MeshFree|响水洞渡槽拱圈转体工程施工优化设计

引言

   近年来，关于转体施工技术的研究和应用较多，如张联燕[1]重点阐释平衡转动体系、无平衡重转体、双箱对称同步转体、竖转施工及竖平转结合等核心施工方法的设计原理与操作工艺; 张波[2]针对转体施工技术进行分析，提出技术控制要点; 章博[3]阐述了斜拉桥转体施工过程中索塔变位、主梁线形、斜拉索索力等监测控制要点，为桥梁施工顺利实施提供了数据支持与技术保障。然而，这些研究与应用多针对桥梁转体技术，涉及渡槽拱圈转体技术的研究较少。

   本文以响水洞渡槽施工为例，其受场地条件的限制，采用非对称平衡转体与支架组合形式完成渡槽拱圈合龙施工，这是转体施工技术在国内水利行业的首次应用。

1 响水洞渡槽圈梁转体工程施工设计

1.1工程概况

  响水洞渡槽位于湖北省漳河水库四干渠,地处钟祥双河镇林坪村，长330m,设计流量7.98 m³/s，最大流量为9.58 m³/s，纵坡为1/1000; 跨越仙居河( 宽约100m)，高约42m。拱圈主跨约100m，矢高( 拱顶截面下缘到拱脚截面下缘最低点之间连线的距离) 为24.1m。拱圈采用单箱双室构造，箱梁高度由拱脚处3m变化为拱顶2m，箱梁横向宽度5m( 图1) 。响水洞渡槽于2023年10月开始施工，2024年1月拱圈梁转体工程合龙，同年6月主体工程全部完工并投入运行。

1.2拱圈设计

拱圈整体设计方案如下:

① 拱圈设计。小里程侧拱肋劲性骨架安装，转体完成，大里程侧拱肋劲性骨架原位支架安装，然后采用劲性骨架合拢，现场进行混凝土浇筑。拱肋分为5 段对称浇筑，最后封拱脚( 图2) 。

② 缆索采用成品钢绞线斜拉索，钢绞线标准强度为1860MPa，直径为15.24 mm。扣塔采用3排9根式，上部采用Ф630mm×10mm 钢管，下部采用Ф1 000mm×10mm。通过连接系连接成桁架结构，将扣塔拉索通过转向支架锚固在桥台混凝土上。

③ 劲性骨架设计时，主要考虑满足受力要求( 强度、刚度和稳定性等) ，将其与拱圈混凝土的钢筋位置错开。劲性骨架为桁架式结构，主要为型钢拼焊而成，在工厂内制造为整体节段，然后在现场支架上二次拼装到位。

④ 圈梁球铰按照2500t 进行设计，安装高度1m，轨道中心半径2.2m，上转盘高度6.0m，顺桥向尺寸12m，转体到位后再浇筑承台剩下部分。

⑤ 拱肋劲性骨架采用型钢支架拼装，小里程侧支架依托山体设计，大里程侧支架在河岸上落地，立柱基础为条形基础。后锚碇采用混凝土重力锚，为施工方便，采用与引桥排架基础相结合的方式

1.3 主要材料及材料性能

(1)支架材料采用Q235B 型钢，材料主要特征值按照GB50017-2017《钢结构设计标准》设计(表1)

(2)螺栓特征值按照JGJ82-2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》标准设计，拱肋混凝土、钢绞线、筋材等材料特征值按照JTG 3362-2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》设计(表2) 。

1.4 荷载组合与计算工况

(1)荷载计算

   自重采用软件自动加载，方向为竖直向下。拱圈质量系数根据设计图拱圈质量与模型质量之比换算，换算系数1.26。拱圈上部结构主要是拱上排架及渡槽，由于渡槽为简支结构，可将上部结构重量转化为拱上荷载来模拟[4]。拱圈上部结构质量统计见表3。

(2)风荷载计算

根据JTG/T 3360-01-2018《公路桥梁抗风设计规范》计算扣塔上风荷载:

式中:

 为构件基准高度 Z 处设计基准风速，m/s;

为抗风风险系数,取1.0; 

为渡槽处的地表粗糙度系数，取0.3; 

Z 为取水面至扣塔顶高度，取值56m; 

为渡槽设计基本风速，m/s; 

为地形系数，取1.2;

为风速高度修正系数，取0.94; 

为基本风速，取值23.8 m/s。按式(1)、(2) 计算，=26.85m/s。

   施工阶段的设计风速计算:

式中: 

为施工阶段设计风速，m/s;

为施工期抗风风险系数，取值0.78。按式(3)计算，= 20.94 m/s。

   立柱、扣塔、吊杆( 索) 上风荷载及横向风作用下斜拉索河主缆的等效静阵风荷载计算:

式中:

