朝天门上部技术研究.docx

1、朝天门上部技术研究中 交 集 团科技研发项目立项申请书项目名称：超大跨径钢桁架系杆拱桥上部结构安装施工控制研究申报单位：中交第二航务工程局中交桥隧技术重点研究室：负 责 人：翟世鸿完成时间：2006年6月2008年10月 中国交通建设集团有限公司制订一、立项背景重庆市政府投资兴建的重庆朝天门长江大桥工程，位于重庆市主城区内，西连江北区青草坝，东接南岸区弹子石，南距朝天门约1.71km，是重庆市城市总体规划中的东西快速干道。该大桥为双层公轨两用桥，上层公路双向6车道，下层中部是双向轻轨轨道，同时两侧预留2车道。大桥全长1741.0m，其中主桥长932.0m，为190+552+190m的钢桁架拱桥

2、。中交集团公司以BT方式负责建设重庆朝天门长江大桥。朝天门长江大桥作为重庆市的门户，是今后重要的景观工程，工程的安全、进度、质量对重庆市的影响极大，中交集团作为该项目的BT业主，对该项目的设计、施工负全面责任。552m跨度的钢桁架系杆拱桥目前是国内外同类桥梁跨径第一，而中交集团目前尚未有类似桥梁的施工经验，目前国内外也少有如此大跨度的钢桁架系杆拱桥施工经验。主桥施工方案，特别是上部结构的安装施工控制与监测对全桥的工程质量、安全和进度至关重要，同时施工方案的选择也与设计、监控相辅相成，并最终体现出项目的总体投资效益。因此需要对安装施工监控技术进行深入的研究，以尽快掌握钢桁架拱桥上部结构施工的关键

3、技术，为本工程顺利实施提供坚实的技术支撑，并为今后进一步承揽钢桁架拱桥施工任务（如将要修建的武汉二七路钢桁架拱长江大桥）做好技术储备，成为集团新的经济增长点，并带来良好的社会效益和经济效益。二、国内外研究概况及可行性分析国内外钢桁架拱桥很少，国外也只是在上世纪30年代至70年代建了一些，且数量很少，跨度大于500m的只有三座。目前相类似的桥梁中，其一是美国西弗吉尼亚新河谷桥主跨518.2m，是目前桥梁跨度最大者，1977年建成，为上承式钢桁架拱桥；另两座跨度大于500m的钢桁架拱桥是美国贝永桥，主跨504m，中承式拱桥，1931年建成；其二是澳大利亚悉尼港桥，主跨503m，中承式公铁两用桥，1

4、932年建成，其它同类桥跨度均在400m以内，修建年代同样较久。目前国内尚无跨度在400m以上的大跨度钢桁架拱桥施工实例，但有与钢桁架拱桥类似的钢箱结构拱桥施工实例，即上海卢浦大桥中承式钢箱结构拱桥。该桥的跨度达550m，是目前世界上跨度最大的钢箱结构拱桥，也是世界上首座采用箱形拱结构的特大型拱桥，主桥建造中集斜拉桥、拱桥、悬索桥3种不同类型的桥梁施工工艺于一身，是世界上单座桥梁建造中所采用的施工工艺最多、也最为复杂的一座大桥之一。该桥的施工特点为，采用拱上吊机悬臂法拼装，节段吊装。单体构件吊装重量为世界最大，达860t，河中跨之拱肋吊装重量最大达480t，均居世界首位。巫山长江大桥为中承式钢

5、管混凝土拱桥, 主跨460m，是中国拱桥史上继卢浦大桥后又一次重大突破，采用缆索吊机进行上部结构的安装。国内目前建造较多的是钢管混凝土拱桥，跨径大于300m的不超过10座，多采用缆索吊机吊装主拱肋。宜万铁路与达万铁路相连接的万州长江铁路大桥采用三跨连续钢桁拱梁组合体系桥梁，主跨360m，主桥上部边跨钢桁梁搭设支架安装，中跨采用拱上吊机悬臂拼装的施工工艺，钢桁拱与钢桁梁同步安装，由中铁大桥局施工。该桥虽然结构与朝天门大桥相似，但是其桥梁总体尺度和重量均远小于本桥，施工的工艺方法和措施与本桥也有较大差别，且目前该桥尚无可供借鉴的上部结构安装控制经验。重庆朝天门长江大桥主桥全长932m，为三跨连续钢

