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文檔簡介
1、日本明石海峽大橋一、概述圖5.33為明石海峽大橋的橋式、加勁桁梁截面級鋼塔架。本橋于1988年5月開工,1998年4月完工,歷時10年整,原設計為雙層橋面的公鐵兩用懸索橋,跨度為890+1780+890m,后因各種原因該為單層橋面公路懸索橋,并將跨度改為960+1990+960m。圖5.33明石海峽大橋的橋式、加勁桁梁截面級鋼塔架(mm)a橋式立面b加勁桁梁橫截面c鋼橋塔示意圖d塔柱截面本橋的實際跨度由于1995年1月15日發(fā)生的阪神大地震,使錨錠和塔墩的基礎出現(xiàn)變位(圖5.34),改為960+1990.8+960.3m。當時由于主纜已架設完畢,經(jīng)驗算后繼續(xù)施工,并將加勁桁梁適當作局部調(diào)整,故
2、出現(xiàn)今的主跨有的資料以1991m計。設計中采用的基本風速為46m/s,加勁桁梁的設計風速為60m/s,橋塔的設計風速為67m/s。最大水深達110m。最大潮流速度為4.5m/s。二、橋塔本橋采用如圖5.35所示的的鋼橋塔。塔高約283m,每塔由兩根略帶傾斜的十字形空心大格式鋼柱、5組交叉式斜桿以及兩道橫梁連接組成。兩柱的中心距為46.5m(底部)35.5m(頂部)。十字形塔柱截面的輪廓尺寸為橫向從底到頂為6.6m(等值不變),縱向從底部的14.8m向上逐漸縮減到頂部的10.0m。塔柱的各空心大格室均勻布置有豎向加勁肋。圖5.34阪神大地震引起的基礎變位示意圖(m)橋塔用日本的SM570鋼材制造
3、,每塔用鋼23100t,兩塔共耗鋼材46200t。塔柱在高度方向分為30個節(jié)段,在水平方向每個十字形截面又分為3塊,每塊的起吊重量均小于160t。南北兩端塔頂中心偏移的施工誤差分別為29mm和39mm,均小于容許值(塔高/5000)。由于橋塔高度特別大,因此在抗風方面除了將每個塔柱的截面外形從矩形切去四角成十字形外,每柱還設置了質(zhì)量為84t和114t的TMD(調(diào)質(zhì)阻尼器)各一個,用來抵抗第一撓曲振動和第一扭曲振動。三、主纜由于本橋的跨度是破世界記錄的,因此在初步設計中曾考慮仿照美國華盛頓橋和維拉扎諾橋,在橋面的兩側(cè)每側(cè)采用一對主纜,以避免主纜直徑過大。但因每側(cè)采用一對主纜比常規(guī)的單根主纜施工麻
4、煩,不僅施工時要有較寬的貓道,并且還會加大錨錠中的散索室與錨固部分的空間尺寸以及成倍增加的索鞍、索夾與吊索的數(shù)量。因此,最終以提高主纜的鋼絲強度并適當降低其安全系數(shù),使之仍采用傳統(tǒng)的每側(cè)一根主纜的方案。本橋最終采用的的鋼絲強度從1580MPa提高到1800MPa??紤]到由于本橋跨度特別大,主纜的鋼絲應力中恒載應力很大而活載所占比例非常小(僅8左右),而這部分很大的恒載應力是比較穩(wěn)定可靠的,所以將其安全系數(shù)從一貫的2.5降低到2.2。在上述的設計原則下,主纜采用PS法施工,垂跨比1/10,每根主纜有290股PWS鋼絲索,每股有127根的鋼絲,全橋共用鋼絲57700t。本橋主纜在緊纜并包裹后的直徑
