一种超大吨位双层转体斜拉桥及其转体施工方法 |
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| 申请号 | CN202311740216.7 | 申请日 | 2023-12-18 | 公开(公告)号 | CN117488646A | 公开(公告)日 | 2024-02-02 |
| 申请人 | 江苏中设集团股份有限公司; | 发明人 | 顾正涛; 夏至; 孙艳; 谷振; 陈高祥; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出了一种超大吨位双层转体 斜拉桥 ，包括 水 平设置的梁体，于所述梁体中部竖直设置有索塔，于所述索塔塔身 自上而下 设置若干拉索孔道，多条斜拉索分别穿过多个拉索孔道，两端锚固于所述梁体中部；所述梁体为对称结构，基于所述梁体下侧的边缘固定设置有人非混行道，于所述梁体的上表面依次铺设有 水泥 混凝土 铺装、 桥面 柔性防水层以及 沥青 混凝土 铺装层；本发明结合应用球铰和平铰的特点，将上下铰的 接触 面加工成大半径球面，使得整个铰结构兼具平铰和球铰的有点，同时将 钢 纤维 和 碳 纳米管 加入RPC材料应用于桥面铺装，在保证桥面 力 学性能要求的前提下，减轻斜拉桥结构的自重，进一步提高跨 桥梁 越能力及降低转体重量，降低大吨位桥梁转体难度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超大吨位双层转体斜拉桥，其特征在于，包括水平设置的梁体(1)，于所述梁体(1)中部竖直设置有索塔(2)，所述索塔(2)贯穿梁体(1)厚度方向固定设置于转体结构之上；于所述索塔(2)塔身自上而下设置若干拉索孔道(3)，多条斜拉索(4)分别穿过多个拉索孔道(3)，两端锚固于所述梁体(1)中部； |
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| 说明书全文 | 一种超大吨位双层转体斜拉桥及其转体施工方法技术领域背景技术[0002] 20世纪40年代，法国采用竖向转体法成功建设了一座拱桥，桥梁转体施工法开始出现。竖向转体法多用于拱桥的建设，此后各国使用此方法建立了多座拱桥。我国1985年在四川省采用此法建成一座钢混桁架拱桥，并且在国内快速发展,广泛用于桥梁建设中。有了竖向转体法的施工经验，工程师开始运用水平转体法进行施工。1976年奥地利维也纳的多瑙河桥第一次采用水平转体法完成建造。欧洲各国也相继采用此方法建设多座转体桥。我国1987年在四川巫山建成了第一座水平转体桥梁。进入21世纪，北京石景山斜拉桥的建成，拉开了转体斜拉桥快速建设的大幕，此后转体斜拉桥进入高速发展阶段。2017年3月30日建造完成的菏泽市丹阳路上跨铁路立交桥工程，主桥采用(40+100+240+100+40)m双塔单索面混凝土斜拉桥，转体施工，转体重量达到2.48万吨。2019年建造的保定乐凯大街南延工程转体斜拉桥，为子母塔双索面转体斜拉桥，转体重量子塔为3.8万吨，母塔为7.6万吨，为目前世界上已经建成的吨位最大的转体斜拉桥。 [0003] 斜拉桥在我国发展较晚但发展速度很快，随着国家建经济建设和公路交通的发展，我国的斜拉桥建设进入高速发展阶段，我国已成为世界上修建斜拉桥数目最多的国家，世界排名前十位的斜拉桥中国已占7座，中国现代桥梁正向“大跨、轻型、高强”方向发展，中国斜拉桥建设水平已经跨入世界先进行列。 [0004] 转体斜拉桥虽然已经有多例成功案例，但斜拉桥体系受力、结构构造、转体施工工艺及施工控制等均较为复杂。目前，城市主干道标准断面越做越宽，道路标准断面宽度可达到25‑50m，这对桥梁跨径和转体重量都增加了技术难度，桥梁转体重量都达到了超大吨位级。超大吨位斜拉桥的发展面临许多技术难题的挑战，在结构体系及施工工艺各方面均还很大的优化提升及创新空间。目前系统完整、可供查阅参考的资料不多，因此有必要从体系、构造以及施工等方面理出关键的技术问题，设专题进行研究，确保桥梁结构设计的合理性、经济性以及施工期、运营期的安全性。 