矮寨大桥施工过程三维仿真动画

矮寨大桥施工过程三维仿真动画
一、工程概况
矮寨大桥为吉茶高速公路的控制性工程，桥位距吉首市区约 20KM，于 K14+571.30KM 处跨越矮寨镇附近的山谷，德夯河流经谷 底，桥面设计标高与地面高差达 330m 左右，山谷两侧悬崖距离从 900m 到 1300m 之间变化。 矮寨大桥采用塔梁分离式悬索桥方案，主跨为单跨 1176m 简支 钢桁加劲梁，主缆布置为242+1176+116m，主缆的矢跨比为 1/9.6，两根主缆横桥向间距为 27m。是目前“国内第一”的跨越峡谷的大跨径钢桁加劲梁悬索桥。
主要技术指标：
主要技术指标 技术指标
（1）公路等级：四车道高速公路
（2）设计行车速度：80km/h
（3）设计汽车荷载：公路-Ⅰ级
（4）桥面坡度：纵坡为 0.8%，横坡 2.0%
（5）钢桁梁：梁宽 27m，梁高 7.5m
（6）桥面宽度：0.5m（防撞护栏）+11.0m（行车道）+0.5m（防撞护 栏）+0.5m（中央分隔带）+0.5m（防撞护栏）+11.0m（行车道） +0.5m（防撞护栏） ，桥面全宽 24.5m
（7）温度：桥址处极端最高温度 38.0℃，极端最低温度-10.0℃， 最冷月月平均气温 2.8℃，最热月月平均气温 25.4℃
（8）峒河历史最高洪水位：H=236.78M
（9）设计基准风速：34.9m/s
（10）地震基本烈度：地震动峰值加速度 0.05g，地震动反应谱特征 周期为 0.35s 主要材料用量： 主要材料用量 全桥浇注砼约 13 万方，使用各类钢材约 3.6 万吨。
二、主要结构
1、主塔
塔身采用双柱式门式框架结构。 吉首岸索塔自扩大基础顶以上高 129.316m，塔顶中心距 27m， 塔底中心距 41m。壁厚：上塔柱 0.8m，中塔柱 1.0m，下塔柱 1.2m。 分离式扩大基础高 5m，C30 钢筋砼结构，单侧基础纵向×横向分别为 21m×18m。塔座高 6m，底设 3m 实体段。塔柱横向等宽 6m。混凝土 量 1.25 万方。 茶洞岸索塔自扩大基础顶以上高 61.924m。塔柱壁厚：上塔柱 1.0m，下塔柱 1.2m。分离式扩大基础高 5m，C30 钢筋砼结构，单侧 基础纵向×横向分别为 18m×20m。塔座高 6m，底设 3m 实体段。塔 柱横向等宽 8m。混凝土量 0.95 万方。塔基下方为坡头隧道，坡头隧 道顶部距塔基底部间距为 52.4m。 塔座、塔柱为 C55 钢筋砼结构，上下横梁为 C55 预应力砼结构。
2、锚碇
吉首岸锚碇为重力式锚碇，分为锚块、散索鞍支墩及基础、前锚 室、后锚室四部分。锚块、散索鞍支墩及基础分四块浇筑，各块之间 设 2m 后浇段，采用微膨胀砼。开挖方量为 8.1 万方，混凝土量为 7.4 万方。 茶洞岸锚碇为隧道锚， 分为锚塞体、 散索鞍支墩及基础、 前锚室、 后锚室及明洞五部分。开挖方量为 1.5 万方。锚塞体轴线总长 72m， 倾角 38℃，其中锚固段长 43m。锚塞体采用聚丙烯纤维网抗渗微膨 胀砼。后锚室左右洞最小净距 12m。锚塞体浇筑砼量 2.8 万方，为大 断面、小间距、陡倾角隧道锚。隧道锚下方为坡头隧道，坡头隧道顶 部距隧道锚底部最小间距为 m。 锚碇永久外露部分表面钢筋保护层内均设一层抗裂带肋钢筋焊 网。大体积砼均应进行温控设计。三个方面应进行监控：隧道锚前锚 室和支墩之间应力的分布，锚塞体与围岩之间的压应力和相对位移； 重力前锚、后趾基底应力；预应力锚固系统检测。
3、索鞍
