CN116856253A - 一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构及其施工方法，属于大跨度拱桥技术领域。为了解决现有拱桥单用抗风索相对于抗风索+阻尼器来说效果较差；大跨度拱桥在最大单悬臂施工状态的抗风效果较差的问题。机械强度低的问题。拱肋为两肢平行分布的钢拱肋，拱肋桁架弦杆的截面为箱型结构，拱肋与桥墩通过若干个抗风索连接。可在降低成本的情况下，保证大跨度拱桥的抗风性能；适用的工况较为广泛，水面或地面均通用，相对于需要将抗风索固定在拱桥附近的地面来说，既可降低施工难度，也可缩短工期，且不会因为拱桥在水面时不易固定抗风索的情况发生，自体抗风索固定更易施工和实现。
Description
技术领域
本发明涉及大跨度拱桥技术领域，具体而言，涉及一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构及其施工方法。
背景技术
近年来，随着中国科学技术与经济的快速发展，交通的需求也日渐增大，钢桁架拱桥是跨越河流、峡谷等天然或人工交通线路障碍的主要手段，造型优美、结构合理和技术先进的钢桁架拱桥在中国西部山区和沿海地区需求较大。钢桁架拱桥跨越能力不断提升，如已建成的南京大胜关长江大桥主跨为336m，珠海横琴二桥主跨为400m，重庆朝天门大桥主跨达552m。随着钢桁架拱桥跨越能力不断提升，钢桁架拱桥在整体上也朝着跨度大、柔性大、频率低的趋势发展。因此，对风的作用很敏感。加之钢桥的结构相比混凝土结构阻尼整体偏小，在强风作用下它们十分容易发生振动和变形。
就桥梁施工过程中的抗风措施而言，按具体实施方案的不同，常见有两个大类，即设抗风索和设调质阻尼器措施，设置阻尼器往往不够经济，故而采用抗风索对施工期桥梁达到抑振效果。但现有的利用抗风索来达到抗风效果的时，抗风效果相对于抗风索+阻尼器的抗风结构来说相对较差。且目前针对钢桁拱桥施工期桥梁结构的抖振响应以及减振措施研究还很少见，是值得深入研究的重要工程问题，特别是最大单悬臂施工状态的抗风性能是这类桥梁控制设计的重要因素。大跨度钢拱桥的跨径相对于中小跨径的钢拱桥而言，大跨度钢拱桥的主梁和拱肋更长，所需建设工期更长，在施工阶段遭遇大风的可能性也越大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
为了解决现有拱桥单用抗风索相对于抗风索+阻尼器来说效果较差；大跨度拱桥在最大单悬臂施工状态的抗风效果较差的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
本发明提供了一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构，包括主梁和拱肋，所述拱肋为两肢平行分布的钢拱肋，拱肋桁架弦杆的截面为箱型结构，所述钢拱肋之间设有横撑和剪刀撑，所述拱肋的拱脚处于拱脚桥墩连接，位于拱脚桥墩两侧的主梁下端面与主梁桥墩连接，所述拱脚桥墩和主梁桥墩均与地面连接，所述拱肋的上端面与主梁通过若干个均布的吊杆连接，拱肋的上端面与两侧的桥墩通过若干个抗风索连接。
进一步地，所述抗风索均沿主梁的轴线对称设置。
进一步地，所述抗风索均与主梁平行设置。
本发明提供了一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤一、施工桥台、引桥桥墩及交界墩和拱座；在交界墩顶设置扣索锚梁，并架设吊装塔架，架设吊装天线，箱梁在支架上现浇施工；在起吊平台上拼装第一阶段拱肋,然后分别吊装并调整好拱圈标高后扣定，同样吊装扣定第二阶段拱肋；对称安装拱肋间第一道横连；
步骤二、吊装第三节段拱肋，调整拱圈标高后扣定扣索1，拆除临扣1和临扣2并对称安装拱肋间第二道横连；在主拱钢管和拱座套管间楔入钢筋，后电焊一周封闭固定主钢管，再在套管空隙中压入高标号水泥砂浆填充密实；