5、為1120mm,仍居世界第一。(注:其次是青馬大橋的1100mm及南備贊橋的1070mm)。另外,本橋貓道也由于跨度大的關(guān)系承重較大,所以首先采用強度為2000MPa的鍍鋅鋼絲來制造貓道的承重索。并且首次取消了貓道下面的抗風索,只在兩側(cè)的貓道之間增加必要的抗風構(gòu)件。除此之外,本橋在主纜施工時首創(chuàng)采用直升機架設導索。另外,本橋主纜除采用常規(guī)的防腐體系外,還在纏包鋼絲之外加一層作封閉用的薄橡膠皮膜,沿主纜每隔一定距離(140m左右)設有通風孔眼一個,利用除濕裝置可將干燥大氣壓注入被橡膠皮膜包封的縫隙內(nèi),借以達到防潮去腐。四、豎吊索本橋的長吊索采用平行鋼絲索(PWS)制造,短吊索采用炭纖維加勁纜索(
6、Carbon Fiber Reinforced Cable,簡稱CFRC)制造。吊索與加勁梁的連接方式為,PWS用鉸接,CFRC用錨環(huán)承壓。本橋的豎吊索,長度為1040m的稱為短吊索,10m以下稱超短吊索。在短吊索區(qū)間與超短吊索區(qū)間架設加勁桁梁的平面構(gòu)件單元時分別采用特殊的扁擔梁(人字形扁擔梁,上下扁擔梁以及形扁擔)。五、加勁桁梁本橋早在1988年的5月就破土開工,因此,設計的時間更早。最先設計時,本橋的主孔跨度為1780m,由于時公鐵兩用橋的關(guān)系,加勁梁在日本時理所當然的采用對雙層橋面最適宜的鋼桁梁形式。后期,主跨改為1990m,并取消在橋上通過雙線軌道后,對加勁梁究竟采用鋼桁梁還是采用呼聲
7、日益增高的鋼箱梁曾做過比較,由于當時日本鋼箱梁經(jīng)驗的不足,只有主跨560m的大鳥橋正在施工中和720m的白鳥橋正在設計中(當時來島一、二、三橋原設計均采用鋼桁梁,到90年代才改變?yōu)殇撓淞海?,所以在通過風洞試驗的基礎上仍維持采用鋼桁梁。圖5.33為本橋最后采用的三跨雙鉸加勁鋼桁梁的橫截面。鋼桁梁的桁寬35.5m,桁高14.0m,由兩片主桁梁及桁架式橫梁以及橫梁上的橋面系等組成。鋼桁梁的小節(jié)間長度為14.2m,大節(jié)間長度為28.4m。鋼桁梁采用低炭鋼SS400及高強鋼HT780制造,共耗鋼89300t。最大活載豎向撓度為+8.0m(向下)及-5.0m(向上)。最大橫向風力引起的水平撓度達27m,梁
8、端的伸縮量達1.45m。風洞試驗時考慮了主纜的影響與紊流影響,所以風洞尺寸為41m4m40m(寬高長)。試驗結(jié)果在橋面上增開孔隔柵以及在主孔增設豎向穩(wěn)定器。六、錨錠北橋的北錨錠由于采用地下連續(xù)墻防水而修建于神戶層(洪積砂礫)。地下連續(xù)墻為一圓筒形基礎,外周直徑85.0m,高75.5m,墻厚2.2m,墻底標高約為-73.0m。施工時在地下連續(xù)墻完成后的圓筒內(nèi)以深井降水進行開挖。開挖的深度高于地下連續(xù)墻底約12.0m,即開挖到標高約-13+12=-61m處,然后用26萬立方米碾壓混凝土進行填充,再在其上面用23萬立方米高流動性混凝土修建錨錠。本橋的南錨直接修建在花崗巖層上,基底做成梯級狀,最深的基
9、底標高約為-23.5m。整個南錨共用混凝土15萬立方米。七、加勁桁梁的架設1.架設方法本橋加勁桁梁的架設方法具有以下一些特點:(1)采用以平面桁架節(jié)段進行伸臂架設大跨度懸索橋加勁梁的架設方法可以分為平面桁架節(jié)段來做伸臂架設,以及在正下放將桁架梁立體節(jié)段直接起吊來進行安裝。本橋由于橋下船舶航行狀況的關(guān)系,只能在橋塔附近的工程作業(yè)海域內(nèi)以及海岸填土修筑的錨錠作業(yè)場岸壁前面可以長時間的使用海面;另外,由于采用起吊立體節(jié)段進行安裝要增加別的起重設備來架設橋面系的鋼橋面板和附加梁而不經(jīng)濟,因此采用平面桁架節(jié)段來進行伸臂架設。平面桁架節(jié)段的架設采用逐次剛性固接法,將架設前端的3個節(jié)點進行調(diào)整吊拉就位而采用
