3×96m下承式簡支鋼桁梁架設方案分析

丁雁飛

摘要：曲江大橋墩高，橋址溝窄谷深，施工場地狹小。針對該橋的特點和實際情況，介紹幾種主要的鋼桁梁架設方案，結合經濟性、安全性、優(yōu)缺點等多方面的要求，通過對不同方案的比選和對選定方案施工過程及采用的輔助設施受力計算，介紹了多跨簡支鋼桁粱在高墩情況下的不同施工方法及特點，綜合分析了曲江大橋的架設方案。

Abstract： The piers of Qujiang Bridge are high and there are narrow and deep cleughs on the bridge site. The construction site is narrow. According to the characteristics of the bridge and the actual situation， several main methods of steel truss beam erection are introduced. Combined with the requirements in economy， safety， advantages and disadvantages， through comparison of different methods and stress calculation of the construction process and auxiliary facilities of the selected method， different construction methods of multi-span simply supported steel truss beam in condition of high pier are introduced and the erection methods of Qujiang Bridge are analyzed comprehensively.

關鍵詞： 鐵路橋梁；高墩；大跨度下承式簡支鋼桁梁；架設方案

Key words： railway bridges；high pier；long-span through type simply supported steel truss beam；erection method

中圖分類號：U441+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0235-04

0 引言

近年來，隨著我國經濟的迅猛發(fā)展，用鋼材建造的橋梁越來越多，鋼桁梁又是鐵路鋼橋中使用最多的一種形式。鋼桁梁的架設方法種類較多，如浮運安裝法、拖拉法和懸臂拼裝法等。根據不同的橋梁特點適合采用的架設方法將會有所不同，本文將針對曲江大橋的特點，對本橋鋼桁梁的架設方案比選分析，為今后類似工程施工提供參考。

1 工程概況

曲江大橋是新建玉溪至蒙自鐵路的一座重點橋梁（圖1），橋址位于紅河哈尼族、彝族自治州建水縣曲江鎮(zhèn)北東部曲江峽谷區(qū)，橋位處地質條件復雜，屬低中山剝蝕、溶蝕地貌，地面高程為1308～1480m，相對高差約180m，自然橫坡變化大。全橋孔跨布置采用3×32m簡支T梁+3×96m下承式簡支鋼桁梁+（1×32+2×24）m簡支T梁。3×96m下承式簡支鋼桁梁采用無豎桿平行弦三角形桁架，主體結構鋼材材質采用Q345qD，桁高12.8m，節(jié)間長12m，主桁中心距為7.5m，預拼后最重桿件93kN，主桁桿件截面除端斜桿采用矩形截面外，其余均采用H形截面，鋼梁總重20310kN。該橋鋼桁梁架設由于墩高、跨度大，施工難度較大及風險性較高。

2 鋼桁梁架設方案初選

根據以往的鋼桁梁架設經驗大致可分為浮運安裝法、拖拉法和懸臂拼裝法。本橋雖然跨越曲江，但橋址處水位低，不具備浮運條件，故不考慮浮運安裝法；而拖拉法也常用于中小跨度及自重較小的鋼桁梁，且在施工過程中需設置滑道和臨時墩，因受到地形限制，不具備設置臨時墩的條件；若采用加長、加大導梁的設置，則滑道只能布置在主墩上，對主橋受力不利，長導梁不但會使鋼桁梁橋面系超荷過多，也會加大鋼桁梁端部荷載，通過仿真模型驗算后，發(fā)現主橋桿件也難以承受施工中的荷載。根據以上初步比選結果，應重點分析懸臂拼裝法。

3 懸臂拼裝方案

由于懸臂拼裝法不采用臨時支架，而是將鋼梁桿件逐根依次拼裝在一起，施工操作受地形影響較小，因此在鋼桁梁架設中應用廣泛，尤其是對橋墩高、跨度和自重大、跨越河流且不能浮運、不能采用滿堂支架、主橋結構為連續(xù)鋼桁梁或多孔簡支鋼桁梁時，懸臂拼裝法有著不可替代的優(yōu)勢。

而曲江大橋所處的地形、跨度及多孔布置正適合采用懸臂拼裝法施工。根據本橋投資及工期的要求，綜合考慮施工方案的經濟性、安全性、結構設計等因素，對本橋進行了兩種懸臂拼裝方案研究：