步骤三、先后分别吊装临近的两段拱肋，调整标高后扣定两个临扣，并对称安装一道横连，重复本步骤直至达到最大单悬臂施工状态；
步骤四、将拱肋悬臂端上弦杆与相对侧的拱肋悬臂端下弦杆张拉交叉抗风索，将主梁悬臂端上弦杆与相对侧的主梁悬臂端下弦杆张拉交叉抗风索，将拱肋悬臂端上弦杆或拱肋悬臂端下弦杆的两个端部与主梁悬臂端上弦杆或主梁悬臂端下弦杆的两个端部之间张拉交叉抗风索，用于提高结构内部的抑振效果；
步骤五、安装最后一段拱肋，扣定扣索后铲除临扣并安装最后一道横连；
步骤六、合拢拱顶后逐级松扣至最后一级扣索，对拱肋钢管内灌注混凝土并达到设计强度后将最后一级扣索予以卸扣；
步骤七、架设主梁后拆除吊装天线及交界墩顶的吊装塔架，架设吊杆和抗风索。
进一步地，步骤五中，在吊装调整扣定第二个拱肋大段时，即可对节段接头主钢管外圈施焊，依次进行，直至拱圈合拢。
进一步地，步骤五中，空钢管拱肋合拢、各节段接头周圈焊接完成并形成无铰拱后，应予逐级松扣，将扣索拉力转换为拱的推力，使空钢管拱肋呈自重作用下的无铰拱状态。
进一步地，松扣程序为：从跨中5号扣索开始，两岸对称分级，扣索拉力分5级，每级放1/5，依次从5号向1号放松，各扣索松一级，暂停15至20分钟后，测试各项数据，再进行第二级放松循环。
进一步地，最后一级可保留10％-15％的扣力暂不放松。
进一步地，步骤七中，为使主拱圈均匀受力，先架通横向八片梁中的中间两片梁，形成施工通道，再在横向对称架设第二对梁，并在纵桥向也应对称进行架设；同样架设第三对、第四对主梁，直到完成全部主梁的架设。
进一步地，步骤六中，拱肋利用钢管拱肋砼灌注的方法分段施工，每段拱肋均从拱脚处将砼从压注口泵入，再将多余的砼从排浆管排出后利用截止阀将钢管拱肋封闭。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构，包括主梁和拱肋，拱肋为两肢平行分布的钢拱肋，拱肋桁架弦杆的截面为箱型结构，钢拱肋之间设有横撑和剪刀撑，拱肋的拱脚处于拱脚桥墩连接，位于拱脚桥墩两侧的主梁下端面与主梁桥墩连接，拱脚桥墩和主梁桥墩均与地面连接，拱肋的上端面与主梁通过若干个均布的吊杆连接，拱肋的上端面与两侧的桥墩通过若干个抗风索连接；
为了提高大跨度拱桥的抗风能力，一般利用阻尼器、抗风索或阻尼器+抗风索的方式来实现，本发明利用拱肋和桥墩之间设置若干个抗风索来提高抗风能力，依据拱桥的长度和高度匹配相应地区的桥梁，根据此地桥梁百年来最大风速来计算主梁颤振检测风速，以本方案估算出本方案的颤振临界风速，对比主梁颤振检测风速和颤振临界风速可知，颤振临界风速为主梁颤振检测风速的6.72倍，证明了利用抗风索能够保证主梁的抗风性；
相对于利用阻尼器来实现较高抗风性能来说，抗风索的设置可在降低成本的情况下，保证大跨度拱桥的抗风性能；
抗风索将拱肋与桥墩连接，适用的工况较为广泛，水面或地面均通用，相对于需要将抗风索固定在拱桥附近的地面来说，既可降低施工难度，也可缩短工期，且不会因为拱桥在水面时不易固定抗风索的情况发生，自体抗风索固定更易施工和实现。
本发明一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工方法，相对于未设置结构内交叉抗风索的最大单悬臂施工状态来说，本方案中的主梁竖向振动位移均方根减振率可达到67.54％，对拱肋竖向振动位移均方根减振率可达到72.19％，一阶竖弯频率更高，减振效果较好；因此可证明本方案可减小桥梁施工最大悬臂状态时桥梁的抖振响应；同时，本方案既具有工程可行性又不影响水下通航，而且造价较低，施工也相对更为方便。
附图说明
图1为本发明实施例中一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工状态图一；