10、無鉸的施工方法。(2)邊跨的架設是從錨錠往橋塔方面進行以前的采用平面桁架節(jié)段進行伸臂架設的懸索橋,邊跨一般都是從橋塔往錨錠方向進行的。本橋由于在伸臂架設中能夠上坡的關(guān)系,以及可以分散作業(yè)場地等理由,決定采用從錨錠往橋塔方向進行架設。(3)在架設開始階段先采用大的立體桁架節(jié)段本橋加勁桁梁的架設,開始先在兩個橋塔的兩側(cè)(邊跨側(cè)與主跨側(cè))以及兩個錨錠的前面,共4個地方進行大的立體桁架節(jié)段的架設。這樣做的目的是可以在這些節(jié)段上先裝載架設用的機具與材料,減輕現(xiàn)場作業(yè)、確保安全與縮短工期。先架設的這些大節(jié)段并可作為供應平面桁架節(jié)段的基地。(4)在架設短吊索部分的節(jié)段時使用特殊的空中扁擔梁短吊索部分的主纜與
11、加勁桁梁上玄桿之間的凈高較小。以前的懸索橋在架設這部分的加勁梁時采用倒換吊裝的方法(將加勁梁段從一個吊點倒換到另一吊點,逐步就位),作業(yè)比較煩雜。為了減少這種煩雜,并且提高安全程度與縮短工期,采用特殊的空中扁擔梁。(5)在橋上采用橡膠輪胎式(汽車輪胎式)運輸平車運送構(gòu)件過去都是采用鋼制軌道式運輸平車運送平面桁架節(jié)段的構(gòu)件。如采用軌道運輸,本橋則需鋪設軌道4km多,工程量非常大,所以采用不需軌道的汽車輪胎式運輸平車。這種運輸平車不需作軌道的鋪設和拆除,故可帶來縮短工期的好處。2.橋塔處立體大節(jié)段的架設加勁桁梁的架設如圖所示,在架設初期先架設6個大的立體桁梁節(jié)段(它們的位置分別在兩個錨錠之前以及兩
12、個橋塔的兩側(cè),即主跨側(cè)與邊跨側(cè))。待這些大節(jié)段架設好之后,再架設平面桁架節(jié)段或單個構(gòu)件作單元來進行伸臂架設。橋塔附近的立體大節(jié)段分為兩個橋塔的主跨側(cè)和邊跨側(cè)共4個來進行架設。每處架設的大節(jié)段都是6個節(jié)間。橋塔邊跨側(cè)的大節(jié)段上裝載卸貨吊機,作為供應架設中孔主跨平面桁架節(jié)段用的基地。橋塔主跨側(cè)的大節(jié)段裝載走行式吊機及移動式防護設備與移動式安去工作平臺,以準備進行平面桁架節(jié)段的伸臂架設。(1)準備工作由于明石海峽的潮流很急,系泊大型浮吊需向海底下重錨,故預先設置沉錨以便準備架設。另外,在橋塔塔架的下橫梁上設置安裝梁的支撐梁,同時進行橋塔連桿的后退。在地面組拼場將大節(jié)段組拼好之后,在橋塔邊跨側(cè)的大節(jié)段
13、上裝載卸貨吊機,在橋塔主跨側(cè)的大節(jié)段上裝載走行式吊機與移動式防護設備與移動式安全工作平臺。另外將架設大節(jié)段用的安裝梁裝在浮吊上,并將對架設大節(jié)段所必須的工作平臺在地面組拼場上安裝好。(2)架設要點將組拼好的加勁梁大節(jié)段從地面組拼場或系泊在岸壁附近的駁船上由浮吊吊起,在浮吊的吊掛狀態(tài)下進行拽航向現(xiàn)場海域運送并作臨時的停泊。此吊掛有大節(jié)段并作臨時停泊的浮吊在架設當天早上,于潮流速度小于3.0節(jié)(海里/小時)時開始前進,在所裝載的吊機懸臂于吊索不碰撞的條件下,同時在從貓道上進行監(jiān)視情況下將梁體的大節(jié)段移動到橋軸線上之后,將大節(jié)段向上提升并向塔側(cè)進行橫移(即在橋軸線上縱向移動),在移動的同時將大節(jié)段上