主索鞍鞍体采用铸焊结合的混合结构，由鞍头和鞍身两部分组 成，两者组焊为一体。鞍体下设不锈钢板－聚四氟乙烯板滑板，吉首 岸预偏量 1000mm，茶洞岸预偏量 373mm。鞍槽由铸钢铸造，底座由 钢板焊成。主索鞍分两半制造，吊装后用高强螺栓联为一体。吉首岸 主索鞍总成单件重 180 吨，共两件；茶洞岸主索鞍鞍体为组焊件，单 件重 85 吨，共两件。 散索鞍采用铸焊结合的结构方案。鞍槽由铸钢铸造，鞍体由钢板 焊成。吉首岸散索鞍总成单件重 123 吨，共两件；茶洞岸散索鞍总成 单件重 122.6 吨，共两件。
4、缆索系统
（1）主缆 ：分跨 242+1176+116m，主跨矢跨比为 1/9.6，每根主 缆各设 169 根通长索股；每根索由 127 丝直径为 ?5.25mm 设计强度 为 1670Mpa 的镀锌高强钢丝组成。主缆采用预制平行钢丝索股逐根 架设的方法（PPWS） 。主缆 2 根，横桥向间距 27 米。主缆直径中跨 为 844mm，吉首边跨为 859mm，茶洞边跨为 844mm。通长索股平均 长 1658m，重 35.8 吨，全桥共用钢丝 1.2 万吨。吉首岸边跨设 12 根 背索索股，每根索股平均长度 306 米，重 6.6 吨。
（2）吊索：本桥为单跨钢桁架悬索桥，中间跨设置吊索，采用 ）吊索 ?62mm 和 ?88mm 设计强度为 1870Mpa 的镀锌钢芯钢丝绳，钢丝绳 吊索采用骑跨式。 吉首岸第一跨和茶洞岸第一、 二跨吊索间距为 29m， 吊索采用 ?88mm 钢丝绳，共 24 根；其它吊点间距为 14.5m，吊索采 用 ?62mm 钢丝绳，共 264 根。每一吊点设两根吊索，与钢桁梁采用 销铰式连接。全桥吊索共用钢丝绳 418 吨。吊索两端锚头采用叉形热 铸锚，锚杯口设氯丁橡胶缓冲器。长度大于 20 米的吊索，需在悬吊 长度的中央设置减振架。
（3）索夹 ）索夹：索夹材料采用 ZG20SiMn 低合金钢铸件。全桥索夹 分三类：连接主缆与吊索的吊索索夹，共 136 个；用于主缆定型的紧 箍索夹， 52 个； 共 主索鞍及其出口处防护密封的封闭索夹， 12 个。 共 索夹按长度分为 10 类。采用左右对合型，半块索夹采用整体模型铸 造而成，两半索夹用螺杆连接夹紧，接缝处设橡胶防水条防水。
（4）中央扣 ）中央扣：为限制主缆和钢桁架的纵向水平位移，在主缆跨 中设置三对柔性中央扣。中央扣斜拉索采用 ?88mm 钢丝绳，钢丝绳 两端设套筒式热铸锚，锚固于钢桁架的上弦杆上，中央扣共用钢丝绳 7.44 吨。
5、钢桁加劲梁
钢桁加劲梁由主桁梁、主横桁梁和上下平联及抗风稳定板组成， 钢桁梁全长为 1000.5m，采用带竖腹杆的华伦式结构，钢桁梁两端均 与隧道连接。主桁梁节间长 7.25m，一个标准节段长 14.5 米，桁梁高 7.5m，宽 27m。桥面系以上抗风稳定钢板高 860mm，与两道内侧防 撞栏结合在一起；桥面系以下抗风稳定钢板高 1000mm，与主横桁架 相连。共用钢材 8 千余吨。 主桁架每个节段由两个节间组成，全桥共 69 个节段，跨中设一 合龙段。主横桁架每片为一个节段，共 139 个节段。钢桁加劲梁在两 端各设抗风支座 4 个、竖向支座 2 个。
6、桥面系
桥面板采用 C40 钢筋混凝土板， 桥面铺装为 3cmAK-13A 抗滑表 层 5cmAC-20 改性沥青砼。共用钢材 5 千余吨。 桥面系采用纵向工字梁与混凝土桥面的钢－混组合形式。 纵梁横 向间距 1.92m，梁高 0.63～0.86m，理论跨径 7.25m。桥面板采用预制 砼板，板长 7.21m，宽 1.62m，厚 0.16m，纵向接缝宽 0.3m，桥面板 通过剪力钉与纵梁结合。桥面采用连续构造，每 101.5m 设一通缝并 设无缝伸缩缝。纵向接缝采用微膨胀砼。纵梁与横梁之间设支座，共 3872 个。
