宽度,自无为东互通至三山互通间采用双向6车道,其余接线范围采用双向4车道标准。全线设置互通立交5座,设置仓头服务区1座。

芜湖长江公路二桥及接线工程于2013年6月28日正式开工建设,总工期4.5年,预计2017年12月竣工通车。

芜湖长江公路二桥工程贯彻标准化、工厂化、系统化与数字化的理念,进行工程项目建设统筹。由于水系发达,桥梁所占线路长度比例高达62.5%。整个项目具有结构新颖、工程量大、施工周期短、建造要求高的特点。经论证确定的最优方案为:跨江主桥采用全漂浮体系钢箱梁斜拉桥;引桥与接线采用标准化节段预制拼装大悬臂带肋连续箱梁,并采用全体外预应力配束方案;特殊跨需求位置,采用全拼装钢管桁架桥或带肋大挑臂矮塔斜拉桥形式。


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图1 工程地理位置示意图


主桥独具特色

结构体系

主桥在设计过程中,遵循“安全耐久,简约美观”的建设理念,努力实现“技术示范性桥梁”的最终建设目标。根据通航要求,主通航孔由806m的主跨跨越,308m的边跨提供备用通航孔,另设100m协作跨,最终确定的跨径组合为100+308+806+308+100m。该桥的边中跨比达到0.506,大于其他已建或在建斜拉桥,其总体静动力性能将区别于常规斜拉桥。为了改善该桥的总体刚度,在两侧边跨处分别设置一个辅助墩。

初步设计阶段,在国内外已建超大跨径斜拉桥调研基础上,提出了7种结构体系方案,并进行同等深度的静动力力学性能论证。针对该项目特定的水文、地质、环境特点,综合统筹相关建设条件,最终确定体系方案为分肢柱式塔、分体钢箱梁、四索面、全漂浮斜拉桥体系,塔上锚固采用自主研发的同向回转鞍座。


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图2 主桥孔跨布置(单位:m)



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图3 主桥钢箱梁断面布置

主梁

规划中道路采用双向6车道,主梁形式及断面选取时,需考虑宽高比B/H对抗风性能以及美观、受力、经济方面产生的影响。基于增大主梁宽高比,以及提高主梁气动稳定性考虑,芜湖二桥采用分体钢箱布置形式,该断面形式由开槽箱梁演化而来。芜湖二桥选用的分离式弧形底板钢箱梁具有以下优点:抗扭刚度大。钢箱梁作为一种典型的闭合空心截面,相对其他截面形式可提供更大的抗扭刚度,而分离式钢箱将箱体离散,并通过增加箱体之间的距离,进一步提高抗扭转刚度。抗风稳定性好。在香港昂船洲大桥与欧洲Messina海峡桥方案研究中,理论分析以及风洞试验的结果,均论证分体钢箱断面具有十分优越的抗风性能,该桥的弧形底板进一步优化了截面的气动性能。可与柱式塔和四索面适配,四索面与分体钢箱协作体系极大地减小了钢箱的横向受力,进一步提高了主梁的抗扭刚度,因此梁高度以及横梁刚度可以得到更好的优化,另一方面也可以获得较好的经济性。

为了解决正交异性钢桥面板的疲劳问题,该桥尝试顶板采用不同板厚布置。在重车道位置,顶板厚度为18mm;小车道位置,顶板厚度为16mm。顶板U形加劲肋均采用8mm,横隔板在U肋位置,采用开孔处理。理论分析表明,采用变厚处理能够有效缓解重载交通对桥面板疲劳寿命的影响。


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图4 索塔效果及一般构造图(单位:m)


分肢柱式塔

主塔采用钻孔灌注桩基础,单个塔柱下布置30根桩基,桩基直径为3.4m;北侧桥塔桩长78m,南侧桥塔桩长80m;桩基上设置圆形承台,承台高8m,直径39m。

主塔外轮廓为带倒角矩形(或八边形)结构,由下至上截面长、宽尺寸线性减小,倒角尺寸线性增大,外形简洁、挺拔、棱角分明,同时渐变的倒角削减了风阻效应。为提高其稳定性,在柱形塔上进行优化,将中、下塔柱在横向上分为两肢,以增加整体刚度;上塔柱为拉索锚固提供空间,设计为独柱式。

