魏洪山
(蘇北鐵路有限公司,江蘇徐州 221200)
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土加勁拱肋組合結(jié)構(gòu)體系橋,是指以連續(xù)梁和加勁拱肋兩種結(jié)構(gòu)的組合共同承擔(dān)大跨徑范圍內(nèi)的荷載,并將其傳遞至下部結(jié)構(gòu)的受力體系[1]。連續(xù)梁拱組合橋梁作為一種新興的橋梁組合體系,將大跨度連續(xù)梁、拱兩種結(jié)構(gòu)體系完美地結(jié)合在一起,具有跨度大、剛度大、穩(wěn)定性好、形態(tài)優(yōu)美、施工方便等優(yōu)點,抗震、抗壓、抗裂等性能得到很大提升[2]。以徐鹽高速鐵路徐洪河特大橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土加勁拱肋組合結(jié)構(gòu)體系橋為例,探討其施工方案和關(guān)鍵技術(shù)。
新建徐鹽高速鐵路徐洪河特大橋采用(100+200+100) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土加勁拱肋組合結(jié)構(gòu)體系,設(shè)計速度為250 km/h。主梁采用單箱雙室、變高度、變截面結(jié)構(gòu),兩邊腹板為直腹板,梁底下緣按圓曲線變化。預(yù)應(yīng)力混凝土懸灌連續(xù)梁共分91個節(jié)段,全長401.8 m,混凝土總方量為12 371.8 m3。
拱肋采用懸鏈線線形,計算跨徑為200 m,計算矢高為40 m,矢跨比為1/5。主橋設(shè)置兩道拱肋,拱肋中心距為13 m,拱肋采用外徑1 200 mm、壁厚24 mm的啞鈴形鋼管混凝土截面,上下兩鋼管中心距為2.0 m,采用壁厚20 mm鋼板連接,拱肋截面全高3.2 m,鋼管內(nèi)灌注C50自密實混凝土。拱肋之間共設(shè)10道桁架式橫撐,橫撐采用4根φ600 mm×14 mm主鋼管和32根φ300 mm×12 mm鋼管,內(nèi)部不填充混凝土。全橋共設(shè)置20對雙吊桿,吊桿順橋向間距9.0 m,采用PES(FD)7-61型低應(yīng)力防腐拉索,配套使用冷鑄鐓頭錨。全橋橋形立面布置如圖1所示。
圖1 立面布置(單位:cm)
施工順序:先施工鉆孔樁,再施工承臺。鉆孔樁施工采用大功率GF400反循環(huán)鉆機,承臺基坑防護采用鋼板樁圍堰,承臺施工采用冷卻管降溫分次澆筑大體積混凝土法。
梁拱上部結(jié)構(gòu)采用“先梁后拱”的施工方法,采用支架現(xiàn)澆0號塊和1號梁段及拱座,懸臂施工2~21號梁段,支架現(xiàn)澆邊跨22號梁段,再懸臂施工中跨22號梁段,解除臨時固結(jié)后,采用臨時剛性連接配合掛籃法施工中跨合龍段[4]。
加勁拱肋采用工廠分段加工制作,試拼裝后運至現(xiàn)場,采用大噸位吊車吊裝上橋,支架法拼裝完成;拱肋鋼管內(nèi)自密實混凝土采用4臺輸送泵同時對稱頂升壓注;拆除支架后安裝并張拉吊桿,根據(jù)橋梁荷載的變化情況,復(fù)測并調(diào)整吊桿索力。
主墩樁基為30根直徑為2.0 m的鉆孔灌注樁,樁長為90 m,均為摩擦樁。根據(jù)現(xiàn)場條件,采用大功率GF400反循環(huán)鉆機鉆孔,鉆頭直徑為2.0 m,鉆桿動力扭矩為42 000 kN·m,泥漿法護壁。護筒采用內(nèi)徑為2.2 m、壁厚為20 mm、長度為15 m的超大鋼護筒。
成孔后采用TS-KO6160B型超聲波孔壁檢測儀測量孔深、孔徑、孔的傾斜度等各項指標(biāo),判斷成孔質(zhì)量,為后續(xù)工序施工提供技術(shù)支撐。為了保證施工質(zhì)量,便于施工操作,將鋼筋籠分4段配置,主筋采用直螺紋套筒連接。為了保證其連接質(zhì)量,采用“滾焊機+特制定位模具”的方法加工鋼筋籠,并利用自主研發(fā)的“物流助手”為鋼筋籠生成“身份證”掛牌標(biāo)識,以確?,F(xiàn)場安裝對接的準(zhǔn)確性。采用導(dǎo)管法灌注水下混凝土,超聲波檢測成樁質(zhì)量。
