高墩大跨径弯桥的设计与施工技术研究-报告简本.doc

交通部西部交通科技项目
“高墩大跨径弯桥的设计与施工技术研究”

成 果 简 介

交通部公路科学研究院
二OO七年十二月二十日
交通部西部交通科技项目
“高墩大跨径弯桥的设计与施工技术研究”成果简介

一、项目研究意义
在经济发展交通先行的思想指导下，这几年国内高等级公路的发展势头强劲。目前国内高速公路的总里程已位居世界第二，成绩喜人。但由于经济发展速度快，路桥的建设周期大为缩短，在这种情况下有不少问题得不到很好地解决或来不及解决，尤其是山区高等级公路桥梁设计中遇到的问题更是如此。在这种大背景下，国家下决心投入大资金搞西部交通建设项目，就是希望通过科技人员的努力攻关，解决这几年高等级公路建设中出现的问题，特别是西部区域性问题。本项目“高墩大跨径弯桥的设计与施工技术研究”正是针对西部桥梁“大跨径”、“高墩”和“弯梁”等区域性特点提出来的，其目的就是为西部山区建桥提供有效的新技术和新工艺。

二、项目研究内容
本项目研究内容包括八个专题研究、两个模型试验研究和两个软件系统BridgeKF和BridgeBW的研制。
1．专题研究
专题1：高墩大跨径弯桥上下部结构形式的研究
⑴合理跨径布局研究
⑵墩梁刚度比研究
⑶体系转换研究
⑷零号块构造研究
⑸边、中跨合龙段构造研究
⑹上部箱梁不同材性的研究
⑺上部箱梁细部尺寸研究，包括横隔板的合理设置方法
⑻结构超高方式研究
⑼薄壁墩形式和细部尺寸研究包括薄壁墩支数、系梁个数等。
专题2：高墩大跨径弯桥预应力设置及分析的研究
⑴纵向预应力布束的研究和平弯束防崩构造措施的研究；
⑵横、竖向预应力布束的研究；
⑶三向预应力分析计算研究；
⑷依托工程中，平弯钢束与管道摩阻系数的实测研究。
专题3：高墩大跨径弯桥收缩徐变、温度效应的分析研究
⑴在空间实体单元中建立三维收缩、徐变计算模型的研究；
方法：按现行规范中的一维收缩、徐变计算公式，通过矩阵转换成三维模式。
⑵在空间实体单元中建立三维温度计算模型的研究；
⑶依托工程中，实测结构三维温度场、结构应力应变。
专题4：高墩大跨径弯桥箱梁薄壁墩空间分析研究
⑴零号块空间应力分析；
⑵箱梁扭转分析；
⑶箱梁剪力滞分析；
⑷箱梁横向受力分析；
⑸薄壁墩空间内力分析；
⑹强迫位移对结构的影响分析；
⑺实体单元空间影响面动态加载研究；
⑻实体单元分阶段模拟施工状态仿真分析研究。
专题5：高墩大跨径弯桥全过程稳定分析研究
⑴高墩施工稳定分析；
⑵高墩在上部悬浇过程中的稳定分析；
⑶高墩弯桥在运营过程中的稳定分析。
专题6：高墩大跨径弯桥支撑布置对箱梁结构影响的研究
⑴支撑布置研究；
⑵支撑布置对箱梁结构影响的研究。
专题7：高墩大跨径弯桥动力及地震反应三维分析研究
⑴动力分析；
⑵地震反应分析；
⑶设计对策及实桥应用。
专题8：高墩大跨径弯桥施工方法和监控方法的研究
⑴弯桥悬浇施工方法的研究；
⑵弯桥悬浇施工三维监控方法的研究；
⑶平弯钢束施工双控方法的研究；
⑷高墩施工方法的研究；
⑸高墩施工监控方法的研究。
2．模型试验研究
模型1：室内高墩大跨径弯桥静动力试验研究
以沙银沟大桥为基本模型：三跨预应力高墩弯桥，墩高3m，跨径组成3.5＋6＋3.5m；结构分成7块，现场悬拼。试验分静力、动力试验研究，其中静力从0号块开始，一直做到成桥阶段；动力分析只作最大悬臂阶段和成桥阶段。
模型2：约束混凝土柱极限承载能力的研究
以陕西省境内长武亭口II号（黑河）桥为原型，并综合考虑该种桥型的特点，选定单薄壁高墩为试验模型，墩高2m。模型墩加载试验共进行了三次，每次试验均针对施工中可能出现的工况进行模拟。
3．软件系统研究
高墩弯桥三向预应力分析系统BridgeKF的研制：主要解决高墩弯桥结构内力计算问题，包括三向预应力联合计算、空间温度、徐变和收缩计算，以及分阶段模拟施工过程。
高墩弯桥稳定分析系统BridgeBW的研制：主要解决高墩弯桥三个典型阶段的稳定计算。
3．依托工程沙银沟大桥设计、施工和试验研究
沙银沟大桥为上瑞线贵州镇胜公路第十一合同段上一座弯连续刚构桥。该桥主跨径120m，平曲线半径620m，主墩高80m。上部为变截面单箱单室形式，箱内设置纵、横、竖三向预应力；下部为双薄壁实心墩，桩基础。上部箱梁采用悬臂浇筑施工方法；下部薄壁墩采用翻模施工方法。
沙银沟大桥是本项目研究的依托工程，其设计、施工和试验均是依托八个专题研究而进行的。