塔高共计259.48m。为提高抗撞击性能,在塔柱底设置12.5m高的横联与盖板;在塔高42.564m处设置下横梁连接两分肢,减少塔柱自由长度;中塔柱与上塔柱结合点位于塔高151.48m处。横向分肢高塔的应用尚属首次,其抗风性能、横向抗弯刚度及稳定性能均有一定提升。

混凝土桥塔早期大面积开裂是长期困扰工程界的难题,影响桥塔整体性、耐久性及美观。芜湖二桥每个桥塔施工历经约70~90个节段循环,总工期近700天,同样面临裂缝控制难度较大的挑战。以专题科研为基础,芜湖二桥首次开展了全塔温控工作,通过试验以及理论研究,创新滴灌、管冷、保温、防风、断缝工艺,提出动态温控指标。每个桥塔埋设温度传感器千余个,对混凝土温度、管冷水温、工序等关键数据进行采集,进行实时温度控制,并将数据集成于云端平台,实现高效管控,最终消除大面积龟裂现象,终止了无塔不裂的工程现状。

桥塔施工精细化体现在方方面面,将单节塔柱施工工序细化为75道,并严格进行每道工序的检验,保障塔柱的混凝土质量、线形、预埋件定位精度以及施工过程安全。


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图5 建设过程中的索塔


同向回转鞍座拉索体系

同向回转拉索系统是由安徽交通投资控股集团自主研发的一种新型拉索体系,芜湖长江公路二桥首次在大跨径斜拉桥中使用了同向回转拉索体系。

同向回转拉索系统是将每根拉索穿过桥面一侧锚具,绕过索塔后,锚回到桥面同桩号截面的另一侧锚具,形成一对同编号拉索。鞍座巧妙地将拉索的拉力转换为环形径向压力传递给索塔,从根本上避免产生拉应力。同时成为上塔柱环向预应力,避开了结构纵向大索力差,利用了结构横向小索力差。芜湖二桥同向回转拉索体系的总体示意如图6所示。


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图6 同向回转拉索体系示意图


同向回转的鞍座为分丝夹持型鞍座,鞍座锚体内为夹持型分丝管,采用圆端V形构造,充分利用V形两侧面对索股的加持力,提高拉索锚固的可靠性。夹持型分丝管由不锈钢圆管制成,在鞍座内处于空间平行状态,确保斜拉索钢绞线在鞍座内相互独立工作。分丝管内拉索索股采用自防护模式,无须灌注环氧砂浆等填充材料,便于拉索更换。

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图7 同向回转鞍座与桥塔位置关系


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图8 同向回转鞍座拉索体系构造示意图


索体由多股无粘结高强度镀锌钢绞线组成,外层装有HDPE索套管。锚固区钢绞线也始终处于平行独立的无粘结状态,以保证钢绞线斜拉索可以单根穿索、单根张拉。特别是在运营期间,能实现单根钢绞线监测和更换。斜拉索采用高强度、低松弛、热镀锌Φs15.2mm镀锌钢绞线索,镀锌钢绞线外包PE管,锚具为夹片锚,其中拉索在分丝管内部分采用聚脲喷涂。

芜湖二桥采用四索面设计,鞍座在塔上以竖向并列斜置方式,鞍座安装和定位简单,就像一道预应力钢筋管道,穿索、换索方便。索塔结构、锚索构造和索塔预应力等均得以简化,解决了桥塔空间尺寸不足的问题,同时也降低了工程造价。

鞍座安装精度将极大地影响拉索体系的疲劳性能。由于施工中面临预埋构件众多,安装精度控制存在困难。针对施工技术开展相关研究工作,以整体吊装技术,提高定位控制精度与安装效率,降低高空作业风险。

