廣州東平水道主橋連續(xù)鋼桁拱懸拼架設(shè)分析

嚴(yán)定國

(鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院 橋梁處， 湖北 武漢 430063)

1 工程概況

廣州東平水道特大橋主跨結(jié)構(gòu)為(99+242+99) m的連續(xù)鋼桁拱，是武廣客運(yùn)專線跨度最大的四線橋梁[1]，也是我國首座鐵路四線三桁單跨鋼桁拱橋，設(shè)計(jì)行車速度為200 km/h，設(shè)計(jì)荷載為ZK活載。

結(jié)構(gòu)采用三片主桁，桁中心距為14 m，節(jié)間長度11 m，邊跨平行弦桁高14 m，拱頂桁高9 m，加勁弦高20 m，拱肋采用二次拋物線，下拱圈矢跨比1/4，最大吊桿長度40.5 m，見圖1。

圖1 全橋立面布置/m

橋面采用正交異性板與主桁下弦桿焊接共同受力的板桁結(jié)構(gòu)[2]，鋼橋面頂板上有150 mm的現(xiàn)澆混凝土道碴槽，用焊釘與鋼橋面板結(jié)合；橋面四線線間距為(5.0+9.2+4.6)m，武廣客運(yùn)專線道碴槽內(nèi)寬9.4 m，廣茂線道碴槽內(nèi)寬9.0 m，人行道寬1.3 m，橋面布置圖見圖2。

圖2 橋面布置/m

2 本橋施工架設(shè)特點(diǎn)

本橋?yàn)榍业膭傂怨昂腿嵝韵禇U體系，其施工具有下列特點(diǎn)：

(1)本橋址航運(yùn)繁忙，臨時(shí)支墩不宜占用航道，必須輔以吊索塔架進(jìn)行鋼梁懸臂安裝。

(2)懸臂中跨跨度長達(dá)121 m，為保證結(jié)構(gòu)有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性，邊跨必須壓重。

(3)合龍點(diǎn)多，每片鋼桁拱合龍有四根弦桿、兩根斜桿及兩根系桿，共有8個(gè)點(diǎn)，需“多點(diǎn)零誤差合龍”[3]。

(4)桁拱合龍后欲合龍系桿，還需釋放臨時(shí)固定支座并通過調(diào)整前后支點(diǎn)的標(biāo)高等措施來實(shí)現(xiàn)，體系轉(zhuǎn)換過程比較復(fù)雜。

(5)由于本結(jié)構(gòu)施工架設(shè)具有如上特點(diǎn)，為保證合龍口桿件無應(yīng)力安裝[4]，結(jié)構(gòu)順利合龍，必須進(jìn)行詳細(xì)的施工階段分析。

3 總體施工架設(shè)流程

施工主橋基礎(chǔ)、墩身及邊跨臨時(shí)支墩時(shí)，在邊墩承臺(tái)及橋墩埋置壓重索，邊墩設(shè)置頂落梁，邊中墩設(shè)置縱橫向移梁等措施保證合龍口位移可調(diào)整；利用提升站安裝邊跨鋼梁兩個(gè)節(jié)間，利用架梁吊機(jī)借助臨時(shí)墩架設(shè)其余邊跨節(jié)間；懸臂架設(shè)中跨鋼桁梁時(shí)，張拉邊墩臨時(shí)壓重索，并對邊跨前六個(gè)節(jié)間施工壓重，保證結(jié)構(gòu)具有一定抗傾覆穩(wěn)定性[5]；懸拼鋼桁梁至中跨第8個(gè)節(jié)間時(shí)，施工塔吊，掛索，并張拉邊跨扣索，輔以吊索塔架，武漢側(cè)懸拼鋼桁梁至中跨第11個(gè)節(jié)間，新廣州側(cè)懸拼鋼桁梁至中跨第10個(gè)節(jié)間，微調(diào)索力、落梁量及吊機(jī)位置使合龍口位移偏差達(dá)到合龍要求,依次合龍桁拱下弦桿、桁拱斜桿、桁拱上弦桿，再連接平橫聯(lián)桿件，并解除新廣州側(cè)中墩臨時(shí)支座縱向水平位移；調(diào)整兩側(cè)邊支座起頂量，微調(diào)索力、起頂量使合龍口位移偏差達(dá)到合龍要求,合龍系桿，安裝至武漢側(cè)中跨第11個(gè)節(jié)間及中跨合龍段鋼橋面；拆除邊跨壓重、壓重索、扣索及塔架，整體縱向水平移動(dòng)鋼梁[6]，將武漢側(cè)中支座移至設(shè)計(jì)位置，安裝永久支座，拆除臨時(shí)支座，安裝橋面道碴槽板，澆注結(jié)合砼，安裝全橋附屬結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)道碴及軌道系統(tǒng)，完成全橋施工。