为构件单位长度上的风荷载，m/s; 

ρ 为空气密度，取值1.25 kg/m³ ; 

为构件基准高度上的等效静阵风风速，m/s; 

为构件的阻力系数，扣塔I 20阻力系数为2.05，扣塔2-HW400 阻力系数为2.2，圆管阻力系数为0.6; 

为构件单位长度上顺风向的投影面积，㎡/m，对斜拉索、主缆和吊杆取外径计算;

为等效静阵风系数，取值1.426。

按式(4)、(5) 计算扣塔各杆件上风荷载，计算结果见表4。

   模板及操作平台重量按10 kN/m 计，施工荷载按JGJ 300-2013《建筑施工临时支撑结构技术规范》，取3kPa。温度荷载则根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》，取有效温度标准值，初始温度按20 ℃计，最高温度46 ℃，最低温度-9 ℃

(3) 计算工况

工况1 为小里程侧骨架拼装。

工况2 为大里程侧骨架拼装。

工况3 为小里程侧骨架转体。

工况4 为骨架合龙状态极限风荷载工况。

工况5为拱圈浇筑及上部结构施工( 骨架合龙到成桥) 。

(4) 荷载组合

① 荷载组合参考JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》进行取值。

② 基本组合:1. 2×( 自重+模板钢筋自重+混凝土节段湿重)+1.2×预加力( 用于强度/稳定性计算) +1.4×(风荷载+温度荷载) 

③ 标准组合: 1.0×(自重+模板钢筋自重+混凝土节段湿重) + 1.0×预加力( 用于刚度计算) +1.0×( 风荷载+温度荷载) 。

1.5 计算工况模拟

1.5.1 工况1、2 模型建立及边界条件

  支架采用midas /Civil 2022 进行建模，有限元模型按实际尺寸建立整体模型，支架杆件采用梁单元模拟。支架底部采用固结模拟。立杆、水平横杆、斜杆连接采用共节点模拟，主梁与分配梁之间连接采用共节点模拟[5]。模型与边界条件见图3～4，计算结果见表5。

根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》规定，地基承载能力计算公式为

式中: 

为相应于作用的标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值，kN; 

为基础自重和基础上的土重，kN; 

A 为基础底面面积，m²。

   按式(6) 计算，工况1和工况2 地基承载力分别为124.7 kPa 与150.2 kPa，均小于地基允许承载力200 kPa，故满足要求。

1.5.2 工况3、4、5 模型建立及边界条件

   采用midas /Civil 2022 进行建模，有限元模型按实际尺寸建立整体模型，杆件采用梁单元模拟[6]。底部采用固结模拟，固结点选在球铰转动中心处。立杆、水平横杆、斜杆连接采用共节点模拟[7]，上承台重量采用节点荷载模拟，拱脚处释放铰轴转动约束[8]。工况4 和工况5 跨中合龙处约顺桥向位移。工况5 主要模拟的施工阶段如下: 

① 骨架转体完成; 

② 施工第1段模板钢筋，浇筑第1 段拱肋混凝土; 

③ 第1 段拱肋混凝土达到预设强度，施工第2 段模板钢筋，浇筑第2段拱肋混凝土; 

④ 根据监控线型调整拉索; 

⑤ 第2段拱肋混凝土达到预设强度，施工第3 段模板钢筋，浇筑第3 段拱肋;

⑥ 拆除拉索，扣塔; 

⑦ 封拱脚; 

⑧ 拱上结构施工;

⑨ 由于结构对称，可采用半跨模型模拟。模型见图5～7，计算结果见表6，有限元计算结果见表7。

1.6 细部验算

(1)钢绞线验算

施工过程扣索最大内力339.8kN，采用4 束Φs15.24 钢绞线，抗拉强度936 kN; 施工过程背索最大内力1762 kN，共采用48 束Φs15.24 钢绞线，抗拉强度11232kN。

(2) 吊耳验算

吊耳所受最大拉力即为扣索最大拉力339.8 kN，按照GB 50017-2017《钢结构设计标准》第11.6.3条进行验算。

(3) 拱脚计算

由于拱脚结构复杂，采用midas-MeshFree 建立有限元模型进行验算。拱脚采用钢管内灌混凝土作为铰轴，根据计算结果，拱脚最大位移1.2mm，基本可忽略。

(4) 抗倾覆计算

球铰转盘中心半径为2.2m，根据有限元模型计算结果，转体过程中恒载竖向力合计为19385.2 kN，顺桥向弯矩为1515.6 kN·m，朝向跨中处，无横桥向大弯矩。6级风荷载下顺桥向最大弯矩为2248.8 kN·m，朝向跨中处，横桥向最大弯矩为2185.6 kN·m，抗倾覆验算组合系数均按照1.0计算。