①對稱懸臂拼裝方案；

②單端懸臂拼裝方案。

3.1 對稱懸臂拼裝方案

對稱懸臂拼裝方案是在4#、5#主墩上搭設臨時支架形成工作平臺，然后通過空中纜索吊分別在兩主墩上對稱安裝鋼桁桿件，由于受力要求，在5#墩鋼桁梁對稱懸臂安裝5個節(jié)間時，需通過吊索塔架調整桿件內力及位移，此時4#墩在墩頂工作平臺上對稱懸臂3個節(jié)間與5#墩的鋼桁梁進行中間合龍。

4#～5#墩間的鋼桁梁合龍后，利用5#墩的吊索塔架不斷調整索力，繼續(xù)安裝5#～6#墩剩余桿件，直至到達6#墩頂。此后，在4#墩搭設吊索塔架，并在相應位置掛索，借助索力調整安裝3#～4#墩鋼梁桿件。桿件安裝完畢后，拆除吊索塔架，此時形成了3×96m下承式連續(xù)鋼桁梁結構，將臨時桿件和4#、5#墩的臨時支架拆除即形成簡支結構，鋼梁安裝完成（圖2）。

3.2 單端懸臂拼裝方案

單端懸臂拼裝方案由玉溪端開始，首先在1#～3#墩之間搭設2×32m六四式鐵路軍用梁作為拼梁膺架，利用纜索吊機在軍用梁膺架上拼裝鋼桁梁約60m，再分別沿0#臺和4#墩方向繼續(xù)懸拼，最后將已經拼裝完畢的0#臺～3#墩間96m鋼桁梁作為錨梁，在0#臺頂處壓重或錨定，在3#墩頂處安裝兩孔鋼桁梁間的臨時聯結桿件。

然后在鋼桁梁頂部蒙自端安裝起吊能力為15t的拼梁桅桿吊機，由纜索吊機吊裝移位（因受鋼桁梁桿件存放場地限制），桅桿吊機懸拼，利用第一孔梁繼續(xù)向4#墩方向懸臂拼裝，一直懸拼至第6個節(jié)間，同時在4#墩搭設臨時托架，在托架上對稱懸拼四個節(jié)間，通過千斤頂調整相對位置后合龍第二孔梁，這樣就形成了2×96m的連續(xù)梁。按照此方法繼續(xù)架設完成4#～5#墩的96m鋼桁梁。

在拼裝第三孔鋼桁梁的同時，將0#臺的錨梁和0#臺～3#墩間的鋼桁梁拆除，拆除的鋼桁梁將在5#～6#墩之間拼裝，拼裝前需在6#墩旁搭設臨時支墩并在上面安裝鋼桁梁的兩個節(jié)間，待5#～6#墩間拼裝6個節(jié)間后再將這兩個節(jié)間與之合龍，這樣就形成了3×96m連續(xù)鋼桁梁，待將鋼桁梁拼裝的安裝設備和連接3×96m鋼桁梁的臨時桿件拆除后，就完成了曲江大橋3×96m下承式簡支鋼桁梁的安裝（圖3）。

3.3 對稱懸拼和單端懸拼方案對比

對稱懸拼方案可以在4#、5#主墩同時進行施工，架設工期短。在經濟方面，由于需要在4#、5#墩頂搭設臨時施工平臺，平臺在施工中要提供對稱懸臂支反力，結構需要加強，臨時結構用量較大，又加上需要2臺吊索塔架和4臺拼架吊機；在施工安全上，4#、5#施工平臺是施工設計的重點，鋼梁安裝過程中，施工平臺要提供5個對稱節(jié)間的支反力，此反力通過平臺的臨時桿件傳至墩身，這對墩身設計及平臺設計都提出較高要求；另外，在施工難度上，鋼桁梁在跨中合攏，精度要求較高，施工難度大。

單端懸臂拼裝時鋼桁梁端部承受由大懸臂引起的巨大內力，因不使用吊索塔架，又要滿足施工要求，需加強懸臂端鋼桁梁下弦桿件，保證桿件受壓時不失穩(wěn)，同時減小下弦桿件的計算長度，但增加了臨時桿件的用量；從設備投入上來看，由于單向施工，僅需投入1臺拼架吊機，大大減少了施工設備的用量；從工期考慮，此方案將帶來多安裝和拆卸一孔96m錨梁，工期較長。另外，此方案需要進行臨時聯結桿件的和最大懸臂施工狀態(tài)下桿件受力的分析，以及鋼桁梁的位移計算。