4 施工架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 壓重及邊支點(diǎn)錨索索力確定方法

由于鋼桁拱上拱弦中心線為曲線，且截面變化，確定壓重及邊支點(diǎn)錨索索力必須采用靈活方式。根據(jù)邊跨受力結(jié)果確定前6個(gè)節(jié)間設(shè)置120 kN/m壓重，邊支點(diǎn)設(shè)置后錨索。懸拼架設(shè)過程中，中跨伸臂較長，其縱向傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于1.3，需滿足如下公式：

T×99+G×66×66/2+G1×L1=1.3×G2×L2

(1)

可將上式變換為：

T×99+G×66×66/2=1.3×(G2×l2-G1×L1)+0.3×G1×L1

(2)

式中，G1為邊跨總重(包括鋼橋面重)；L1為G1重心離中支點(diǎn)的距離；G2為中跨最大懸臂總重(包括吊機(jī)重，鋼橋面重)；L2為G2重心離中支點(diǎn)的距離；G為設(shè)計(jì)壓重；T為邊跨后錨索設(shè)計(jì)索力。

最大懸臂階段，邊跨不加配重時(shí)，滿足：

T1×99=(G2×L2-G1×L1)

(3)

式中，T1為邊支點(diǎn)錨索索力。

由(2)、(3)式可變化如下：

T×99+G×66×66/2=1.3×T1×99+0.3×G1×L1

(4)

按實(shí)際截面建模后，可從程序中提取T1及G1×L1，代入(4)式后，根據(jù)邊跨受力特點(diǎn)，指定壓重120 kN/m，就可求出設(shè)計(jì)索力T為5345.9 kN。

4.2 扣索位置選擇

(1)邊跨后拉索在邊跨扣點(diǎn)位置選擇

后拉索與塔柱的傾角越大，相同的初張拉力水平力分配越大，較小的張拉力即可將懸臂構(gòu)件張拉到安裝位置，可將后拉索扣在邊跨的端部。

(2)中跨前拉索在拱肋扣點(diǎn)選擇

確定原則：在懸臂狀態(tài)下任何桿件應(yīng)力不能超過容許應(yīng)力[7]；滿足施工行走需要，即行走吊機(jī)必須有兩個(gè)節(jié)間的行走空間。

經(jīng)比較計(jì)算可知，施工完中跨七個(gè)節(jié)間后，將前拉索扣在A14節(jié)點(diǎn)處(如圖3所示)，即A9A10桿件及A14A15桿件均能滿足桿件應(yīng)力要求，又能滿足行走吊機(jī)的施工空間。

圖3 扣索位置示意圖

4.3 邊支座處頂落梁量計(jì)算

拉索僅為控制桿件應(yīng)力、微調(diào)合龍口的輔助合龍措施，邊支座處頂落梁為本鋼橋的主要合龍措施。合龍拱肋時(shí)，在邊支座落梁；合龍系桿時(shí)，在邊支座起梁，最后達(dá)到全橋合龍。

