箱桁組合斜拉橋同步頂推中的桁梁施工方法研究

梁 棟,李 亮,劉 菁

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院,天津 300401)

0 引 言

裕溪河特大橋為雙塔鋼箱桁組合梁斜拉橋,根據(jù)施工條件、工期要求,邊跨采用箱桁同步頂推施工方法,即桁梁桿件的拼裝、下弦箱梁的安裝以及梁的頂推施工同時進行。目前箱桁組合梁頂推施工主要有2種思路，即整體吊裝法和桁梁桿件散拼法。整體吊裝法在工廠內將桁梁和箱梁拼裝成整體,再運送到現(xiàn)場整體吊裝,減少了現(xiàn)場的工作量,但整體吊裝梁段質量重、體積大,需要的存梁場地大,同時整體拼裝控制點較多,難度大,如天興洲公鐵兩用斜拉橋最重梁段達700 t,長寬高為14 m×30 m×15.2 m[1-2]。在桁梁散拼法中,鋼箱梁能夠為桁梁桿件的拼裝提供平臺,可降低高空作業(yè)風險,桁梁以單根桿件拼裝,為運輸提供方便,并減小吊裝設備壓力,例如安慶長江大橋、洞庭湖鐵路斜拉橋等均采用這種方法施工[3-4]。

國內外學者對頂推施工進行了深入研究。文獻[5]對頂推過程中鋼箱梁的應力分布、應力超限原因及改善方法進行了模擬分析;文獻[6]對箱梁頂推過程進行了有限元分析,并指導了臨時墩、導梁等結構的設計;文獻[7]用傳遞矩陣法研究了曲率半徑、彎曲扭轉剛度比等參數(shù)對彎橋頂推施工的影響;文獻[8]用數(shù)值優(yōu)化法,以導梁、預應力費用為目標函數(shù),優(yōu)化了頂推施工的混凝土箱梁截面尺寸、主梁前端預應力和導梁參數(shù);文獻[9]研究了頂推施工完成后,千斤頂處鋼箱梁在落梁過程中的力學特征。同時，許多學者對箱桁組合斜拉橋的施工方法進行了研究。文獻[10]研究了蕪湖長江公鐵大橋“浮吊輔助架設墩頂節(jié)段+橋面架梁吊機懸臂架設”的施工方案,對箱桁梁的懸臂拼接施工進行了詳細介紹;文獻[11]針對箱桁斜拉橋上、下弦桿縱向變形差的問題進行了研究,通過對上弦桿的長度補償實現(xiàn)了桁梁的無應力安裝;文獻[4]對先箱后桁兩步施工法進行了可行性研究,并提出:先單獨安裝并合攏鋼箱梁,然后調整斜拉索力使鋼箱梁處于平直狀態(tài),最后安裝桁梁的施工方法?！跋认浜箬旆ā彪m然能夠較好控制安裝誤差,但是箱梁和桁梁施工不能同時進行,這就延長了施工工期,增加了施工成本。但是,針對箱桁組合斜拉橋主梁頂推同步施工方法的研究還不多。

裕溪河特大橋工期緊、任務重,主梁從開始施工到合攏僅有13個月的工期,如果采用常規(guī)的“先箱后桁法”,將無法按期完工。為此,該橋主梁在頂推過程中采用了“箱桁同步施工”方法,即在箱梁頂推期間同步安裝桁梁,以大幅減少工期。

眾所周知,在頂推過程中,不斷變化的鋼箱梁的變位,極易造成桁梁與鋼箱梁之間的變形不協(xié)調,即在桁梁施工時箱梁已產生變形,箱梁變形會導致桁腹桿位移,這使得上弦桿安裝困難。為此,本文針對裕溪河橋邊頂推邊安裝桁梁的施工方法,研究了箱梁節(jié)段數(shù)量、桁梁安裝順序等因素對上弦桿安裝精度的影響,提出了一種避免使用輔助措施的快速施工方法,為裕溪河特大橋順利合攏提供了技術支持。

1 裕溪河特大橋

1.1 概況

主橋采用(60+120+324+120+60) m雙塔箱桁組合斜拉橋,如圖1所示(單位為m)。主梁為箱桁結構,主桁為不帶豎桿的華倫式桁架,橫向采用2片主桁平行布置,主桁中心距14.0 m,桁高12.0 m,箱梁為正交異性板結構,采用帶風嘴的單箱七室截面。全橋共計57節(jié)箱梁,箱梁邊室外頂面設置節(jié)點板,縱橋向節(jié)點板中心距箱梁端頭為2 m,桁梁斜腹桿用高強螺栓與箱梁節(jié)點板拼接。箱梁每隔3 m設置一道實腹橫隔板,主梁橫截面如圖2所示(單位為m)。

