大跨度CFST拱桥钢结构现场复拼场规划设计方法

技术领域

本发明属于桥梁施工技术领域，具体涉及一种大跨度CFST拱桥钢结构现场复拼场规划设计方法。

背景技术

钢管混凝土(Concrete-filled steel tube，缩写为CFST)拱桥因其承载能力高，跨越能力大，经济性能好、后期维护少等优点，在山区峡谷、江河湖泊地区，越来越多的开始推行CFST拱桥。随着跨度不断增大、施工环境日趋复杂、悬臂长度及吊装吨位不断增加，在施工过程将面临着越来越大的安全风险，拱桥施工最大的风险在于拱圈悬拼过程阶段，保证拱圈安全、快速、连续吊装是减少拱桥施工风险的重要研究方向。

实际施工过程中，多数拱桥施工过程中均存在大悬臂状态无节段可吊的情况，额外增加安全风险，如何保证拱圈拱肋钢结构的连续供应，减少大悬臂状态是目前CFST拱桥亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种大跨度CFST拱桥钢结构现场复拼场规划设计方法。为实现本发明目的所采用的技术方案为：

一种大跨度CFST拱桥钢结构现场复拼场规划设计方法，采用以下步骤：

(1)考察交通运输条件；

(2)运输条件方案进行比选；

(3)栈桥码头结构设计；

(4)拼装场规划设计。

优选地，步骤(1)中，根据施工现场的水运条件和陆运情况进行考察，并进行对比分析，得到采取的运输方式。

优选地，步骤(2)中，根据施工的季节和工期计划安排，对运输条件方案进行比选优势及不足。

优选地，所述方案包括栈桥码头、围堰掏槽和地下连续墙。

优选地，步骤(3)中，栈桥码头结构设计包括主桁梁、支撑架、横梁、钢管桩。

优选地，步骤(4)中，根据钢结构复拼场地负责主拱节段拼装，由于受到运输条件的限制，根据水运允许最大的通行尺寸，对阶段进行计划存放。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过设置钢结构组拼场地进行规划设计，结合合理的吊装、运输和场地规划有助于钢结构的组拼工作高效、有序的运转，以实现拱肋悬臂快速施工，减少大悬臂状态时间，以有效降低大悬臂拼装风险。

本发明还同时进行裸露陡斜岩锚施工方案设计，合理规划钢结构组拼场地，为类型栈桥码头、钢结构组拼规划提供经验。

附图说明

图1为实施例1栈桥纵断面图。

图2为栈桥结构计算模型。

图3复拼场地平面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

一种大跨度CFST拱桥钢结构现场复拼场规划设计方法，采用以下步骤：

(1)考察交通运输条件；

(2)运输条件方案进行比选；

(3)栈桥码头结构设计；

(4)拼装场规划设计。

优选地，步骤(1)中，根据施工现场的水运条件和陆运情况进行考察，并进行对比分析，得到采取的运输方式。

优选地，步骤(2)中，根据施工的季节和工期计划安排，对运输条件方案进行比选优势及不足。

优选地，所述方案包括栈桥码头、围堰掏槽和地下连续墙。

优选地，步骤(3)中，栈桥码头结构设计包括主桁梁、支撑架、横梁、钢管桩。

优选地，步骤(4)中，根据钢结构复拼场地负责主拱节段拼装，由于受到运输条件的限制，根据水运允许最大的通行尺寸，对阶段进行计划存放。

实施例1

以乌江特大拱桥的钢结构现场复拼场规划设计方法为例：

(1)项目情况

乌江特大桥孔跨布置为25×40m+504m+8×40m预应力混凝土先简支后结构连续T梁，其中主桥为504mCSFT拱桥，单幅单岸15个节段，合计60个节段。大桥横跨乌江，乌江主航道设计四级航道，考虑到陆运线路过长，现有村道运输条件有限，项目采取水运的方式，主桥钢结构成品及半成品采用水运方式到达桥位，现场进行组拼和存放，在存放节段数量能够保证连续吊装后进行.

