1、预 应 力 钢 桁 - 混 凝 土 预 制 面 板 组 合 梁 桥 在三 峡 工 程 中 的 应 用罗 小 勇 1 ,庄 金 祥 2 ,周 大 东 1 ,3(11 中南大学土木建筑学院 ,长沙 ; 21 云南华能谰沧江水电有限公司 ,昆明 ;31 国家电力公司中南勘测设计研究院 ,长沙 )摘 要 : 本文详细介绍了新型的桥梁结构体系 - 预应力钢桁 - 混凝土预制面板组合粱桥在三峡工程临时施 工 用 桥 中 设计 和施工方法 ,工程应用表明该桥梁体系在水电工程施工中安装快捷 、 可以重复使用从而节省材料 。 本文 还 报 道 了 设 计 的关键技术和施工的关键环节 ,与三峡工程中同类条件下的桥
2、梁工程比较证明该桥型具有明显的经济效益 和 社 会 效 益 。 通 过对该桥的有限元分析与现场的静动力荷载试验比较 和 拆 除 时 的 损 伤 检 测 ,均 证 明 该 桥 型 具 有 良 好 的 使 用 性 能 。 该 桥经过三峡施工高峰期的考验 ,没有发现可见的损伤 。关键词 : 工程结构 ;组合桥梁 ;预应力 ;钢桁架 - 混凝土组合梁 ;预制装配式中图分类号 : TU37816 文献标识码 : AApplication of the prestressed steel truss and prefa bricatedconcrete composite bridge in Three
3、Gorges ProjectLUO Xiaoyong1 , ZHUANG J inxiang2 , ZHOU Dadong1 ,3(11 School of Civil Engineering composite bridge ; prestressing ; steel truss and concrete composite structure ;prefabrication前 言在 水电工程施工中 ,临时施工用桥很多 ,一般使用 年 限 在 5 10 年 ,完 成 服 役 期 以 后 需 要 拆 除 。 水 电 工 程 大 多处于一些深山河谷地形中 ,在这种情况下如果仍采用传统的混凝土结
4、构 ,其建造与拆除难度都很大 。 应该研究 建 造和拆除都很方便的新型的结构形式 ,而且能够重 复 使 用 。 这 样 不 仅 减 小 施 工 难 度 ,加 快 施 工 速 度 ,而 且 主 要 构件的重复使用也可以大幅度地减小施工成本 。由钢桁架和混凝土预制面板组成的结构体系全部采用预制件 ,在现场拼装并形成结点 ,之后浇捣路面混凝土 叠合层 。 这种方法使得施工的湿作业很少 ,也不需要模板 。 结合到水电工程中有大型的吊装设备的特点 ,施工非 常简便 。 如果在钢桁架中施加预应力还可以有效的减小钢桁架的结构高度和结构自重 ,调整结构内的应力分布 , 使得高强预应力钢材的抗拉强度得到充分利用
5、 ,而混凝土 面 板 作 为 桁 架 的 受 压 杆 件 可 以 发 挥 混 凝 土 受 压 性 能 好 的特点 ,并且对结构的刚度 、 整体稳定性和荷载的横向传递有益 。 而且预应力钢桁梁的自重一般均大大小于钢箱 梁的结构自重 ,便于直接采用吊装方案和预制装配式施工方法 ,以加快施工进度 ,减少施工费用 。将预制装配式预应力钢桁 - 混凝土组合梁成功应用 于 三 峡 工 程 永 久 船 闸 临 时 施 工 桥 ,证 明 这 种 结 构 体 系 具1收 稿 日 期 : 作 者 简 介 : 罗 小 勇 ,1968 年 生 ,男 ,副 教 授 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (
6、)第 3 期 罗小勇等 :预应力钢桁 - 混凝土预制面板组合梁桥在三峡工程中的应用 111有显著的经济效益和社会效益 。设 计 方 案三峡工程永久船闸施工桥是一座使用时间三至五年 的 临 时 施 工 用 桥 ,船 闸 施 工 完 成 后 须 拆 除 。 桥 面 设 计 为 两 车道 ,桥体宽 7 米 ,两侧设行人道 ,各宽 115 米 。 桥 梁 运 行 期 间 车 辆 多 ,载 荷 大 ,按 汽 - 20 ,挂 - 100 设 计 。 施 工 桥位于开挖 后 闸 室 40 米 高 的 垂 直 岩 石 边 坡 上 ,闸 室 开 挖 后 净 宽 40 米 ,两 桥 台 支 座 间 距 为 441
