大跨度箱-桁結(jié)合梁斜拉橋鋼桁梁施工方案研究

肖 頡

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司 武漢 430050)

1 工程概述

1.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

洞庭湖特大橋位于湖南省岳陽市，采用鋼箱鋼桁結(jié)合梁三塔斜拉橋跨越洞庭湖接入長江的出口水道[1-2]，采用雙線1.2倍ZH活載設(shè)計(jì)，孔跨布置為98 m+140 m+406 m+406 m+140 m+98 m，全長1 290.24 m。主橋橋跨布置見圖1。

圖1 洞庭湖特大橋主橋橋跨布置圖(單位：m)

主梁為鋼箱、鋼桁結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，主桁下弦桿及其兩側(cè)的風(fēng)嘴與橋面板組成鋼箱結(jié)構(gòu)，主桁腹桿、上弦桿為桁梁結(jié)構(gòu)。主桁采用內(nèi)傾布置，上弦桿中心間距12.0 m，下弦桿中心間距14.0 m。全聯(lián)桁架為不帶豎桿的華倫式桁架，桁高12.0 m，節(jié)間長14.0 m，斜桿立面傾角59.744°,全橋共92個節(jié)間，全橋以4號塔對稱布置，鋼梁斷面布置見圖2。

圖2 鋼梁斷面布置圖(單位：mm)

1.2 鋼桁梁架設(shè)總體方案

鋼梁安裝采用“先箱后桁”的總體架設(shè)方案，鋼梁腹桿、上弦桿及平面和橫向聯(lián)結(jié)系桿采用散拼架設(shè)，由700,900 kN汽車吊機(jī)在橋面從3，4，5號墩墩頂開始向兩側(cè)雙向?qū)ΨQ架設(shè)，鋼桁梁桿件通過設(shè)在1號，7號墩附近的提升站運(yùn)至橋面，再通過橋面汽車運(yùn)輸至待架位置。

2 鋼桁梁施工重難點(diǎn)

采用“先箱后桁”架設(shè)方案，除具有快速實(shí)現(xiàn)鋼箱合龍，改善鋼梁架設(shè)作業(yè)環(huán)境，提高施工效率，加快施工進(jìn)度等優(yōu)點(diǎn)外，也存在以下重難點(diǎn)。

1) “先箱后桁”施工導(dǎo)致鋼梁下弦桿與上弦桿節(jié)間存在縱向變形差。鋼箱梁合龍后，下弦桿節(jié)間縱向存在壓縮變形，而此時鋼桁梁上弦桿無縱向變形，因此存在縱向變形差，上弦桿節(jié)間長度若不修正調(diào)整，鋼桁梁上弦桿安裝存在困難。

2) 散桿件拼裝導(dǎo)致鋼桁桿件接頭較多，變形調(diào)整復(fù)雜。

3) 上弦桿安裝受上弦、下弦桿制造誤差影響大。鋼梁制造規(guī)范中對桿件兩端的孔距誤差要求為±1.0 mm。安裝上弦桿時，除了上弦桿自身的制造誤差外，下弦桿的制造誤差也反映到上弦桿間接頭間隙上，誤差影響將增大[3-6]。

3 桿件縱向變形差研究

各節(jié)段鋼箱梁在斜拉索掛索后會產(chǎn)生壓縮，各節(jié)段的壓縮變形將對上部鋼桁梁安裝產(chǎn)生影響。鋼箱梁合龍后，各節(jié)段在一期恒載索力下的變形見圖3。

圖3 下弦桿節(jié)間壓縮變形

由圖3可見，鋼箱梁的最大節(jié)段變形約3 mm，各節(jié)間變形由塔根部向兩側(cè)逐漸減小。在鋼箱梁合龍后，再安裝鋼桁梁時，鋼箱梁已產(chǎn)生縱向變形而鋼桁梁此時無變形，鋼箱梁與鋼桁梁間存在縱向變形差且在塔根處最大，達(dá)到3 mm左右，全橋2/3節(jié)間的箱-桁縱向變形差超過2 mm，鋼桁梁桿件的安裝存在較大困難。

對此，采取在設(shè)計(jì)上對鋼桁梁上弦桿進(jìn)行尺寸補(bǔ)償?shù)姆椒?，?jì)算得到每個節(jié)間的下弦桿節(jié)間縱向壓縮量見表1，鋼桁梁上弦桿在工廠制造時據(jù)此進(jìn)行尺寸調(diào)整，使鋼桁梁桿件在現(xiàn)場無應(yīng)力狀態(tài)下安裝。

表1 考慮先箱后桁施工引起的上弦桿尺寸補(bǔ)償mm

續(xù)表1

桿件編號上弦桿補(bǔ)償桿件編號上弦桿補(bǔ)償A25A26-2.1A37A38-1.7A26A27-1.7A38A39-2.1A27A28-1.4A39A40-2.4A28A29-1.1A40A41-2.8A29A30-1.0A41A42-3.0A30A31-0.8A42A43-3.0A31A32-0.7A43A44-2.9A32A33-0.7A44A45-2.3A33A34-0.8A45A46-2.0A34A35-1.0A46A460A35A36-1.1A12A13-2.9

4 桿件變形調(diào)整研究

桁架桿件在安裝過程中，接頭位置的變形主要受重力影響，因此，根據(jù)桿件截面及類型的不同，采取有限元軟件建立模型，分析接頭位置變形量及相應(yīng)調(diào)整措施。分析結(jié)果見表2。