圖1 裕溪河特大橋立面圖

圖2 主梁橫截面

1.2 施工過程

主梁共計57個箱梁節(jié)段,其中兩邊跨采用頂推施工。該橋主塔離岸較遠,在河床上建立了臨時施工平臺,導梁和前3節(jié)箱梁利用浮吊吊裝到施工平臺上拼接,之后安裝橋面架梁吊機,對其余箱梁進行吊裝懸拼。安裝完成一段箱梁,向邊跨頂推相應的距離。

箱梁施工示意圖如圖3所示。

圖3 箱梁頂推施工示意圖

在安裝4個箱梁節(jié)段后,橋面上已有足夠的空間安裝桁梁。已拼裝完成4個箱梁節(jié)段,正在安裝第1個節(jié)間桁梁的示意圖如圖4所示。圖4中，粗實線為已經完成的主桁斜腹桿,虛線為擬安裝的上弦桿,箱梁節(jié)點板在箱梁端部附近。安裝主桁桿件時,導梁已經頂推上最近的臨時墩。從箱梁① 、箱梁② 處開始安裝桁梁,先用汽車吊將相鄰的腹桿拼成2個三角形,再擇機安裝上弦桿。在④號梁處利用架梁吊機起吊并安裝下一段箱梁,安裝完畢后利用步履式頂推器向前頂推一段梁長的距離,完成一個循環(huán)作業(yè)。之后,重復以上安裝步驟。

圖4 箱桁同步施工示意圖

上述整個施工過程就是裕溪河特大橋主梁采用的“箱桁同步施工”。

1.3 箱桁同步施工的關鍵問題

當上部桁梁能夠安裝時,箱梁已安裝4個節(jié)段,并且前2段已經頂推到施工平臺之外。在頂推過程中,主梁力學體系在懸臂或連續(xù)中交替出現(xiàn),且懸臂長度或連續(xù)跨數(shù)的不同,使得鋼箱梁的豎向受力變形也隨之變化。桁梁安裝時,先將相鄰2個腹桿拼裝成三角形,才能安裝上弦桿。桁梁上弦桿對應節(jié)點距離將隨著鋼箱梁的變形而變化,因此保證上弦桿的順利安裝是箱桁同步施工的關鍵問題。

上弦桿安裝變形示意圖如圖5所示。其中:粗實線為相鄰2個腹桿拼裝成的三角形點;C、D分別為斜腹桿交點;C、D之間細實線為正在安裝的上弦桿。

圖5 上弦桿安裝時箱梁變形示意圖

下弦箱梁的變形會使斜腹桿產生轉角和位移,使上弦節(jié)點C和D之間的距離l1與上弦桿設計長度l2不一致。上弦桿安裝誤差可用Δl=l1l2來表示。

在該橋中,螺栓孔要比螺栓桿直徑大3 mm,若ΔL小于3 mm,則上弦桿可順利安裝;否則需利用頂推裝置頂起箱梁或對斜腹桿施加外力等方法,強制調整上弦節(jié)點C、D之間的實際距離,輔助上弦桿件的安裝。

但是,頂推器的調節(jié)高度有限、外力不便施加等因素使得這2種方法都只能作為安裝的輔助措施。同時,強制安裝將造成巨大初始應力,對橋梁的營運安全不利。

因此，在施工過程中,應盡可能使桁梁上弦桿安裝偏差ΔL小于3 mm,以保證桁梁安裝時的效率。

為此,本文通過對上弦桿安裝距離偏差隨施工階段變化的分析,提出通過調整上弦桿的安裝順序,以實現(xiàn)無輔助措施的上弦桿安裝。

2 上弦桿安裝距離偏差的表達式

兩節(jié)間相鄰斜腹桿和對應箱梁變形前、后示意圖如圖6a、圖6b所示。每段箱梁長度為L,梁段的中點分別為A、B,AC和BD為對應段箱梁的垂線,變形后A點、B點處的垂線與鉛垂線夾角分別為α、β。

圖6 鋼箱梁變形示意圖

箱梁變形后點C和點D之間的距離變化量分別為:

ΔL=ΔL1+ΔL2

(1)

ΔL1=(α-β)h

(2)

ΔL2=u2-u1

(3)

其中：ΔL為箱梁變形引起的上弦桿對應節(jié)間距變化量;ΔL1為箱梁截面轉動引起的C、D距離的變化量,即箱梁彎曲變形產生的影響;ΔL2為箱梁AB的軸向變形所引起的C、D距離變化量;h為主桁的桁高，h=12 m;u1、u2分別為A、B處箱梁的軸向變形量。