主墩承臺為3層。底層承臺尺寸為29.45 m×24.2 m,高度為4 m;第二層加臺高度為2.5 m;第三層加臺高度為2.5 m。承臺混凝土方量為4 213 m3,基坑深度為14 m。
(1)深基坑開挖與防護
經(jīng)驗算,選擇24 m長的NSP-ⅣW拉森鋼板樁,中間設(shè)置4道內(nèi)支撐,采用1臺0.4 m3的小型挖掘機配合2臺長臂挖掘機進行施工。開挖過程中應(yīng)監(jiān)測基坑的水平位移、內(nèi)支撐桿件的軸力變化、基坑周邊深層土體位移及地下水位等參數(shù),并設(shè)置超限自動報警系統(tǒng),實時掌握基坑及內(nèi)支撐桿件的變形情況,確?;幼陨矸€(wěn)定和施工安全。
(2)大體積混凝土質(zhì)量控制
根據(jù)基坑支撐體系和承臺結(jié)構(gòu)特點,承臺分4次澆筑。采用硅電阻測溫儀進行混凝土內(nèi)、外部溫度測試,通過大數(shù)據(jù)數(shù)字化分析,實時掌握混凝土內(nèi)、外溫差變化情況。如發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)外溫差接近15 ℃,或混凝土溫度變化過快時,應(yīng)根據(jù)季節(jié)及時采用體內(nèi)冷卻降溫或體外加熱升溫等措施,以控制混凝土內(nèi)外溫差在20 ℃以內(nèi),實現(xiàn)大體積混凝土實體質(zhì)量的精確控制。養(yǎng)生期間,應(yīng)著重做好混凝土的濕度和溫度控制,避免混凝土的長時間暴露,及時對混凝土暴露面進行覆蓋保濕養(yǎng)生,防止水分蒸發(fā)。
0號塊寬17.2 m,長20 m;中支點處梁高12 m,頂板厚62 cm,底板厚100.8 cm;共澆筑C60聚丙烯纖維混凝土2443.5 m3;1號梁段寬14.2 m,長2.75 m,梁高11 m,頂板厚62 cm,底板厚96.6 cm,共澆筑C55混凝土270.4 m3。
(1)現(xiàn)澆支架體系
按照0號塊、1號梁段自身荷載和其他施工荷載進行支架設(shè)計。鋼管支架采用30根φ630鋼管承重,縱向5排、橫向6排,錨板與預(yù)先埋置在承臺內(nèi)的錨筋融透焊接,固定鋼管立柱;鋼管之間采用φ273鋼管連接,以保證整體性與穩(wěn)定性;鋼管柱頂部放置雙拼I45a工字鋼作為承重橫梁,承重梁下部與卸荷塊采用角焊縫焊接,承重梁上部密布分配梁;分配梁上鋪設(shè)1.2 cm鋼板作為底板底?!,F(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 現(xiàn)澆支架示意(單位:mm)
(2)現(xiàn)澆支架預(yù)壓與預(yù)拱度
為了檢驗支架和基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性,消除支架的非彈性變形和基礎(chǔ)的沉降變形,準(zhǔn)確計算支架的彈性變形,應(yīng)對支架進行預(yù)壓[3]。由于墩身為實體非變形部分,僅對產(chǎn)生變形的支架體系進行預(yù)壓。本橋0號塊和1號梁段支架預(yù)壓采用預(yù)埋的帶固定錨頭的鋼絞線,在支架分配梁頂面制作臨時反力架,將鋼絞線活動端用錨具固定在臨時反力架上,通過張拉鋼絞線施加反拉力對支架進行預(yù)壓。預(yù)壓順序應(yīng)按照混凝土的澆筑順序進行,根據(jù)箱梁截面的變化特點及混凝土澆筑順序、重量對應(yīng)施加反拉力。支架預(yù)壓在支架結(jié)構(gòu)檢查合格后進行,預(yù)壓荷載為最大施工荷載的110%,加載反拉力偏差應(yīng)控制在同級荷載的±5%以內(nèi)。確定預(yù)拱度時主要考慮的因素有:①梁體和拱部結(jié)構(gòu)本身、活載及恒載所產(chǎn)生的豎向撓度變形(設(shè)計預(yù)拱度);②支架彈性壓縮量;③支架與方木、方木與模板之間的非彈性變形值。通過預(yù)壓施工,可以消除③的影響,在底模安裝時,其預(yù)拱度的設(shè)置按Δ=①+②計算[5-6]。
