大跨径钢管混凝土系杆拱桥跨越密集型铁路站场顶推施工技术总报告.docx

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大跨径钢管混凝土系杆拱桥跨越密集型铁路站场顶推施工技术总报告

大跨径钢管混凝土系杆拱桥

跨越密集型铁路站场顶推施工技术

总报告

集团有限公司

二〇一年月

目录

1任务来源及依据1

2工程概况及特点1

2.1工程概况1

2.2主要工程特点2

3总体研究思路及方案确定3

3.1“带拱”顶推和“不带拱”顶推的比选3

3.2顶推方式的研究3

3.3“原位顶推”和“高位顶推”的比选5

3.4导梁的结构形式研究5

3.5施工监控项目6

4主要研究内容及关键技术6

4.1密集股道间布置设计临时墩技术6

4.1.1概述7

4.1.2跨铁路临时墩墩柱结构形式的确定8

4.1.3跨铁路临时墩的施工9

4.2长距离大跨度系梁顶推技术10

4.2.1系梁预制10

4.2.2前后钢导梁的结构与安装10

4.2.3顶推千斤顶布置与安装12

4.2.4传力索安装13

4.2.5系梁顶推与控制17

4.2.6安装永久支座18

4.3跨越铁路钢管拱拼装技术18

4.3.1钢管拱拼装方案的比选18

4.3.2钢管拱的拼装及混凝土灌筑19

4.3.3吊杆安装与张拉20

4.4顶推施工监控技术21

4.4.1施工监控的内容22

4.4.2施工监控的方法22

4.4.3线形监测22

4.4.4应力监测23

4.4.5温度监测24

5取得的主要技术成果及创新点24

5.1取得的主要技术成果24

5.2主要创新点24

6社会经济效益分析24

6.1经济效益24

6.2社会效益25

7推广应用的前景25

大跨径钢管混凝土系杆拱桥

跨越密集型铁路站场顶推施工技术

1任务来源及依据

国道公路东互通立交位于***市***区，其主线主桥跨越***铁路***火车站，设计采用102m跨系杆拱结构，该桥设计为双向八车道，分左右两幅，每幅宽24.3m，两幅间隔0.2m。

桥梁上部结构采用哑铃型钢管混凝土拱和单箱三室预应力钢筋混凝土系梁组合成的102m无推力系杆拱结构，单幅重8030t，采用顶推法施工。

线路位于6000m竖曲线上。

根据查新报告：

该桥是国内采用顶推法施工的宽度最大、重量最重的钢管混凝土系杆拱桥，再加上现场条件差、施工难度大。

为确保该桥的顺利实施，我公司开展了“大跨径钢管混凝土系杆拱桥跨越密集型铁路站场顶推施工技术”课题研究，该课题被列为中国铁道建筑总公司2007年度科研项目，合同编号为07—24C。

研究工作从2007年2月至2009年6月，历时28个月，圆满完成了课题要求的研究内容，达到了预期的目的。

2工程概况及特点

2.1工程概况

***公路***国道东互通立交由南向北依次跨越***国道和***铁路***车站，主桥位于R=6000m的竖曲线上。

与铁路夹角79°35′4″，平面图见图1，竖曲线图见图2。

图1系杆拱桥线路平面图

主线主桥102m系杆拱跨越***车站的***线站场，站场内现有8股道，股道间距5m～7.55m，铁路股道密集。

***铁路主要通行货物列车，车流密集，平均行车间隔时间10分钟。

主桥立面和横断面见图2和图3。

图2主桥立面图（单位cm）图3主桥横断面

主桥两幅并置，系梁为单箱三室预应力混凝土箱梁，梁高2.63m～3.014m；每幅拱为两组平行的哑铃型钢管混凝土结构，钢管混凝土拱计算跨径L＝100m，矢跨比为1/5，矢高为20m，拱轴线为二次抛物线。

哑铃型钢管材质采用Q345d钢，钢管外径1.2m，钢管及腹板除拱肋预埋段壁厚为16mm外，其余壁厚均为14mm，内充C50微膨胀混凝土；吊杆间距为5m，每片拱肋设吊杆17根，吊杆采用外径9.5㎝、PE防护的半环氧喷涂钢绞线。