箱梁截面相對轉動和軸向變形引起的ΔL1和ΔL2可分別由(2)式、(3)式表示。(1)式ΔL相當于上文提到的Δl。

3 上弦桿安裝距離偏差的過程模擬

3.1 有限元模型

為了獲得在施工中上弦桿安裝距離偏差,本文以將要安裝第1根上弦桿的狀態(tài)開始模擬,有限元建模思路以及施工過程如下:

(1) 第1根上弦桿開始安裝時,箱梁已經頂推了4個節(jié)段。

(2) 每節(jié)箱梁和桁梁斜腹桿的安裝設成一個施工工況,安裝上弦桿、聯(lián)結系和頂推設成一個工況。先安裝箱梁、斜腹桿、上弦桿、聯(lián)結系,再頂推,以此施工順序建立有限元模型。

(3) 主桁桿件和箱梁拼裝均為無應力拼裝。

依據(jù)上述思路,用Midas/Civil有限元軟件模擬該施工過程,主桁各桿件和下弦鋼箱梁均采用空間梁單元模擬,假設已安裝的桁梁和節(jié)點板無相對錯動、完全耦合在一起,因此采用剛性連接模擬,模型按照累加進行計算,即每一個施工階段的結果都是前面所有施工階段影響的累加[12]。

箱桁同步施工模型如圖7所示。該模型為第1根上弦桿已經施工完成,將要安裝第2根上弦桿。

圖7 箱桁同步施工的有限元模型

通過增加箱梁節(jié)段數(shù)量、安裝桁梁、向前頂推等建立同步頂推模型,模型共35個工況,見表1所列。

表1 有限元施工工況

工況1為已經頂推完4節(jié)箱梁,并安裝完成第1根上弦桿所對應斜腹桿,此時測量第1根上弦桿的安裝距離偏差;工況2為安裝第1根上弦桿和箱梁5后頂推完成;工況3為已安裝第2根上弦桿對應斜腹桿和箱梁6,此時測量第2根上弦桿的安裝距離偏差(圖7);工況4為安裝第1根上弦桿和箱梁5后頂推完成,等等。

同時,為了研究汽車吊對上弦桿安裝距離的影響,建立汽車吊單獨作用模型。汽車吊施工時不可能總在一個理想位置,因此需研究汽車吊在不同位置施工對上弦桿安裝距離的影響。模型中已安裝的構件沒有重量,只有剛度,在上弦桿對應斜腹桿范圍內布置汽車吊移動荷載,以計算汽車荷載對上弦桿安裝間距的影響。

3.2 有限元結果

通過有限元計算,可得汽車吊對各個上弦桿安裝間距的影響值,本文僅列出汽車吊對第1根上弦桿安裝距離的影響曲線,如圖8所示。其中:橫軸表示汽車吊作業(yè)時的位置,在施工范圍內以距施工平臺最近的位置為零點,導梁方向為正方向;縱軸表示汽車吊荷載對第1根上弦桿安裝距離的影響值。

由圖8可知,汽車吊對第1根上弦桿安裝距離的影響最大值為-1.28 mm,汽車吊荷載的影響不能夠忽略。設不考慮汽車吊的上弦桿安裝距離偏差為X,汽車吊對上弦桿安裝距離影響值為Y,當Y使|X+Y|能夠取得最大值時,汽車吊的影響最不利,則將此Y值計入上弦桿安裝距離偏差。

圖8 汽車吊對第1上弦桿安裝距離的影響曲線

已安裝4個箱梁節(jié)段后開始安裝桁梁,頂推過程中上弦桿安裝距離偏差見表2所列。

表2 上弦桿安裝距離偏差 mm

從表2可以看出,ΔL和ΔL1比較接近,這說明上弦桿安裝距離偏差主要是由箱梁的截面相對轉動所引起的。隨著梁段向前頂推以及支撐臨時墩的增多,施工區(qū)域箱梁的相對轉動逐漸減小,上弦桿安裝距離偏差也在逐漸減小。

3.3 改變上弦桿安裝時間

為了研究在不同頂推階段開始安裝桁梁對上弦桿安裝距離的影響,分別建立頂推5、6個箱梁節(jié)段后開始安裝上弦桿的有限元模型,其他條件與4個箱梁節(jié)段開始安裝桁梁相同。