14、的安裝梁通過安裝梁的導向裝置,將其前端到達所定位的位置并進行微調(diào)。然后,在梁體大節(jié)段的坡度調(diào)整好之后,進行吊索與大節(jié)段的錨固作業(yè)。吊索的錨固節(jié)點在邊跨側(cè)是東側(cè)2節(jié)點與西側(cè)2節(jié)點,在主跨側(cè)是東側(cè)2節(jié)點與西側(cè)6節(jié)點。吊索錨固完畢后,浮吊完成卸載之后,卸除吊具,然后浮吊后退并作臨時停泊。在潮流速度小于2.5節(jié)時解除停泊用的系纜,離開工程作業(yè)海域。3.橋塔處立體大節(jié)段的架設在橋臺處大節(jié)段的起吊位置的上方,由于主纜的位置很低,為了將浮吊的吊點放在東西兩根主纜之間的上方,使吊具在兩根主纜之間降落來起吊大節(jié)段,故用駁船將大節(jié)段運送到現(xiàn)場的架設位置,采用在該位置上用浮吊的方法來進行架設。架設地點為兩側(cè)(神戶側(cè)
15、與淡島側(cè))的錨錠前方。(1)準備工作由于橋臺處大節(jié)段的架設也要將大型浮吊與運送大節(jié)段的駁船進行臨時錨泊,故預先也有進行下沉重錨的作業(yè)。與塔旁主跨側(cè)的大節(jié)段一樣,在地面組拼場地將移動式防護設備與移動式安去工作平臺安裝在組拼好的大節(jié)段上。此外,還要預先設置架設大節(jié)段所必須的工作平臺。(2)架設要點在神戶側(cè)的大節(jié)段上由于安裝有兵庫縣的了望游覽走廊,故其架設重量達3800t。因為武藏號及吉田號浮吊的架設能力只有3600t和3500t,所以3800t的大節(jié)段使用日本國內(nèi)起重能力最大(4100t)的海翔號浮吊來架設。首先,在架設之前,先將浮吊錨泊在橋臺前面。在次日早上將運送大節(jié)段的駁船錨泊在橋軸線上,用浮
16、吊將駁船上的大節(jié)段起吊,駁船即可松纜解錨而離去。然后將浮吊向橋臺側(cè)橫移,使大節(jié)段移動到架設位置。之后,將大節(jié)段起吊提升,同時調(diào)整其坡度后進行與吊索錨固的作業(yè)。最后浮吊卸載,將浮吊的吊具從大節(jié)段上拆下,浮吊即可后退,并松纜解錨而離開現(xiàn)場的作業(yè)海域。4.平面桁架節(jié)段等的架設在工廠內(nèi)組拼成架設形狀的各種構(gòu)件的平面單元由駁船運輸,構(gòu)件平面單元從水面起吊。起吊中孔主跨構(gòu)件時,將駁船系泊在主塔基礎的邊跨側(cè)設置的臨時靠岸設備上;起吊邊跨的構(gòu)件時,將駁船系泊在錨錠前面的岸壁上。主桁梁、橫向桁架等平面單元以及鋼橋面系單元用橋上的卸載(貨)吊機從水面起吊,其他構(gòu)件用設置在主塔基礎上及錨錠前作業(yè)場內(nèi)的水陸轉(zhuǎn)運吊機起
