鎮(zhèn)勝公路北盤江大橋鋼桁梁架設(shè)施工過程分析

曹春明 易倫雄 王碧波

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430050）

北盤江特大橋?yàn)橹骺?36m的單跨雙鉸簡(jiǎn)支鋼桁梁懸索橋，是滬瑞國(guó)道主干線鎮(zhèn)寧至勝境關(guān)公路段的控制性工程。上部結(jié)構(gòu)鋼桁梁施工是本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，施工中節(jié)段之間的連接方式對(duì)施工過程中加勁梁的應(yīng)力、施工進(jìn)度和工程質(zhì)量的影響非常大，因此選擇加勁梁合理可行的施工方法是保證既達(dá)到設(shè)計(jì)的成橋狀態(tài)，又使施工過程中不至于出現(xiàn)加勁梁裝配應(yīng)力過高的關(guān)鍵［1］。文中主要介紹該橋鋼桁梁架設(shè)施工方案的確定及該方案的計(jì)算分析。

1 加勁梁結(jié)構(gòu)形式

本橋采用鋼桁加勁梁，由主桁、橫梁、上下平面縱向聯(lián)接系以及橋面系結(jié)構(gòu)等組成，見圖1。

圖1 北盤江大橋主橋橫斷面圖（單位：cm）

主桁采用帶豎桿的華倫式桁架，桁高5.0m，節(jié)間長(zhǎng)3.5m，縱向2片主桁間距與主纜間距相同，為28.0m。橫梁為桁架式結(jié)構(gòu)，縱向7.0m設(shè)一道，橫梁與主桁等高，為5.0m，節(jié)間長(zhǎng)度3.5 m。上、下平面縱向連接系采用交叉型，橫梁的上、下弦桿分別作為上、下平聯(lián)的撐桿。鋼桁梁全部桿件均選用制造簡(jiǎn)單、安裝方便的 “工”形構(gòu)件［2］。

橋面系結(jié)構(gòu)由橋面板、縱、橫肋和縱梁組成，縱向通長(zhǎng)連續(xù)。橋面橫向共設(shè)5片縱梁，橋面板通過縱梁擱置在主桁橫梁之上，縱梁與橫梁間設(shè)置盆式橡膠支座。

2 加勁梁吊裝及連接施工

加勁梁采用纜索吊裝施工，立體梁段架設(shè)，全橋共47個(gè)節(jié)段。除中間梁段吊裝節(jié)段長(zhǎng)19m外，其余均為14m（見圖2），最大吊重130t。

圖2 北盤江大橋加勁梁節(jié)段劃分示意圖（單位：m）

對(duì)于以鋼桁梁作為加勁梁的懸索橋，施工架設(shè)方案對(duì)施工過程中加勁梁的應(yīng)力、施工進(jìn)度和工程質(zhì)量的影響較大，因此選擇合理可行的架設(shè)方案是鋼桁梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［3］。

2.1 加勁梁架設(shè)方案確定原則

（1）節(jié)段連接的必要性。橋址區(qū)位于峽谷地帶，風(fēng)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，鋼桁梁吊裝時(shí)要盡早連接，以確保結(jié)構(gòu)在施工期間的抗風(fēng)安全，減小施工期間的風(fēng)致振動(dòng)，方便人員施工。

（2）節(jié)段連接的可操作性。鋼桁梁各節(jié)段之間采用高強(qiáng)螺栓連接，調(diào)節(jié)量?jī)H為螺栓與螺栓孔之間的間隙，而且還有一定制造誤差，因此只有鋼桁梁節(jié)段之間位移量較小的時(shí)候才進(jìn)行連接，盡量避免強(qiáng)迫連接。

（3）結(jié)構(gòu)受力的安全性。既要保證施工過程中鋼桁梁結(jié)構(gòu)安全，又要盡量減少成橋后不可消除的架設(shè)內(nèi)力，避免在施工過程中因受力需要加大桿件截面，造成結(jié)構(gòu)用量的大幅增加而導(dǎo)致全橋工程造價(jià)的提高。

經(jīng)多方案比選，綜合考慮國(guó)內(nèi)外既有施工方案優(yōu)缺點(diǎn)后進(jìn)行了改進(jìn)，確定了架設(shè)方法。

2.2 鋼桁梁架設(shè)方法

（1）鋼桁梁由跨中向兩端進(jìn)行吊裝，吊裝前11個(gè)鋼桁梁節(jié)段時(shí)將上弦以沖釘連接，再吊裝2個(gè)節(jié)段后將該批梁段共17個(gè)梁段的上弦剛接，剩余節(jié)段在吊裝就位后即與相鄰節(jié)段的上弦剛接。