已安裝4、5、6個箱梁節(jié)段后再開始安裝桁梁的情況下,第1～18根上弦桿的安裝距離偏差為ΔL，如圖9所示。

從圖9可以看出,在4個箱梁節(jié)段后開始安裝桁梁的施工方法中,第1、第2和第6根上弦桿安裝距離的偏差較大,分別為-6.45、-6.23、-4.20 mm,超出了施工允許值。在安裝前4根上弦桿時,ΔL變化幅度比較大,這是因為此時處在頂推初期,導梁受到的支反力、箱梁的彎矩在快速變化。從第7根上弦桿起,安裝間距偏差ΔL大部分都在3 mm內,桿件易于安裝,說明箱桁同步施工方法是可行的。隨著頂推施工的進行,上弦桿的安裝距離偏差也在逐漸減小,但第1、第2、第6根上弦桿安裝距離偏差較大,不符合安裝誤差要求,需要進行調整。安裝5個箱梁節(jié)段后再安裝桁梁,除了第1、第2根上弦桿安裝間距偏差比較大,不符合安裝要求,其余上弦桿安裝順利。安裝6個箱梁節(jié)段后再安裝桁梁,第1、第2、第4、第16根上弦桿安裝不符合要求。

圖9 上弦桿安裝距離偏差

4 改進的桁架拼裝方案

圖9中,隨著頂推施工的進行,主梁長度在增加,但主梁獲得的支撐也在增加,上弦桿安裝距離偏差有逐漸減小的趨勢,因此考慮在原施工流程的基礎上進行改進,考慮不安裝前面若干根上弦桿,而先安裝之后的上弦桿,等到施工區(qū)域主梁處在合適狀態(tài)再安裝前面空缺的上弦桿,即調整上弦桿的安裝順序。經過模擬對比發(fā)現(xiàn),在頂推6個箱梁節(jié)段后開始施工桁梁的基礎上改進能取得較好效果。

具體方法為:當4、5節(jié)箱梁節(jié)段安裝頂推到位時,將桁梁第1、2節(jié)間的斜桿拼成三角形,暫不安裝上弦桿;6節(jié)箱梁節(jié)段安裝頂推到位后,先安裝第2根上弦桿;第7節(jié)箱梁頂推到位后同時安裝第1、3根上弦桿;之后按照一節(jié)箱梁一節(jié)桁梁的方法進行施工。依上述過程建立有限元模型,計算得出上弦桿的安裝距離偏差ΔL。

改進后的上弦桿安裝距離偏差如圖10所示。按改進后的桁架施工,上弦桿安裝距離偏差值ΔL使上弦桿1、2、6均能夠順利安裝,所有誤差均在螺栓允許安裝誤差3 mm以內。

圖10 改進后的上弦桿安裝距離偏差

因此,該方法理論上能夠實現(xiàn)箱桁同步施工,通過調整上弦桿的安裝順序,實現(xiàn)了無輔助措施的上弦桿安裝。

在改進的施工方法中,先安裝桁梁前3節(jié)斜腹桿,暫不安裝上弦桿,第6節(jié)箱梁頂推后,頂推至施工平臺外的梁長在第1臨時墩兩側相對接近,桁梁第2節(jié)間對應箱梁彎曲變形較小,使得第2根上弦桿距離偏差較小;第7節(jié)箱梁頂推到位后,桁梁第2節(jié)間剛好處在臨時墩上方,第1、第3節(jié)間斜腹桿在跨中位置,箱梁彎曲造成斜腹桿轉動較小,上弦桿容易安裝。因此,找到頂推中箱梁比較平衡的狀態(tài)是同步頂推施工的關鍵。

5 改進拼裝方法的實施效果

在裕溪河橋箱桁同步施工過程中,上弦桿安裝均滿足桁架桿件的施工要求。理論計算和實際施工中上弦桿安裝距離偏差的對比如圖11所示。由圖11可知,實際施工中上弦桿安裝偏差均小于3 mm。

圖11 上弦桿安裝距離偏差理論值與實際值對比

部分上弦桿的理論和實際偏差差值較大,由于施工材料堆放、箱梁安裝偏差等多種因素,導致實際施工和模型存在一定的誤差,但是2條曲線整體吻合效果較好,證明利用改進拼裝方法能夠將偏差控制在螺栓孔可調范圍內,實現(xiàn)了上弦桿的順利安裝。

6 結 論

通過本文分析得出以下結論:

(1) 汽車吊荷載對本橋第1根上弦桿安裝距離影響可達-1.28 mm,在上弦桿安裝偏差分析中應考慮汽車吊荷載的影響。

(2) 調整上弦桿開始安裝時間、順序,找到箱梁在臨時墩兩側相對平衡狀態(tài)是同步施工的關鍵,平衡時箱梁彎曲變形較小,上弦桿安裝距離偏差較小。

本文施工順序為6節(jié)箱梁時安裝第2根上弦桿,7節(jié)箱梁時安裝第1、3根上弦桿。箱桁同步施工既可提高施工效率,又可減小輔助措施帶來的初應力,該施工方法為同類型橋梁施工提供了一定的經驗。