桥址地处溶蚀侵蚀低山地貌区，微地貌为溶蚀侵蚀的低矮山丘及坝地，地形相对平缓，山坡稍缓，坡角一般20～35°，河谷深切，地面标高435～585m之间，相对高差150.0m。码头处覆盖层厚度约2-3m，下层主要是灰岩，岩层层理方向于边坡方向一致。

该路段河流主要水系为乌江及其支流茅坝河，距下游思林水电站约34km。其中该段乌江为IV级航道通航标准(规划设计为Ⅲ级航道)，规划最低通航水位431.0m，最高通航水位441.3m。

(2)交通运输条件

水运条件：乌江主航道设计四级航道，受水电站提升机的限制，最大只能通过500T级别的货轮，允许通航船只船长≤55m，宽度≤10.8m，高度≤8m。船只从乌江特大桥出发，经思林水电站—沙沱水电站—彭水水电站—银盘水电站最终到达涪陵汇入长江。

陆运：大桥地处山区，桥位处主要利用现有的村道通行，现有村道道路狭窄，可采取局部加宽的方式，最大可通行13.5m挂车，无法进行大件运输。

对比分析：考虑到陆运线路过长，现有村道运输条件有限，对比分析后，采取水运方式更为有利，主桥钢结构成品及半成品采用水运方式到达桥位，1-4#节段因船闸尺寸限制，采用大杆件运输的方式，5-15#采取整体运输的方式。

(3)码头方案比选

根据大桥钢结构实际情况，钢结构运输至现场后，将拱肋节段吊装至复拼场地进行复原、立拼和存放，待具备连续安装条件后，二次下水起吊安装。受航道政策影响，临时码头仅可在支流上规划、设计。码头处水下为台阶状梯田，覆盖层仅2-3m,下层为硬质灰岩，码头处边坡较陡。码头顶面标高为447m，正常水位为440m，最低水面标高为432m，最低河床标高为423m，最大水深约为17m。考虑水下地形、水位以及地址等情况，初步拟定3种码头方案，码头方案具体如下：

(3-1)栈桥码头方案

在码头区位搭设栈桥，栈桥上铺设龙门吊行走轨道，船只进入码头后，利用200T龙门吊将钢结构起吊运输至场地复拼。钢栈桥全长69m，单侧轨道支撑面宽6.0m，单侧桩顶横梁宽度6.0m，左右两侧对称设置，两侧轨道中心距离为26m。栈桥主梁采用贝雷梁，单侧贝雷栈桥上部结构为横向10组贝雷桁架。下部结构为Φ800×12mm格构钢管桩。

(3-2)围堰掏槽方案

考虑到码头区域局部较为平坦，且为阶梯状，具备设置船槽的条件，船槽按照最低水位+船舶吃水深度设计，半挖式码头泊位基坑底面高程为429m，船槽高度为16m，有效尺寸为32×15m。结合库区水位，需采取围堰进占施工，利用曹内土方进行抛填，填筑完成后碾压密实。围堰施工完成后，在其迎水面设置复核土工膜和防水黏土，结合蛙人实施水下膜体盖压和嵌固，最后施做围堰内土方及坝体防护。

(3-3)地下连续墙方案

考虑到围堰施工较为复杂，将其船槽防护结构与围堰结合的方式，在船槽周边设置地下连续墙，水面以上部分设置两排锚索进行反拉。水面以上部分采取直接掏槽的方式，水下部分采用水下爆方式进行。

(3-4)方案比选：考虑冬季库区水位较高，结合工期计划安排，需要在高水位期间完成码头施工，经综合比较采取栈桥码头的方式，各方案对比分析情况如下：

表1码头设计方案比选

(4)码头技术指标

(4-1)桥跨布置：

3m+9m+3m+9m+3m+9m+3m+9m+3m+9m+3m+6m，桥梁全长为69m；

(4-2)桥面宽：单幅跨度6m，幅中心间距26m；

(4-3)龙门吊单轮压：150KN；

(4-4)桥梁纵坡：桥梁为平坡0％；

(4-5)最低通航水位标高：431m；

(4-6)计荷载：按照龙门吊单幅桥上设置双轨，单轨纵向四轮，设计轮压150KN：

(4-7)设计使用年限为2年。

(5)栈桥码头结构设计

(5-1)主桁梁

主梁采用321型贝雷片，单节长3m，主梁高度1.7m。全桥横桥向共设置16排钢桁梁(单侧8排双层设置)，每组钢桁梁横向中间间距布置为45+90+5×45+90+45cm，中间部位用支撑架连接，主桁梁的结构计算是按龙门吊车单侧双轨，单轮压力150KN。