三、项目研究关键技术
本项目的关键技术如下：
1．大跨径弯桥室内试验技术
全桥室内模型试验属大型试验，它涉及制作、安装和试验等方面的技术，而且相互有关联。如何保证模型尺寸的精确性？如何模拟预应力作用？如何准确地捕捉试验信号？以及试验数据分析技术，等等。这一系列试验综合技术是保证试验成功的关键技术。
2．大跨径弯桥三维分析技术
高墩大跨径弯桥结构属空间分析，它涉及空间预应力、空间收缩徐变和空间温度效应分析。这些空间问题以往大多采用空间梁单元（含曲梁、梁格）。采用梁单元的不足是结构横向和竖向效应无法分析，即预应力只能计算纵向预应力，不能计算横向、竖向预应力。为使结构分析上一个台阶，故决定采用空间实体单元。采用空间实体单元实现弯梁桥专业化计算是一个较大的技术进步。
3．高墩稳定和弯桥动力分析技术
高墩稳定分析和动力分析是高墩弯桥分析的重要内容，尤其是高墩稳定全过程分析是每一座高墩桥必须给予关注的计算要点。所谓全过程分析是指裸墩施工稳定分析、上部箱梁悬浇施工稳定分析和运营期稳定分析。因此研究实现高墩全过程稳定专业计算同样是一个技术进步。
4．依托工程设计、施工和试验综合技术
依托工程贵州沙银沟大桥是一座典型的山区高墩（墩高80m）大跨径弯连续刚构桥（平曲线半径R＝620m），它的墩高和半径综合效应至今仍具有代表性。目前大跨径弯桥大多数半径都在1000m以上，小于1000m比较少，半径600m左右的更少。因此依托沙银沟大桥研究极具代表性。本项目共有八个专题依托在沙银沟大桥上，专题涉及结构布置研究、预应力布置研究、支撑布置研究和施工方法研究等，由此得到的《高墩大跨径弯桥设计与施工技术建议》是高墩弯桥设计与施工的指导性文件。
5．高墩大跨径弯桥施工及其三维控制技术。
高墩垂直度控制和弯箱梁三维空间线形控制技术是本项目又一关键技术。高墩目前越做越高，最高已达到178m，其垂直度控制至关重要，稍有偏差直接影响上部结构受力和变形；弯箱梁线形是一条空间曲线，其控制是在传统的高程线形控制基础上增加平面线形的控制。从二维到三维，不是简单的叠加，而是空间效应相互影响，因此也是一项关键技术。

