一种悬浮单索面斜拉钢桥施工方法与流程

本发明属于桥梁施工，具体涉及一种悬浮单索面斜拉钢桥施工方法。

背景技术：

1、悬浮体系斜拉桥，景观效果极佳，但该体系轻柔结构刚度小，相对常规普通人行桥行走振动体感较差，行人振动超过人体舒适度极限，给行人心理上造成恐慌。为兼具桥梁轻柔之感与人行舒适性，如何使桥梁舒适度满足行走的舒适度要求是一大难题。

2、斜拉索的作用机理相当于预应力，需要对斜拉桥结构中每一根斜拉索进行张拉达到一定索力值来实现整个结构受力，而在实际施工过程中全桥索力是通过依次对每一根索施工张拉产生的，每一根索的张拉对整个斜拉桥的受力都有影响，并且下一阶段施工张拉的斜拉索还会对上一阶段已经施工张拉完成的斜拉索索力值产生影响。而索力分为两个部分，一个是成桥索力，即斜拉桥施工完成后怎样的索力分布能让斜拉桥的受力是合理的，称之为合理成桥状态索力；二者是施工索力，即在整个斜拉桥分阶段施工过程中，每一根索应该张拉到各自不同的多大索力值才能保证整个施工完成后的成桥索力是设计之初预想的合理成桥状态下的索力值，称之为合理施工状态索力。由此，如何合理的确定最初的合理成桥状态索力值以及在施工阶段需要对每根索进行张拉的索力值已经成为斜拉桥施工中的关键。

3、若因为主梁的制造和拼装误差导致索力无法控制，往往为了满足线形要求、实现标高控制而牺牲索力的偏差。在施工过程中，必须要严格掌控好索力的大小和张拉顺序，更好的保证斜拉索的使用安全对于整体施工控制而言意义十分重大。

4、而针对悬浮体系斜拉景观桥，设计索力值较小，张拉精度要求高，同时索塔非对称布置，需进行非对称张拉。不同的张拉顺序会导致桥梁线型出现巨大差异，因此，设计一种悬浮单索面斜拉钢桥施工方法，以确定合理的成桥索力和张拉顺序，成为所属技术领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种悬浮单索面斜拉钢桥施工方法，以至少解决上述部分技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种悬浮单索面斜拉钢桥施工方法，包括以下步骤：步骤一，斜拉桥三维建模；步骤二，临时支架体系搭建；步骤三，斜拉桥梁整体应力分析；步骤四，斜拉桥上人行舒适减振分析；步骤五，斜拉索安装及张拉。

4、进一步地，在所述步骤一中，斜拉桥三维建模时，将设计图中的三维坐标参数导入cad中并用曲线拟合，形成线条模型，再将线模导入rhino中进行细部深化；出图加工、安装时，从rhino模型中统一导出cad模型，保证控制点数据一致，并在施工过程中，对加工、安装实体进行复测，数据返回cad模型进行三维对比，根据对比结果进行调整，保证曲面轻薄异形钢箱梁的安装精度。

5、进一步地，在所述步骤二中，临时支架体系搭建时，支撑架设计为圆管支撑架，材质q235b，立柱采用圆管φ325*10，水平支撑和斜支撑采用圆管φ150*10，支撑架尺寸为2.5m*3m；支撑架标准节制作为1m、3m、和4m长三种长度规格的节段，支撑架节段内的各节点连接设计采用法兰连接，便于安装拆卸，水平支撑与立柱之间采用半熔透焊缝，熔深0.8t，焊缝尺寸不小于0.75t且不小于8mm；斜支撑连接的各节点焊缝为角焊缝三级，焊缝尺寸不小8mm；柱脚及法兰连接处，设置柱脚加劲板，板厚12mm，尺寸为150*200*16mm；

6、临时支架上部连接定制工装，定制工装包括转换梁、标高凳和限位块；转换梁规格不小于hm294×200×8×12，标高凳支撑立杆选用圆管p159×8，连接横杆、斜杆选用圆管p140×8；限位块采用钢板拼接，限位面铅锤；转换梁、标高凳、限位块及支架立柱相互采用焊接连接；

7、临时支架下部制作扩大混凝土基础，主桥单个支架扩大混凝土基础尺寸为3.5m×4.0m×0.5m，主桥支架采用700×700×20mm预埋件焊接连接，扩大混凝土基础所用混凝土采用c30，底部设置单层双向c16@150钢筋网片，支架扩大混凝土基础下方设置10cm厚c20混凝土垫层；根据不同桥宽和现场地理环境，设置长边拼接型和短边拼接型，其基础尺寸为长边拼接双排支架扩大混凝土基础尺寸6.7m×4.0m×0.5m，短边拼接双排支架基础尺寸7.7m×3.5m×0.5m。