(5) 球铰细部计算

球铰规格为25000 kN级，需要验算上转盘局部承压承载力，此处采用midas-MeshFree 建立有限元模型进行验算。计算结果见表8。

1.7 计算结论

   从以上计算结果可以得出: 

① 拼装骨架强度及稳定性满足要求，变形满足要求，地基与基础验算满

足要求; 

② 转体过程结构强度及稳定性满足要求，变形满足要求，抗倾覆验算满足要求;

③ 浇筑过程结构强度与变形满足要求; 

④ 细部构造受力满足要求。

2 拱圈与转体施工

2.1 拱圈施工

   拱圈施工主要步骤如下:

① 各种原材料成品及半成品、机械与电气设备、预埋件等质量严格按现行规范

要求进行检验或试验[9]。

② 混凝土由商品混凝土站集中拌制，混凝土罐车运送，通过塔吊入模。

③ 拱圈混凝土采用分段(4段)分层(2层) 浇筑，从拱脚到拱顶逐层、逐段进行投料、振捣，各段的接缝面与拱轴线垂直，浇筑的间断时间不得超过混凝土初凝时间[10]。

④ 振捣时，振捣棒与侧模保持5cm 距离，严禁碰撞钢筋预埋件与模板，振捣密实度符合设计要求[11]。

⑤养护期间采用土工布覆盖，保持湿润状态最少7d[12]，混凝土养护未达到一定强度之前，防止遭受振动。

2.2转体施工流程

   转体施工主要步骤如下:

① 小里程侧拱圈承台施工，并安装球铰，浇筑上转盘，并利用现有山体地形，搭设支架，在支架上拼装骨架。

② 同时大里程侧拱圈原位搭设支架，在支架上拼装劲性骨架。

③ 在小里程侧上转盘上搭设扣塔、安装斜拉索并进行预张拉。张拉到位后，将斜拉索索体锚固于上转盘混凝土中，拆除支架，并开始转体施工，平转180°。④ 平转到位后，将两侧的劲性骨架进行焊接合龙。

⑤ 锁定球铰，浇筑承台后浇带。

⑥ 施工钢筋、模板等，两侧同步浇筑混凝土，由拱脚向拱顶同步浇筑。

⑦ 主拱圈合龙，拆除拉索，封拱脚，拆除临时设施。

3 结语

   本研究针对响水洞渡槽拱圈转体工程，基于施工场地条件限制，提出非对称平衡转体与支架组合的方法，该方法解决了合龙段变形不协调的难题，优化了拱圈应力及控制拱轴线的方法、确定了转体扣索与满堂支架拆除的顺序。采用midas /Civil 2022模拟拱圈转体施工过程，对支架、杆件、承台、拱脚、拱圈浇筑、转体施工等进行模拟研究、验算，结果表明各项强度指标均满足规范要求，设计研究成果符合工程的实际情况。

参考文献:

[1] 张联燕.桥梁转体施工［M］.北京: 人民交通出版社,2001．

[2] 张波.桥梁转体施工监理技术控制要点［J］.建筑，2021(7) : 72-74．

[3] 章博.超重、超长、超高跨线斜拉桥转体施工与监控关键技术［J］.国防交通工程与技术， 2017， 15( 1) : 1-5， 17．

[4] 李林翰，李瑞.桥梁转体施工工艺与关键技术研究［J］.工程技术研究， 2021，6( 24) : 76-78， 115．

[5]傅航，唐素芳.高速公路跨铁路桥梁平转法施工专项方案研究［J］.工程技术研究， 2023，8(6) : 29 -32．

[6] 刘德林. 大跨度曲线连续梁桥转体施工关键技术研究［J］.辽宁科技学院学报， 2023，25(3) : 15 -19．

[7] 何俊荣，尤岭，李世平，等.高震区梁式渡槽摩擦摆支座参数敏感性分析［J］.人民长江， 2022， 53(1) : 142-147．

[8] 雷洛，郭志学，龚臻，等． 跨河斜交桥梁对山区河流行洪影响试验研究［J］.水利水电快报， 2024， 45(3) : 68-72， 76．

[9] 蒋新龙． 高温环境下转体斜拉桥球铰施工关键技术［J］.建筑机械化，2023，44(2) : 44-47．

[10] 屈志刚，李政鹏． 输水渡槽水位异常波动原因分析与改善措施研究—以南水北调中线工程澧河渡槽为例［J］.人民长江， 2022，53(4) : 189-194．

[11] 陈家东，林明标，陈积瞻，等． 海南牛路岭灌区工程高大跨度拱式渡槽抗震性能分析［J］.水利水电快报，2022，43(9) : 35-39，48．

[12] 马明路，彭逸群．无合龙段T构桥转体施工关键技术研究［J］.铁路技术创新，2018(5) : 56-58， 89．

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