6、桁架拱梁组合体系，其跨度组合为190552190m，主跨为552m的中承式无推力钢桁架系杆拱桥，将成为同类桥型中世界第一，可与主跨550m的上海卢浦大桥箱形拱结构桥相媲美，且为上下双层桥梁，其构件加工精度要求高、线形控制难度大、施工工艺复杂、主跨桁拱大悬臂拼装存在较大的风险。目前拱桥施工中常用的方法有缆索吊装斜拉扣挂法、拱上吊机悬臂拼装斜拉扣挂法、转体施工法和支架施工法，后二种施工方案在本工程中不可能实施，本桥的施工只能采用前二种方法或其组合方法。缆索吊装斜拉扣挂法在国内拱桥的施工中采用较为普遍，如四川万县长江大桥、巫山长江公路大桥、武汉汉江晴川桥、浙江省千岛湖南浦大桥等。悬臂拼装法应用则相对

7、较少，国内曾在上海卢浦大桥得到使用，正在施工中的万州长江铁路大桥采用了拱上架梁吊机悬臂拼装法。结合本桥现场的特殊环境条件，本桥已确定采用拱上架梁吊机悬臂拼装法，先安装钢桁拱肋和吊杆，待拱肋合拢后，再用桥面吊机安装桥面梁系的总体施工方案。如此大跨度的钢桁架拱采用拱上吊机悬臂拼装法，目前国内外均无实践经验，钢桁拱结构杆件数量多，拼装后刚度大，钢桁架的内力和线形对环境温度的变化敏感，因此对于上部结构的安装施工控制方法需进行深入的研究。大跨度钢桁架拱桥上部结构安装施工控制主要需解决以下两个关键问题：一是施工过程中的结构稳定问题。在工程实际中，事故大多发生在施工过程中，尤其是拱桥在施工过程中的失稳最为突

8、出。拱桥的施工阶段安全稳定性是上部结构安装控制的一个关键问题，也是一个与设计有关的关键问题。施工过程中的稳定问题一般分为两类：一类是面内稳定问题；另一类是面外稳定问题。对于面内的稳定问题国内外已进行了大量的研究，利用有限元进行非线性计算和分析已得到可靠的结果。对于面外施工稳定问题由于涉及到面外荷载如静风荷载，比面内施工稳定问题复杂得多，目前对此类问题的理论研究极为欠缺，在施工过程中确保稳定的安全措施、安全控制经验则更少。大跨度拱桥施工过程中的稳定性计算，是以施工期间变化着的不完整结构体系在不断改变的荷载作用下的分析为依据的。目前有采用有限元分析方法和时变力学的分析方法，研究大跨度拱桥的施工稳定

9、问题，模拟施工过程中的结构行为，施工过程中的控制则主要通过加强内力和变形监测，印证理论分析计算结果，并采取合理的安全控制措施。二是大跨径拱结构的线形控制和调整，是施工中面临的又一难题。通常采用扣索的一次张拉法和动态调整法。一次张拉法需要精确确定扣索伸长量与拱肋位移之间的关系，或合拢时通过调整边（中）支点标高来满足主拱的零应力要求，但主拱的设计最终线型和跨径可能与设计存在偏差；扣索的动态调整法则是通过现场适时的张拉扣索，重新合理的分配各扣索的内力，使各控制点的标高以某种方式逼近设计拱轴线，以期获得满意的拱肋内力、扣索内力和拱轴线线形。对于超大跨径钢桁拱的长悬臂拼装，因其受杆件制造和拼装误差以及温

10、度变化、日照不均等因素影响，内力和线形的变化更加频繁和复杂，为了使主拱线形符合设计要求，这一切又必须通过理论分析和现场测试来实现，其主要内容涉及到钢桁拱和扣塔架的变形控制、扣索的内力控制和拱肋的标高、偏位控制。由于钢桁架拱本身的刚度较大，在线形控制时主要是在满足线形的前提下调整内力，故线形控制最理想的状态是一个逐渐向设计轴线逼近的过程。而目前设计考虑通过调整支座或在边跨尾部压载达到合拢，则可能造成桁架内应力的重新分配，甚至可能造成部分杆件内应力过大。目前，国内具有钢拱桥上部结构整体施工经验的施工企业有中铁集团大桥局、上海建工集团、四川路桥等数家。集团经过十多年的努力拼搏，已掌握了特大型桥梁施工