8、进一步地，临时支架体系搭建时，根据临时支架平面位置，定位放线支架扩大混凝土基础区域，根据地勘报告及现场实际情况进行支架扩大混凝土基础施工，开挖至承载力特征值160kpa的粉质黏土层作为持力层；然后吊装支架标准节，底部与预埋板焊接牢固，焊缝长度每侧不小于200mm，标准节间均采用法兰螺栓连接，便于后期拆卸；然后制作定制工装，根据三维模型导出支架支承点三维坐标，通过平面坐标数据在转换梁上定位标高凳立杆位置，通过高程数据确定立杆、斜撑杆长度；同理制作主桥单侧限位块并焊接于转换梁上；最后，整体吊装工装并将支架立柱与转换梁焊接固定，主桥吊装前，实测并微调标高凳高度。通过临时支架上部连接定制工装，主要包括转换梁、标高凳、限位块。型钢标高凳的高度设置为：理论高度+20mm,且不小于350mm。在每个支点旁布置一个50t螺旋千斤顶，并根据成桥面标高数据指导螺旋千斤顶到位，并根据原标高凳与钢箱梁的净空距离制作二次标高段(该二次标高段质量轻)，采用加垫钢板等方式达到需求的标高。

9、进一步地，在所述步骤三中，斜拉桥梁整体应力分析时，利用有限元分析软件midas对斜拉桥梁整体建模后进行数值模拟和分析，以充分了解采用临时支架施工过程中，主桥异形钢箱梁的应力分布情况，为保证成桥线形，通过模拟确定拉索索力值，保证主桥合拢、卸载后线形满足设计要求；通过对比设计参数进行施工阶段的模拟仿真计算分析，得出其相应的预拱度，以此来确定桥梁施工阶段的立模标高，并根据实测标高对前一阶段分析，确定下一阶段线形、应力从而确定立模标高，同时曲面异形钢箱梁桥段对接口位置弧形下封板空出后补，在上下顶板每隔300mm设置一道临时连接板，用于对接定位，左右轮廓按照加工制作定位线一一对应。待桥梁段整体就位后，测量后补曲面板空间定位参数，反馈至深化模型中，根据实际安装尺寸及设计控制曲线重新得出后补弧形下封板的空间参数，用硬质材料制作模板逐一进行靠模校正，然后补装空缺的弧形下封板。以此来保证斜拉桥成桥状态下的线形能够满足其正常使用的需要；通过施工阶段对斜拉桥进行数据的监测和采集，确保桥梁在成桥后内力合理，线形平顺，减少施工误差及施工工作量，保证斜拉桥顺利成桥。

10、进一步地，在所述步骤四中，斜拉桥上人行舒适减振分析时，通过midascivil建立3d精细化有限元模型，对桥的人致振动进行系统分析；通过特征值计算人行斜拉桥前10阶竖向和前5阶侧向振型动力特性，根据规范标准舒适度要求，竖向模态振动频率处于1.25hz～3.0hz和横向模态振动频率处于0.5～1.2hz范围需进行人致振动舒适度验算；

11、根据动力特性结果，竖向振动频率敏感范围为第一阶～第三阶；横向振动频率敏感范围为第二阶～第四阶；分别根据en03-2007和cjj69-201x规范判断得出的各阶敏感模态频率进行舒适度分析，分析研究不同人群荷载在“连续行走”、“小组结伴”、“多人跳跃”等多种工况下动力特性(峰值加速度)，进行人行舒适度评价。根据舒适度分析结果，采用tmd减振装置增加斜拉桥结构阻尼，设置竖向、横向tmd阻尼装置，进行异形钢箱梁的tmd振动控制模拟，拟定最优的调谐质量阻尼器参数，并根据已验证的模型分析了在添加阻尼器前后的桥梁振动响应的变化，评估调谐质量阻尼器的有效性和桥梁添加阻尼器后的舒适性，对人行振动舒适度进行改善。

12、进一步地，在所述步骤五中，斜拉索安装及张拉时，包括以下步骤：

13、步骤1，建立三维有限元模型；步骤2，张拉过程模拟分析；步骤3，拉索展开和安装；

14、步骤4，拉索张拉及监控；步骤5，二期恒载及调索；步骤6，成桥监测与tmd调频。

15、进一步地，在所述步骤1中，建立三维有限元模型时，采用midas/civil分析索塔、主梁、斜拉索和临时支架；几何形状反映桥梁最终采用的线形，准确的反映结构刚度和截面特性、结构质量和非结构质量技术参数，以便合理分析出结构系统实际力学行为；

16、过程中约束条件：索塔采用塔梁固结，梁端墩柱单向支座支撑，c梁段辅助墩单向活动支座支撑；按实际临时支架位置模拟支架支撑；

17、过程中施加荷载：主梁恒载，在梁单元模型中分节段计算横隔板重量后，采用均布荷载施加在不同梁段，除横隔板外，梁段出厂时已预装tmd减振装置，tmd减振装置重量采用节点荷载加载至对应节点，在梁端灌注c20混凝土进行压重，模型施加压重荷载；二期恒载，二期恒载包括排水构造、栏杆扶手、桥面铺装，护栏计算按延米重量集度；铺装层平均厚度55mm，不同梁段宽度变化分段计算加载。