图2为本发明实施例中一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工状态图二；
图3为本发明实施例中一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工状态图三；
图4为本发明实施例中一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工状态图四；
图5为本发明实施例中一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工状态图五；
图6为本发明实施例中一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工状态图六；
图7为本发明实施例中最单悬臂施工状态时抗风索布设图。
具体实施方式
在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
具体实施方案一：结合图1至图7所示，本发明提供一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构，包括主梁和拱肋，所述拱肋为两肢平行分布的钢拱肋，拱肋桁架弦杆的截面为箱型结构，所述钢拱肋之间设有横撑和剪刀撑，所述拱肋的拱脚处于拱脚桥墩连接，位于拱脚桥墩两侧的主梁下端面与主梁桥墩连接，所述拱脚桥墩和主梁桥墩均与地面连接，所述拱肋的上端面与主梁通过若干个均布的吊杆连接，拱肋的上端面与两侧的桥墩通过若干个抗风索连接。
为了提高大跨度拱桥的抗风能力，一般利用阻尼器、抗风索或阻尼器+抗风索的方式来实现，本发明利用拱肋和桥墩之间设置若干个抗风索来提高抗风能力，依据拱桥的长度和高度匹配相应地区的桥梁，根据此地桥梁百年来最大风速来计算主梁颤振检测风速，以本方案估算出本方案的颤振临界风速，对比主梁颤振检测风速和颤振临界风速可知，颤振临界风速为主梁颤振检测风速的6.72倍，证明了利用抗风索能够保证主梁的抗风性；
其中的主梁颤振检测风速和颤振临界风速的计算方法均为常见的现有技术，此处不做赘述；
相对于利用阻尼器来实现较高抗风性能来说，抗风索的设置可在降低成本的情况下，保证大跨度拱桥的抗风性能；
抗风索将拱肋与桥墩连接，适用的工况较为广泛，水面或地面均通用，相对于需要将抗风索固定在拱桥附近的地面来说，既可降低施工难度，也可缩短工期，且不会因为拱桥在水面时不易固定抗风索的情况发生，自体抗风索固定更易施工和实现。
优选地，所述抗风索均沿主梁的轴线对称设置，用于保证抗风索的受力均匀，避免受力不平衡而导致的抗风性能降低。
优选地，所述抗风索均与主梁平行设置，可降低拱肋中心处的横向和竖向抖振位移。
具体实施方案二：结合图1至图7所示，本发明提供一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤一、1、施工桥台、引桥桥墩及交界墩和拱座；在交界墩顶设置扣索锚梁，并架设吊装塔架，架设吊装天线；箱梁在支架上现浇施工；
2、在起吊平台上拼装第一阶段拱肋,然后分别吊装并调整好拱圈标高后扣定,同样吊装扣定第二阶段拱肋；
3、对称安装拱肋间第一道横连；
步骤二、1、吊装第三节段拱肋，调整拱圈标高后扣定正扣，即扣索1，拆除临扣1和临扣2；
2、对称安装拱肋间第二道横连；
3、封闭拱脚：在主拱钢管和拱座套管间楔入钢筋，后电焊一周封闭固定主钢管，再在套管空隙中压入高标号水泥砂浆填充密实；
步骤三、先后分别吊装第四、第五节段拱肋，调整拱圈标高后扣定临扣3和临扣4，对称安装拱肋间第三道横连；
步骤四、吊装第六节段拱肋，调整拱圈标高后扣定扣索2，拆除临扣3和临扣4，对称安装拱肋间第四道横连；
步骤五、先后分别吊装第七、第八节段拱肋，调整拱圈标高后扣定临扣5和临扣6，对称安装拱肋间第五道横连；
步骤六、吊装第九节段拱肋，调整拱圈标高后扣定扣索3，拆除临扣5和临扣6，对称安装拱肋间第六道横连；
