孟加拉帕德瑪大橋主橋鋼桁梁預(yù)拱度設(shè)置

歐陽(yáng)華，萬(wàn)成鋼，丁 巍

（1.中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 400114；2.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050）

1 工程概況

孟加拉 padama 主橋由 41 孔 [6×（6×150 m）+（5×150 m）]跨度為150 m 的鋼混結(jié)合連續(xù)梁組成，全橋長(zhǎng)6.15 km。雙層橋面布置，下層為單線(xiàn)米軌鐵路，上層為雙向4 車(chē)道公路。

主梁為鋼桁混凝土結(jié)合梁，三角桁架，整體節(jié)點(diǎn)，全焊結(jié)構(gòu)。桁高11.2 m（上、下弦桿中心距離），桁寬12 m（左、右弦桿中心距離），節(jié)間長(zhǎng)度18.75 m。主桁桿件、上下橫梁均為焊接箱型截面，每孔鋼梁重約3 000 t。

鋼桁梁架設(shè)方法：首孔鋼梁采用浮吊整體吊裝就位后，在已架鋼梁端部安裝橋面吊機(jī)；其余跨用浮吊起吊鋼桁梁后，一端與橋面吊機(jī)吊索連接，另外一端落于墩頂臨時(shí)支座上，浮吊松鉤后，鋼桁梁自重荷載轉(zhuǎn)換至橋面吊機(jī)和臨時(shí)支座上，精調(diào)位置后，焊接鋼梁下弦桿和斜桿和合龍上弦桿并檢測(cè)焊縫，然后解除橋面吊機(jī)的吊索。以第二孔鋼梁架設(shè)為例，方案示意圖如圖1 所示。

圖1 鋼梁架設(shè)方案示意圖

該橋?yàn)槿附咏Y(jié)構(gòu)，采用浮吊和橋面吊機(jī)整孔吊裝，下弦桿和斜桿直接對(duì)位焊接，上弦桿預(yù)留一段作為合龍桿，待合龍上弦桿安裝完成后，松橋面吊機(jī)吊索。此方案不需頂落梁調(diào)整，鋼梁吊裝上橋后，已不具備線(xiàn)形調(diào)整的條件。若鋼梁線(xiàn)形偏差較大，則會(huì)對(duì)全橋結(jié)構(gòu)造成較大影響。故此橋?qū)︿撹炝豪碚摼€(xiàn)形的計(jì)算精度要求高。另外，為保證安裝線(xiàn)形與成橋線(xiàn)形能達(dá)到理論目標(biāo)，制造預(yù)拱度的誤差控制和預(yù)拱度的實(shí)現(xiàn)也顯得尤為重要[1-6]。

2 鋼桁梁預(yù)拱度有限元計(jì)算

2.1 模型建立

利用有限元軟件建立6 孔一聯(lián)全橋計(jì)算模型，鋼桁梁各桿件采用梁?jiǎn)卧M，橋面板采用板單元模擬，計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 鋼梁預(yù)拱度計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

影響鋼桁梁預(yù)拱度理論計(jì)算結(jié)果有很多因素，其中：計(jì)算參數(shù)的選取至關(guān)重要。任何一個(gè)參數(shù)取值與實(shí)際不一致，有可能使計(jì)算的理論值與實(shí)際值偏差超過(guò)允許范圍，后期處理難度將增大。關(guān)鍵參數(shù)宜選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。鋼梁彈模、容重，以及混凝土彈模、容重等試驗(yàn)參數(shù)如表1 所列。

2.3 荷載試驗(yàn)

為保證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，以整孔鋼桁梁在存梁臺(tái)座上的簡(jiǎn)支狀態(tài)做加載試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)計(jì)算進(jìn)行校核。加載位置位于節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)7 四個(gè)節(jié)點(diǎn)位置處，在節(jié)點(diǎn)中心兩側(cè)分批加載，見(jiàn)圖3 所示及表2、表3 所列。

