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8中承式拱桥施工分析报告

中承式拱桥施工分析报告

1.工程概况

1.1.主桥概况

XX大桥主桥为大跨径曲线梁非对称外倾拱桥（非对称肋拱桥），全桥跨径组合为3×46m（引桥）+50m（引桥）+300.502m+50m（引桥）+4×46m（引桥），全桥共长734.502m。

1.2.主桥上部结构吊装施工

XX大桥主桥为曲线梁非对称外倾式系杆拱桥，根据设计文件要求采用“先拱后梁、以拱承梁，钢肋拱通过斜拉扣挂悬臂拼装”的施工方案。

拱肋架设采用“缆索吊机吊装，斜拉扣挂”方案。

拱节段采用缆索吊机吊装就位后用扣索扣挂于扣塔上，吊塔与扣塔合一，塔架采用钻孔桩承台基础，塔身采用钢管立柱、型钢与万能杆件组合结构，塔顶架设四组主索道和四组工作索道，钢箱拱和钢箱梁节段采用两组主索道四吊点起吊，工作索道辅助吊装；东西两拱肋间设置临时横向联结系，在扣索、临时横向联结系横向缆风索的共同作用下，抵消拱肋面外分力，保持拱肋悬拼施工的结构稳定；拱肋合拢后安装临时水平系杆，开始架设主梁；主梁架设采用“缆索吊机吊装，拱肋支承”方案。

吊装就位后利用外侧永久吊杆和临时吊索维持和调整梁节段空间线形。

随施工进度，调整临时系杆索索力，完成主梁焊接合拢。

主梁合拢后，拆除临时横向联结系，逐步解除临时系杆索，同步张拉永久系杆索，完成系杆索转换；解除临时吊索，安装内侧永久吊杆，完成吊杆索转换；最后调整永久吊杆索和永久系杆索，使主梁轴线达到设计线形，完成结构体系转换。

图1.21斜吊扣挂方案示意图

1.2.1.临时塔架

临时塔架既是缆吊系统支撑结构，承担缆吊系统的全部竖向荷载，又是钢肋拱吊装吊装期间临时斜拉索的锚固塔，吊扣合一，结构受力复杂，是关系主桥上部结构施工安全、质量的关键结构。

为满足扣索空间布置要求，南北两岸塔架对称布置于距离两岸主墩76m处，其中青山岸塔架总高126.0m，横桥向总宽109.16m，顺桥向塔底总宽18.52m，塔顶总宽6m；蟠龙新城岸塔架总高136.0m，横桥向总宽109.16m，顺桥向塔底总宽19.82m，塔顶总宽6m。

临时塔架由索塔管结构、索塔H型钢柱、索塔万能杆件横梁、索塔锚箱及索塔塔顶分配梁等部分组成。

索塔管结构：

塔架每肢由6根φ813×14mm钢管立柱组成，钢管柱间的联结系采用双槽钢截面（16a）。

钢管立柱青山岸高96.0m，蟠龙岸106.0m。

管结构采用节段拼装，除塔脚、塔顶为异型管段外，其余均为12.0m标准节段，节段间采用法兰盘连接。

索塔H型钢柱：

锚固区H型钢立柱高28.0m，H型钢立柱上万能杆件高2.0m。

H型钢规格为H580×510×12×20mm和510×200×12×20mm。

前者为H型钢大立柱，后者为H型钢小立柱，与中间两榀万能杆件相连。

节段高度分别为9.0m、10.0m、9.0m，中间用法兰盘连接。

H型钢立柱与管节段采用法兰连接。

扣索在塔顶对应的位置设置锚梁，扣、锚索锚固于锚梁上，张拉、调索操作均在塔顶完成。

图1.22塔架结构示意图

索塔万能杆件横梁：

万能杆件横梁宽65.08m，由64m标准万能杆件段和1.08m异形杆件段组成。

万能杆件横梁中间采用3×4=12m桁高，两端12m范围内加高为24m，并与下面的横梁联系在一起。

索塔锚箱：

XX大桥索塔为全钢结构，扣索、锚索交叉锚固于锚箱上，锚箱布置于索塔H型钢和万能杆件内，主要平衡扣索、锚索水平分力，并将竖向力传递给索塔立柱。

锚箱采用箱形结构，为适应在锚箱上张拉扣、锚索以及调索的需要，锚箱两端设计为异形结构。

锚箱长6.4～6.5m，宽0.55～0.65m，高1～1.3m，材质均为Q345B。

索塔塔顶分配梁：

索塔分配梁按三层布置，自下而上依次为下横梁、纵梁、索鞍导轨。

下横梁除塔顶两端、塔顶中间及型钢与万能杆件相交处按特殊段设计外，其余均采用6m长/段设计，下横梁在节点位置增加横向加劲肋，顺桥向增加联接系用型钢[16a在横向加劲肋上联接，使下横梁形成整体。