經綜合對比，單端懸臂拼裝方案設備投入較少，施工難度較小，施工工期較長，因該橋不是控制性工程，故最終采用了該方案。下文將進行單端懸拼方案施工狀態(tài)下的受力分析和計算。

3.4 單端懸臂拼裝方案施工計算模型的建立和計算

3.4.1 一孔96m簡支鋼桁梁的建立

以單端懸臂拼裝方案為出發(fā)點進行建模工作，共計考慮施工過程中的4個施工階段。為校核模型的準確性，先單獨建立一孔96m簡支鋼桁梁（圖4），對其恒載部分與施工設計圖紙?zhí)峁┑挠嬎憬Y果進行比較。

各桿件截面、截面方向和對應的材料特性嚴格按設計圖紙給出的規(guī)格輸入計算機軟件。主桁立面在不考慮后期橋面、人行道等恒載作用主桁桿件自重作用下的位移最大值為38mm，發(fā)生在跨中截面。這與施工圖紙?zhí)峁┑暮爿d作用下的跨中撓度50.1mm相比較偏小，說明其他恒載的作用效應將為12.1mm，兩者并不矛盾，也間接反映模型的合理性。主桁桿件在自重作用下桿件的組合應力最大值都很小，拉為52.2MPa，壓為43.3MPa。

3.4.2 施工階段-I

該施工階段是以1#～3#墩之間搭設2×32m六四式鐵路軍用梁作為拼梁膺架來實現的。拼梁膺架形式采用雙層8片，即每側4片，兩側之間中-中間距為7.5m，為保證墩身受力均勻及滿足六四式軍用梁中-中挑出尺寸的要求，在2#、3#墩頂布設I56工字鋼梁做分配梁，然后拼組六四式軍用梁。主桁體系的受力是在節(jié)間處通過橫向墊木把荷載傳遞到拼梁膺架上。以此表述構造計算模型（圖5）。

計算結果：

①最大位移發(fā)生在3#墩處，最大位移fmax=46.6mm（↓），比整片鋼桁梁自重產生的跨中位移還大。結果的不一致，原因是施工階段-I鋼桁梁在0#臺錨固或壓重，另一端并未約束，只是中間部分支撐在軍用梁膺架上，鋼桁梁形式相同，約束不同導致結果不同。

②施工設計圖中A2A3以及E2E3兩根桿件具有最大的軸向應力，A2A3：σax=15.6MPa（壓），E2E3：σax=14.7MPa（拉）。

③施工設計圖中A2A3以及E3E4兩根桿件具有最大的組合應力，A2A3：σcombined=25.1MPa（壓），E3E4：σcombined=27.7MPa（應力拉）。

④軍用梁最大軸力發(fā)生在2#～3#墩間拼梁膺架橫向內、外側的兩片軍用梁上，最大壓桿軸力Nax=385kN（壓），最大拉桿軸力Nax=407kN（拉）。

⑤軍用梁最大位移發(fā)生在2～3#間拼梁膺架橫向內外側軍用梁上，其值為fmax=26.4mm（↓）。

3.4.3 施工階段-II

該施工階段在階段-I的基礎上進一步向96m跨度方向擴展，此時務必采用膺架上已成的鋼桁梁作為錨梁，兩孔鋼桁梁之間通過臨時桿件的連接傳力。當懸臂施工接近4#墩時為該施工階段的最不利受力狀態(tài)，考慮了部分人員和機具重量。以此為基礎構建計算模型（圖6）。

結論：

①最大位移發(fā)生在最大懸臂端，最大位移fmax=433mm （↓）。

②最大組合應力發(fā)生在臨時桿件上，上弦桿件σcombined=223.7MPa（拉），下弦桿件σcombined=613.8MPa（壓）。

③下弦桿件因弱化為只輸入下弦桿件的截面特征，并未考慮到在這種在支座處較短桿件下局部連接的截面特性增大效應，因此應力結果為名義計算應力，如果相應增大截面特征會有效降低臨時下弦桿件的計算應力。