发明内容[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种超大吨位双层转体斜拉桥及其转体施工方法，减轻斜拉桥结构的自重，进一步提高跨桥梁越能力及降低转体重量，降低大吨位桥梁转体难度。 [0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超大吨位双层转体斜拉桥，包括水平设置的梁体，于所述梁体中部竖直设置有索塔，所述索塔贯穿梁体厚度方向固定设置于转体结构之上；于所述索塔塔身自上而下设置若干拉索孔道，多条斜拉索分别穿过多个拉索孔道，两端锚固于所述梁体中部； [0008] 所述转体结构包括承台，所述承台包括上承台以及下承台，于上承台以及下承台之中固定设置有球面平铰。 [0009] 进一步地，所述球面平铰包括上平铰以及下平铰，所述上平铰与下平铰的接触面的球面，所述下平铰固定于支撑骨架之上，所述支撑骨架固定于下承台之中，所述上平铰固定于上转盘之中，上转盘固定设置于上承台之中，于所述上平铰与下平铰之间设置有销轴，所述销轴贯穿所述上平铰以及下平铰的中心固定设置于下承台之中。 [0010] 进一步地，于所述上转盘周围对称布置有若干支撑脚，于下承台之上对应所述支撑脚位置开设有供支撑脚滑动的滑道。 [0011] 进一步地，所述水泥混凝土铺装以质量份数计，包括1450‑1500份胶凝材料，1100‑1700份石英砂，240份水，180份钢纤维，45份减水剂，2份消泡剂以及掺量为0.025wt％～ 0.2wt％的碳纳米管； [0013] 进一步地，所述水泥混凝土铺装的制备包括如下步骤： [0014] S1、加入水泥、硅灰、矿渣等胶凝材料低速干拌3分钟； [0015] S2、加入石英砂后低速搅拌3分钟； [0016] S3、配置分散液：以表面活性剂将碳纳米管分散于水中，分散浓度为2‑4wt％； [0017] S4、想S2之中所得混合物之中加入三分之二碳纳米管分散液，高速搅拌3‑4分钟；再将全部减水剂加入后搅拌3‑4分钟；最后加入剩余的分散液，并高速搅拌4‑5分钟； [0018] S5、将锅壁和搅拌叶上的未水化的粉末处理后，加入钢纤维和消泡剂，在高速下搅拌4‑5分钟，得到流动性好的活性粉末混凝土浆料； [0019] S6、振捣S5之中所得浆料，振捣分两层进行，每层振动约1～2分钟。 [0020] 进一步地，于所述下承台之下固定设置有若干灌注桩，若干所述灌注桩错位布设于承台之下。 [0021] 进一步地，所述斜拉索为CFRP索。 [0022] 进一步地，一种超大吨位双层转体斜拉桥的转体施工方法，依靠转动系统完成，所述转动系统由牵引及助推系统、防过转及微调系统和测量系统构成； [0023] 所述牵引及助推系统包括牵引系统以及助推系统； [0024] 所述牵引系统由牵引钢绞线和牵引反力座组成，所述牵引钢绞线预埋于上转盘之中，所述牵引反力座设置于下承台上； [0025] 所述助推系统包括助推千斤顶以及助推反力座，所述助推千斤顶以及助推反力座设置于上转盘与下承台之间； [0026] 所述微调系统由千斤顶、反力座以及限位杆组成，所述限位杆基于转体结构布设，所述千斤顶以及反力座则布设于下承台上； [0027] 所述测量系统包括围绕转体结构均匀布设的多个监控点； [0028] 所述超大吨位双层转体斜拉桥的转体施工方法具体包括如下步骤： [0029] S1、搭建临时支撑结构，固定转体结构中心轴线，布设牵引及助推系统、防过转及微调系统和测量系统； [0030] S2、卸除桥梁主梁体上的固定装置，调整桥梁的预紧力； [0031] S3、启动转体：应用牵引及助推系统，沿着转体轴线逐渐将桥梁主梁体旋转到目标位置； [0032] S4、监控和调整：在转体过程中，应用防过转及微调系统和测量系统对桥梁主梁体的姿态、位置等进行监控和调整。 [0033] S5、完成转体：当桥梁主梁体旋转到目标位置后，经检查和确认后拆除临时支撑结构、牵引及助推系统、防过转及微调系统和测量系统。 [0034] 进一步地，于所述转体过程之中，牵引力为： [0035] T＝(M+NμR')/D [0036] 式中，M为球面平铰的转动摩擦力矩，N为转体时支撑腿的最大支撑力，R'为环道半径，D为转台直径； [0037] 球铰的转动摩擦力矩为： [0038] [0039] 式中，W为转体总质量，μ为球面平铰摩擦系数，R为球面平铰支承半径。 [0040] 与现有技术相比，本发明的有益效果包括： [0041] 1)结合应用球铰和平铰的特点，将上下铰的接触面加工成大半径球面，使得整个铰结构兼具平铰和球铰的有点，由于球面半径比较大，转动过程稳定性相比普通球铰更好；在转体的过程之中，接触面为球面，自身也具有偏心调节能力，在偏心荷载作用下，转铰受力依然比较均匀，与支撑脚的配合较好，转体后具有姿态调整能力； [0042] 2)将RPC材料应用于桥面铺装，钢纤维和碳纳米管的加入提升了RPC材料的基体韧性，RPC基体的弯曲和直接拉伸开裂强度可以有效提升，且碳纳米管的加入可有效改善RPC基体的抗弯韧性。附图说明 [0043] 参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中： [0044] 图1示意性显示了超大吨位双层转体斜拉桥的整体结构； [0045] 图2示意性显示了超大吨位双层转体斜拉桥的主墩及索塔的整体结构； [0046] 图3示意性显示了超大吨位双层转体斜拉桥的梁体的剖面结构； [0047] 图4示意性显示了超大吨位双层转体斜拉桥的承台的整体结构； [0048] 图5示意性显示了球面平铰的整体结构； [0049] 图6示意性显示了撑脚的布设方式； [0050] 图7为MWCNTs‑RPC直接拉伸韧性计算示意拉伸荷载位移曲线； [0051] 图8示意性显示了采用普通材料后混凝土梁体应力； [0052] 图9示意性显示了采用新材料后混凝土梁体应力； [0053] 图10示意性显示了斜拉桥最长拉索受力； [0054] 图11为CFRP索和传统钢索的等效弹性模量的比较； [0055] 图12示意性显示了采用普通材料后的拉索应力； [0056] 图13示意性显示了采用新材料后的拉索应力。 [0057] 图中标号：1‑梁体，2‑索塔，3‑拉索孔道，4‑斜拉索，5‑人非混行道，6‑上承台，7‑下承台，8‑球面平铰，9‑上平铰，10‑下平铰，11‑支撑骨架，12‑上转盘，13‑销轴，14‑撑脚，15‑滑道，16‑灌注桩。 具体实施方式[0058] 容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。 [0059] 本发明提出一种超大吨位双层转体斜拉桥，实施时本桥沿道路前进方向依次跨越G312、沪宁高速公路、团结路，主线道路中心线与G312交叉点桩号为K0+458.636，交角为66°；与沪宁高速交叉点桩号为K0+755.447，交角为60°；与团结路交叉点桩号为K0+ 839.408，交角为59°。根据调查，G312现状道路全宽为38.0m，双向六车道布置，净空要求为 38m×5.0m，被交范围G312路面高程为4.3～4.6m；沪宁高速公路现状道路全宽为42.5m，双向八车道布置，净空要求为42.5m×5.0m，被交范围沪宁高速路面高程为5.2～5.6m；现状团结路全宽为40.0m，双向六车道布置，净空要求为40m×5.0m，被交范围团结路路面高程为 3.9～4.3m。 [0060] 如图1所示，一种超大吨位双层转体斜拉桥，其特征在于，包括水平设置的梁体1，于梁体1中部竖直设置有索塔2，如图2所示，索塔2贯穿梁体1厚度方向固定设置于转体结构之上；于索塔2塔身自上而下设置若干拉索孔道3，多条斜拉索4分别穿过多个拉索孔道3，两端锚固于梁体1中部；梁体1为对称结构，于梁体1的上表面依次铺设有水泥混凝土铺装、桥面柔性防水层以及沥青混凝土铺装层。 [0061] 如图3所示，为了减小人非混行道5纵坡，同时桥梁机动车道又能保持4％的纵坡，以便能在向阳路和纺通路前落地后与两条路平交，对主桥断面进行了优化布置，形成了人非混行道5与机动车道分离的双层断面，将人非混行道5悬挂于箱梁悬臂下，桥梁总宽减小为27.5m，主跨跨径可减小为108m，主桥转体重量23000t，改方案较人非与机动车共面的方案相比，主跨单孔跨径可减小5m，转体重量可减轻3000t。