在地面加工平台组装劲性骨架,形成基本框架后,安装鞍座锚体与导管,然后将劲性骨架组装完毕,使劲性骨架与鞍座形成整体。通过整体吊装的方式,将骨架与鞍座起吊至塔上,搭接组装骨架与塔上已有骨架,然后进行精调后,将两者之间栓接牢固。上、下两层整体骨架可采用相对位置定位,即在塔下建立局部坐标系统,以下层组装完毕的骨架为基准进行上层组装。这样当下层在塔上精确定位后,上层起吊安装时,只需要与下层之间栓接孔对齐即可。


全体外束节段梁引桥

设计理念

在该项目的整个线路中,有长度约26km的引桥与接线桥梁需要同步建设,考虑到双幅特性,桥梁建造里程达到52km,而项目建设时间较短,只有4.5年。出于这些限制因素,在与预制拼装小箱梁、现浇连续梁等方案比选的基础上,除了一些特殊的跨越采用了特殊的桥梁形式外,最终采用了节段拼装的全体外预应力连续箱梁的结构,并结合该桥工程量巨大的特点,按工业化建造的要求,对结构设计进行了深入的优化和调整。

为实现最大程度的标准化,通过对全线进行工程优化,统一跨径为30m、40m、55m3种跨径形式,其中30m桥梁根据交通设计需求,分为12.5m、16.25m宽两种断面形式;40m和55m跨径梁宽均为16.25m。


节段设计

节段梁在截面设计的过程中,针对工业化建造的要求,开展了大量的优化工作。该桥基本的截面采用了薄壁箱梁的形式,4种跨径桥梁的标准断面如图9所示。除了12.5m宽30m跨径梁以外,其余3种跨径梁均采用了16.25m悬臂加腋的形式,标准梁段的长度均为3m,这样设计使得模板的设计得以统一。

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图9 塔下整拼安装过程


这样的设计形式既满足了受力的要求,同时也减小了底板的宽度,从而减轻了节段的重量。4种结构形式中顶、底板板厚设置为统一的22cm和20cm。因为采用了全体外预应力的形式,腹板中不再有预应力通过,其厚度仅需按抗剪的要求设置,从而得以缩减。


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图10 4种标准节段梁的布置路线


为了便于施工,在标准断面设计中对各种倒角的设置和形状也进行了优化,其中优化了顶板与腹板倒角角度,取消了底板与腹板的倒角。对悬臂加腋的形状进行了优化,以便于脱模。

转向块节段是另外一个重要的构件,是在标准块的基础上,增加了横墙形成。转向块预制期间可以使用和标准块相同的台座,横墙可在梁段移至存梁场后,后浇形成。这样的设计减少了台座的数量,加快了预制的进度。

墩顶横梁块段是该桥设计的难点。和体内体外混合配束形式相比,全体外束的节段梁全部的预应力都要锚固在横梁块段上。在这种设计中,中横梁需要锚固来自两侧预应力,其水平力基本平衡;而端横梁则仅受到单侧的锚固作用,受力更为不利。

另一个需要考虑的问题是吊重。由于横梁构造的特点,如果采用和标准段相同的预制长度,其重量要远大于标准段,不利于架设期间的设备能力配置。因此,在锚固横梁的设计中采用了大胆的创新形式。锚固横梁分为基本锚固块和锚固加强块两种形式。所有跨径的两端分别设置基本锚固块,如果说一联结构的端部锚固,则在基本锚固块后侧再设置一个锚固加强块;而如果处于一联中部,则是两个基本锚固块叠放的形式。为了尽量减轻吊装重量,基本锚固块和加强块都采用了较标准块小的1.9m预制长度(55m结构),加强块的形状则根据锚固受力的特点进行了多次优化,最终最大吊装重量控制在了93.5吨(55m结构)。锚固块需要采用专用的台座进行预制。



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图11 4种跨径标准断面+尺寸

基于这样的设计,每种跨径桥梁的中跨仅需两个基本锚固块、两个转向块以及若干标准块组成;而边跨仅需再增加一个加强块即可。考虑到施工吊装的需要,每跨中需设两道15cm的湿接缝。

最终全线节段梁桥长度共40km,节段梁计20032榀,只有16种节段类型;而由于转向块、锚固块、加强块采用了两次浇筑的工艺,又进一步减少了模板的种类,为大规模的预制提供了便利条件。