三、项目研究主要成果
1．成果体现
⑴研究报告之一：研究总报告和工作报告；
⑵研究报告之二：专题研究分报告（八个）；
⑶研究报告之三：模型桥试验报告和约束混凝土柱试验报告；
⑷研究报告之四：高墩大跨径弯桥设计施工建议；
⑸研究报告之五：高墩大跨径弯桥依托工程设计总结；
⑹研究报告之六：高墩大跨径弯桥依托工程施工总结；
⑺研究报告之七：高墩大跨径弯桥依托工程试验总结；
⑻研究报告之八：高墩大跨径弯桥专用计算程序；
⑼研究报告之九：高墩大跨径弯桥薄壁墩稳定分析专用程序。

2．成果简介
⑴专题1～专题8：
专题1：高墩大跨径弯桥上下部结构形式的研究
——给出高墩弯桥合理的边中跨比范围，及曲线半径、墩高对边中跨比的影响分析；
——首次提出高墩弯桥的墩梁刚度比可以分墩梁抗弯刚度比和弯扭刚度比来表征，前者表结构纵向，后者表结构横向；
——比较分析了两种体系转换方式，推荐高墩弯桥以先边后中为合理方式；
——给出高墩弯桥0号块受力特性，0号块以恒载产生效应最大，温度次之，活载最小。恒载作用下，中跨侧横隔板人洞周边拉应力大，应设置横向预应力；
——比较双薄壁墩与单薄壁墩的优劣，指出单薄壁墩对高墩弯桥更具优势；
——研究分析薄壁墩系梁作用；
——比较分析了5种梁底曲线对结构内力及应力的影响；
——比较分析了两种弯桥超高方式的优劣，推荐弯桥采用不平行方式；
专题2：高墩大跨径弯桥预应力设置及分析的研究
——研究分析了纵向预应力对剪力滞、横向变形和扭转的作用，提出弯桥纵向预应力的布置要点；
——研究分析了横向预应力对结构的作用，提出弯桥横向预应力的布置要点；
——研究分析了竖向预应力对结构的作用，提出弯桥竖向预应力的布置要点；
专题3：高墩大跨径弯桥收缩徐变、温度效应的分析研究
——研究分析收缩徐变模式在实体单元中的应用；
——研究空间三维温度模式及对结构的影响；
——对比新旧规范，分析温度、收缩徐变对弯桥的影响；
专题4：高墩大跨径弯桥箱梁薄壁墩空间分析研究
——采用BridgeKF系统对零号块、箱梁扭转、箱梁剪力滞、箱梁横向受力、薄壁墩内力和箱梁强迫位移等进行了空间分析，得到一整套弯桥箱梁内力、变形规律；
——实现了实体单元模拟施工阶段，这是桥梁结构计算上的一大进步；
专题5：高墩大跨径弯桥全过程稳定分析研究
——重点研究高墩弯桥几何非线性计算问题，并比较一二类稳定计算结果，得到一类稳定的设计推荐值；
——研究系梁设置对稳定的影响，得到设置系梁的原则和方法；
专题6：高墩大跨径弯桥支撑布置对箱梁结构影响的研究
——通过研究弯连续刚构边支撑方式，得到边支撑合理布置形式；
——通过小半径弯桥的支撑布置研究，得到边中支撑的合理布置形式；
专题7：高墩大跨径弯桥动力及地震反应三维分析研究
——研究依托工程沙银沟大桥动力及地震反应，得到设计对策及构造措施；
专题8：高墩大跨径弯桥施工方法和监控方法的研究
——对目前高墩应用的三种施工方法，滑模、爬模和翻模进行了对比分析，得到关于高墩施工的一套相关技术；
——对目前箱梁悬臂施工方法进行了研究分析，得到关于弯连续刚构桥悬臂施工的工作流程及注意事项。
——研究得到弯桥高墩施工控制方法；
⑵模型桥试验：
——研究整桥悬拼模型制作技术，成功完成5cm壁厚模型块段的预制及预应力管道的对接；