由于合龍前，必須保證兩懸臂端間距為桿件設(shè)計(jì)尺寸，且懸臂端高程及轉(zhuǎn)角均一致,計(jì)算分析時(shí)需多次試算邊支座處頂落量，如果通過強(qiáng)迫位移在程序中模擬支座頂落，每次試算均需花一定時(shí)間。本次通過解析法[8]，推導(dǎo)邊支座頂落量的幾何關(guān)系。

圖4 邊支點(diǎn)下落Δ

根據(jù)圖4有如下方程：

A=2×L1×sin(θ/2)

(5)

Δ=A×cos(90-θ/2-α)

(6)

根據(jù)(5)式及(6)式可反算出θ

θ=accos(cosα-Δ/L1)-α

(7)

式中，Δ為邊支座下落量；θ為邊支座下落Δ時(shí)，結(jié)構(gòu)整體轉(zhuǎn)動(dòng)量；L1為邊支點(diǎn)離中支點(diǎn)斜距；A為邊支座下落時(shí)的斜距；α為邊支點(diǎn)與中支點(diǎn)連線與豎直線的夾角。

根據(jù)計(jì)算θ，可知邊支座下落Δ，懸臂端的水平位移X，豎向位移Y及轉(zhuǎn)角。

B=2×L2×sin(θ/2)

(8)

X=B×sin(90+θ/2-β)

(9)

Y=B×cos(90+θ/2-β)

(10)

式中，θ為邊支座下落Δ時(shí)，結(jié)構(gòu)整體轉(zhuǎn)動(dòng)量；L2為中支點(diǎn)離懸臂端距離；B為懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)距離；X為邊支座下落Δ時(shí)，懸臂端的水平位移；Y為邊支座下落Δ時(shí)，懸臂端的豎向位移；β為中支點(diǎn)與懸臂端連線與豎直線的夾角。

4.4 鋼梁整體縱向預(yù)偏及縱向移動(dòng)

由于本結(jié)構(gòu)鋼桁梁桿件在工廠按設(shè)計(jì)無應(yīng)力尺寸制造和制孔，工地安裝用高強(qiáng)度螺栓連接[9]，為保證合龍時(shí)，合龍口桿件能順利安裝，合龍口懸臂端距離必須維持原設(shè)計(jì)值。根據(jù)計(jì)算，可在安裝邊墩臨時(shí)支座時(shí)，將兩側(cè)鋼梁整體進(jìn)行縱向預(yù)偏：武漢側(cè)邊墩臨時(shí)支座向沿線路前進(jìn)方向前移244 mm，新廣州側(cè)邊墩臨時(shí)支座沿線路前進(jìn)方向后移208 mm；縱向鋼梁合龍后為保證固定支座為原設(shè)計(jì)位置，全橋結(jié)構(gòu)整體向武漢側(cè)方向縱向移動(dòng)240 mm。

4.5 中跨合龍方法

拱肋及系桿合龍時(shí)，必須滿足拱肋及系桿懸臂端高程相等，轉(zhuǎn)角一致[10]。

(1)在左右側(cè)最大懸臂狀態(tài)下，通過新廣州側(cè)邊支座處落梁，讓新廣州側(cè)最大懸臂端拱肋上下緣水平位移基本一致。

(2)通過武漢側(cè)邊支座處落梁，讓武漢側(cè)最大懸臂端拱肋上下緣豎向位移與新廣州側(cè)最大懸臂端拱肋上下緣豎向位移一致。

(3)通過縱移措施，將合龍節(jié)點(diǎn)的位移差調(diào)整到安裝允許范圍內(nèi)。合龍跨中拱肋下弦及斜腹桿，再微調(diào)拉索或采用千斤頂?shù)容o助措施，使得上弦節(jié)點(diǎn)栓孔對應(yīng)，合龍跨中拱肋上弦。