7、5 米 。 在 这 样 的 地 形 条件下施工桥体相当困难 ,采用支模的方法建造混凝 土 桥 梁 将 导 致 施 工 的 准 备 工 作 量 、 施 工 时 间 长 、 施 工 费 用 高 。 因此 ,为便于安装和拆除 ,宜采用预制 装 配 式 钢 梁 桥 ,不 需 要 采 用 施 工 支 架 和 模 板 ,用 吊 车 能 够 直 接 安 装 就 位 。 设计时对钢桁 - 混凝土组合梁桥 、 预制装配式预应力钢桁 - 混凝土组合梁桥和钢箱 - 混凝土组合梁桥 (船闸 上已建的一座施工桥为该桥型 ) 三种方案进行了综合比较 。 三种方案的断面如图 1 示 ,各项技术指标与经济 指 标 列于表 1
8、 中 。 从表 1 中比较显见 ,方案二的挠度 、 最大拉应力和最大压应力均最小 ,即技术性能最优 ,同 时 用 钢 量 最小 ,直接投资最小 ,而且方案二的拆除费用也将会大大低于一 、 三方案 ,显然应为首选方案 。 但是二方案的设计 相 对比较复杂 ,首先是预应力度的选择要合理 ,以保证桥 体 在 使 用 期 间 不 产 生 过 大 的 反 拱 和 挠 度 ,在 节 点 处 的 构 造和在端部的锚固也必须确保与钢桁架的联接和锚固区使用的耐久性 ;其次是上弦杆与预应力板的连接要可靠 , 确 保两者共同工作 ,而且便于拆除 。 因此我们对二方案进 行 可 靠 性 分 析 研 究 后 最 终 选
9、 定 预 制 装 配 式 预 应 力 钢 桁- 混凝土组合梁桥方案 。2图 1 三种方案的断面图 (尺寸单位 :mm)Fig. 1 Profiles of three schemes( unit :mm)表 1 三种方案的技术与经济指标Ta ble 1 Technical and economic indices of three schemes最大应力 (MPa) 最大挠度(fL)用钢量(t)造价(万元 )工期(月 )设计方案 备注拉 (桁架下悬杆 ) 压 (面板 )钢桁 - 砼面板组合梁桥预应力钢桁 - 砼面板 钢箱 - 砼面板组合梁桥1358115130- 2812- 2112- 221
10、4113210003131000011051000246167312265180310338按方案计算实际投资 实际投资注 :第 二 三 方 案 为 实 际 的 用 钢 量 和 工 程 造 价 。 第 一 二 方 案 中 钢 铰 线 、 钢 梁 和 混 凝 土 板 可 重 复 使 用 。施工桥布置如图 2 所示 。 施工桥受力主体由三根施 加 预 应 力 索 的 钢 桁 架 梁 组 成 ,其 间 由 梁 间 支 撑 和 桥 面 板组成空间受力的主体 。 桁架梁高 3 米 ,为了加大预应力向上的分力 ,跨中增加了一个 3 米高的支架 。 桥 面 采 用 由180mm 厚预制板和 40mm 厚的现
11、浇面层组成的 装 配 整 体 式 桥 面 系 ,钢 桁 架 上 弦 杆 与 桥 面 系 由 剪 力 连 接 件 连 结 成 为受力的整体 。 桥台采用钢筋混凝土结构 ,并由锚索和锚 杆 锚 固 于 边 坡 岩 石 中 ,以 加 强 边 坡 的 稳 定 性 ,桥 台 采 用橡胶支座以减小桥体的振动和对边坡的冲击 。 由于船闸深 40 米 ,为方便施工 ,不设施工支架和施工模 板 ,采 用 吊 装方案 。 每榀钢桁架在制作车间加工成三段 ,运输至现场用高强螺栓连接 ,单榀桁架重约 40 吨 ,将桁架 一 端 固 定 于 桥台支座后 ,采用扒杆转动另一端 (90 度 ) 至船闸对面桥台固定 ;三 榀
12、 主 桁 架 安 装 就 位 后 ,连 接 桁 架 间 水 平 和 垂直 支撑 ,使之成为一个受力主体 ,并保证其施工期间的稳 定 性 ;从 一 端 往 另 一 端 铺 预 制 桥 面 板 并 用 剪 力 连 接 件 将预 制板与钢桁架上弦杆连接成整体 ,为方便拆装 ,剪力连 接 件 采 用 螺 栓 固 定 于 上 弦 杆 并 埋 于 预 制 板 的 预 留 孔 中 ;浇捣预留孔和钢筋混凝土面层 。 拆除时为以上的可逆工序 。 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h
13、ttp:/112 水 力 发 电 学 报 2005 年图 2 施工桥布置图Fig. 2 Layout of construction bridge3 设 计 关 键 技 术 及 桥 梁 静 动 载 试 验311 设计中的关键技术及重要参数31111 桥台加固根据桥台的设计最不利荷载 ,对两岸的桥台基础进行了有限元分析 ,桥台下的岩石地基在设计荷载下基本是 稳 定的 。 但是考虑到由于船闸两岸为垂直边坡 ,可能存在不安全因素 。 在桥台下的岩石上设计了两 束 2000kN 的预应力锚索 ,同时在桥台上布置了三排高强锚杆 。 经计算分析加固后的桥台的抗滑动稳定安全系数为 218 以上 。31112