并在横桥方向、段与段之间利用拼接板连接，连接位置为腹板及上、下翼缘。

纵梁均按6.28m长设计，在节点位置增设横向加劲肋，并在几个固定位置增加缆风锚箱，纵梁上部直接铺设横桥向索鞍导轨。

塔架基础采用承台、群桩形式。

塔架桩基采用4×4布置，钻孔灌注桩桩径为1.50m。

青山岸桩长31.0m，蟠龙新城岸桩长28.0m。

承台外形尺寸为22.0×17.6×3.0m，分为两肢、每肢尺寸为7.1×17.6×3.0m，两肢间设置7.8×3.0×3.0m的系梁。

塔脚采用固结，横桥向单侧钢管柱宽15.78m，两侧立柱横桥向中心线净宽65.60m。

1.2.2.扣挂体系

XX大桥钢箱拱节段采用“斜吊扣挂”施工，悬拼的节段通过扣索锚固于扣塔上。

吊装最大悬臂时每肋设7对扣索，斜拉扣索在拱肋合拢前，需多次对斜拉索进行调整，以满足拱肋合拢线形。

扣索系统中前扣索、后锚索采用钢绞线。

在扣塔架上部设置七层对拉张拉锚固梁，扣索和锚索根据索力进行张拉锚固，同时调整拱肋线形。

XX大桥拱肋节段为单肋安装，待同一岸上、下游同一节段安装就位后，紧接着安装节段间横向连接系，即完成一个双肋节段单元。

单肋节段安装就位后，用侧向缆风索和临时横向对拉索保证横向稳定，在同岸相同拱肋节段安装后，用横向对拉索和侧向缆风索共同保证拱肋的稳定。

横向对拉索采用1860MPa，φj15.24-7的无粘结钢绞线索体，连接同号拱肋节段，全桥共设置12束正式横向对拉索（2#～7#拱肋节段），2束临时横向对拉索（1#拱肋节段）。