(3)混凝土澆筑
0號塊梁體混凝土分兩次澆筑,第一次澆筑至0號塊梁體頂板與腹板交接處下4 m,第二次澆筑0號塊梁體剩余部分和拱座第一次混凝土;待梁體混凝土強度達到設(shè)計強度的95%、彈性模量達到設(shè)計規(guī)定強度的100%后張拉,張拉后在支架上對稱澆筑1號梁段?;炷敛捎帽盟腿肽#诟拱鍍?nèi)模處設(shè)置適當(dāng)?shù)幕炷琳駬v窗口,每個腹板入模點都設(shè)置串筒,保證混凝土入模均勻、不離析。
主梁共計83個懸臂澆筑段,梁段長分為2.75 m、3.5 m、4 m、4.5 m。采用自錨式菱形掛籃,具有剛度大、承載能力強、操作便捷、工作面開闊、走行裝置簡單、安全可靠等特點。掛籃由桁架體系、走行錨固體系、底梁體系、吊桿體系、工作平臺體系、底側(cè)模體系、內(nèi)模內(nèi)滑梁體系等部分組成。主桁架是掛籃的主要受力結(jié)構(gòu),由3榀菱形主桁架、橫向聯(lián)結(jié)體系組成[4]。桁架主桿件為槽鋼焊接的格構(gòu)式結(jié)構(gòu),節(jié)點采用銷軸聯(lián)結(jié);橫向聯(lián)結(jié)體系設(shè)于2榀主桁架的豎桿上,其作用是保證主桁架的穩(wěn)定性和剛度?;旱鯒U采用φ32精軋螺紋鋼,其余吊桿采用120 mm×4 mm鋼板吊帶。
掛籃懸臂澆筑施工流程:掛籃前移→掛籃就位和錨固→調(diào)整底側(cè)模→綁扎底腹板鋼筋、安裝底腹板縱向預(yù)應(yīng)力孔道和豎向預(yù)應(yīng)力筋→安裝內(nèi)模→綁扎頂板鋼筋、安裝頂板預(yù)應(yīng)力孔道和橫向預(yù)應(yīng)力筋及預(yù)埋件→對稱澆筑節(jié)段混凝土→養(yǎng)生→預(yù)應(yīng)力張拉壓漿→掛籃前移,進行下一個節(jié)段施工。
(1)鋼筋加工質(zhì)量控制
采用數(shù)控彎曲機及彎箍機等機械化程度較高的設(shè)備。
(2)原材料和混凝土拌和質(zhì)量控制
拌和站和試驗室推行信息化及視頻監(jiān)控系統(tǒng),原材料稱重偏差和試驗檢測數(shù)據(jù)均上傳至《鐵路工程管理平臺》。
(3)混凝土實體質(zhì)量控制
在連續(xù)梁混凝土澆筑且張拉壓漿完成后,采用混凝土無損檢測技術(shù)(彈性波二維斷面計算機層析掃描成像)對混凝土密實度及空洞等進行質(zhì)量檢測。通過檢測,既能發(fā)現(xiàn)已施工的混凝土缺陷,及時采取措施進行修復(fù);又能對缺陷進行分析,使后序混凝土施工避免相同的缺陷再次發(fā)生。
(4)施工過程控制措施
全面推行0號塊支架搭設(shè)及預(yù)壓、掛籃拼裝及預(yù)壓、混凝土澆筑、邊中跨合龍、支架安拆等關(guān)鍵工序許可管理制度;梁體養(yǎng)護采用自動噴淋養(yǎng)護系統(tǒng),預(yù)應(yīng)力張拉采用智能張拉控制系統(tǒng),壓漿采用真空輔助壓漿技術(shù),委托有資質(zhì)的單位進行線形和應(yīng)力監(jiān)控。
鋼管拱結(jié)構(gòu)全重約990 t,含34個節(jié)段拱肋、4個節(jié)段拱腳、10節(jié)橫撐及其它配件,拱肋最長節(jié)段為14.1 m,吊重小于27.5 t,橫撐不分節(jié),每段橫撐長11.8 m,重約14.5 t。
(1)拱肋拼裝支架搭設(shè)
拼裝支架要承擔(dān)鋼管拱的全部重量,是保證拼裝作業(yè)順利進行的關(guān)鍵,必須具備足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。