14、 预应力技术预 应力度的初步选择可采用平衡荷载 法 2 ,即所施加 的 预 应 力 平 衡 桥 的 全 部 自 重 的 标 准 值 。 将 桥 体 的 自 重 等效成均布荷载 ,Q (1)q0 = L自重荷载引起跨中最大的挠度4 5 q0 L (2)u0 = 384 EI预应力对结构的作用可按等效荷载法 3 等效为图 4 所示 :图 3 预应力等效荷载Fig. 3 Prestressed eguivalent load等效荷载N p c P = (3)2 2c + b预应力引起跨中最大的挠度P (2 L 3 - 3 L a2 + a3 ) 2 L 3 3 L a2 3a- + (4)up =
15、= N p c48 EI c2 b248 EI +由平衡荷载原则 u0 = up 可求出 q0 与 N p 的关系如下 : 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/第 3 期 罗小勇等 :预应力钢桁 - 混凝土预制面板组合梁桥在三峡工程中的应用 1134 2 2 5 q0 L c + b (5)N p = 8 c (2 L 3 - 3 L a2 + a3 )31113 剪力联接件为了保证混凝土板与钢桁架共同承担荷载 ,我们在桁 架 上 弦 设 置 了 槽 钢
16、 剪 力 连 接 件 。 单 个 连 接 件 抗 剪 承 载 力根据 钢结构设计规 范 取值 :Nc = 0126 ( t + 015 tw ) lc (6)Ecf cc式中 t 槽钢翼缘的平均厚度tw 槽钢腹板的厚度lc 槽钢的长度f cc 混凝土轴心抗压强度设计值Ec 混凝土的弹性模量连 接件的间距按塑性设计法设计 ,首先 确 定 最 大 弯 矩 点 和 桁 架 上 弦 杆 两 端 在 叠 合 面 上 总 纵 向 剪 力 Vl ,然 后 根据 Vl 值确定该区段内所需的连接件总个数 。根据构件尺寸 ,可以判断塑性中和轴位于混凝土板内 ,故 :Vl = Al f p (7)式中 As 桁架上
17、弦杆截面面积f p 钢桁架抗拉强度 所需的连接件个数为V l (8)n =Nc剪力连接件在区段内均匀布置 。312 关键施工技术为便于运输和吊装 ,每根桁架分成三节 ,用 20T 平板车 运 至 现 场 ,采 用 吊 车 吊 装 就 位 后 用 高 强 螺 栓 在 空 中 对 接 ,对接位置架设了一个简易操作平 台 。 吊 装 时 在 交 通 桥 的 上 游 右 岸 15m 处 安 装 了 一 根 独 脚 桅 杆 做 主 钩 ,两 台50T 吊车配合抬吊 ,单梁从上游往下游依次吊装 。 主梁就位后安装梁间 联 结 。 吊 装 预 应 力 索 支 撑 架 ,安 装 预 应 力 索 ,并按设计要求
18、进行一次张拉 ,一 次 张 拉 的 张 拉 控 制 应 力 为 015 f ptk 。 从 桥 一 岸 向 另 一 岸 推 进 铺 设 预 制 混 凝 土板 ,并在预制板的预留孔洞内与桁架上弦杆上的剪力连接螺栓连接后用后浇微膨胀混凝土灌孔 (拆除时只要将连 接螺栓松开即可取出单块板 ) 。 然后再浇注 6cm 厚的钢筋混凝土面层使桥梁面板形成整体 。313 静动载试验该 施工桥于 1999 年 2 月开始设计 ,1999 年 4 月动工 ,7 月建成 ,整个桥的施工仅不到 3 个月 。 正式运行前 ,根 据建设方的要求在 7 月底进行了成桥静动力荷载试验 ,试验证明桥的工作性能很好 。成桥的静
19、力荷载试验进行了重车车 队 对 称 加 载 、 重 车 车 队 偏 心 加 载 、 挂 - 100 对 称 加 载 三 种 工 况 ,试 验 结 果 列 于表 2 中 。 设计时采用有限元分析软件对桥梁的各种 工 况 进 行 分 析 ,分 析 时 假 设 桁 架 上 弦 杆 与 混 凝 土 面 板 之间 为完全连接 ,即不产生粘结滑移 (在论文后面部分中 对 此 假 设 进 行 了 论 述 ) ,桁 架 简 化 为 杆 单 元 ,混 凝 土 面 板 简 化为块单元 ,预应力纲绞线简化为索单元 。 表 2 中列出了在各种工况下控制截面的杆件内力和结构控制变形 。表 2 各种工况下结构变形和控制截
