哪吒大橋鋼桁加勁梁懸臂拼裝過程中連接方式研究

陳 淮，栗金營，李 杰，夏 偉

(鄭州大學 土木工程學院，鄭州 450001)

1 工程概況及加勁梁施工方案

哪吒大橋是河南省對口援助四川省江油市地震災后恢復重建的第三批實施項目，哪吒大橋設計為雙塔單跨懸索橋(圖1)，跨徑252 m。為了解決加勁梁在高山峽谷地區(qū)的長途運輸和現場拼裝問題，哪吒大橋的加勁梁采用半漂浮體系的鋼桁梁。鋼桁加勁梁由兩片主桁、上下弦平聯及橫聯組成，主桁間距7.2 m，主桁上下弦桿中心梁高2.2 m;鋼桁加勁梁吊點處設橫聯，縱向間距為4 m。全橋共有標準梁段60個，每個標準梁段長4 m，非標準段2個，位于梁端，每個梁段長4.78 m;鋼桁加勁梁各桿件間通過節(jié)點鋼板采用高強螺栓連接。全橋共62節(jié)鋼桁加勁梁，每一節(jié)段重約76 kN，施工時每一節(jié)段拼裝好后運至現場進行組裝。該橋位乾元山方向較平坦，北川方向地勢陡峭，起伏變化很大，河寬約200 m，深達70多m，橋面距常水位約30 m。哪吒大橋在懸索橋中雖然規(guī)模不算大，但施工現場條件復雜、架設設備有限、技術難度大，再加上施工工期較緊，合理選擇鋼桁加勁梁架設方案是該工程順利完成的關鍵。

圖1 哪吒大橋總體布置立面(單位:m)

結合哪吒大橋工程特點及施工現場實際情況，為了在有限的時間內安全、經濟地完成鋼桁加勁梁的架設，哪吒大橋鋼桁加勁梁的安裝方案采取了鋼索吊裝方案。該方案的順利實施與鋼桁加勁梁節(jié)段的連接方式有密切的關系，鋼桁加勁梁連接方式的不同會造成橋梁施工方案無法實施或施工難度很大;同時連接方式的選取對鋼桁加勁梁的合龍方式及成橋設計狀態(tài)有較大的影響［1～5］。因此，為了選取合理的鋼桁加勁梁連接方式，本文基于有限元軟件Midas/civil仿真模擬鋼桁加勁梁施工過程，對比分析了鋼桁加勁梁剛接施工、剛—鉸混合施工對橋梁施工階段鋼桁加勁梁及吊索的受力影響，其中剛—鉸混合施工分兩種連接方式:全橋設26對雙鉸和全橋設6對雙鉸。通過分析這3種施工方案對橋梁結構受力的影響，得出了適合哪吒大橋鋼桁加勁梁施工的連接方式，以此指導哪吒大橋的施工和施工監(jiān)控。

2 鋼桁加勁梁三種連接方式對結構受力的影響

2.1 懸索橋鋼桁加勁梁三種連接方式

懸索橋鋼桁加勁梁連接方式的選擇需要考慮多方面的影響，比如:結構受力、規(guī)模大小、鋼桁加勁梁吊裝方案、氣象條件等，不同懸索橋有各自合適的連接方式。一般來說，鋼桁加勁梁施工時各節(jié)段的連接方式主要有:

1)全鉸法［6］即鋼桁加勁梁各節(jié)段全部用鉸相連，在設鉸位置彎矩為零，各節(jié)段之間在豎向可以相互自由轉動。該連接方式可以使鋼桁加勁梁在施工階段基本處于無應力狀態(tài)，在施工時節(jié)段受力達到理想狀態(tài)，但豎向剛度較小，整體各節(jié)段變形較大，不穩(wěn)定，會給鋼桁加勁梁施工帶來較大的難題，同時鋼桁加勁梁線形不容易控制，很難達到理想的成橋設計狀態(tài)。

2)逐次剛接法［6］即鋼桁加勁梁各節(jié)段安裝時直接固結后再與吊索連接。這種連接方式可以大大提高加勁梁的剛度，穩(wěn)定性較好，但在施工中會由于自重引起較大的局部應力和架設應力，若該應力值超限，需要采取必要的措施。

3)剛—鉸混合法［6～10］即在鋼桁加勁梁應力過大的位置設置臨時施工鉸，其余節(jié)段均剛接的連接方式。該方法在實施中通常有兩種做法，①在節(jié)段施工中，當設鉸位置的下弦桿開口量很小，或剛要相互抵觸時，把上弦桿所設的鉸打開并剛接，換做實際的剛性連接，即有鉸的逐次剛接法;②選擇在合龍前把全部鉸固定，然后再實施合龍。該連接方式介于鉸接及剛接之間，集中了兩種連接方式的優(yōu)點，是通常采用的一種連接方式。