表1 計(jì)算參數(shù)表

圖3 加載位置示意圖

表2 荷載試驗(yàn)加載表

表3 荷載試驗(yàn)加載表

理論計(jì)算結(jié)果與荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖4～圖6 所示。

圖4 計(jì)算模型

圖5 鋼桁梁自重作用下的位移對(duì)比圖

圖6 鋼桁梁加載步驟六的位移對(duì)比圖

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的對(duì)比分析可知，在自重作用下，理論計(jì)算位移與實(shí)際測(cè)量位移的最大差值為 160.1-148.1=12（mm）；加載完成后，累計(jì)位移差值為251.9-238.6=13.3（mm），則僅由荷載導(dǎo)致的誤差為13.3-12=1.3（mm）。由此說(shuō)明鋼桁梁的剛度模擬理論計(jì)算是準(zhǔn)確的，僅自重作用下存在12 mm誤差，在允許范圍內(nèi)，最終廠(chǎng)設(shè)預(yù)拱度根據(jù)調(diào)整后的容重重新計(jì)算后確定。

2.4 關(guān)鍵施工步驟的模擬

施工過(guò)程的模擬是否準(zhǔn)確對(duì)計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要。通過(guò)細(xì)化施工步驟，采用多個(gè)施工階段模擬施工過(guò)程，6 跨一聯(lián)鋼桁梁的編號(hào)分別為 A、B、C、D、E、F跨，鋼桁梁架設(shè)順序由A 跨到F 跨，架設(shè)一跨鋼梁的施工過(guò)程按6 個(gè)施工階段進(jìn)行模擬。以其中第二跨（B 跨）架設(shè)與A 跨鋼梁合龍關(guān)鍵步驟為例說(shuō)明；

B 跨鋼梁架設(shè)施工階段分析如表4 所列。

表4 B 跨鋼梁架設(shè)過(guò)程施工階段分析表

2.5 計(jì)算結(jié)果

鋼梁理論預(yù)拱度為一期恒載+二期恒載+1/2 活載下的撓度反向值。預(yù)拱度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5 所列。僅以其中A 跨為例。

表5 理論預(yù)拱度計(jì)算結(jié)果表 單位：mm

3 廠(chǎng)設(shè)預(yù)拱度設(shè)置方法

3.1 上弦桿制造長(zhǎng)度確定方法

鋼桁梁的預(yù)拱度設(shè)置方法通常是伸長(zhǎng)或縮短上弦桿件拼接縫尺寸，增加或減少上弦節(jié)間長(zhǎng)度，現(xiàn)先通過(guò)理論計(jì)算得到全橋的預(yù)拱度值（下弦節(jié)點(diǎn)拱度值），同時(shí)考慮豎曲線(xiàn)影響導(dǎo)致的下弦桿各節(jié)點(diǎn)標(biāo)高的變化，采用平面尺寸放樣的方法得到上弦桿件各桿件伸縮值，并用溫度法計(jì)算進(jìn)行校核確定。具體方法以?xún)晒?jié)間為例說(shuō)明：

步驟一：根據(jù)計(jì)算的下弦桿預(yù)拱度值作下弦桿的曲線(xiàn)圖，其中 fn-1、fi、fn+1為節(jié)點(diǎn)拱度值（見(jiàn)圖7）。

圖7 步驟一圖示

步驟二：以每個(gè)節(jié)間的下弦桿為三角形底邊畫(huà)斜桿，保證斜桿長(zhǎng)度以及斜桿與下弦桿的夾角與設(shè)計(jì)的理論值保持不變，即每個(gè)三角形單元為一個(gè)不變的剛體整體轉(zhuǎn)動(dòng)（見(jiàn)圖8）。

圖8 步驟二圖示

步驟三：連接每個(gè)三角形的頂點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)頂點(diǎn)之間的連線(xiàn)長(zhǎng)度就是制造需要的上弦桿長(zhǎng)度，減去設(shè)計(jì)的理論長(zhǎng)度就是上弦桿的伸縮值（見(jiàn)圖9）。