20、面的杆件内力Ta ble 2 Def ormation and stress of structural members under various loa ding conditions注 :表 中 挠 度 和 应 力 的 实 测 与 计 算 值 均 为 车 载 作 用 前 后 的 应 力 差 值 。 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/戴面 位置最大应 力构件重车车队对称加载 重力车队偏心加载 挂 - 100 对称加载挠度 (mm) 应力 (MPa)
21、 挠度 (mm) 应力 (MPa) 挠度 (mm) 应力 (MPa)实测 计算 实测 计算 实测 计算 实测 计算 实测 计算 实测 计算跨中上弦1316 1411- 1018 - 111266 718- 2115 - 20181218 1416- 715 - 1116下弦 2219 2312 8188 1012 2414 2515砼板 - 0169 - 1189 - 0152 - 0180 - 1122 - 1192支座 斜杆 - 2514 - 2817 - 2111 - 2310 - 1316 - 1615114 水 力 发 电 学 报 2005 年成桥的动力荷载试验进行了脉动试验 、 行
22、车试验 、 跳车试验和制动试验 。 并采用有限元分析软件进行了桥的模态分析 ,桥前三阶频率的实测值与计算值列于表 3 中 ,实测最大振幅与最大冲击系数列于表 4 中 。表 3 计算与实测频率对比Comparison of computed and measured frequencies表 4 最大振幅与冲击系数Ta ble 4 Max a mplitudes and impact coeff icientsTa ble 3频率 最大振幅 (mm) 最大冲击系数振型 振型说明 车速 ( kmh)实测值 计算值 实测值 计算值 实测值 计算值第一阶第二阶 第三阶21303135414211221
23、994135横向同侧振动竖向同侧振动 扭转振动0118501154111271106211181118252020 01154 11054 1118 从表 2 、 表 3 、 表 4 中桥的实测与计算值的对比可以看出 ,桥的工作性能满足设计的使用要求 。服 役 后 损 伤 检 测该桥在服役四年后于 2003 年拆除 ,拆除时对桥梁设 计 中 应 特 别 注 意 的 一 些 关 键 部 位 进 行 了 复 检 ,检 测 情 况4如下 :1) 对钢桁架的各杆件进行了详细的检查 ,杆件基本上 没 有 明 显 的 锈 蚀 ,高 强 螺 栓 没 有 松 动 ,焊 缝 没 有 出 现 裂 缝 。2) 剪力
24、联结件上的混凝土没有出现裂缝 ,说明没有出现剪力不足引起的联结破坏 。3) 预应力钢筋完好无损 ,预应力钢筋锚固头节点没有渗水 ,锚具和预应力钢筋没有出现锈蚀 。 预应力钢 筋 的 弹性摸量也没有明显的下降 。4) 预制板之间的路面混凝土没有出现很明显的裂缝 ,说明桥梁的整体工作性能一直很好 。5) 拆除时预应力钢筋 、 钢桁架梁和混凝土板均基本完好 ,仍可继续在别的工程中使用 。结 论本文通过对一种新型结构体系 - 预应力钢桁 混凝土预制面板组合梁桥的有限元分析和静动力荷载试验以 及对该体系与其它结构体系桥梁的对比研究 ,可以得到主要结论 :1) 采用等效荷载法设计该体系桥梁可保证桥梁的各
25、向 刚 度 和 动 力 性 能 ;合 理 的 剪 力 连 接 件 的 设 计 可 保 证 钢 桁架与混凝土预制面板的共同工作 。 该桥已经通过三峡工程施工高峰期的验证 ,表明其具有良好的使用性能 。2) 在同类条件下应用预制装配式预应力钢桁 混凝土 组 合 梁 桥 与 钢 箱 - 混 凝 土 组 合 梁 的 对 比 表 明 ,该 体 系 梁桥比箱 - 混凝土组合梁桥的用钢量少 40 % ,节约造价 40 %以上 ,缩短工期 60 %以上 ,表明该体系桥梁具有明显 的经济效益和社会效益 。3) 该体系梁桥的钢桁架主梁采用吊装就位 ,桥面系采用预制装配式面板便于在不设支架的情况下施工 ( 深 河
26、谷 ) ,并且便于拆除 ,主要构件仍可重复使用 。5参考文献 : 中华人民共和国交通部标准 ,桥梁设计规范 (合订本 ) . 北京 :人民交通出版社 ,1989 . 李国豪 . 桥梁结构稳定与振动 M . 北京 :中国铁道出版社 ,1996 . 杜振辰 . 现代预应力混凝土结构 M . 北京 :中国建筑工业出版社 ,1988 . 严正庭 ,严立 . 钢与混凝土组合结构计算构造手册 M . 北京 :中国建筑工业出版社 ,1996 .1224 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/