（2）從1／4跨位置向兩側(cè)對(duì)稱吊裝橋面板。

（3）從跨中向兩邊對(duì)稱以二期恒載的等代荷載進(jìn)行壓重施工。

（4）從跨中向兩邊對(duì)稱將加勁梁節(jié)段間的下弦桿轉(zhuǎn)化為剛接。

（5）撤掉二期恒載等代壓重荷載，進(jìn)行橋面鋪裝及附屬結(jié)構(gòu)的施工。

3 加勁梁架設(shè)施工過程計(jì)算與分析

計(jì)算程序采用BNLAS橋梁結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算軟件，對(duì)北盤江大橋建立三維有限元模型，見圖3。根據(jù)實(shí)際施工情況，計(jì)算模擬加勁梁從跨中向兩端對(duì)稱逐段吊裝。結(jié)構(gòu)的邊界約束條件為：主纜錨固點(diǎn)和塔底固結(jié)約束，加勁梁端部?jī)H采用只壓豎向約束。

圖3 北盤江大橋空間計(jì)算模型

3.1 吊裝鋼桁梁

鋼桁梁吊裝時(shí)線形受主纜線形影響，最初為中間低、兩邊高的凹曲線，節(jié)段上弦互相擠壓，下弦互相分離而出現(xiàn)“張口”［4］。隨著鋼桁梁吊裝節(jié)段增加，主纜剛度增大，凹形豎曲線會(huì)逐漸趨于平緩，待各節(jié)段上弦之間位移接近時(shí)就可對(duì)鋼桁梁節(jié)段上弦進(jìn)行連接。

首先吊裝跨中的1號(hào)節(jié)段，然后依次向兩側(cè)對(duì)稱吊裝，在吊裝4（4”）節(jié)段之前，因主纜變形較大，各節(jié)段接口之間位移差較大，豎向位移差最大達(dá)到37mm，縱向位移差最大達(dá)到26mm，沖釘無法連接相鄰節(jié)段，可采用橡膠墊片將接頭進(jìn)行保護(hù)。繼續(xù)吊裝4（4”）和5（5”）節(jié)段，主纜承受約11個(gè)節(jié)段重量之后，主纜剛度逐漸增大，每吊裝一個(gè)節(jié)段引起主纜變形幅度大為減少，各節(jié)段接口之間位移差也隨之減少，上弦接口最大豎向位移差減至1.2mm，最大縱向位移差減至2 mm，此時(shí)將節(jié)段之間上弦接口采用沖釘連接（計(jì)算時(shí)采用限制線位移，放松轉(zhuǎn)角約束模擬），各階段下弦桿間無連接。繼續(xù)吊裝6（6”）～9（9”）節(jié)段，每吊裝一個(gè)節(jié)段均與已吊裝節(jié)段間上弦采用沖釘連接。

吊裝完17個(gè)節(jié)段以后，計(jì)算發(fā)現(xiàn)鋼桁梁節(jié)段之間豎向位移非常接近，此時(shí)將已吊裝的17個(gè)節(jié)段上弦之間的沖釘連接轉(zhuǎn)為剛接（高強(qiáng)螺栓連接），再依次吊裝剩下節(jié)段，每吊裝1個(gè)節(jié)段均與已吊裝節(jié)段間上弦剛接。在鋼桁梁吊裝過程中，上弦桿最大應(yīng)力為86.1MPa，腹桿最大應(yīng)力為50.6MPa，吊索最大應(yīng)力為270.1MPa，各桿件最大應(yīng)力基本出現(xiàn)在跨中附近。鋼桁梁吊裝完成后與成橋狀態(tài)相比最大位移為3.343m，節(jié)段間下弦接口處位移差見圖4。

圖4 鋼桁梁吊裝完成后各節(jié)段下弦接口處位移差

由圖4可見，各節(jié)段下弦接口處最大豎向位移差為1.8mm，最大縱向位移差為6.7mm，均出現(xiàn)在端部，這主要是由于鋼桁梁端部節(jié)段縱向只有1根吊索，且支座為只壓支座導(dǎo)致的，其余位置豎向位移最大僅為0.7mm，縱向位移差為6.3 mm，這說明鋼桁梁吊裝完成后線形已趨于平順。

3.2 吊裝橋面板

橋面板采用纜索吊從1／4跨位置（11和11”節(jié)段處）向兩側(cè)對(duì)稱吊裝，置于鋼桁梁上支座處。橋面板吊裝選擇從1／4跨位置往兩側(cè)吊裝主要是從主纜變形均勻，鋼桁梁節(jié)段間受力較小來考慮。橋面板吊裝過程中上弦桿最大應(yīng)力為148.3 MPa，腹桿最大應(yīng)力為91.2MPa，吊索最大應(yīng)力為509.3MPa，各桿件最大應(yīng)力基本出現(xiàn)在起吊點(diǎn)和跨中附近。

橋面板吊裝完成后，鋼桁梁與成橋狀態(tài)相比最大位移為1.120m，鋼桁梁形成的凹形豎曲線進(jìn)一步平緩，各節(jié)段間下弦接口處位移差見圖5。

圖5 橋面板吊裝完成后各節(jié)段下弦接口處位移差

由圖5可見，節(jié)段間下弦最大豎向位移差為1.8mm，最大縱向位移差為3.7mm，均出現(xiàn)在端部，原因與前述一致，其余位置豎向位移差最大僅為0.4mm，縱向位移差為2.3mm，接口間位移差進(jìn)一步縮小。