11、的许多关键技术。利用此次中交集团以BT总承包方式参与建设重庆朝天门长江大桥的机遇，集中攻克钢桁架拱桥上部结构安装控制的关键技术，将使集团的施工技术水平再上一个新的台阶。二航局已圆满完成了多座特大跨径的斜拉桥施工，已与有关科研院校联合完成了多座特大桥的施工监测、监控，对于斜拉桥的上部结构施工控制已积累了很丰富的经验。对于钢拱桥的施工也积累了部分施工经验，如浙江淳安千岛湖南浦大桥钢管拱桥施工。近年国内钢拱桥的应用越来越普遍，在钢拱桥的设计、施工控制、科研上均取得了许多成果，如上面提到的上海卢浦大桥、巫山长江大桥等。一些大专院校如同济大学、重庆交通大学等在大跨度钢拱桥的施工稳定参数研究、线性稳定分析

12、等方面采用有限元分析方法进行了有针对性的理论研究，这些都为朝天门大桥的上部结构安装控制研究打下了较好的基础。因此，与科研院校进行联合，完全可以完成好钢桁架拱桥的上部结构施工控制研究这一课题。三、项目研发的主要内容及技术经济指标项目攻关目标: 大跨径钢桁架施工的关键技术主要涉及：拱结构施工过程中的稳定问题、局部变形调节控制、拱合拢时的相关技术要求、保证成拱质量（线型）的控制方法、采用悬臂拼装法时拼装吊机支承在已拼装的主拱上，主拱产生的附加荷载对拼装过程中及成桥后的受力情况以及如何保证结构的安全和稳定等。（一）、安装施工控制需要研究解决以下问题：1、临时扣塔的结构设计及施工过程中的相关技术问题研究

13、，临时扣塔对拱结构受力影响的监测和控制，扣索的索力确定及调整的监测和控制措施。2、边跨平衡压重对拱线形影响的监测方案和控制措施；3、施工过程中拱肋的横向失稳监测、拱肋在最初合拢状态和最大悬臂状态的抗风稳定措施。4、拱结构局部变形调节控制，拱合拢时的纵、横、竖三维坐标控制和调整方法及相关技术要求，保证成拱质量（线形）的控制方法。5、拱上拼装吊机对主拱产生的附加荷载，在拼装过程中及合拢前后的受力影响监测和分析，调整附加应力的措施和方法。6、拱肋拼装的线形测量、拱结构单元的应力测量控制方案。7、拱结构拼装过程中的安全措施研究；8上部结构安装技术研究。朝天门大桥上部结构为纯钢结构，其加工、安装的精度要

14、求非常高。其中上部结构安装技术研究重点包括：高强螺栓的施拧以及质量检查等工艺研究；架梁吊机安装调试以及架设技术；超大吨位支座安装与调整工艺；吊杆安装与与张拉工艺；扣塔安装与挂索工艺以及拆除；临时系杆以及永久系杆的架设与张拉工艺；桁拱合龙以及系杆合龙施工工艺。（二）、主要技术经济指标该课题应达到以下技术目标要求：1、提交超大跨钢桁架拱桥施工控制技术研究报告。2、提交主拱拼装关键工序施工技术与安全预控措施报告。3、提交现场控制和监测实施成果报告。四、项目研发的技术路线研究工作尽可能地借鉴国内外成功的经验和已有的研究成果，并结合工程实际，对已有的成果、经验予以吸收、完善和优化；对于专门的技术难点，进

15、行模型试验和计算分析。同时认真做好科技攻关工作中的试验研究工作，通过大量认真细致的试验研究工作解决技术难点，结合技术引进、技术协作等方面的工作，最终形成一整套完整的施工控制方案和应对施工中出现的复杂问题的解决办法。主要采取以下技术路线：1、资料调研主要查询国内外主跨在300m以上的钢桁架拱桥的技术资料，特别是上部结构安装的理论研究成果、施工监测与监控方面的施工经验；进行现场调研，对与本桥结构相同、施工工艺类似的上部结构安装控制进行调研，以获取更多的第一手资料。2、研究攻关由桥隧技术重点研究室牵头，联合项目部和大专院校共同组成课题组，开展拱结构稳定分析课题和线型监控的专题技术研究，对本工程的拱结

16、构稳定性、线型进行计算分析，进行必要的相关试验，为制定合理的施工稳定控制措施提供技术保证。通过施工关键技术和关键施工工艺的研究，掌握上部结构施工的关键技术。在广泛国内外调研的基础上，加强自主创新。结合现有施工机械和技术实力，确定合理的施工组织方案，优化技术方案。对关键施工工艺，先进行理论分析，并进行适当的试验，确保关键施工工艺顺利实施。特别是期望通过从控制论的角度，采用自适应的控制思路，来完成线形的施工控制，即要得到比较准确的扣索控制调整措施，先根据施工中实测到的结构反应来修正计算模型及参数取值，以使计算模型在与实际结构磨合一段时间后，自动适应结构的物理力学规律，当计算模型与实际结构相吻合后，