(4)釋放新廣州側(cè)中墩水平約束后，并在兩側(cè)邊支座起梁，使得系桿節(jié)點(diǎn)栓孔對應(yīng)，進(jìn)行系桿合龍。

5 施工架設(shè)計(jì)算

5.1 計(jì)算假定

(1)選取中桁進(jìn)行平面計(jì)算分析；(2)計(jì)算模型中塔架與主體結(jié)構(gòu)完全鉸結(jié)；(3)施工過程中考慮橋面板參與受力；(4)計(jì)算中新安裝單元考慮其由于已安裝單元引起的初始位移。

5.2 計(jì)算參數(shù)

(1)幾何參數(shù)

主桁桿件：主桁各桿件的尺寸采用一次成橋計(jì)算截面尺寸，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)按考慮預(yù)拱度及不考慮預(yù)拱度分別建模。

塔架：塔高采用50 m，塔的計(jì)算截面采用雙H形。

拉索：經(jīng)計(jì)算拉索在施工過程中最大索力為12000 kN，拉索采用6×91φ7平行鋼絲束，A=0.021022 m2，其破斷載荷為35090 kN。

(2)材料參數(shù)

主桁及吊索塔架的彈性模量為210 GPa，吊索的初始彈性模量為195 GPa。

(3)荷載參數(shù)

主桁各桿件自重提高系數(shù)采用1.45，吊索塔架自重系數(shù)采用1.4，鋼橋面重采用40 kN/m。吊機(jī)荷載采用節(jié)點(diǎn)荷載，按1000 kN考慮。

(4)其它計(jì)算參數(shù)按相應(yīng)規(guī)范取值。

5.3 典型工況計(jì)算結(jié)果

(1)鋼梁架設(shè)至拉索扣索前，其結(jié)果詳見表1。

表1 鋼梁架設(shè)至拉索扣索前相關(guān)控制結(jié)果

(2)張拉后拉索，其結(jié)果詳見表2。

(3)武漢側(cè)懸拼至中跨第11跨，新廣州側(cè)懸拼至中跨第10跨，調(diào)整合龍口，準(zhǔn)備合龍，其結(jié)果詳見表3。

(4)邊支座下落，準(zhǔn)備合龍系桿，其結(jié)果詳見表4。

表2 張拉后錨索工況相關(guān)控制結(jié)果

表3 調(diào)整合龍口，準(zhǔn)備合龍桁拱工況相關(guān)控制結(jié)果

注：從上表可知，合龍口處轉(zhuǎn)角基本一致，縱橫向位移基本一致，滿足合龍要求。

表4 邊支座下落，準(zhǔn)備合龍系桿工況相關(guān)控制結(jié)果

注：從上表可知，合龍口處轉(zhuǎn)角基本一致，縱橫向位移基本一致，滿足合龍要求。

6 結(jié) 語

本結(jié)構(gòu)架設(shè)過程中，利用臨時(shí)支墩及塔吊、拉索輔助架設(shè)，采用邊跨壓重、邊支點(diǎn)后錨、邊支座頂落梁及縱向預(yù)偏等合龍措施，幾乎涵蓋了鋼梁架設(shè)中將碰到的所有技術(shù)問題。本文對架設(shè)過程中一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，主要工作如下：

(1)提出拉索自錨于鋼梁時(shí)邊跨壓重的算法，可將邊跨支點(diǎn)拉索索力及邊跨壓重合理分配，保證結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)大于1.3。

(2)推導(dǎo)邊支座起頂及下落位移的解析算法，不需通過程序模擬強(qiáng)迫位移多次試算，可方便快捷調(diào)整合龍口的位移。

(3)對整個(gè)架設(shè)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)桿件受力特性，合理選擇拉索錨固位置、合龍口桿件合龍順序、縱向預(yù)偏位移量，保證施工階段桿件的強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力滿足要求，并提出合理的架設(shè)方法及可行的合龍措施。

東平水道主橋于2008年8月28日順利合龍，標(biāo)志著我國連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)邁入一個(gè)新的階段。

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