4)半鉸法［10］該方法是將鋼桁加勁梁段起吊并安裝吊索后，各梁段間采用一種臨時連接方式進行結合。該臨時連接不同于通常所說的鉸，其連接構造具有一定豎向彎曲剛度，但彎曲剛度值較小，同時有較大的扭轉剛度，它可以克服鋼桁加勁梁的過應力問題，而且具有較強的橫向穩(wěn)定性。它與上面所說的鉸僅在豎向剛度上有差異，一個是有較小的剛度，另一個則是完全無剛度。

結合哪吒大橋工程特點及上述4種鋼桁加勁梁節(jié)段的連接方式，以下選取3種連接方案進行分析:①逐次剛接方案;②剛—鉸混合(全橋對稱設置26對雙鉸)，即在1/4跨以內按每兩個節(jié)段(8 m)設1個鉸，1/4至跨中按每3個節(jié)段(12 m)設1個鉸;③剛—鉸混合(全橋對稱設置6對雙鉸)，即在7與8、16與17、25與26節(jié)段之間設鉸，基本按等間距布置。

2.2 三種連接方式對鋼桁加勁梁結構受力的影響

采用有限元軟件Midas/civil建立鋼桁加勁梁逐次剛接施工方案、剛—鉸混合連接施工方案(全橋對稱設置26對雙鉸)和剛—鉸混合連接施工方案(全橋對稱設置6對雙鉸)的有限元計算模型，計算得到的鋼桁加勁梁在吊裝施工過程中3種連接方式對鋼桁加勁梁上、下弦桿的影響，如圖2和圖3所示。

分析圖2和圖3計算結果可以看出:

1)采用全橋逐次剛接方案施工時，鋼桁加勁梁上、下弦桿最大組合應力分別為 -130 MPa和116 MPa，出現在節(jié)段19和節(jié)段42位置，該位置在1/4～1/2跨之間，距1/4跨位置有4個節(jié)段。從鋼桁加勁梁半幅吊裝全過程來看，上、下弦桿應力經歷了由小變大再變小的過程，全橋鋼桁加勁梁各桿件應力均不超限。

圖2 三種連接方式對應的上弦桿理論應力包絡圖

圖3 三種連接方式對應的下弦桿理論應力包絡圖

2)采用剛—鉸混合(全橋對稱設置26對雙鉸)連接方式時，鋼桁加勁梁在大部分節(jié)段上、下弦桿應力接近于零，在第16和47節(jié)段附近出現波峰，但應力不超過20 MPa，可以認為鋼桁加勁梁在施工過程中基本處于無應力狀態(tài)，達到了施工中的理想狀態(tài)，不存在施工應力過大問題，更不會發(fā)生過應力現象。但是由于設鉸數量過多，鋼桁加勁梁施工階段穩(wěn)定性不好，結構相對太柔弱，存在施工不安全隱患;同時每個施工鉸位置在合龍時都是一個合龍口，合龍位置過多會增加鋼桁加勁梁合龍難度，強制合龍又會造成局部應力問題，合龍位置處理不好會造成成橋線形無法滿足設計要求及線形不圓順問題。

3)采用剛—鉸混合(全橋對稱設置26對雙鉸)連接方式時，與全橋逐次剛接方案相比，鋼桁加勁梁上、下弦桿在第1對鉸之后各階段應力大幅度減小，各設鉸位置應力略有波峰，節(jié)段19之后(半幅內)應力逐漸減小至零點，最大壓、拉應力出現在節(jié)段8附近，分別為-34 MPa和31 MPa。與前兩種鋼桁加勁梁施工方案相比，該方案在結構受力上介于兩種連接方式之間，施工應力安全可靠，同時由于設鉸數量較少，會減小鋼桁加勁梁合龍施工的難度。

由此可以得出:從鋼桁加勁梁結構受力上講，3種方案均不會造成鋼桁加勁梁施工應力超限問題，理論上均是可行的，但由于計算時沒有考慮施工時橋面臨時荷載及臨時運載情況，及實際施工與理論存在偏差，可能造成鋼桁加勁梁局部受力過大，使結構產生損傷，故從安全角度考慮，不宜采用全橋剛接施工方法;另外，剛—鉸混合施工時，設鉸過多不僅會使施工中結構整體穩(wěn)定性下降，同時會加大施工難度，給施工帶來潛在的安全隱患。經對比綜合考慮，建議采用第3種施工連接方案，即全橋對稱設置6對雙鉸的連接方案。

2.3 三種連接方式對吊索受力的影響

在鋼桁加勁梁吊裝施工過程中，單根吊索的受力不僅關系到結構安全，同時也關系到節(jié)段鋼桁加勁梁與吊索栓接施工的難易程度。本文通過數值仿真模擬鋼桁加勁梁整體吊裝施工過程，得出了采用不同連接方式對應的各施工階段吊索的受力情況，見圖4。