桥梁断面采用双层形式后，机动车道纵坡维持4％不变，人非混行道5纵坡可降低为2.5％。 [0062] 双层转体斜拉桥较单层转体斜拉桥，可减小桥梁跨径，降低桥梁转体重量。且双层转体斜拉桥由于将人非混行道5与机动车道在立面上进行了上下层分离，有利于控制桥梁纵坡，能更好的适应行人与非机动车的通行需求。在城市道路中，交叉口间距较密，双层转体斜拉桥适用性更强。 [0063] 如图4所示，转体结构包括承台，承台包括上承台6以及下承台7，上承台6为圆形，直径15m，高4m，采用C50混凝土。球铰平面直径5.0m。下承台7为圆形，直径23.6m，高5m，采用C50混凝土，于上承台6以及下承台7之中固定设置有球面平铰8，球铰平面直径5.0m。具体的，承台分为上、下承台7，转体到位后通过封铰将上下承台7合成一个整体。将承台沿高度方向分为三部分：下承台7圆形块体(5m)、上承圆形块体(4m)及中间球体区域(0.6m)。 [0064] 如图5所示，球面平铰8包括上平铰9以及下平铰10，上平铰9与下平铰10的接触面的球面，下平铰10固定于支撑骨架11之上，支撑骨架11固定于下承台7之中，支撑骨架11即为下承台7圆形块体，上平铰9固定于上转盘12之中，上转盘12即为上承圆形块体，上转盘12固定设置于上承台6之中，于上平铰9与下平铰10之间设置有销轴13，销轴13贯穿上平铰9以及下平铰10的中心固定设置于下承台7之中。于下平铰10的面板上镶嵌填充聚四氟乙烯复合夹层滑板，于上平铰9面板组成摩擦副，用以减小上平铰9与下平铰10之间的摩擦因数。 [0065] 上下铰配合后的整体外形与平铰结构类似由上下两块厚钢板机加工而成，加工简便，转铰质量有保证，钢材用量小，加工环境友好。 [0066] 上下铰接触面加工成大半径球面，使得整个铰结构兼具平铰和球铰优点，由于球面半径比较大，转动过程稳定性相比普通球铰更好。转体过程中，接触面为球面，自身也具有偏心调节能力，偏心荷载作用下，转铰受力依然比较均匀，与撑脚14配合较好，转体后具有姿态调整能力，仅千斤顶顶力相对较大。 [0067] 分块可拆装设计，可根据需要对平铰进行拆分和重装，解决大吨位转铰运输和安装难题。分块多少可综合考虑工厂加工能力、运输能力、运输路线的限制要求等综合确定。 [0068] 于具体实施过程之中依托工程新光路跨沪宁高速公路桥主桥转体结构重约23000t，拟采用25000t球面平铰8。转铰半径为2.5m。球面半径为26m。相对于铸造成型的大吨位球铰，不仅转铰结构的质量更有保障且可节省钢约40％。 [0069] 于上转盘12周围对称布置有若干支撑脚14，于下承台7之上对应支撑脚14位置开设有供支撑脚14滑动的滑道15。上盘撑脚14为转体时保持转体结构平稳的保险腿。从保持转体结构的稳定性和方便施工出发，在上转盘12周围对称布置6个撑脚14，如图6所示。在撑脚14的下方(即下盘顶面)设有1.2m宽的滑道15，滑道15中心半径5.61m,转体时保险撑脚14可在滑道15内滑动，以保持转体结构平稳。为保证转体顺利实施，要求滑道15处于一整体平面，高差不大于0.5mm。 [0070] 桥墩采用柱式墩；桥台采用薄壁台，两侧顺接挡土墙，以便于布设地面辅道；基础采用钻孔灌注桩16。转体斜拉桥主墩，基础采用19根直径为2.0m的钻孔灌注桩16，桩基呈梅花型布置；上下转盘均为圆形截面，厚度分别为3.0m和5.0m，上转盘12直径为15m，下转盘直径为23.6m。 [0071] 依照论文资料应用水泥混凝土铺装，水泥混凝土铺装以质量份数计，包括1450‑1500份胶凝材料，1100‑1700份石英砂，240份水，180份钢纤维，45份减水剂，2份消泡剂以及掺量为0.025wt％～0.2wt％的碳纳米管；碳纳米管为C型碳纳米管或S型碳纳米管或L型碳纳米管之中任意一种，胶凝材料为水泥、硅灰、矿渣以及粉煤灰的混合物。 [0072] 水泥：PII52.5海螺水泥，成分详细情况如表1所示。 [0073] 硅灰：艾肯国际贸易公司生产的ELKEM920U，灰白色，含碳量较低(小于2％)，成分如表2所示。 [0074] 矿渣：S95级高炉矿渣，化学成分详情如表3所示。 [0075] 粉煤灰：符合I级标准的粉煤灰。 [0076] 石英砂：采用粒径不大于600微米的石英砂。 [0077] 钢纤维：长度12mm，直径为0.2mm。 [0078] 减水剂：上海麦斯特高效减水剂。 [0079] 消泡剂：磷酸三丁酯。 [0082] 水泥混凝土铺装的制备包括如下步骤： [0083] S1、加入水泥、硅灰、矿渣等胶凝材料低速干拌3分钟； [0084] S2、加入石英砂后低速搅拌3分钟； [0085] S3、配置分散液：以表面活性剂将碳纳米管分散于水中，分散浓度为2‑4wt％； [0086] S4、想S2之中所得混合物之中加入三分之二碳纳米管分散液，高速搅拌3‑4分钟；再将全部减水剂加入后搅拌3‑4分钟；最后加入剩余的分散液，并高速搅拌4‑5分钟； [0087] S5、将锅壁和搅拌叶上的未水化的粉末处理后，加入钢纤维和消泡剂，在高速下搅拌4‑5分钟，得到流动性好的活性粉末混凝土浆料； [0088] S6、振捣S5之中所得浆料，振捣分两层进行，每层振动约1～2分钟。 [0089] 表1水泥质量检验表 [0090] [0091] 表2硅灰化学成分及物理性能 [0092] [0093] 表3矿渣化学成分组成 [0094] [0095] [0096] 表4碳纳米管参数 [0097] [0098] 抗压强度分析 [0099] 依据论文资料得知：不添加碳纳米管的对照组RPC材料抗压强度为149.8MPa。随着碳纳米管含量的增加，S型和L型多壁碳纳米管对RPC材料的抗压强度的影响是不同的：随S型碳纳米管掺量的加大，MWCNTs‑RPC材料强度呈现先增大后降低的趋势，当掺量为0.025wt％时抗压强度为160.7MPa，提高了约7.3％，抗压强度随着碳纳米管掺量增加而降低；添加有L型碳纳米管的试件强度均略低于对照组试件，强度降低至对照组的94％，这可能是由于碳纳米管在基体中的二次团聚造成的，团聚的碳纳米管会降低材料的性能。 [0100] 直接拉伸曲线试验分析 [0101] 不掺有碳纳米管的对照组的抗拉初裂强度为6.5MPa，抗拉极限强度为7.9MPa。掺加S型碳纳米管的RPC材料初裂强度提高了约5～9％；对于掺加L型碳纳米管的RPC材料，初裂强度提高了约15.1％，极限强度提高了11.1％～17.4％；L型的碳纳米管对基体的增强没有显示出较为明显的规律性。各组试件的初裂应变均约为0.015％，极限抗拉强度对应的应变约为0.15％～0.3％。 [0102] 拉伸韧性评价 [0103] 活性粉末混凝土的基体是一种高强度、高脆性材料，而将高强度的微型钢纤维加入到活性粉末混凝土的基体之后，由于微型钢纤维的延性和强度都远高于基体材料，因此当裂缝尖端扩展时遇到钢纤维会被迫改变方向或跨越纤维形成更微细的裂缝，有效地提高了微裂缝扩展所需要的能量。同时，当RPC基体中宏观裂缝在荷载作用下发生较大变形时，横跨裂纹的钢纤维将维不断被拔出，从而消耗了大量能量并显著提高基体的能量吸收能力。韧性指标从能量的角度可定义为材料或结构从荷载作用到失效为止的能量吸收能力，从延性角度可以定义为材料受荷后保持较高承载能力的持续变形能力。 [0104] 目前，国内外研究还没有专门用于描述RPC韧性的测试方法。本研究根据现有的纤维混凝土弯曲韧性韧性评价方法，利用荷载位移曲线中初始开裂点至规定点之间曲线所包围区域描述MWCNTs‑RPC的能量吸收能力。在本研究中,拉伸韧性参数也由拉伸荷载位移曲线下的区域计算得到。如图7所示拉伸荷载位移曲线， [0105] 其中:Pin：开裂拉伸荷载；δin：开裂拉伸变形；Pu：极限拉伸荷载；δu：极限拉伸变形。 [0106] 由于碳纳米管的长度为几个微米，仅在开裂初期对RPC的基体韧性有所影响。因此，为了考察MWCNTs对RPC基体韧性的影响，本研究引入能量吸收因子来定量分析。