④Q345qD基本容許應力中：彎曲應力[σw]=1.05[σ]=210MPa，上弦臨時桿件的應力已經超出彎曲容許應力6.5%，幅度不大，原施工圖紙上提供的上下弦桿件可以采用。

⑤軍用梁最大桿件軸力Nax=±54kN （拉或壓）。

⑥軍用梁最大位移發(fā)生在跨間跨中位置，其值較小，為fmax=3.6mm（↓）。

⑦因錨梁在0#臺和3#墩都有約束，施工中懸臂荷載使得錨梁部分上翹，實際對拼梁膺架壓力減小，所以拼梁膺架在本階段受力和變形都較小。

3.4.4 施工階段-III

延續(xù)施工階段-II進一步向5#墩方向擴展，此時4#墩頂的臨時桿件承擔懸臂施工狀態(tài)下的傳力，0#臺至4#墩已完成兩片鋼桁梁作為錨梁。當懸臂施工接近5#墩時的施工狀態(tài)為該施工階段最不利的受力狀態(tài)，考慮了部分人員和機具重量，以此為基礎構建計算模型（圖7）。

結論：

①施工中最大位移發(fā)生在最大懸臂端，最大位移fmax=500mm （↓）。

②最大組合應力發(fā)生在4#墩處的臨時桿件上，上弦桿件σcombined=216.5MPa（拉），下弦桿件σcombined =323.7MPa（壓）。

③下弦桿件計算應力與施工階段-II中相同。

④Q345qD基本容許應力中：彎曲應力[σw]=1.05[σ]=210MPa，上弦臨時桿件的應力已經超出彎曲容許應力3.1%，幅度不大，原施工圖紙上提供的上下弦桿件可以采用。

⑤軍用梁最大位移發(fā)生在1#～2#墩跨間跨中位置，其值較小，為fmax=13.5mm（↓）。

⑥軍用梁最大軸力發(fā)生在1#～2#墩間跨中位置桿件上，最大桿件軸力Nax=-169kN（壓），Nax=185kN（拉）。

⑦因在0#臺和4#墩區(qū)間兩片錨梁都有獨立支座，施工中實際對拼梁膺架壓力減小，所以拼梁膺架在本階段受力和變形都較小。

3.4.5 施工階段-IV

延續(xù)施工階段-III進一步向6#墩方向擴展，此時5#墩頂的臨時桿件承擔懸臂施工狀態(tài)下的最大應力，3#墩至5#墩已完成兩片鋼桁梁作為錨梁。當懸臂施工接近6#墩時的施工狀態(tài)為該施工階段最不利的受力狀態(tài)，考慮了部分人員和機具重量，以此為基礎構建計算模型（圖8）。

結論：

①施工中最大位移發(fā)生在最大懸臂端，最大位移fmax=510mm （↓）。

②最大組合應力發(fā)生在5#墩處的臨時桿件上，上弦桿件σcombined=230.7MPa（拉），下弦桿件σcombined=327.7MPa （壓）。

③下弦桿件計算應力與施工階段-II中相同。

④Q345qD基本容許應力中：彎曲應力[σw]=1.05[σ]=210MPa，上弦臨時桿件的應力已經超出彎曲容許應力9.8%?？紤]到施工狀態(tài)和桿件的臨時使用等特點，原施工圖紙上提供的上下弦桿件可以采用，但加強后使用更為合適。

4 結語

首先，從兩個詳細比選施工方案來看，對稱懸拼方案工期最短，適合工期緊張的工程采用，但該方案臨時設備和臨時鋼材用量較大，且施工難度較大；單端懸臂拼裝方案除架梁吊機外，基本不采用吊索塔架這樣的大型設備就能完成，降低了施工難度，但工期要相對長一些。其次，通過對單端懸臂拼裝方案施工計算模型的建立和計算，提供了可靠的技術保障。

本文對玉溪至蒙自鐵路曲江大橋初步選定的兩種鋼桁梁架設方案進行了比選，并對最終選定的方案進行了計算分析，希望能為同類型橋梁的架設提供參考。

參考文獻：

[1]TB 10002.2-2005，鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范Es3[S].

[2]鐵道專業(yè)設計院.鋼橋[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[3]鐵道部第三工程局.鐵路工程施工技術手冊——橋涵[M] 北京：中國鐵道出版社，1994.