高烈度区大跨度结合梁斜拉桥设计与施工关键技术研究Word下载.docx

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3.3拟采取的技术路线11

一、项目的背景和必要性

1.1研究背景

本项目的研究以河口大桥为工程背景。

河口大桥是兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道的重点桥梁工程，为跨越黄河河口水库而设。

兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道是甘南州、临夏州与青海、河西走廊及新疆之间交通往来的重要通道，是兰州一小时都市经济圈内的交通要道，也是临夏州各县区与外界联系的主要通道。

项目是兰州市南滨河路“黄河风情线”的延伸段，也是打造兰州至永靖沿黄河经济带，整合区域特色旅游资源、打造沿黄河特色生态旅游线路的需要。

该桥主桥为双塔双索面结合梁斜拉桥，主跨跨径360m，边跨177m；

两边跨各设一个辅助墩，主桥桥跨布置为77+100+360+100+77m，主桥共长714m，如图1。

图1

主桥桥塔：

采用钢筋混凝土A型塔，塔身采用外侧圆弧凸起的箱型截面，截面横向宽度450cm、纵向宽度700cm。

在塔顶设空透隔板连接，塔柱底设底座。

每个桥塔设20根φ2.5m的灌注桩，塔桩长35m,均按端承桩设计。

主梁采用工字钢-混凝土结合梁，结合梁梁高2.83m（钢主梁中心处）、3.06m（桥梁中心处）。

结合梁的钢梁主要由工字形纵梁与横梁构成，横梁之间设置3道小纵梁，以增加桥面板横向分块，降低桥面板吊重和稳定横梁，小纵梁上设有橡胶隔离层，不参与桥面板整体受力，钢主梁上采用锚拉板的斜拉索锚固构造形式。

每片主梁为腹板外侧布置两条纵向加劲肋和竖向加劲肋的工字形断面，断面全高2.5m，纵梁上缘36mm×

1000mm，沿跨长不变，跨中部分下缘板70×

1000mm、腹板厚20mm，其余部分下缘板80×

1000mm,腹板厚28mm。

下翼缘宽在支座下局部变宽至1200mm。

纵梁腹板范围设两条纵向加劲肋，两条纵向加劲肋尺寸为20×

260mm,主梁梁段间采用M30高强螺栓工地连接。

塔根处纵梁长度为16m，其余段梁标准长度为12m，纵梁接头设在两横梁中间部位。

横梁采用工字形钢梁，钢横梁采用2280×

700×

20（28）×

16mm工字型截面，中心处高2280mm，端部高2050mm，翼缘宽700mm，上翼缘厚度为20mm，下翼缘厚度为28mm，腹板厚度为16mm。

横梁标准间距为4m。

所有钢横梁梁端与纵梁采用M24高强螺栓工地连接。

结合梁的混凝土桥面板采用分块预制吊装、板间设纵、横向现浇缝的方式连成整体，预制板存放时间要求6个月以上，现浇缝采用微膨胀混凝土。

桥面板采用预制钢筋混凝土板，板厚25cm，预制板顺桥向设置齿形剪力键。

在边跨一定范围内桥面板中布置有纵向预应力，采用9φ15.2钢绞线。

桥面板通过布置在钢纵梁及钢横梁上的剪力钉与钢梁结合。

剪力钉采用φ22圆头焊钉，ML15AL钢，长200mm

主桥斜拉索采用直径7mm镀锌低松弛平行钢丝束，最大索长189.201m（下料长度），边索与水平面最小夹角为22.971°

。

斜拉索全桥共56对，共采用5种规格形式，按双索面扇形布置，标准阶段索距在主梁上为12m。

1.2项目研究的必要性

随着国民经济的快速发展和交通量的日益增长，大跨径桥梁的修建规模和数量与日俱增。

现代斜拉桥因其具有造型美观、跨越能力达、布置灵活、施工干扰少等优点，并具有良好的力学性能及经济指标，是大跨径及特大跨径桥梁中最具竞争力的桥型之一。

但随着斜拉桥跨径的不断增大，其结构体系越来越复杂，桥梁结构理论分析和施工控制问题也日益成为设计和施工中的关键而备受关注，相应也出现了许多亟待解决的问题。

结合梁斜拉桥由于采用了结合梁主梁结构形式，主梁的抗弯刚度非常小，非线性效应十分明显，同时由于钢和混凝土材料性能差异较大，造成整体结构内力和空间分布变化特性十分复杂，无论从结构理论、分析方法、实验研究到设计与施工设计等有诸多方面都存在尚未解决的关键问题，因此开展结合梁斜拉桥设计优化与施工关键技术研究是十分必要的。