在同节段拱肋安装好后，用工作索道将横向连接系索体吊装到拱肋上，锚固在拱肋节段吊点横隔板上，采用千斤顶张拉调整拱肋轴线。

侧向缆风索安装位置与横向对拉索对应。

钢箱拱节段安装时，在3#、5#、7#拱节段上设3组正式侧向缆风索，在1#、2#、4#、6#拱节段上设4组临时侧向缆风绳。

在同型号节段横拉索、后一节段缆风绳安装后，视情况（经施工监控核算后确定）拆除前一节段的临时缆风索。

主索地道锚采用固定式桩基承台地垄，采用群桩和承台组成，槽口将承台分成三部分，由承载索的栓绳梁连接。

桩基采用□200×200cm的人工挖孔桩，纵向间距7.0m，横向间距5.8m。

东侧承台尺寸为10.9×15.0×5.0m，西侧承台尺寸为10.9×15.4×5.0m。

承载索通过地垄上的栓绳梁后用绳卡固定。

扣索地垄布置在邕江的南北两岸，每岸2个，共4个，采用群桩和承台组成，承台上设有扣索、缆风索锚固槽口。

桩基采用□200×200cm的人工挖孔桩，纵向间距6.5m，横向间距5.0m。

承台尺寸为9.5×18.0×4.5m。

1.3.主桥上部混凝土结构施工

1.3.1.总体施工方案

砼拱座结构施工包括预应力砼拱座施工、肋间平台施工、肋间横墙施工三部分。

均采用分节分段（区）的方法进行施工，施工时肋间横墙及肋间平台节段施工均与拱肋相应节段同步关模灌注混凝土，以确保混凝土整体性。

砼拱肋施工利用在结构内设置的双层劲性骨架作为承力结构，为拱肋施工模板、拱肋预应力及钢筋安装提供支撑。

同时搭设钢管桩加万能杆件施工作业平台，采取辅助措施平衡拱座因自重而产生的弯矩。

针对拱座曲面双外倾结构特点，节段主要采用液压自爬模系统分节段浇筑。

肋间横墙采用分层及分区的方法进行施工，在肋间横墙内设置劲性骨架为肋间横墙钢筋及模板提供支撑。

肋间横墙节段与拱肋相应节段同步关模进行混凝土灌注施工。

肋间平台采用支架法分段现浇施工。

采用钢管立柱与六四式军用梁作为肋间平台现浇支架平台。

肋间平台与拱肋实心段节段同步进行混凝土灌注施工。

1.3.2.混凝土拱肋施工

混凝土拱肋段采用分层（段）进行施工的方法进行施工。

为便于拱肋模板的设计及施工，以及为确保拱肋混凝土灌注施工质量，总体上混凝土拱肋纵向分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个大段进行施工，其中第Ⅰ段为与肋间横墙相对应部分，第Ⅱ段为与肋间平台相对应部分，其余段为第Ⅲ段，为确保段间结合面上不产生较大的剪应力，三段间设置台阶状施工缝。

为满足拱肋预应力体系分段锚固、分段接长以及为保证拱肋混凝土施工的可操作性，根据拱肋预应力体系锚固接长工作面布置以及混凝土一次浇筑高度要求，拱肋三个大段又分为21小节段进行分段浇筑施工，其中包括3条水平施工缝以及18条垂直于拱轴线的施工缝，水平缝采用小台阶状施工缝，拱肋节段最大高度为拱肋实心段3.359米。

图1.31混凝土拱肋施工分段（层）效果图

1.3.3.拱肋劲性骨架

由于混凝土拱肋为双外倾结构，其钢筋及预应力束较多，在施工过程中拱肋钢筋及预应力的临时固定需要由拱座劲性骨架进行支撑，同时拱肋模板的安装受力也必须由劲性骨架进行支撑。

故劲性骨架采用双层结构，主弦杆采用∠100×100×10角钢以折代曲，内外层角钢间采用∠50×50×5角钢作为联接杆，劲性骨架腹杆采用∠75×75×8角钢作为横向联接系支撑杆。

拱肋劲性骨架在承台最后一层混凝土灌注施工前进行承台内劲性骨架角钢的埋设施工，在承台最后一层混凝土施工完成后进行拱肋劲性骨架的接长施工。

拱肋劲性骨架主要是为拱肋施工模板提供支撑，同时为拱肋预应力及钢筋等安装提供支撑，由于拱肋预应力筋较长，故拱肋劲性骨架安装时主要根据预应力安装程序分四次进行接长施工。

图1.32混凝土拱肋劲性骨架结构图

1.4.计算内容

1.4.1.临时塔架结构设计复核与拱梁吊装施工工况计算分析

◆根据实际施工工况对拱梁吊装和扣挂用塔架结构进行全面设计复核和提出优化设计建议，确保塔架结构满足拱、梁吊装施工使用功能，结构强度、刚度、稳定性满足规范要求。

给出满足拱肋吊装线形的塔顶最大位移值。

◆对塔架基础、缆索地垅、扣锚地垅桩基承载力进行验算，承台基础各项验算指标进行计算；对设计中不完善处提出优化设计建议，以保证塔架基础、缆索地垅、扣锚地垅结构满足施工使用要求。

◆对拱肋吊装扣挂体系进行计算复核；给出各施工阶段扣索、横向对拉索、横向缆风索索力值。

◆对拱、梁吊装进行施工阶段分析，详细计算各阶段主桥结构的内力、位移、稳定性以及施工临时设施各个部位的内力及变形，验算主桥及施工设施的安全度。

1.4.2.混凝土拱座及肋间平台施工计算分析

◆混凝土拱肋液压爬模悬臂浇筑施工各阶段，拱肋各部位应力、变形计算。

◆混凝土拱肋双层劲性骨架设计复核与肋间对拉杆设计复核。

◆钢肋拱1号节段安装期间（钢混连接段混凝土浇筑及预应力张拉前），混凝土拱肋受力分析。

2.临时塔架设计复核

2.1.计算模型及分析依据

2.1.1.有限元模型

XX大桥钢箱拱节段采用“斜吊扣挂”施工，悬拼的节段通过扣索锚固于扣塔上，施工过程及其复杂。

为了准确模拟整个结构体系的受力行为，采用空间杆系有限元程序对主要受力结构均进行模拟，包括混凝土拱肋、肋间平台、钢拱肋、临时塔架、塔架缆风索、锚索、扣索、横向对拉索及侧向缆风索，有限元模型如图2.11所示。