18、在所述步骤2中，张拉过程模拟分析时，首先进行成桥索力优化，不考虑制造预拱度，采用理想成桥线型加工制造，主梁采用支架上吊装安装最终焊接成型，简支状态主梁存在初始下挠，焊接后转换为连续梁；同理索塔初始状态为理想竖直状态，模拟挂索张拉、施加全部二期恒载后理想成桥状态，对应索力即为目标成桥索力；然后进行拉索张拉顺序模拟优化，拉索张拉分两步进行，第一步在索塔拉索挂索完成后采取分级加载方式对称张拉至设计值的100％，采取加载至设计值30％、80％、100％三级加载，每级加载张拉完成后停顿5分钟，用于监控数据采集和模拟分析；第二步在铺设桥面工程、灯光及附属设施全部完成后，再根据监控模拟分析结果调整索力至设计值；单根索塔拉索张拉顺序为由下往上、由短到长进行张拉，每次对称张拉一对斜拉索，从第二对索开始由下往上张拉，最后张拉首对索；根据模拟分析部分拉索未达到设计成桥索力值则继续张拉，部分拉索索力超出设计成桥索力值则调索放张。

19、进一步地，在所述步骤3中，拉索展开和安装时，采用汽车吊、登高车、倒链相互配合进行，过程中吊车负责提供竖向力，倒链负责提供水平力，登高车负责提供高空作业平台；包括以下步骤：

20、步骤a，吊装索盘至桥面，汽车吊配合人工展索；步骤b，吊装索体固定端靠近索塔；

21、步骤c，吊车与登高车配合安装固定拉索；步骤d，吊车与倒链配合安装拉索调节端；步骤e，重复步骤a、步骤b、步骤c和步骤d，完成所有拉索挂索安装；

22、在所述步骤4中，拉索张拉及监控时，现场张拉根据现场实时监控数据为指导依据进行全过程张拉；包括以下步骤：

23、步骤(a)，全桥布置传感器、监测点；步骤(b)，安装张拉工装索及千斤顶；步骤(c)，拉索按30％、80％、100％三级加载，同步监测监控；步骤(d)，每张拉2-3对拉索进行索塔、主桥应力应变值及索力值系统监测；步骤(e)，根据监测数据分析，指导已张拉拉索索力调整；步骤(f)，重复步骤(a)、步骤(b)、步骤(c)、步骤(d)和步骤(e)以完成整根拉索张拉；步骤(g)，全桥监测监控，指导下一根索塔拉索张拉。

24、进一步地，在所述步骤5中，二期恒载及调索时，包括桥面、栏杆和扶手的二期桥面系施工完成后，根据实测索力值将全桥拉索索力调整至设计索力，先调整实测值与设计成桥索力值差距较大的拉索，然后由大到小依次调整，调整时实时监控所属索塔拉索索力值，根据监测结果循环往复进行调整，最终达到全桥索力值与设计成桥索力值偏差在设计允许范围内；

25、在所述步骤6中，成桥监测与tmd调频时，待桥面系施工完成且拉索最终调索后，统一对全桥频率进行实测，包括如下步骤：

26、步骤(1)，完成桥面系施工，全桥拉索调索；步骤(2)，敏感区布置传感器；步骤(3)，环境激励和冲击荷载下人行桥加速度响应；步骤(4)，fft或psd谱判断人行桥动力特性；步骤(5)，调整tmd频率；步骤(6)，重复步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)，直到tmd自振频率与桥体自振频率一致。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、本发明设计科学合理，本发明针对单侧单索面斜拉桥为解决锥形变截面钢箱梁刚度不足，竖向自振频率不满足要求的难题，利用有限元模拟分析技术，系统性分析不同荷载状况下，不同行走工况下动力特性以及敏感频率范围，通过设置竖向、横向tmd阻尼装置，确保人行舒适达到最佳级别，保障了桥梁的安全性和舒适性。

29、本发明利用有限元分析模拟软件进行仿真计算，模拟施工过程中结构位移、索力及内力变化规律，并为各个施工阶段提供理论数据，以此指导具体的施工控制工作。同时，根据施工现场实际情况调整相关计算参数，使计算模型更好地接近结构实际状态，使理论数据更好地反映结构实际响应。

30、本发明采用tmd减振控制方案的人行斜拉桥人行振动舒适度，在竖向振动舒适度方面：在低人群密度和中等人群密度下舒适度均能保持最佳水平，仅在极高人群密度(4.6人/m2)荷载下gk10工况舒适度为合格水平，其余均处于最佳水平。在横向振动舒适度方面：增设横向tmd后，从低密度人群到极高密度人群荷载下，舒适度均能保持最佳状态。由此，通过舒适度评价调整优化tmd方案能有效解决人致振动问题，保证结构正常运营的舒适性和安全性。