目前，我国在组合梁斜拉桥方面，无论研究、设计、施工等都存在明显的差距或需要完善的地方。

（1）我国组合梁斜拉桥虽然已经有20年左右时间的实践，但基础理论研究相对滞后，高烈度地震区修建的大跨度组合梁斜拉桥很少。

从试验规模与涉及面来看，国内系列化、系统性的试验研究较少。

（2）分析研究方面，考虑材料本构关系的非线性分析方法研究以及对组合结构弹塑性行为过程的分析研究等方面，无论涉及面与深度均存在不足。

（3）在基础理论研究方面，组合结构桥梁的整体受力性能、负弯矩区的力学性能、桥面板的合理构造、钢与混凝土的连接性能、连接件的滑移影响与力学性能以及钢结构屈服稳定与构造要求等问题还有待进一步研究并逐步完善。

本课题依托工程河口大桥选用结合梁斜拉桥的结构形式。

结合梁斜拉桥存在计算理论与实际误差较大、相关规范不完善和施工工艺复杂等问题，如果按照传统的方法进行设计与施工，容易引起施工质量与安全方面的严重问题，因此迫切需要对结合梁斜拉桥设计优化与施工关键技术进行研究。

本课题拟研究钢-砼结合梁斜拉桥的设计与施工关键技术，完善并建立新的结合梁斜拉桥的设计计算理论，优化设计参数，同时进行施工技术创新，研究成果可以直接指导河口大桥的设计及施工过程，有效降低工程造价，为依托工程的顺利实施提供了理论支撑和技术保障。

通过本课题的研究，可以为钢-砼结合梁斜拉桥在国内的进一步推广及应用奠定基础，具有显著的经济及社会效益。

从对已有文献和成果的检索，本项目对高烈度区大跨度结合梁斜拉桥设计和施工关键技术的研究的重点内容属国内首次，具有一定的开拓性。

另外，本项目的研究成果将直接用于河口大桥的设计与施工实践中，具有很强的针对性和实际应用价值，也具有进一步的推广价值。

因此，本项目的研究无论从理论及推动桥梁科技进步方面，还是实用价值方面都有重要意义。

二、项目前期科研及工作基础

2.1目前研究现状

（1）钢-混凝土结合梁桥的应用与研究现状

钢与混凝土结合梁是在钢梁和混凝土梁的基础上发展起来的一种组合构件，其结构形式通常由上部的钢筋混凝土板（或压型钢板混凝土板）和下部的钢梁组成，混凝土板和钢梁之间一般用栓钉剪力连接件进行连接。

结合梁桥以其整体受力的经济性、发挥两种材料各自优势的合理性以及便于施工等特点，在欧洲、美国、日本的桥梁建设中占有重要地位。

基础理论与分析方法方面，早期由于对组合结构桥的受力机理与构造研究不足，出现较多问题。

20世纪七八十年代以来，欧洲以及日本等国大力进行基础性理论研究和试验。

内容涉及焊钉连接件性能、钢梁局部稳定、结构力学性能、桥面板开裂性能以及特殊部位结构等方面。

通过研究与实践，制定并完善了相应规范、建立了新的分析与设计方法。

近年来，空间非线性有限元分析方法日渐进步与成熟，对结构总体承载性能、桥面板开裂影响、钢梁局部稳定、连接件与结合部的力学特点等可以更精确地进行分析，已经逐步取代了基于初等梁理论的简化方法。

通过对连接件刚度的模拟，从而更符合实际地采用不完全平截面变形理论进行组合结构桥梁受力分析；

通过引入结构与材料本构关系来考虑负弯矩区桥面板开裂影响，以更精确地评估结构从加载开始到破坏过程的非线性行为关系与受力状况。

依靠新的稳定理论与计算机技术的进步，可以更准确地考虑钢结构的总体与局部稳定，尤其是组合结构条件下的钢结构稳定特性，为减少稳定构件、合理安排材料确立了基础。

设计方法方面，借助大量研究成果及分析方法的进步，发展了允许混凝土板开裂、用裂缝宽度限值代替拉应力限值的设计方法，从而简化了构造、方便了施工，促进了连续组合结构桥梁的发展。