本橋采用型鋼輔助鋼管立柱支架,共設(shè)32根φ1 020 mm×10 mm的鋼管立柱,鋼管質(zhì)材為Q235B鋼。鋼管立柱之間采用桁架結(jié)構(gòu)作為水平連接系,φ219 mm×6 mm鋼管作為斜向連接系。在系梁對應(yīng)鋼管立柱部位,澆筑C30鋼筋混凝土基礎(chǔ)(長、寬為1 400 mm,厚300 mm),并預(yù)埋鋼板(長、寬為1 300 mm,厚12 mm),預(yù)埋鋼板上焊接鋼管立柱,并在鋼板和立柱之間設(shè)置加勁鋼板。鋼管立柱頂面設(shè)置操作平臺,以便調(diào)整拱肋的設(shè)計位置。
(2)拱肋拼裝
在橋面上配備一臺運輸車,運輸拱肋各節(jié)段、橫撐及其它配件。拱肋各節(jié)段由50 t吊車吊放至連續(xù)梁橋面運輸車上,運輸車將節(jié)段件運至吊裝位置后,由100 t汽車吊將拱肋吊裝提起,然后運輸車移開,節(jié)段件豎向放置[3]。利用一臺80 t與一臺100 t吊車將拱肋抬吊至支架上并固定,遵循左右、前后對稱的原則,將拱肋逐段吊裝到拼裝支架上進行焊接拼裝。
采用兩臺吊車的優(yōu)點:①方便拱肋位置調(diào)整;②吊重分散,安全系數(shù)高;③通過調(diào)節(jié)兩臺吊機的起升高度,可避免對立柱及連接系的干擾。
(3)拱肋焊接
拱肋節(jié)段焊接采用臨時焊接和永久焊接相結(jié)合的方式[3]。拱肋節(jié)段從拱腳按照兩側(cè)、兩端對稱安裝調(diào)整,符合設(shè)計線形和高程要求后,要與上一節(jié)段采用臨時連接鋼板加固焊接,然后進行下節(jié)段安裝。安裝節(jié)段有橫撐時,一并緊跟進行橫撐焊接。待合龍段安裝完成,整個拱肋線形和高程復(fù)核無誤后,從拱腳采用兩側(cè)、兩端對稱方式依次進行接口永久焊接,最后選擇溫度10~15 ℃時間段進行合龍段焊接。采用二氧化碳氣體熔透焊工藝進行焊接,所有永久焊縫施焊前均需進行焊接工藝試驗,焊接完成后,應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求進行焊縫檢測。
(4)拱肋安裝工藝流程
拱肋共分17個節(jié)段,最大吊裝重量小于27.5 t;橫撐10節(jié),最大吊裝重量小于14.5 t;將拱肋按左右兩側(cè)順線路方向設(shè)定編號為Z1(Y1)~Z17(Y17),橫撐順線路方向設(shè)定編號為H1~H10。具體拱肋拼裝工藝流程:拼裝支架搭設(shè)→拱肋Z1/Y1/Z17/Y17安裝→拱肋Z2/Y2/Z16/Y16安裝→拱肋Z3/Y3/Z15/Y15安裝→橫撐H1/H10安裝→拱肋Z4/Y4/Z14/Y14安裝→橫撐H2/H9安裝→拱肋Z5/Y5/Z13/Y13安裝→橫撐H3/H8安裝→拱肋Z6/Y6/Z12/Y12安裝→拱肋Z7/Y7/Z111/Y111安裝→橫撐H4/H7安裝→拱肋Z8/Y8Z10/Y10安裝→拱肋Z9/Y9→橫撐H5/H6安裝→接口永久焊接。拱肋安裝如圖3所示。
圖3 拱肋安裝示意(單位:mm)
鋼管內(nèi)灌注C50自密實混凝土共計1 178.3 m3,每側(cè)拱肋弦管頂設(shè)置隔倉板,腹腔內(nèi)設(shè)置3處隔倉板。采用由最低點向最高點的“連續(xù)頂升”灌注。弦管為一次頂升到頂,腹腔分兩次頂升到頂[7-8]。
泵送混凝土灌注順序:先上弦管、后下弦管、再腹腔內(nèi)下段混凝土,最后腹腔內(nèi)上段混凝土,采用4臺輸送泵同時對稱進行,并配備2臺輸送泵備用。輸送泵的功率型號要根據(jù)施工現(xiàn)場的場地布置和頂升的最大高度綜合確定。上一次頂升混凝土達到設(shè)計要求強度后,方可進行下一次混凝土頂升[9]。
頂升混凝土初凝時間應(yīng)按施工工藝、施工時間合理選配確定,確保初凝時間大于最長一次頂升時程(適當(dāng)考慮富裕時間)。
(1)吊索安裝
吊索在工廠制作,在出廠前應(yīng)進行吊索的抗拉強度、彈性模量、靜載及動載試驗。吊裝上橋后,利用梁面吊車自張拉端提升吊索,使吊索張拉端穿過拱肋預(yù)留鋼管,并與張拉端LZM7-61L型冷鑄鐓頭錨固。