其中Ein代表RPC基体开裂时所吸收的能量，Eu为荷载位移曲线在横坐标由δin至δu段所包围的面积，其计算公式为: [0107] [0108] 为了评价材料在多缝开裂及软化阶段的耗能情况，研究引入了E15与E25两个能量评价指标用于分析纤维对基体耗能的影响，这两个参数分别对应直接拉伸位移为15倍初裂位移以及25倍初裂位移处的能量值，二者的计算公式为： [0109] [0110] [0111] 依据论文资料得知：高掺量的L‑MWCNTs由于难分散带来的团聚问题，团聚的碳管在基体中形成缺陷从而降低了材料的性能。本研究中L型碳纳米管掺量提升到0.2wt％时，其增长幅度略有下降但仍然较对照组有所增强，这主要是由于本文采用有效的分散手段确保碳纳米管在基体中的分散，最高用量相比于其他文献中所述仍然相对较少；另一方面，过多的碳管团聚体会填充在水化产物孔隙中增强基体的密度。从而降低了团聚带来的影响。 [0112] 弯曲韧性评价 [0113] 依据论文资料中所展现的MWCNTs‑RPC试件的弯曲韧性：当荷载较小时，钢纤维与RPC基体作为整体共同承担荷载，荷载挠度曲线随着荷载的增大呈直线增大趋势；随着荷载继续增大，MWCNTs‑RPC内部微裂缝扩展成为宏观裂缝，由于跨越裂缝的高强度微型钢纤维横贯裂缝传递应力，试件具有较好的韧性；钢纤维与基体间粘结应力在峰值荷载后逐渐达到极限，钢纤维被拔出后曲线呈现软化段。 [0114] RPC试件的初裂强度为12.72MPa，试件在开裂后荷载急剧下降，随后荷载略有上升然后逐渐降低，该组的峰值强度与初裂强度值相同。掺有C型多壁碳纳米管的RPC材料的峰值弯曲强度为12.93MPa且该试件有较为明显的应变硬化现象。掺有0.025wt％L型多壁碳纳米管的试件效果最优，其抗弯初裂强度和极限强度为13.64MPa和13.88MPa，分别较RPC试件提升7.2％和9.3％。其中，L1‑3试件的极限荷载对应的挠度达到了0.39mm，远远高于RPC试件。掺有S型的多壁碳纳米管的试件的抗弯初裂强度和极限强度为13.22MPa和13.29MPa，均较RPC试件有所提高。 [0115] 桥面采用RPC材料计算 [0116] 本次计算主要分析桥面铺装采用新材料后梁体应力情况。 [0117] 如果整个主梁都采用新材料，则造价会成倍数增加，因此本次课题实例计算仅考虑新材料主要用在桥面铺装上，对比采用新材料与采用传统混凝土材料的主梁应力情况。本次计算考虑一半铺装参与结构受力。由于新材料的容重与混凝土接近。本次计算仅对比混凝土梁应力情况。采用普通材料的混凝土梁体应力情况如图8所示，采用新材料的混凝土梁体应力情况如图9所示。对比两种材料铺装情况下，主梁的应力区别不大。 [0118] 钢纤维和碳纳米管提升了RPC材料的基体韧性，RPC基体的弯曲和直接拉伸开裂强度可以有效提升，其中掺有0.025wt％的F型碳纳米管RPC材料的抗压强度和弯曲开裂强度较对照组分别提高了7.2％和36％,直接拉伸试件的开裂强度和极限强度均提高8％以上。钢纤维的存在使得RPC基体在直接拉伸荷载作用下呈现多缝开裂的应变硬化现象，峰值荷载出的应变最高可以达到0.4％。 [0119] 为了衡量碳纳米管在RPC基体中的增韧效果，研究提出采用能量吸收指数Ein、Eu、E15和E25。碳纳米管加入可以将RPC材料的Ein、E15和E25指标大幅度提升，而Eu指数由于不稳定开裂阶段的存在而没有明显规律。研究还表明低掺量的L‑MWCNTs(0.025wt％)与高掺量的F‑MWCNTs(0.05wt％)能量吸收指数相近，二者取得相似的力学增强效果。 [0120] 碳纳米管的加入可改善RPC基体的抗弯韧性，其中L1组添加的L型多壁碳纳米管可显著提高RPC梁的抗弯强度、等效抗弯强度和能量吸收能力，而C型和S型碳纳米管对RPC基体的提升效果不明显。 [0121] 于本发明之中，斜拉索采用CFRP索。以下进行CFRP索与传统钢索极限跨径的对比。 [0122] 斜拉索是斜拉桥的重要受力构造，其中倾斜度最大、离索塔最远、最靠近跨中位置的那根拉索受力最大，它的受力情况将对斜拉桥的极限跨径产生直接影响。 [0123] 设桥塔高度为h,桥梁跨径为L，斜拉索的倾斜度为1/e，倾角为a，拉索的长度为lr，假设每根拉索承担单位索距节段上的恒载为WD、活载为WL、斜拉索自重为WT，斜拉桥最长拉索受力如图10所示。 [0124] 可推导得出斜拉桥的极限跨径的表达式为： [0125] [0126] 其中：AT为斜拉索面积；rT为拉索的当量比重(考虑防护和锚头)；σT为拉索的应力；η为考虑按单根拉索杆件算的数值与总体分析结果之间差异的增大系数，一般取1.1～1.5； [0127] [0128] 斜拉桥桥塔的有效高度与斜拉索的倾角有关，且塔越高，斜拉索的倾角越大，对主梁的支撑效果也越好，桥塔的高度由经济性比较来决定，我们根据已有斜拉桥的资料可以得出一个大致的范围，可用桥塔的高跨比H/L来表示，一般情况下H/L为1/4～1/7。一般e的取值在2.0和3.0之间。 [0129] 钢丝的极限强度为1800MPa，偏保守取安全系数为2.5，则容许应力为720MPa，拉索2 2 4 节段为双索面，单根拉索面积取为150cm ，则AT为0.03m，取拉索的当量比重为8.15×10N/ 3 m。CFRP材料的极限强度取2250MPa，考虑碳纤维脆性特点，这里安全系数取为3.0，容许应 4 3 力为750MPa，索面积与钢索相同，当量比重取1.8×10N/m。 [0130] 采用以上参数在相同主梁截面下，粗略比较斜拉桥采用传统钢索和CFRP索的极限跨径，发现采用CFRP索的斜拉桥的极限跨径很大，若取e＝2，阶段长度取20m，则CFRP索斜拉桥的跨径约为钢索斜拉桥的5倍。 [0131] CFRP索与传统钢索垂度效应的对比 [0132] (1)垂度效应 [0133] 斜拉索在自重作用下会自然下垂，即产生垂度，将会产生很多不利影响，比如增大了结构非线性、减小了轴向刚度以及降低承载效率等。拉索的精确线形为悬链线，但由于拉索垂度较小，可认为其自重荷载近似弦向均布，则将其线形简化为二次抛物线。假设斜向拉索的弦向长度为lc，自重集度为gc，倾角为α，则垂直于弦的垂度为： [0134] [0135] 其中：γc表示拉索材料的比重；σ表示拉索索中应力。由此可见，拉索的垂度与拉索弦向长度、拉索应力及拉索材料的比重等因素有关。 [0136] 对于传统钢斜拉索和CFRP斜拉索，当斜向拉索的索中应力σ、拉索沿弦向的长度3 lc、倾角α都相同的情况下，由于CFRP斜拉索的比重(如Leadline棒材，γc＝16kN/m)约为传 3 统钢材(γc＝80kN/m)的1/5，故当采用CFRP斜拉索时，其垂度仅为钢拉索的1/5，即使跨径很大时，垂度仍然很小。 [0137] (2)等效弹性模量 [0138] 在研究计算中，为了简化计算，经常采用Ernst等效弹性模量公式来考虑拉索垂度效应，这对于结构的特性分析是足够精确的。 [0139] Ernst等效弹性模量公式为: [0140] [0141] 由此式可以看出，等效弹性模量随着斜拉索材料的容重和拉索长度的增大而减11 小，随着拉索中应力的增大而增大。对于传统钢斜拉索，弹性模量取E＝2.0×10 Pa，容重 3 11 3 γc＝78.5kN/m ；CFRP拉索取E＝1.6×10 Pa，容重γc＝16kN/m ；取拉索中的应力分别为 300MPa，500MPa，700MPa时，Eeq/E随拉索长度L的变化趋势如图11所示。 [0142] 可以看出，在斜拉索长度和拉索中的应力相同的情况下，CFRP斜拉索的等效弹性模量大于钢斜拉索，随着拉索长度增大，其提高越明显。当拉索应力和长度相同时，CFRP索的轴向刚度远大于传统钢索，故而采用CFRP斜拉索可大大提高斜拉桥的整体刚度。 [0143] (3)自重应力 [0144] 己知斜拉索的长度、倾角和拉索中索力的情况下，自重应力在总应力中所占份额可以根据下式来计算: [0145] [0146] 式中：lmax表示以索中应力作为允许应力而算得的极限长度。 [0147] 由此可见，当斜拉索的长度、倾角和索中应力相同的情况下，CFRP斜拉索的自重应力仅为传统钢斜拉索的1/5，并且钢斜拉索的承载能力随着斜拉桥跨度的增大将大幅降低。 [0148] 由于CFRP材料的比重较小，故而当其用作斜拉索材料时，其垂度效应只有传统钢斜拉索的1/5，即使是超大跨径的计算，采用等效模量法精度仍然很高，而在斜拉索的长度、索中应力和倾角相同时，CFRP索的等效弹性模量可达钢索的5倍，而且在大跨径情况下，钢斜拉索的等效弹性模量会快速下降，而CFRP索则基本不变；CFRP斜拉索的自重应力也较小，在大跨径时承受外荷载的能力也相当好。 [0149] 拉索采用新材料计算 [0150] 本次计算主要考虑采用新材料后拉索应力情况。采用普通材料的应力情况如图12所示，采用新材料的应力情况如图13所示。对比两种材料对比，拉索的应力区别不大。但新材料拉索容许应力富余更。在相同的应力富裕度控制原则下，采用CFRP斜拉索，拉索规格可以减小。 [0151] 对CFRP索和传统钢索的极限跨径的粗略对比，得出CFRP索的跨径约为传统钢索斜拉桥的4倍，采用CFRP作为斜拉索可大大增加桥梁的跨越能力，CFRP索在大跨径桥梁中应用前景非常好。对斜拉索垂度效应的研究，CFRP索垂度小，采用等效弹性模量法精确度较高，自重应力占总应力的比重小，在大跨径时承受外荷载的能力非常好。 [0152] 一种超大吨位双层转体斜拉桥的转体施工方法，依靠转动系统完成，转动系统由牵引及助推系统、防过转及微调系统和测量系统构成； [0153] 牵引及助推系统包括牵引系统以及助推系统； [0154] 牵引系统主要是给上转盘提供一个克服上下球铰之间及撑脚与下滑道之间动摩阻力矩的力偶，采用在上转盘预埋牵引钢绞线，利用连续千斤顶牵引，牵引系统由牵引钢绞线和牵引反力座组成。助推系统主要作用是提供一个克服静、动摩阻力矩差的力偶，以免牵引系统太复杂，另外，也作为牵引系统不正常工作时的应急手段，助推系统由助推千斤顶和助推反力座组成。 [0155] 在转体过程中，转体重量只有球铰一点支承，结构受外界条件或施工影响，易出现倾斜，必须设置位置控制系统；在转体过程中及转体就位后，对转体的悬臂端高程及轴线要进行微小调整，需要设置微调系统。微调系统由千斤顶、反力座、限位杆、测量仪器等组成。 [0156] 测量系统是通过在转体结构上布置监控点，对转体过程中进行位置测量，及时动态反应转体状态，为转体提供数据支持。在转体就位后进行测量，保证结构精度。 [0157] 超大吨位双层转体斜拉桥的转体施工方法具体包括如下步骤： [0158] S1、搭建临时支撑结构，固定转体结构中心轴线，布设牵引及助推系统、防过转及微调系统和测量系统； [0159] S2、卸除桥梁主梁体上的固定装置，调整桥梁的预紧力； [0160] S3、启动转体：应用牵引及助推系统，沿着转体轴线逐渐将桥梁主梁体旋转到目标位置； [0161] S4、监控和调整：在转体过程中，应用防过转及微调系统和测量系统对桥梁主梁体的姿态、位置等进行监控和调整。 [0162] S5、完成转体：当桥梁主梁体旋转到目标位置后，经检查和确认后拆除临时支撑结构、牵引及助推系统、防过转及微调系统和测量系统。 [0163] 牵引力计算： [0164] 转体总重量W＝230000kN。球饺转动摩擦力矩为： [0165] [0166] 式中： [0167] R—球铰支承半径，R＝2.5m； [0168] W—转体总质量，W＝230000kN； [0169] μ—球铰摩擦系数，μ静＝0.I,μ动＝0.06。 [0170] 经计算可得： [0171] 启动时静摩擦系数按μ静＝0.1,M静＝38334kN·m； [0172] 转动过程中的动摩擦系数μ＝0.06,M动＝23000kN·m。 [0173] 实际转体按不平衡体系转动，即，人为控制转体结构偏向后侧，使一个支撑腿接触滑道，控制该支撑腿支撑反力不超过2000kN。在上述设定的转动条件下，计算索引力为： [0174] [0175] 式中： [0176] M—球饺转动摩擦力矩； [0177] D—转台直径，D＝11.22m； [0178] N—转体时支撑腿最大支撑力，N＝2000kN； [0179] R'—环道半径，R'＝5.61m。 [0180] 经计算得： [0181] 启动时所需要最大牵引力T＝3813kN； [0182] 转动时所需要最大牵引力T＝2288kN。 [0183] 依据前述过程中依据桥体实际情况所计得的牵引力数值完成对超大吨位双层转体斜拉桥的转体施工。 |
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