2.2主要工程特点

⑴主桥顶推距离长，重量大

系梁为单箱三室预应力混凝土箱梁，体积大、结构复杂，采用顶推施工跨越铁路，顶推距离达102m、顶推重量达8030t。

施工过程中确保临时结构不失稳、变形不超标，系梁内力不超标、不发生受力裂缝是本工程的关键，同时也是本工程的难点。

⑵主桥位于6000m竖曲线上，顶推难度大

由于系杆拱位于6000m竖曲线的最高点，系杆拱顶推到位后的最高点比预制工位的最低点高出1.95m，顶推时先上坡，后下坡，给顶推控制增加了难度，对临时墩的标高控制也提出了更高的要求。

⑶顶推施工跨越既有多线运营铁路，技术难度大

***铁路为***连接东部地区的干线铁路，行车密度大。

本桥上跨***铁路，施工过程中，必须确保***铁路运营安全。

铁路安全要求高。

⑷临时墩施工场地狭窄

系梁顶推时，必须在***铁路上行线和相邻到发线间、***铁路到发线和货物线间布设临时墩，其中***铁路上行线和相邻到发线线间的临时墩，因其相邻铁路线间距仅7.55m，行车限界以外可利用有效空间仅2.67m。

由于线路与***铁路斜交，临时墩也是斜交布置，单个墩是四个滑道标高都有所不同，给施工设计增加了难度。

3总体研究思路及方案确定

由于本桥系杆拱跨越铁路，设计采用预制顶推法施工,这是投标时就明确的,问题在于顶推方式的选择和确定。

一是选择“带拱”顶推还是“不带拱”顶推；二是选择“原位顶推”还是“高位顶推”。

顶推方式确定后，即考虑顶推滑道布置和顶推机械设备的选择，同时导梁形式与结构的设置等重大方案的确定都必须要经过反复的科学论证比选，不但要在理论上可行，而且还要在操作上稳定可靠，保证系梁顶推过程中线形和内力安全，临时墩设置稳定、安全，系杆拱线形及内力满足设计要求，总体上满足铁路安全运营。

3.1“带拱”顶推和“不带拱”顶推的比选

“带拱”顶推，即系梁、钢管拱、吊杆全部完成后，临时固结拱圈、部分张拉吊杆，然后顶推。

“带拱”顶推方案优点是拱肋拼装等大部分上部结构施工在铁路限界外完成，对行车安全有利。

缺点有，一是从受力角度分析，在顶推之前，钢管拱拱肋不能合拢，且吊杆不能张拉到位，顶推过程中由于系梁的竖向变形，会导致吊杆对拱肋的拉力不断变化，拱肋及系梁受力较为复杂；二是顶推重量加大（8030t），施工难度大，安全隐患较大；三是系杆拱顶推前施工周期长，占用引桥施工场地，对整体工程工期影响大。

“不带拱”顶推，即先将系梁预制完成后顶推到位，然后在系梁上拼装拱肋。

采用此方案优点是顶推重量减小（7800t），系梁结构简单，受力明确。

缺点是系梁顶推到位后，钢管拱肋节段吊装、焊接工作等均在混凝土系梁上进行，对铁路行车安全有影响，需要采取严密的防护措施。

经过综合技术比较，结合施工工期紧的实际，我们确定采用“不带拱”顶推方案。

3.2顶推方式的研究

设计推荐采用“后背法顶推”，即在系梁尾部设置一反力后背，安装传力杆，千斤顶顶住反力后背，前端通过传力杆将顶推力传递至系梁尾部，目的是为了确保铁路安全，避免顶推系统横跨铁路。