17、吊。鋼橋面系在水上轉(zhuǎn)運的同時,臨時卸載在橋上,其他構(gòu)件單元則臨時存放在主塔基礎上及錨錠前面的作業(yè)場上,根據(jù)架設次序用卸貨吊機吊到橋上卸載。各類構(gòu)件的架設單元,按照架設順序裝在橋上的運輸平車上,運送到架設前端后再用走行吊機進行架設。平面桁架節(jié)段的架設如圖5.35所示。圖5.35加勁桁梁的架設階段在每個架設循環(huán)作業(yè)中,吊索引拉作業(yè)、移動式防護設備及移動式安全工作平臺向前移動兩次,每次一個節(jié)間,走行式吊機移動1次共兩個節(jié)間。圖5.36平面桁架節(jié)段的架設示意(1)短吊索部分處的平面桁架節(jié)段架設與以前的許多懸索橋一樣,明石海峽大橋加勁桁梁的主桁架與主纜在同一豎直平面內(nèi)。在這種情況下,在主纜位置較低的部分
18、,也就是吊索較短的部分,由于貓道及主纜對走行式吊機懸臂的作業(yè)有干擾,不可能將主桁架平面節(jié)段從正下放直接起吊安裝。大鳴門橋等的架設情況是先將走行式吊機所吊的主桁架平面節(jié)段一度轉(zhuǎn)給主纜承載,然后再轉(zhuǎn)換給懸臂頂部跨越主纜的走行式吊機承吊,用這樣的倒換承吊的方法,決定采用特殊形狀的空中扁擔來進行架設。短吊索區(qū)間的特殊扁擔采用人字形的平衡扁擔。超短索區(qū)間的特殊扁擔采用上下扁擔及形扁擔。(2)吊索拉引到位的要點關(guān)于吊索的引拉到位,采用大鳴門橋與瀨戶大橋等已有實踐的調(diào)整3個節(jié)點的引拉力來使之到位。本橋的長吊索采用由PE管包封的PWS纜繩,短吊索采用CFRC纜繩。對吊索的引拉到位的方式根據(jù)纜繩的種類而有區(qū)別。
19、對PWS吊索采用直接引拉到位方式,對CFRC吊索采用通過臨時吊索吊在加勁桁梁的上玄桿上的間接引拉到位的方式。引拉作業(yè)集中在設置于移動式防護設備上的操作室內(nèi)進行。在操作室內(nèi)設置有操作用與測定用的兩臺小型電子計算機,根據(jù)測定用的小型計算機的屏幕畫面上的引拉量,在監(jiān)視引拉力的情況下進行引拉作業(yè)。引拉量在中孔主跨的架設初期為0.3m,在邊跨的架設初期為2.0m5.合龍加勁桁梁的合龍共計5處,即邊跨橋塔附近與橋臺附近各兩處以及主跨跨中1處。(1)邊跨橋塔附近處的合龍邊跨橋塔附近的合龍是將架設的橋塔附近的6個節(jié)間的大節(jié)段與從橋臺向橋塔由平面節(jié)段作伸臂架設到該處的加勁桁梁進行連接作業(yè)。在合龍前,將塔旁6個節(jié)
20、間的大節(jié)段向塔側(cè)后移,以便合龍間部分的平面桁架節(jié)間可以插入架設。然后,在進行吊索引拉裝置的移動后,使走行式吊車后退,以便進行合龍作業(yè)。合龍作業(yè)通過解除加勁桁梁的后移,將上弦桿的上翼緣作臨時拼接,最后再將吊索與加勁桁梁連接。(2)邊跨橋臺附近的合龍在合龍節(jié)間部分以外的平面桁架架設完了以后,將前面一根吊索進行超引拉,然后進行平面桁架節(jié)段的架設。之后,再架設橫向桁架與管理走道等。合龍作業(yè)包括將端連桿建立起來,通過吊索引拉千斤頂?shù)姆潘蓙磉B接桿等順序。此外,為了抵抗橫向外力,再連接端連桿之前先將抗風支座架設好。(3)主跨跨中的合龍主跨跨中部分的合龍作業(yè)是將由兩側(cè)主塔伸臂到位的加勁桁梁進行連接,基本作業(yè)流程與邊跨橋塔附近處的合龍相同。但在主跨跨中合龍的時候,由于合龍梁段的坡度接近水平狀態(tài),故對上弦桿可作正式的拼接。6.合龍后的作業(yè)加勁桁梁全部合龍后,在橋梁完成之前還要進行以下的作業(yè)。(1)架設格柵梁與開孔柵梁面板以及汽車防護柵欄為了縮短平面桁架節(jié)段的架設
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