圖4 三種連接方案對應的吊索受力

從圖4可以看出，逐次剛接方案施工時各施工節(jié)段對應吊索的受力呈拋物線變化(半幅內)，在1/4跨位置達到峰值點，最大受力約為300 kN，其中受力超過150 kN的節(jié)段有20節(jié)左右，占吊裝節(jié)段的65%以上;采用剛—鉸混合連接(設26對鉸)時，整體吊裝施工時全部節(jié)段吊桿受力基本均勻，約在50 kN左右，上下波動不超過20 kN，受力較穩(wěn)定，是較好的理想施工狀態(tài);采用剛——鉸混合連接(設6對鉸)時，吊桿受力在各設鉸位置出現折點，各轉折點受力值依次減小，最后趨于穩(wěn)定，從整體來看吊桿在第1個鉸位置以前各節(jié)段受力與剛接施工時完全一致，在第3個鉸之后各節(jié)段受力與設26對鉸時基本趨于一致，吊桿在第7節(jié)段受力最大約200 kN，其中超過150 kN的節(jié)段僅4個。

綜合以上數據可以得出:采用逐次剛接方案施工，吊桿受力最大，約300 kN(772 MPa)，安全系數約為2.3，小于規(guī)范要求的3.0，會給施工帶來一定的安全隱患，從結構受力角度上看不可取;另外，在實際節(jié)段與吊索栓接的施工過程中，超過150 kN的力需要借助機械設備來完成，該方案的實施需增加機械牽拉設備，同時延長了施工工期，會造成大部分節(jié)段施工困難，從施工經濟性、安全性及施工工期上來考慮，該方案亦不可取。

若采用剛—鉸混合連接(設26對鉸)的連接方式，在受力上沒有問題，結構有足夠的安全儲備，不足之處在于設鉸數量過多，結構受力變形較大，會給施工帶來困難，同時存在鋼桁加勁梁合龍施工困難問題。

若采用剛—鉸混合連接(設6對鉸)的連接方式，吊索最大受力約200 kN(529 MPa)，有3.3倍的安全系數，滿足規(guī)范要求，該方案在吊索受力上是可取的;由于受力超過150 kN的吊索數量較少，這些節(jié)段與吊索栓接時可以臨時采用油壓千斤頂進行提拉到位即可，現場滿足施工條件。該方案的實施僅需要人工借助倒鏈葫蘆即可完成，施工方便快捷，可以提高施工效率，同時節(jié)約施工成本，在經濟及安全性上是可取的。

2.4 建議采用的鋼桁加勁梁連接方式

通過對比分析3種鋼桁加勁梁連接方式對施工中各節(jié)段結構和吊索受力的影響，并綜合考慮現場施工條件及在實際施工中會遇到的問題，建議哪吒大橋鋼桁加勁梁架設施工采用第3種連接方式。

在實際架設過程中，針對該方案可能出現的問題建議:

1)由于設鉸位置結構變形較大，會出現拐折點，為避免變形過大擠壓橋面板使其受損或破壞，在設鉸位置處的橋面板待鉸接換剛接后再進行安裝;

2)在吊桿受力超過150 kN的節(jié)段施工時，若靠倒鏈葫蘆牽拉不能使節(jié)段與吊索栓接，或難度較大，可以采用油壓千斤頂配合牽拉到位;

3)在施工過程中，第1個鉸的設置位置可以提前一個節(jié)段，這樣就可以使吊桿受力最大位置變?yōu)榈?節(jié)段，同時可減小最大受力值，降低施工難度;

4)各設鉸位置的鉸待跨中合龍前一節(jié)段統一換做實際的剛性連接，該工作相對較容易，同時為跨中合龍?zhí)峁┓奖?

5)施工過程中密切觀察設鉸位置下弦桿開口量的變化，若出現兩節(jié)段下弦桿相互抵觸，應暫停鋼桁加勁梁的安裝施工，待驗算結構受力安全無虞后再行施工。

3 結束語

通過對比分析3種鋼桁加勁梁連接方式對鋼桁加勁梁及吊索受力的影響，并綜合考慮哪吒大橋施工現場環(huán)境及施工條件，從施工方便快捷和安全可靠的角度出發(fā)，建議采用第3種鋼桁加勁梁連接方式，即設6對雙鉸的剛—鉸混合連接方法進行施工。該方法減小了施工過程中鋼桁加勁梁的應力，使鋼桁加勁梁的梁體在施工中處于安全狀態(tài);同時減少了設鉸數量，鋼桁加勁梁施工的難度及復雜性相對較小，節(jié)段施工穩(wěn)定性得到了提高。

哪吒大橋主體工程于2010年7月施工完畢，8月建成通車。哪吒大橋實際施工證明，采用這種連接方式取得了較好的施工效果，整個節(jié)段安裝只在第7節(jié)段(即第1個設鉸位置處)借助了油壓千斤頂牽拉施工，其余鋼桁加勁梁安裝均靠倒鏈葫蘆即可順利施工，極大地提高了施工效率。

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