模型中未对主索道及工作索道进行建模模拟，即仅考虑二者的荷载作用，忽略其对塔架变形的影响。

该模型总体坐标系采用XX大桥切线坐标系，其中X轴为顺桥向，Y轴为横桥向，Z轴为竖直方向。

以下如未特殊说明，计算结果显示坐标均为切线坐标系。

图2.11XX大桥施工结构有限元模型图

2.1.2.计算荷载

1.结构自重

主桥拱肋自重根据设计文件提供的拱肋节段重量和模型中的拱肋截面面积，换算主拱的材料容重，计算程序将按照此容重计算拱肋自重。

索塔钢管立柱和H型钢柱自重程序根据钢材容重计算；索塔联结系、万能杆件及塔顶分配梁重量以集中力的方式施加于节点，以计入结构杆件、节点板、拼接板和螺栓等重量。

2.吊装荷载

吊装荷载计算考虑作用在主索上的均布荷载和集中荷载。

作用在单组主索道上的均布荷载包括6根主索、2根起重索、2根牵引索（单根按“倍率4”单牵引布置）、循环结索、分索器自重组成；集中荷载包括构件吊重（考虑10%超载）、走行小车、上下挂、牵引滑车、连接器及拉索、配重（吊装扁担梁），滑车组间起重索重（起升高度100m）。