圖9 步驟三圖示

上弦桿需要的制造長(zhǎng)度為L(zhǎng)n，伸縮值ΔL=Ln-L。

根據(jù)放樣得出的桿件伸縮值算出對(duì)應(yīng)的溫度荷載，將溫度荷載施加到模型上，計(jì)算結(jié)果作為校核。

3.2 鋼梁制造控制措施

鋼梁制造拼裝雖然每節(jié)間位置均設(shè)置有墊塊，但在自重作用下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的無(wú)應(yīng)力拼裝。為控制制造誤差，按先分組桁片制造后立拼的拼裝原則，即將每孔鋼梁的8 個(gè)節(jié)間，先按兩個(gè)節(jié)間為一組桁片進(jìn)行平躺制造，然后進(jìn)行整體桁片拼裝、焊接接口。

焊接采用對(duì)稱(chēng)焊接的方式減少焊接對(duì)鋼梁應(yīng)力的影響。焊接順序依次為下弦桿、上弦桿、腹桿。

4 鋼桁梁縱向長(zhǎng)度調(diào)整方法

鋼桁梁架設(shè)上橋后，下弦桿受拉后長(zhǎng)度變長(zhǎng)即梁長(zhǎng)發(fā)生了變化，導(dǎo)致鋼梁支點(diǎn)中心線(xiàn)與墩中心線(xiàn)不吻合，支座上擺與支座下擺不對(duì)中。所以，鋼梁在制造時(shí)，除考慮設(shè)置豎向預(yù)拱度外，鋼梁縱向長(zhǎng)度（下弦桿的制造長(zhǎng)度）也同時(shí)需要調(diào)整。

僅通過(guò)合龍口處的桿件長(zhǎng)度調(diào)節(jié)不利于墩頂扭曲桿件制造及對(duì)接。根據(jù)理論計(jì)算6 孔一聯(lián)鋼梁成橋后，縱向長(zhǎng)度變化量為210 mm，將整孔鋼桁梁成橋后的縱向變化長(zhǎng)度平均分配到每孔8 個(gè)節(jié)間，每個(gè)節(jié)間的下弦桿在制造時(shí)，將理論長(zhǎng)度縮短，斜桿做相應(yīng)微調(diào)。

采用上述方法使鋼桁梁架設(shè)上橋后，支座上擺與支座下擺中心基本吻合，偏差控制在允許范圍內(nèi)。

5 研究結(jié)論

（1）鋼桁梁預(yù)拱度理論計(jì)算參數(shù)應(yīng)采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）關(guān)鍵施工步驟的過(guò)程模擬應(yīng)細(xì)化施工階段。

（3）鋼桁梁采用分組桁片制造再拼裝焊接可有效控制制造誤差。

（4）大跨度鋼桁梁整孔架設(shè)，鋼桁梁縱向長(zhǎng)度根據(jù)計(jì)算得到的成橋水平位移，在制造時(shí)進(jìn)行預(yù)偏（縮短），是保證支座的精確安裝的一種有效方法。

6 結(jié) 語(yǔ)

帕德瑪公鐵兩用大橋是“一帶一路”倡議的重要交通支點(diǎn)工程，被孟加拉國(guó)人民稱(chēng)為“夢(mèng)想之橋”，采用的標(biāo)準(zhǔn)主要為英標(biāo)，建設(shè)過(guò)程要求嚴(yán)格，施工方法與國(guó)內(nèi)類(lèi)似橋梁也有所不同。鋼梁采用浮吊與橋面吊機(jī)配合整孔安裝，非頂落梁合龍方式使鋼梁架設(shè)上墩后已不具備調(diào)整線(xiàn)形的條件，故對(duì)理論計(jì)算和工廠(chǎng)制造的線(xiàn)形要求高，控制難度較大。該橋通過(guò)理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，減少了理論計(jì)算誤差，通過(guò)先桁片制造后立拼的方法控制制造線(xiàn)形，同時(shí)在制造過(guò)程中對(duì)下弦桿縱向長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)支座上擺與支座下擺的精確對(duì)位。預(yù)拱度計(jì)算，以及設(shè)置方法均符合國(guó)際工程管理思路，對(duì)同類(lèi)國(guó)際工程施工具有參考意義。