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图12 4种节段及组合方式



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图13 跨径55m梁的预应力配置形式


全体外束

预应力设置是该桥设计的又一个关键点。由于采用了全体外预应力的配置形式,相比混合配束,预应力在箱梁底板外侧转向,偏心矩减小,不利于预应力效应的提高。同时,由于需要转向块配合才能实现预应力线形的变化,而转向块的使用会增加结构的恒载重量,客观上又增加了预应力配置的要求。此外,考虑逐跨施工的特点,每跨的预应力要能各自成立。因此,设计中进行了大量的优化,寻找最佳的配束形式,最终确立了跨内两次转向、逐跨交叉锚固的预应力配置基本原则,实现了跨内的配束。这种配束形式也和前述断面的标准设计很好地配合起来。

预应力的张拉顺序是施工中需要着重关注的问题,特别是中间横梁。在最终成桥状态中,中间横梁受到来自左右两侧的预应力锚固力的作用,锚固力大小均等、方向相反、可相互平衡。但是在施工过程中,由于张拉先后的问题,导致中横梁段可能出现更加不利的受力状态。经过深入分析,确定的张拉顺序为:由腹板钢束向人孔钢束逐根张拉,人孔钢束由小桩号向大桩号逐跨张拉。


预制与架设

近两万榀梁需要在3年之内完成预制和架设,工期非常紧张。因此将全线划分为4个合同段,同时进行施工。每个合同段约有4000~5000榀梁的预制和架设任务,他们根据自身的特点建设预制工厂、存梁工厂和现场架设工段。

由于设计高度标准化,为施工的标准化和工厂化操作提供了便利。以锚固块预制为例,锚固块中除了有大量的钢筋外,还需要预埋通过的预应力套筒和需要锚固的预应力锚具,因此其普通钢筋的配置非常复杂。如果按以往的焊接形式进行普通钢筋之间的连接,则工效还要低。因此,在设计中采用了三维设计技术,详细确定每一根普通钢筋的施放位置和施放顺序,并且采用搭接的形式进行普通钢筋连接,减少了约80%的钢筋焊接量,大大提高了工效。

预制采用短线法,其中对每个预制节段的匹配误差调整是预制质量控制的关键,也是影响施工进度的重要因图13 跨径55m梁的预应力配置形式图14 节段梁预制素。在该项目中,对4个承包商的误差调整问题采用了统一管理,以同济大学开发的专用网上平台,进行数据交换和预制指令计算。这一平台利用逐段误差分析、分级合理调整的原理,调整误差,计算新的预制指令数据,并且利用内置逻辑判断进行指令校核,保证了数据的准确性,解决了大批量数据流转过程中的效率问题,实现参加各方的数据和信息流通。同时也为预制梁的龄期管理、线性管理等提供了非常有利的数据。

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图14 节段梁预制


架设过程可以采用上行或下行式架桥机,各承包商根据自身的特点实施。最终全线共有15台架桥机,其中上行式11台,下行式4台。采用上行式架桥机,由于行走的需要,对锚固块预先吊装,且受到架设、行走等影响,工效较低,基本的工效为5天/跨;而下行式架桥机架设4~4.5天/跨,工效提高10%~20%。

芜湖长江公路二桥贯彻“安全耐久,简约美观”的建设理念,以及标准化、工厂化、系统化与数字化的技术理念,统一建设、管理、养护过程,创新主桥、引桥结构体系及局部构造,同向回转鞍座以及全体外束节段预制拼装连续梁,在主桥以及引桥中得到大范围推广应用。实践表明,与传统技术相比,其具有性能优异、实施高效、经济和环保的特点,可以为规模化桥梁建设提供有益借鉴。

 

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奖励      筑龙币+50

  •    xhf0293  奖励于 2017-08-16 18:21:46

 发表于2017-08-16   |  只看该作者      

2

在设计过程中,遵循“安全耐久,简约美观”的建设理念,努力实现“技术示范性桥梁”的最终建设目标。

 发表于2017-08-16   |  只看该作者      

3

芜湖长江公路二,很赞!

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