根据现场地理位置，该方案不易操作。

一是系梁重量达8030t，作为顶推后背必须要能承受800t左右的水平反力，顶推后背施作困难；二是传力杆横跨***国道，安全隐患多，操作困难；三是临时设施投入大。

因此，我们必须研究其他合理的顶推方式。

本桥系梁为单箱三室预应力混凝土箱梁，而且横向宽度较大，达24.3m。

课题组在方案选择上比较了“两滑道”和“四滑道”两种滑道布置形式。

本桥系梁有四个腹板，“两滑道”方案是将滑道布置在最外侧两个腹板，“四滑道”是在每道腹板下设滑道。

“两滑道”方案使横向成为一简支体系，受力更明确，滑道顶标高控制精度要求低，计算结果如下：

⑴通过横向分析，系梁横向全部为压应力，也就是说采用两滑道对系梁结构本身是可行的。

⑵通过对整体结构分析，导梁刚度明显不够，同时滑道下支撑反力成倍增加，临时墩及永久墩基础全部需要加倍处理，投入大，不如四滑道经济。

综合以上情况，决定采用横向四滑道结构，即每个墩上都有四个滑点，滑点最少时为启动状态，20个滑点；滑点最多时为前导梁爬上16#墩时，有24个滑点。

在滑道施工过程中加强对滑道顶面标高的控制。

滑道确定后，根据静摩擦力布置顶推设备。

单幅系梁顶推重量7800t，静摩擦系数取0.1，考虑边滑道和中间滑道的不均匀系数1.15，全桥布置10台100t连续顶推千斤顶，其中2台为启动时备用。

系梁预制平台设在主桥西侧12＃～15＃范围内，桥位位于15＃～16＃墩之间，由西向东顶推。

图6初期千斤顶布置简图

在临时墩和永久墩上布置多点顶推千斤顶，在梁底设置拉锚器，用钢绞线连接拉锚器和千斤顶，通过千斤顶施加牵引力顶推系梁向前移动，避免了顶推钢绞线跨越铁路，保证了铁路安全。

经综合比选，确定采用“四滑道多点顶推法”施工。

3.3“原位顶推”和“高位顶推”的比选

由于顶推时滑道与系梁支座重合，如先安装支座，再在支座上安装滑道，则系梁必须采用高位顶推，待顶推到位后多支点落梁。

如后装支座，系梁可原位顶推，待顶推到位后，系梁为多支点连续梁结构，根据计算，可在15＃、16＃墩处将系梁单独顶起（每次起顶高度控制在10mm以内），而15＃、16＃墩位于连续系梁边支点，顶落梁吨位不大，临时墩L1＃～L4＃墩的滑道是放在砂箱上，钢管拱吊杆张拉完成后，临时墩不受力，掏出砂箱中的砂后系梁随即自然脱空。

显然，原位顶推条件容许，确定采用原位顶推，避免了高位落梁带来的系梁应力变化引起的开裂，简化了落梁的千斤顶布置。

3.4导梁的结构形式研究

为便于顶推过程中系梁早上桥墩，减少系梁悬臂受力，顶推桥一般均布置前导梁。

根据本桥系梁临时支墩布置（即跨距）方式，顶推过程中，系梁前端悬臂距离为15.21m～25.12m，系梁后端悬臂长度为32m～35.5m，顶推最大跨度35.5m位于12#～13#墩之间，为系梁启动时后端悬臂长度。

经计算，系梁最大悬臂断面处负弯矩大大超出设计容许值，如果采用减小跨度的方案，不仅成本大大增加，而且现场条件也不允许，因此，课题组经过研究采用前、后双导梁结构形式。

前导梁长度外伸长度19.905m，后导梁外伸长度27.555m。

3.5施工监控项目

由于主桥跨越铁路施工，为确保该方案万无一失，课题组不仅对顶推各工况进行了结构受力分析，还对施工进行了全过程监控。

监控重点有三个：

一是系梁应力监控，确保系梁不开裂；二是系梁顶推线形监测；三是拱肋线形监控。

采用线形和应力双控，对系梁、临时墩、拱肋、吊杆几何变形、应力、温度、稳定等项目进行了施工全过程监控。

几何变形用全站仪、经纬仪、水平仪监测，应力测试采用预埋钢筋压力计。

通过模拟分析预测和施工过程监控，对桥梁的线形与内力状态实施控制，从而保障施工安全，实现成桥后桥梁线形与内力状态达到设计要求的目的。

针对本桥的结构和施工特点，采用非线性计算理论和自适应控制法，分析模型采用空间模型，用ANSYS软件计算。

具体控制方法是根据实际的施工工序，以及现场获取的参数和数据，对桥跨结构进行实时的理论分析和结构验算；对每一施工阶段，根据分析验算结果给出其主梁端、拱肋每个施工阶段的定位标高等施工参数，分析施工误差状态，防止顶推过程中系梁、临时墩受损和失稳，保证成桥后的结构内力和线形符合设计要求。

施工过程中，监控小组通过现场原位监测、室内试验、现场监测三种监测方法实施监控。

4主要研究内容及关键技术

系杆拱结构采用分幅施工，分幅顶推。

经过总体施工方案研究后，确定的施工流程为：

系梁在主桥西侧12#-15#墩之间搭设支架现浇成型。

在主桥位15#-16#墩之间的铁路股道间设置4个临时墩，通过主控制台的集中控制8-10台千斤顶顶推系梁前行，横向位置纠偏由设在墩顶外侧的限位器实现。

顶推分七次完成，顶推距离10～24m。

顶推过程中，倒换拉锚器和移动千斤顶，将系梁顶推到位。

系梁顶推到位后，在系梁两端（即15#和16#处）安装千斤顶，