三、不良地质情况
场地存在的不良地质主要为岩堆、危岩体和岩溶。岩堆、危岩体 对工程影响较小，但岩溶对工程的影响较大。

1、吉首岸索塔处
塔基下发有溶蚀裂隙，需进行充填和灌浆，溶洞的规模有待基础 开挖后进一步揭露。
2、茶洞岸索塔处
存在两组构造节理发育的溶蚀裂隙， 且有多条裂隙延伸到下方公 路隧道，并将对公路隧道产生影响，必须对裂隙进行充填，并应加强 公路隧道的支护结构。还有一落水洞需进行灌浆回填。塔基下方为公 路隧道，索塔加载后对公路隧道有一定影响，应加强隧道顶的支护。
3、茶洞岸锚碇处
（1）地表溶蚀裂隙发育且切割较深，破坏了围岩的整体性，降 低了围岩结构面的强度，对隧道锚的抗拔稳定性有不利影响。
（2）勘探平硐表明锚碇锚固段顶部的围岩存在已泥化的层间错 动面，对隧道锚的抗拔稳定性有不利影响，需采取工程措施。
（3）上方落水洞需回填处理。
4、边坡稳定性评价
（1）吉首岸主塔前方悬崖边坡发育有溶洞和落水洞，且切割深 度大，部分岩块已处于不稳定状态，易发生崩塌。吉首岸索塔处路基 开挖深度达 43 米， 隧道洞口仰坡高约 30 米， 边坡开挖后易产生掉块， 应对坡面采取防护措施。吉首岸索塔处基坑开挖深度达 46 米，高陡 边坡可能局部失稳，应对索塔基坑进行防护。
（2）茶洞岸索塔及散索鞍处，受强烈溶蚀带影响，基坑开挖后 受爆破影响，易产生岩石掉块，应予清除或局部防护。茶洞岸桥隧连 接处，隧道洞口开挖深度达 46m，仰坡高度达 62m，由于卸荷和溶蚀 作用，桥隧搭接处的现有地面以下和 15～20m 范围为卸荷带和溶蚀 裂隙发育带，索塔加载后应力对仰坡稳定不利，应采取加固措施。地 下水的补给和排泄途径被破坏，对边坡的稳定性不利。
四、专题研究
1、抗风研究
（1）采用 ANSYS 分析软件进行了结构动力特性分析及钢桁梁 高度对整体动力特性的影响，以确定主桁的高度。
（2）进行了 1：50 节段模型颤振试验，测定了不同角度下的颤 振临界风速，表明存在静风扭转发散现象，但其临界风速均远高于设 计风速与颤振检验风速，所以不考虑提高静风稳定性能的气动措施。
（3）进行了节段模型风洞试验，表明 0～34m/s 风速范围内无明 显涡激共振现象。
（4）目前在施工现场正在进行风力与风向的测定工作。
2、抗震研究
（1）进行了动力特性分析
（2）进行了 4 种状态下的地震反应谱分析，对结构的最大位移 响应及部位、塔底横向最大弯曲应力、塔底最大地震响应弯矩、加劲 梁杆件最大地震响应弯矩及部位、 主缆的最大在震响应轴力及部位进 行了确定。 （3）进行了 4 种状态下的非线性时程分析，对主梁跨中最大位 移响应、塔顶最大位移响应、塔底最大地震响应弯矩、中、上横梁最 大地震响应弯矩进行了确定。
（4）在非线性地震时程响应分析的基础上对阻尼参数进行了优 化分析，确定在设置中央扣的条件下不再设置阻尼器。
3、茶洞岸山体稳定性研究
在考虑了不良地质影响的情况下， 采用 FLAC 计算模型对茶洞岸 山体进行了有边界条件的计算，分析表明：在施工和运营中，茶洞岸 隧道锚碇基岩、公路隧道及塔基岩体的稳定性能满足要求，但锚洞、 公路隧道围岩需进行适当支护；公路隧道顶部、桥台边坡及塔基之间 的岩体通过加固措施，在工程荷载作用下，岩体的稳定性满足设计要 求。