17、再用计算模型来指导以后的施工，这就是自适应控制的基本原理。对于本桥主要是受结构环境温度、风荷载的影响，在施工期间的线型控制期望采用一种可以动态预测验证调整的安装分析模型。模型用于根据目前施工阶段已安装杆件线型，来调整下一阶段安装的杆件所要求的线型。为了把几何线型的实测值转化为标准条件下的参考值，还计算作用在结构上的温度和风荷载修正值。五、推广应用前景及经济效益预测我国的公路交通近年来发展迅猛，投资力度不断加大。到2010年，全国公路总里程数将达到210230万公里，其中高速公路将达到5万公里；到2020年，全国公路总里程数将达到260300万公里，其中高速公路将达到7万公里以上，在上述公路尤其

18、是高速公路中，特大型桥梁将占相当大的比例。随着我国迈向小康社会的步伐加快，人们的景观设计意识和审美意识加强，在即将建设的大型桥梁中，钢架拱桥将越来越占椐一定的份量，风景区和城市的桥梁建设在桥型的选择上将更注重与周边的景观相协调一致，而钢架拱桥的建成无疑会成为一道亮丽的彩虹。而目前国内承建过钢架拱桥结构施工的大型企业不多，市场前景良好。尽快掌握钢架拱上部结构施工的关键技术，承揽更多的钢架拱桥施工的任务，将成为集团新的经济增长点，带来良好的社会效益和经济效益。六、申报单位和协作单位及分工 申报单位：中交第二航务工程局中交桥隧技术重点研究室协作单位：1、朝天门大桥项目公司2、中交二航局朝天门大桥项目

19、经理部3、重庆交通大学具体的分工如下：申报单位：中交第二航务工程局：负责该项目的组织及技术把关，并承担一部分研究经费。桥隧技术重点研究室：负责该项目的组织和总体分工协调，负责信息和现场的调研、施工监测方案的制定和现场的施工监测，负责拱结构的安装分析、安全预控措施的分析研究，承担成果报告的编写工作。协作单位：朝天门大桥项目经理部：负责安装技术的研究，控制措施、安全措施的制定和落实工作。重庆交通大学：负责拱结构的安装控制分析七、项目进度计划 2006年5月，成立研究专班，编制、完善研究大纲；2006年5月至2006年8月， 建立施工控制分析模型，进行前期理论分析研究；2006年9月2008年6月，

20、结合工程现场钢桁梁安装的监测和施工控制，跟踪验证施工控制模型，完善施工控制措施和安全措施；2008年6月2008年8月，完成成果内容初稿，并提交审查；2008年8月2008年10月，形成最终成果报告，项目总结，鉴定验收。八、项目经费（一）项目总经费项 目总经费（万元）其 中自 筹单 位拨 款协作单位经费集 团拨 款国 家拨 款其 它2040（二）经费支出明细表序 号支 出 科 目年 度金 额（万元）1仪器设备购置费2006年2007年5.02材料燃动费2006年2007年5.04试验费2007年2008年20.05管理费2006年2008年5.06劳务费2006年2008年10.07引进软、硬

21、件费2006年 10.08国内外调研费2006年 5.0九、项目负责人及主要研究人员序号姓 名年龄单 位技术职务项目职务项目分工2邓新安男中港大桥建设项目公司总工高级工程师顾问3张 鸿男中港二航局总工教授级高工顾问4董 荧男中港二航局二分公司教授级高工顾问5李宗哲男武汉港湾工程设计研究院总工教授级高工顾问6翟世鸿男桥隧技术重点研究室高级工程师负责人课题负责7汪存书男中港二航局朝天门大桥项目部项目总工工程师分项负责安装技术研究、控制措施、安全措施的制定和落实工作。8向中富50重庆交通学院教授分项负责拱结构的安装控制分析9张雪松33重庆交通学院博士研究人员10荀东亮男桥隧技术重点研究室工程师参加11周仁忠男桥隧技术重点研究室工程师参加12张照霞女桥隧技术重点研究室助理工程师参加十、申请单位和主管单位审核意见申请单位意见： 法人代表： 申报单位（盖章）： 年 月 日审核意见： 主管领导： 主管单位（盖章）： 年 月 日