表2 桿桿變形量及調(diào)整結(jié)果

5 制造誤差影響研究

5.1 誤差累積分析

根據(jù)TB 10212-2009 《鐵路鋼橋制造規(guī)范》，當(dāng)桿件長度L>11 m時，兩端孔群中心距容許誤差為±1.0 mm。

為分析上弦桿制造誤差對鋼桁拼裝影響，假定每根桿件誤差值為定值，且沿著一個方向累積。以桿件誤差值為2a，不考慮桿件壓縮或拉伸變形，分析原理如下。

1) 連接第一個節(jié)間上弦桿后，J1，J2節(jié)點(diǎn)分別產(chǎn)生誤差a。

2) 則第二個節(jié)間上弦桿安裝完成后，J1節(jié)點(diǎn)誤差累積為a+d，J2節(jié)點(diǎn)誤差累積為a-c，J3節(jié)點(diǎn)誤差累積為b，其中L-a+b+c=L+2a，即b+c=3a。依次類推，最終尋找桿件誤差在鋼桁拼裝過程中的累積規(guī)律。

分析原理示意見圖4。以桿件誤差1 mm對鋼桁拼裝過程進(jìn)行分析，桿件誤差通過單元溫度荷載進(jìn)行模擬。其計(jì)算結(jié)果見表3。桿件節(jié)點(diǎn)誤差為1 mm時，拼裝8個節(jié)間后，桿件制造誤差對鋼桁拼裝起點(diǎn)的影響趨于穩(wěn)定，拼裝點(diǎn)累積誤差值為2.5 mm，拼裝終點(diǎn)累積誤差值未明顯趨于穩(wěn)定。

圖4 誤差累積分析原理圖

mm

5.2 鋼桁梁安裝分組方案

為減小制造誤差的累積，擬分組安裝上弦桿，組間設(shè)預(yù)留調(diào)整口。

選取剛度較大的塔根2組鋼桁梁進(jìn)行受力敏感性分析，得出在組間上弦桿接頭兩側(cè)對頂1 000 kN/桁水平力作用下，組間間隙的變化量。對相應(yīng)預(yù)留口誤差及調(diào)整內(nèi)力進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

表4 上弦桿預(yù)留口誤差及其調(diào)整內(nèi)力(每節(jié)間正誤差1 mm)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，綜合現(xiàn)場施工條件及設(shè)備狀況，選取5個節(jié)間設(shè)一個預(yù)留調(diào)整口時誤差分布及調(diào)整內(nèi)力情況如下。

1) 若5個節(jié)間均正誤差1 mm,則預(yù)留調(diào)整口的調(diào)整內(nèi)力可控制在400 kN/桁以內(nèi)，此為極端情況。

2) 若4個節(jié)間正誤差1 mm、1個節(jié)間零誤差，則預(yù)留口調(diào)整內(nèi)力可控制在300 kN/桁以內(nèi)，此也是較為極端情況。

3) 若3個節(jié)間正誤差1 mm、2個節(jié)間零誤差，則預(yù)留口調(diào)整內(nèi)力可控制在200 kN/桁以內(nèi)，此為較可能出現(xiàn)的情況。

以上誤差及調(diào)整力均在可控范圍之內(nèi)，且為了盡可能減少桁架桿件安裝完成后對成橋狀態(tài)的影響及方便現(xiàn)場施工，因此實(shí)際施工時采用每5個上弦桿節(jié)間為1組，組間設(shè)1個預(yù)留調(diào)整口，全橋共設(shè)18個鋼桁梁組，17個預(yù)留口。鋼桁梁按從塔根向兩側(cè)架設(shè)，每組內(nèi)上弦桿節(jié)間按正常鋼梁架設(shè)工藝安裝，組間預(yù)留調(diào)整口，組間預(yù)留調(diào)整口沖釘插打、高栓施擰待鋼桁梁全部安裝后進(jìn)行。

6 結(jié)語

通過對鋼桁梁安裝過程中存在的重難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的調(diào)整措施。

1) 對于鋼箱與鋼桁桿件縱向變形差問題，通過對鋼桁梁上弦桿的長度進(jìn)行調(diào)整以完善。在鋼箱梁合龍后，加載全部的鋼桁梁荷載，計(jì)算此時的下弦桿節(jié)間的壓縮量，并據(jù)此對上弦桿節(jié)間長度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，確保理論上此時上弦桿滿足零應(yīng)力安裝要求。

2) 對于鋼桁桿件變形調(diào)整復(fù)雜的問題，運(yùn)用有限元模擬桁架桿件在施工過程中可能產(chǎn)生的變形或受到的影響，著重研究了斜桿、上弦桿豎向、主桁側(cè)向的變形和調(diào)整方法。

3) 對于誤差影響大的問題，通過分析誤差累積的影響，提出了鋼桁梁上弦桿安裝采取“分組安裝，組間設(shè)預(yù)留調(diào)整口”的思路。鋼桁梁按從塔根向兩側(cè)架設(shè)，每5個上弦桿節(jié)間設(shè)為1組，組內(nèi)上弦桿節(jié)間按正常鋼梁架設(shè)工藝安裝，組間預(yù)留調(diào)整口，組間預(yù)留調(diào)整口沖釘插打、高栓施擰待鋼桁梁全部安裝后進(jìn)行。