对于纵横向加劲肋等稳定构造，不再沿袭过去依据简化模型制定的相关设计规定，而是借助于新的稳定理论与分析方法进行设计。

此外，还有一些新的设计方法发展建立起来，例如：

在结构不同区域变化钢与混凝土连接刚度达到截面完全组合与不完全组合相结合的设计方法；

利用施工手段调节钢梁与混凝土板应力状态的设计方法；

连接件以群钉形式间断设置，从而实现有效施加预应力的方法等。

我国在组合结构桥梁方面，无论研究、设计、施工等都存在明显的差距。

我国组合结构桥梁应用很不普及，基础理论研究滞后。

从国内试验规模与涉及面来看，系列化、系统性的试验研究较少。

分析研究方面，考虑材料本构关系的非线性分析方法研究以及对组合结构弹塑性行为过程的分析研究等方面，无论涉及面与深度均存在不足。

在基础理论研究方面，组合结构桥梁的整体受力性能、负弯矩区的力学性能、桥面板的合理构造、钢与混凝土的连接性能、连接件的滑移影响与力学性能以及钢结构屈服稳定与构造要求等问题，必须进行深入研究才能为组合结构的健康发展打下良好的基础。

因此，研究工作应该在充分借鉴国外成果的基础上，结合国内桥梁建设需求与特点，开展系列化、系统性的分析与试验研究，特别要重视能够反映组合结构桥梁本质与特点的试验研究工作，为规范的完善以及设计水平的提高打下坚实的基础。

（2）斜拉桥结构的研究现状

斜拉桥是一种由三种基本承载构件，即梁、塔和两端分别锚固在梁和塔上的斜拉索共同承载的结构体系。

斜拉桥一般有桥塔受压，加劲梁受弯和受压，斜拉索受拉等结构受力特点。

与其它体系桥梁相比，由于拉索的支承作用，斜拉桥主梁具有跨越能力大、梁的建筑高度小和能够借助拉索的预应力对主梁内力进行调整等特点，其主梁、拉索、索塔及纵横联结系共同受力，形成空间结构体系。

斜拉桥结构体系根据索塔与主梁的连接情况可以分为漂浮体系，竖向支撑体系，固结体系，弹性约束体系，阻尼约束体系等。

由于各种结构体系均有其自身的特点，在一些桥梁上也出现了多种体系组合的情况。

以往的斜拉桥在设计初始阶段一般采用线性方法进行计算，而后进行较精确的考虑非线性的分析计算，并根据计算结果对施工图设计作出修改。

随着斜拉桥跨度的增大，非线性计算结果与线性计算结果的差别越来越大，对传统设计思路提出挑战。

以杨浦大桥设计阶段某方案为例，仅仅考虑初始轴力的影响，主塔根部活载弯矩的计算结果与线性计算方法得到的结果相差达60％。

因此，开展斜拉桥非线性影响研究对于完善超大跨度斜拉桥的设计理论、确保桥梁结构安全、设计合理具有十分重要的意义。

斜拉桥施工控制的方法目前已经应用于工程实践中的有参数识别法，灰色预测控制系统、卡尔曼滤波法、最佳成桥状态法、顺推法、无应力状态法、零弯矩拼装法，以及日本研制的斜拉桥施工精度控制系统等。

到目前为止，施工控制不论是理论上还是实践上都还没有重大突破。

主要归功于在预应力混凝土斜拉桥自适应控制方法中两项最为关键技术水平的提高，即结构的参数识别和现场立模标高实时修正方法。

同时现代计算机技术的飞速发展为斜拉桥施工控制带来了新的内涵，使得有可能用计算机软件来高效地实现这一复杂的工作。

尽管如此，但在现有的施工控制方法中仍然存在各种各样的缺陷，而在实桥修建时，有的采用强制合拢，有的采用反复调索，也有修建好的斜拉桥在运营阶段挠度过大或出现斜缆索拉断等危险状态而不得不进行调索或者换索处理。

因此，施工控制仿真理论的进一步完善与创新仍然一个重要课题。

（3）剪力滞问题研究现状

剪力滞是一种梁在弯曲过程中由于剪力在翼缘板中传递滞后而引起的截面正应力在横向分布不均匀的现象。

近几十年来,国内外许多学者对箱形截面梁的剪力滞问题做过大量的理论和试验研究，并且取得了不少成果,有些成果已经反映到许多国家的规范中。

以前的研究多限于受弯构件,剪力滞也特指弯曲应力的分布不均。

而斜拉桥的主梁是一种压弯受力构件,除了弯曲应力外,轴向力引起的正应力分布也是不均匀的,这里仍用剪力滞这一名词来定义压弯梁应力分布不均的广义剪力滞效应。

随着斜拉桥在我国的大量修建,特别是超宽主梁斜拉桥的修建,使人们认识到了对斜拉桥主梁这种压弯构件剪力滞研究的必要性。

有效宽度和剪力滞系数都是表