(5-2)支撑架

支撑架为45和90型，每片长度均为1.18m，分别用于两片桁梁横向间距为45cm和90cm的部位。每跨端部设置支撑架进行连接，支撑架采用撑架螺栓及螺母与钢桁梁进行连接固定，以加强钢桁梁的整体性。

(5-3)横梁

桩顶横梁采用Ⅰ45b双拼热轧普通工字钢，单根长度为6.0m，横梁与桩顶桩头焊接。轨底分配梁采用工28a热轧普通工字钢,单根长度5.5米，轨顶分配梁与贝雷片上弦杆用抱箍锁紧。

(5-4)钢管桩

主桩为嵌岩桩，桩端嵌入中风化岩石不小于2米，桩基采用冲击钻成孔，桩底浇筑C30补偿收缩混凝土以增强其稳定性，拼接桩时应采取必要的施工措施保证接桩的精度，垂直度误差不大于1％,中心对接误差不大于3mm。加固桩及警示桩均采用嵌岩桩，桩端嵌入中风化岩石不小于1.5米。同时在钢管桩施工完成后，再去内填满机制砂，以增强钢管桩的稳定性。

(6)栈桥结构计算

(6-1)设计控制工况：

表2栈桥计算工况表

(6-2)荷载取值：

a、栈桥自重(计取)；

b、龙门吊行走移动荷载，履带吊车行走移动荷载；

c、风荷载；

(6-3)荷载计算参数取值:

a、其他可能产生的荷载标准值：0.4kN/㎡；

b、施工人员及设备荷载标准值：2kN/㎡；

c、风荷载标准值：ωk＝ω0×μz×μst；

(6-4)荷载组合

a、永久荷载的分项系数取1.2；抗倾覆系数取0.9；

b、可变荷载的分项系数，取1.4。

(6-5)模型计算采用Midas Civil软件进行。

计算结果如下：

表3栈桥计算结果

(7)栈桥码头施工方案设计

栈桥施工划分为1个工作面，由小桩号采用“钓鱼”法逐跨搭设，栈桥钢管桩施工主要分为：钢护筒下方、引孔→钻孔平台搭设→冲击钻孔钻→孔内混凝土灌注→钢管桩施工→管内填筑砂石→上部结构安装。

首先利用70T履带吊将直径1000mm钢护筒振动锤入河床内，然后在护筒顶面焊接牛腿，牛腿安装完成后，在利用贝雷片搭设冲击钻临时平台。冲孔过程中，设置移动式泥浆循环池，避免泥浆污染水体。引孔清渣完毕后，孔内灌注水下混凝土，根据灌注方量计算孔内混凝土灌注高度，达到设计要求后，确保底部混凝土完全填充整个孔径，钢管桩埋入混凝土高度(锚固深度)达到设计要求。最后上部结构贝雷梁及分配梁利用履带吊主跨推进安装，安装是要求严格控制标高及坡度，保证龙门吊轨道的顺直。

(8)拼装场规划设计

钢结构复拼场地主要负责主拱节段拼装，由于受到运输条件的限制，水运允许最大的通行尺寸为55m×10.8m×8m(净空)，吃水深度为1.6～2.0m，主拱1-4节段需要二次连接。钢结构复拼场地主要负责1-4节段的节段间高强螺栓连接拼装；及其他节段的存放，计划场地存放节段数量不少于28个节段。节段到场后，前四节段直接使用龙门吊转运至拼装区，放置于支墩上进行组拼，其他节段卸船后在翻身作业区进行节段翻身，翻身后码放在门式支墩上并进行固定，节段转运采用龙门吊进行。

场地设置码头区、构件堆放区、拼装区、成品存放区及车道部分；主拱圈采取3+1、4+1四轮次组拼，每轮次拼装南北两岸左右两幅拱肋同时进行。

场地主要设施：龙门吊(4台100吨、1台200吨，跨度26m，净空高度15m)、码头(栈桥码头)。转运模块车(12m×2.5m宽，可接长，升降高度范围1.2-1.8m)、支墩、门式支架等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。