步骤七、先后分别吊装第十、第十一节段拱肋，调整拱圈标高后扣定临扣7和临扣8，对称安装拱肋间第七道横连；
步骤八、吊装第十二节段拱肋，调整拱圈标高后扣定扣索4，拆除临扣7和临扣8，对称安装拱肋间第八道横连；
步骤九、先后分别吊装第十三、第十四节段拱肋，调整拱圈标高后扣定临扣9和临扣10，对称安装拱肋间第九道横连；此时达到最大单悬臂施工状态，将拱肋悬臂端上弦杆与相对侧的拱肋悬臂端下弦杆张拉交叉抗风索，将主梁悬臂端上弦杆与相对侧的主梁悬臂端下弦杆张拉交叉抗风索，将拱肋悬臂端上弦杆或拱肋悬臂端下弦杆的两个端部与主梁悬臂端上弦杆或主梁悬臂端下弦杆的两个端部之间张拉交叉抗风索，用于提高结构内部的抑振效果；
步骤十、吊装第十五节段拱肋，调整拱圈标高后扣定扣索5，拆除临扣9和扣索10；对称安装拱肋间第十道横连；
步骤十一、1、在一定温度下合拢拱顶，在吊装调整扣定第二个拱肋大段时，即可对节段接头主钢管外圈施焊，依次进行，直至拱圈合拢；
2、空钢管拱肋合拢、各节段接头周圈焊接完成并形成无铰拱后，应予逐级松扣，将扣索拉力转换为拱的推力，使空钢管拱肋呈自重作用下的无铰拱状态。其松扣程序为：从跨中5号扣索开始，两岸对称分级(扣索拉力分5级，每级放1/5)，依次(从5号→1号)放松，各扣索松一级，暂停15至20分钟后，测试各项数据，经有关各方确认后，再进行第二级放松循环，最后一级可保留10％左右的扣力暂不放松；
步骤十二、压注管内混凝土并调整索力，当拱肋钢管内混凝土灌注完成并达到设计强度后，彻底放松扣索，并逐步予以卸扣；
步骤十三、架设拱上立柱及盖梁，分节段吊装就位后焊接，但在吊装时应注意对称均匀加载，架设主拱圈检修通道；
步骤十四、架设拱上主梁：为使主拱圈均匀受力，先架通横向八片梁中的中间两片梁，形成施工通道，再在横向对称架设第二对梁，并在纵桥向也应对称进行架设；同样架设第三对、第四对主梁，直到完成全部主梁的架设；
步骤十五、1、拆除吊装天线及交界墩顶的吊装塔架；
2、张拉各吊杆顶负弯矩钢束,完成连续化；完成箱梁间的横向连接,使其形成完整的空间梁格体系，并安装抗风索；
3、施工桥面现浇层及防护栏，安装伸缩装置，摊铺桥面沥青混凝土层；
4、进行全桥钢结构的防腐涂装修护；
5、全桥施工完成。
在同一风速下，沿着顺桥向，距离拱脚越远，越靠近悬臂端，抖振竖向位移均方根越大，即在最大单悬臂施工状态时抖振竖向位移均方根最大，相对于未设置结构内交叉抗风索的最大单悬臂施工状态来说，本方案中的主梁竖向振动位移均方根减振率可达到67.54％，对拱肋竖向振动位移均方根减振率可达到72.19％，一阶竖弯频率更高，减振效果较好；因此可证明本方案可减小桥梁施工最大悬臂状态时桥梁的抖振响应；同时，本方案既具有工程可行性又不影响水下通航，而且造价较低，施工也相对更为方便。
优选地，所述拱肋悬臂端下弦杆的两个端部与主梁悬臂端下弦杆的两个端部之间张拉交叉抗风索。
优选地，当拱桥位于地面时，可将两侧的拱肋悬臂端下弦杆与地面通过若干个抗风索连接。同样可起到抑振作用。
优选地，所述第一层扣索、第二层扣索和第三层扣索的一端均与拱肋连接，中部均与桥墩的顶端连接，另一端均与两侧墙壁连接。
优选地，步骤一中，拱肋利用钢管拱肋砼灌注的方法分段施工，每段拱肋均从拱脚处将砼从压注口泵入，再将多余的砼从排浆管排出后利用截止阀将钢管拱肋封闭。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构，其特征在于：包括主梁和拱肋，所述拱肋为两肢平行分布的钢拱肋，拱肋桁架弦杆的截面为箱型结构，所述钢拱肋之间设有横撑和剪刀撑，所述拱肋的拱脚处于拱脚桥墩连接，位于拱脚桥墩两侧的主梁下端面与主梁桥墩连接，所述拱脚桥墩和主梁桥墩均与地面连接，所述拱肋的上端面与主梁通过若干个均布的吊杆连接，拱肋的上端面与两侧的桥墩通过若干个抗风索连接。