3.3 二期恒載等代荷載壓重施工

本橋二期恒載重約48kN／m，約占加勁梁總重的24%。對(duì)于二期恒載是否采取等代荷載壓重施工進(jìn)行了比較分析。

（1）二期恒載不等代荷載壓重施工。橋面板吊裝完成后直接就將鋼桁梁下弦剛接，然后再焊接橋面板，施工二恒。采用該方案時(shí)，若鋼桁梁設(shè)計(jì)制造線形采用成橋線形，因二恒未壓重，鋼桁梁下弦依然處于“張口”狀態(tài)，除端部節(jié)段以外節(jié)段間下弦接口豎向最大高差為0.4mm，縱向最大位移差為2.3mm，需強(qiáng)行將鋼桁梁下弦剛接，施工難度大，連接困難，但成橋后鋼桁梁桿件應(yīng)力與采取壓重方案的桿件應(yīng)力相差不大。若鋼桁梁設(shè)計(jì)制造線形采用二恒未施工前鋼桁梁線形，則節(jié)段易于連接，施工便捷，但成橋后鋼桁梁桿件應(yīng)力（見表1）與采取壓重方案的桿件應(yīng)力高。

表1 二期恒載不等代壓重成橋后主桁架各類桿件及吊索最大、最小應(yīng)力 MPa

（2）二期恒載等代荷載壓重施工。橋面板吊裝完成后采取二恒等代荷載壓重，然后再將鋼桁梁下弦剛接，焊接橋面板，撤掉二恒等代壓重荷載，施工二恒，成橋時(shí)鋼桁梁各桿件應(yīng)力見表2。

表2 二期恒載等代壓重成橋后主桁架各類桿件及吊索最大、最小應(yīng)力 MPa

由表1、表2可見，二恒不等代壓重施工比壓重施工弦桿應(yīng)力最高達(dá)35.9MPa，如果在設(shè)計(jì)時(shí)考慮上述增加的應(yīng)力，鋼桁梁需增加約9%的鋼料，因此從經(jīng)濟(jì)性考慮最終還是確定采取二期恒載等代荷載壓重方案。

二期恒載等代壓重施工過程中，上弦桿最大應(yīng)力為90.3MPa，腹桿最大應(yīng)力為55.6MPa，吊索最大應(yīng)力為640.3MPa。

3.4 連接鋼桁梁下弦

二期恒載等代荷載壓重施工完成后，此時(shí)鋼桁梁與主纜已基本達(dá)到設(shè)計(jì)成橋線形，最大位移差僅為2mm，節(jié)段間最大豎向位移差僅為0.4 mm，最大縱向位移差僅為0.2mm，連接鋼桁梁下弦就相對(duì)簡(jiǎn)單。下弦剛接完成后，再連接節(jié)段間上下平聯(lián)。鋼桁梁下弦連接過程中，上弦桿最大應(yīng)力為73.6MPa，下弦桿最大應(yīng)力為12.9 MPa，腹桿最大應(yīng)力為35.2MPa，吊索最大應(yīng)力為610.3MPa。

3.5 焊接橋面板

鋼桁梁節(jié)段間下弦剛接后，即可撤去二期恒載等代壓重荷載，進(jìn)行橋面板現(xiàn)場(chǎng)焊接施工，最后進(jìn)行橋面鋪裝及附屬結(jié)構(gòu)施工。

從以上計(jì)算結(jié)果來看，鋼桁梁各桿件架設(shè)過程中最大應(yīng)力為148.3MPa，吊索最大應(yīng)力為640.3MPa，均小于材料允許應(yīng)力，整個(gè)架設(shè)過程是安全可靠的。同時(shí)計(jì)算成橋線形與設(shè)計(jì)線形僅相差2mm，架設(shè)過程中對(duì)線形的控制較好，節(jié)段間連接也是易于施工的。

4 結(jié)語

在北盤江大橋設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)橋址處地質(zhì)、風(fēng)環(huán)境及交通運(yùn)輸條件等因素對(duì)鋼桁梁架設(shè)方案進(jìn)行了多方案比選，最終確定的方案是合適的。架設(shè)過程中結(jié)構(gòu)安全，施工便捷，經(jīng)濟(jì)性較好，成橋線形滿足要求。

目前該橋已建成通車，加勁梁架設(shè)完全按照設(shè)計(jì)確定的方案實(shí)施，架設(shè)過程中桿件應(yīng)力、加勁梁位移及實(shí)際成橋線形基本與計(jì)算保持一致。該橋的建成對(duì)類似鋼桁梁懸索橋的設(shè)計(jì)與施工具有一定的借鑒意義。

［1］王忠彬，沈銳利，唐茂林.懸索橋鋼桁架加勁梁施工方法分析［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（1）：117－121.

［2］王碧波，易倫雄.鎮(zhèn)勝公路北盤江大橋主跨636m鋼桁梁懸索橋設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2009（2）：44－57.

［3］錢冬生，陳仁福.大跨懸索橋的設(shè)計(jì)與施工［M］.修訂版.成都：西南交通大學(xué)出版社，1999.

［4］周昌棟，潭永高，宋官保.懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工［M］.北京：人民交通出版社，2003.