(2)吊索張拉
所有吊索全部安裝到位后,用吊車把千斤頂?shù)醯焦绊敳⑴c吊索張拉端連接,按照設(shè)計的張拉順序進行吊索張拉[5]。在張拉的同時進行索力的檢測并與理論值對比,確保張拉滿足設(shè)計要求,并做好相應(yīng)的防護。
(3)吊索的張拉應(yīng)力調(diào)整控制
在二期恒載上橋后需要對吊索的索力進行調(diào)整使其符合設(shè)計要求。先逐根檢測吊索索力并記錄,同時根據(jù)橋上的實際恒載并利用“橋梁博士”軟件進行模擬計算,此時該結(jié)構(gòu)已經(jīng)是多次超靜定結(jié)構(gòu),調(diào)整任何一根吊索的索力均會影響其他吊索,所以要通過反復(fù)的索力調(diào)整模擬計算,最后確定需要調(diào)整索力的索編號及調(diào)整量。調(diào)整索力的索編號順序:D5→D9→D2→D7→D4→D8→D6→D3→D10→D1(對稱張拉)。每調(diào)整一次需要重新測量全橋所有吊索的索力,最后檢測所有索力是否符合要求,否則應(yīng)重復(fù)上述步驟,直到所有吊索的索力均符合設(shè)計要求為止。
(4)吊索張拉過程中箱梁線形監(jiān)控要求
調(diào)索張拉的作用在于調(diào)整和控制箱梁橋面高程,本橋調(diào)索張拉采用橋面高程和吊索拉力雙控,整個調(diào)索張拉必須遵循慢、細、嚴(yán)的原則,分次、分步張拉,逐步達到設(shè)計索力[16]。
在梁部支座、每個懸灌節(jié)段和吊索處各布置3個對稱的線形監(jiān)控點,用來進行掛籃立模高程調(diào)整和成橋后各階段箱梁撓度的觀測。在吊索張拉應(yīng)力調(diào)整的各個荷載階段,使用精密水準(zhǔn)儀對每一截面進行高程觀測,以便觀察各點的撓度及箱梁的曲線變化是否滿足設(shè)計要求[6]。
根據(jù)設(shè)計院提供的本橋圖紙進行三維建模,利用Revit創(chuàng)建出三維模型(如圖4、圖5),通過navisworks進行碰撞檢查,發(fā)現(xiàn)鋼筋與波紋管有多處碰撞,根據(jù)碰撞報告及時與設(shè)計單位進行溝通,避免了誤工情況;由于連續(xù)梁分段懸臂澆筑,導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力孔道定位困難,通過模型對預(yù)留孔道位置進行了精確定位,確保了后序施工過程中鋼絞線能順利穿束[11]。
圖4 梁體節(jié)段BIM模型
圖5 連續(xù)梁拱組合梁BIM模型
通過3D建筑信息模型加進度計劃實現(xiàn)了4D虛擬建造,將本橋的施工任務(wù)進行分解,根據(jù)現(xiàn)場實際施工與計劃工期對各工序作業(yè)時間進行動態(tài)調(diào)整,為精細化進度控制提供了技術(shù)保證。
通過Revit建立多種基坑防護結(jié)構(gòu)模型并進行設(shè)計方案比選,選用結(jié)構(gòu)性能符合要求的鋼板樁結(jié)構(gòu);基于BIM技術(shù)對基坑結(jié)構(gòu)建模,進行設(shè)計方案預(yù)演,使體系轉(zhuǎn)變可視化,有效指導(dǎo)設(shè)計方案檢算;通過對基坑開挖、連續(xù)梁施工及拱部安裝等工序進行實體模擬,可更直觀地對相應(yīng)工序進行方案優(yōu)化[12-13]。
采用BIM+無人機技術(shù),對現(xiàn)場進行航拍并將數(shù)據(jù)集成,隨時掌握整體施工信息;利用無人機傾斜重疊攝影(重疊率60%以上)對施工現(xiàn)場進行實景建模,通過無人機與BIM施工模擬對比分析,助力項目的全面管理,并獲得建造過程的全部影像資料[14-15]。
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