——模型现场悬拼，安装误差小于1mm；
——主梁节段悬拼施工过程中挠度规律和墩顶横向变形规律；
——成桥阶段中跨和边跨加载时，结构三个方向u、v、w的变形规律；
——主梁节段悬拼施工过程中纵横向应力变化规律；
——成桥阶段中跨和边跨加载时，结构应力变化规律；
——成桥阶段边跨加载，边支撑不同位置时的结构应力变化规律；
——最大悬臂和成桥阶段，结构动力特性；
⑶约束混凝土柱试验：
——考虑约束混凝土后，模型墩的极限承载力提高了8%，证明了约束混凝土对高墩的极限承载力的贡献不可忽略。
——研究得到偏心荷载对稳定性的影响规律；
⑷系统BridgeKF：
——解决了预应力与结构耦合分析，比传统等效节点力方法更贴切实际情况；
——解决了弯桥三向预应力整体计算问题；
——解决了实体单元空间影响面计算问题；
——解决了空间实体单元分阶段计算问题；
——解决了空间实体单元温度、收缩徐变、强迫位移等计算问题；
——程序能有效模拟弯、坡、斜桥，和各种横断面、各种支撑（弹性和刚性）等；
——程序输出9种应力，9种内力，是真正意义上的空间分析系统；
⑸系统BridgeBW：
——计算桥型：预应力混凝土连续梁、连续刚构或连续梁－连续刚构组合体系；
——构造类型：单支点、双支点、实心墩或空心墩、等截面或变截面；
——墩顶支座类型：固定支座、单支座（有位移）；
——计算分析内容：
a、薄壁高墩施工稳定分析
分两种情况：高墩墩身施工阶段稳定分析和悬臂施工过程中稳定分析。前者针对不同施工方法考虑自重、施工荷载及风荷载作用，分别研究单薄壁和双薄壁墩稳定性；后者分析施工过程最不利状态，最大悬臂长度施工时的稳定分析，考虑非对称风荷载及挂篮非正常工作（挂篮跌落）状态。
b、弯桥整体稳定性分析
考虑恒载、活载、横向风荷载、预应力作用和温度效应等荷载情况时稳定分析及侧倾分析。
⑹沙银沟大桥设计、施工和试验成果
——沙银沟大桥结构上下部设计经验和应用科研成果的总结；
——沙银沟大桥结构上下部施工经验的总结；
——沙银沟大桥结构上下部试验的总结；
⑺《高墩大跨径弯桥设计与施工建议》：
——给出技术规程要求的线形指标：跨径L＞70m；墩高H＞60m；
平曲线半径R＞250m。
——给出高墩大跨径直弯桥分析界限：圆心角＝
10°；
——给出高墩大跨径弯桥边中跨比：在0.53～0.57之间；
——给出高墩大跨径弯桥横向刚度要求；
——给出弯桥合理的超高方式；
——给出箱梁0号块、合龙段和现浇段设计和施工要求；
——给出薄壁墩稳定特征值设计要求：≥4；
——给出薄壁墩系梁设置要求；
——给出弯桥三向预应力设置要求；
——给出高墩大跨径弯桥动力及地震设计对策；
——给出高墩及弯桥施工方法及施工注意事项；
——给出弯桥及高墩控制内容及要求；
——给出防止下挠的结构和施工措施；

四、部分成果照片和目录
1．约束混凝土柱极限承载力试验

2．室内模型桥照片

3．依托工程沙银沟大桥照片

4．计算系统BridgeKF照片

5．计算系统BridgeBW照片

6．《高墩大跨径弯桥设计与施工建议》目录

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