2.根据权利要求1所述的一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构，其特征在于：所述抗风索均沿主梁的轴线对称设置。
3.根据权利要求2所述的一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构，其特征在于：所述抗风索均与主梁平行设置。
4.一种根据权利要求3所述的能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、施工桥台、引桥桥墩及交界墩和拱座；在交界墩顶设置扣索锚梁，并架设吊装塔架，架设吊装天线，箱梁在支架上现浇施工；在起吊平台上拼装第一阶段拱肋,然后分别吊装并调整好拱圈标高后扣定，同样吊装扣定第二阶段拱肋；对称安装拱肋间第一道横连；
步骤二、吊装第三节段拱肋，调整拱圈标高后扣定扣索1，拆除临扣1和临扣2并对称安装拱肋间第二道横连；在主拱钢管和拱座套管间楔入钢筋，后电焊一周封闭固定主钢管，再在套管空隙中压入高标号水泥砂浆填充密实；
步骤三、先后分别吊装临近的两段拱肋，调整标高后扣定两个临扣，并对称安装一道横连，重复本步骤直至达到最大单悬臂施工状态；
步骤四、将拱肋悬臂端上弦杆与相对侧的拱肋悬臂端下弦杆张拉交叉抗风索，将主梁悬臂端上弦杆与相对侧的主梁悬臂端下弦杆张拉交叉抗风索，将拱肋悬臂端上弦杆或拱肋悬臂端下弦杆的两个端部与主梁悬臂端上弦杆或主梁悬臂端下弦杆的两个端部之间张拉交叉抗风索，用于提高结构内部的抑振效果；
步骤五、安装最后一段拱肋，扣定扣索后铲除临扣并安装最后一道横连；
步骤六、合拢拱顶后逐级松扣至最后一级扣索，对拱肋钢管内灌注混凝土并达到设计强度后将最后一级扣索予以卸扣；
步骤七、架设主梁后拆除吊装天线及交界墩顶的吊装塔架，架设吊杆和抗风索。
5.根据权利要求4所述的一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工方法，其特征在于：步骤五中，在吊装调整扣定第二个拱肋大段时，即可对节段接头主钢管外圈施焊，依次进行，直至拱圈合拢。
6.根据权利要求5所述的一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工方法，其特征在于：步骤五中，空钢管拱肋合拢、各节段接头周圈焊接完成并形成无铰拱后，应予逐级松扣，将扣索拉力转换为拱的推力，使空钢管拱肋呈自重作用下的无铰拱状态。
7.根据权利要求6所述的一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工方法，其特征在于，松扣程序为：从跨中5号扣索开始，两岸对称分级，扣索拉力分5级，每级放1/5，依次从5向1号放松，各扣索松一级，暂停15至20分钟后，再进行第二级放松循环。
8.根据权利要求7所述的一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工方法，其特征在于：最后一级可保留10％-15％的扣力暂不放松。
9.根据权利要求8所述的一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工方法，其特征在于：步骤七中，为使主拱圈均匀受力，先架通横向八片梁中的中间两片梁，形成施工通道，再在横向对称架设第二对梁，并在纵桥向也应对称进行架设；同样架设第三对、第四对主梁，直到完成全部主梁的架设。
10.根据权利要求9所述的一种能提高抗风能力的大跨度钢管混凝土拱桥结构的施工方法，其特征在于：步骤六中，拱肋利用钢管拱肋砼灌注的方法分段施工，每段拱肋均从拱脚处将砼从压注口泵入，再将多余的砼从排浆管排出后利用截止阀将钢管拱肋封闭。
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