表2.11～表2.18给出了各吊装工况下主索内力及对索塔的作用力，其中主索对索塔的作用力中垂直力向下为正、水平力朝河心为正、横向力朝塔架中心为正。

（1）东拱吊装

表2.11东拱跨中起吊主索内力及对索塔的作用力（单位：

kN）

节段

编号

水平

张力

主索

张力

垂度

（m）

安全

系数

青山侧塔架受力

蟠龙侧塔架受力

垂直力

水平力

横向力

垂直力

水平力

横向力

5082

5162

33.30

3.12

3276

495

3046

383

5412

5500

34.15

2.93

3499

527

170

3254

408

150

5306

5386

32.56

2.99

3392

524

234

3153

407

206

5237

5312

31.50

3.03

3323

523

285

3088

407

250

5183

5254

30.53

3.07

3265

523

323

3033

407

284

5199

5268

29.91

3.06

3259

528

353

3026

412

310

5220

5288

29.53

3.05

3261

533

372

3028

416

327

5166

5232

29.23

3.08

3222

528

374

2990

413

329

表2.12东拱就位起吊主索内力及对索塔的作用力（单位：

kN）

节段

编号

水平

张力

主索

张力

垂度

（m）

安全

系数

青山侧塔架受力

蟠龙侧塔架受力

垂直力

水平力

横向力

垂直力

水平力

横向力

4337

4431

24.32

3.64

3302

400

2383

304

4885

4982

28.01

3.23

3597

460

154

2705

352

136

4960

5045

28.42

3.19

3495

481

220

2753

371

193

5023

5101

28.88

3.16

3424

496

274

2802

385

241

5063

5136

29.04

3.14

3355

508

316

2840

395

278

5143

5212

29.21

3.09

3331

521

350

2906

406

307

5203

5271

29.32

3.06

3307

531

371

2967

414

326

5165

5231

29.22

3.08

3232

528

374

2980

413

329

（2）西拱吊装

表2.13西拱跨中起吊主索内力及对索塔的作用力（单位：

kN）

节段

编号

水平

张力

主索

张力

垂度

（m）

安全

系数

青山侧塔架受力

蟠龙侧塔架受力

垂直力

水平力

横向力

垂直力

水平力

横向力

5830

5928

35.41

2.72

3592

464

101

3528

435

5378

5463

33.58

2.95

3279

435

176

3220

408

167

5239

5317

32.22

3.03

3163

430

241

3106

404

229

5185

5258

31.00

3.06

3101

432

294

3045

406

279

5173

5241

29.97

3.07

3068

437

335

3012

410

318

5200

5266

29.24

3.06

3064

444

366

3009

417

347

5225

5290

28.79

3.05

3067

449

386

3011

421

366

5185

5248

28.48

3.07

3037

446

388

2982

419

368

表2.14西拱就位起吊主索内力及对索塔的作用力（单位：

kN）

节段

编号

水平

张力

主索

张力

垂度

（m）

安全

系数

青山侧塔架受力

蟠龙侧塔架受力

垂直力

水平力

横向力

垂直力

水平力

横向力

5128

5240

27.69

3.07

3720

385

2822

359

4911

5004

28.04

3.22

3395

383

161

2719

358

153

4936

5018

28.51

3.21

3276

397

228

2744

372

216

4998

5074

28.67

3.18

3205

412

284

2788

386

269

5069

5139

28.65

3.14

3157

426

328

2838

400

311

5151

5218

28.62

3.09

3133

439

363

2900

412

344

5210

5275

28.60

3.05

3109

447

384

2956

420

365

5184

5248

28.48

3.07

3046

446

388

2972

419

368

（3）主梁吊装

表2.15主梁跨中起吊东侧主索内力及对索塔的作用力（单位：

kN）

节段

编号

水平

张力

主索

张力

垂度

（m）

安全

系数

青山侧塔架受力

蟠龙侧塔架受力

垂直力

水平力

横向力

垂直力

水平力

横向力

5016

5080

29.16

3.17

3132

512

-349

2907

400

-306

4984

5049

29.35

3.19

3118

507

-336

2895

396

-295

5190

5260

30.22

3.06

3262

525

-339

3029

410

-297

5157

5228

30.41

3.08

3247

521

-324

3016

406

-284

5129

5200

30.58

3.10

3235

517

-311

3004

402

-273

5105

5176

30.72

3.11

3224

513

-299

2994

399

-262

5084

5155

30.85

3.13

3215

510

-289

2986

397

-253

5065

5137

30.96

3.14

3207

507

-279

2979

395

-245

5050

5122

31.05

3.15

3200

505

-271

2973

393

-238

G10

5038

5110

31.13

3.15

3195

503

-265

2968

391

-232

G11

5027

5099

31.20

3.16

3190

502

-259

2964

390

-227

G12

5019

5091

31.25

3.16

3186

500

-254

2960

389

-223

G13

5013

5085

31.28

3.17

3184

499

-251

2958

388

-220

G14

5009

5082

31.31

3.17

3182

499

-249

2956

388

-219

G15

4932

5003

31.11

3.22

3131

491

-244

2909

382

-214

表2.16主梁跨中起吊西侧主索内力及对索塔的作用力（单位：

kN）

节段

编号

水平

张力

主索

张力

垂度

（m）

安全

系数

青山侧塔架受力

蟠龙侧塔架受力

垂直力

水平力

横向力

垂直力

水平力

横向力

4812

4879

30.40

3.30

2877

400

-251

2826

376

-238

4835

4902

30.26

3.29

2887

403

-262

2835

379

-248

5093

5164

30.79

3.12

3044

425

-286

2990

399

-271

5121

5192

30.62

3.10

3056

429

-299

3001

402

-283

5149

5220

30.46

3.09

3067

432

-311

3012

405

-295

5175

5246

30.30

3.07

3078

436

-322

3023

409

-305

5200

5270

30.16

3.06

3088

439

-332

3032

412

-315

5223

5292

30.03

3.04

3097

442

-341

3041

414

-324

5243

5312

29.91

3.03

3106

444

-350

3050

417

-331

G10

5261

5330

29.81

3.02

3113

446

-357

3057

419

-338

G11

5276

5345

29.72

3.01

3119

448

-362

3063

421

-344

G12

5288

5356

29.66

3.01

3124

450

-367

3067

422

-348

G13

5298

5366

29.60

3.00

3128

451

-371

3071

424

-351

G14

5304

5373

29.57

3.00

3131

452

-373

3074

424

-354

G15

5232

5299

29.32

3.04

3084

446

-369

3028

419

-350

表2.17主梁就位起吊东侧主索内力及对索塔的作用力（单位：

kN）

节段

编号

水平

张力

主索

张力

垂度

（m）

安全

系数

青山侧塔架受力

蟠龙侧塔架受力

垂直力

水平力

横向力

垂直力

水平力

横向力

4475

4548

32.69

3.54

3161

444

-312

2415

343

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