大跨度簡支鋼桁梁雙懸臂架設(shè)穩(wěn)定性控制技術(shù)*

項 梁，羅 英

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

滬通長江大橋水中非通航孔橋采用21孔112m簡支三主桁鋼桁梁形式，主桁為帶豎桿的華倫式桁架，桁架中心橫向間距為2×14.5m，中心桁高16m，每跨共10個節(jié)間，中間節(jié)間長11m，端部節(jié)間長10.8m?？傮w施工采用“先連續(xù)后簡支，懸臂拼裝”的施工方案，施工過程中通過臨時桿件進(jìn)行焊接連接，使得多跨簡支鋼桁梁變成連續(xù)鋼桁梁，進(jìn)行懸臂拼裝。整個施工過程先由簡支結(jié)構(gòu)變連續(xù)結(jié)構(gòu)，再由連續(xù)結(jié)構(gòu)變簡支結(jié)構(gòu)，進(jìn)行兩次體系轉(zhuǎn)換。

項目首跨架設(shè)方案采用滿堂支架法和雙懸臂架設(shè)法，其中22號墩處采用雙懸臂架設(shè)工藝，如圖1所示，整體架設(shè)工藝為：①利用1 100t·m塔式起重機(jī)安裝22號墩墩旁支架；②塔式起重機(jī)安裝22號墩墩頂兩側(cè)各2個節(jié)間鋼桁梁，并進(jìn)行墩頂臨時連接；③塔式起重機(jī)安裝橋面吊機(jī)；④橋面吊機(jī)雙懸臂架設(shè)至上墩。

圖1 雙懸臂架設(shè)示意

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合現(xiàn)場具體條件，綜合考慮安全、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益等方面因素，鋼桁梁采用雙懸臂架設(shè)工藝主要面臨的難題有以下3個方面：①構(gòu)件自重大，單孔重達(dá)3 300t，單個桿件自重最大達(dá)50t；②雙懸臂架設(shè)懸臂跨度大，最大懸臂達(dá)109.5m；③橋址處大風(fēng)天氣多發(fā)，最高基本風(fēng)速38.2m/s，且22號墩墩高>60m。這3個方面均對施工過程中結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)，本文主要介紹高墩、大跨度鋼桁梁雙懸臂架設(shè)整體穩(wěn)定性控制技術(shù)。

2 穩(wěn)定性控制思路

鋼桁梁懸臂架設(shè)時通常采用在墩旁設(shè)置支架，通過強(qiáng)大的支架和墩頂支座剛接保證鋼桁梁懸臂架設(shè)期間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如南京大勝關(guān)長江大橋，墩旁托架與鋼桁梁、主墩墩身剛接，連成一體，共同受力，雙懸臂拼裝時，可提供足夠的強(qiáng)度和剛度克服不平衡力矩，確保結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

但本項目墩高>60m，且單孔鋼桁梁結(jié)構(gòu)自重較大，常規(guī)設(shè)計的墩旁托架無法滿足要求。因此，對結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行分析，本項目為簡支鋼桁梁，墩頂處有雙排支座，支座間距2.4m，雙懸臂架設(shè)時可提供一部分彎矩抵抗平面內(nèi)不對稱彎矩，同時主梁為三主桁結(jié)構(gòu)，兩邊桁的間距為29m，在支座處設(shè)置足夠強(qiáng)大的限位裝置，可提供平面內(nèi)不對稱彎矩抗力。因此，112m大跨度鋼桁梁雙懸臂架設(shè)時可多措并舉確保施工方案安全可行：①三主桁漸次上墩，減小最大懸臂狀態(tài)下結(jié)構(gòu)自重；②支座后裝，降低起始墩支座處鋼梁預(yù)抬高度(未設(shè)置預(yù)抬量)；③墩旁托架保證平面內(nèi)穩(wěn)定；④起始墩支座限位，保證鋼桁梁平面外的穩(wěn)定性。

3 穩(wěn)定性控制分析與措施

3.1 三主桁漸次上墩

為了控制鋼桁梁架設(shè)的整體穩(wěn)定性和墩頂區(qū)應(yīng)力，最大限度減小上墩前安裝荷載：減少小縱梁安裝，每個節(jié)間懸臂架設(shè)期間僅安裝中間2道(共計6道)；采用三主桁分桁漸次上墩，降低最大懸臂前端荷載，如圖2所示，整跨共10個節(jié)間，安裝順序為：橋面吊機(jī)懸臂拼裝完成8個節(jié)間→橋面吊機(jī)不前移，安裝第9節(jié)間的半個節(jié)間→安裝第10節(jié)間的中桁下三角區(qū)，完成中桁支墊→中桁處千斤頂頂升5cm，保證后續(xù)安裝桿件時墩頂區(qū)應(yīng)力不增加→安裝10節(jié)間1個邊桁→安裝完成剩余的第9節(jié)間及第10節(jié)間剩余桿件。

圖2 鋼桁梁分桁漸次上墩主要順序

上述措施使得上墩前安裝完成的鋼桁梁自重減小約10%，墩頂處鋼桁梁上弦桿最大拉應(yīng)力減小30MPa，提高主梁施工期間的安全性，減少主梁的整體穩(wěn)定性控制措施。此時，最大懸臂狀態(tài)下鋼桁梁前端的位移為-937mm，為保證懸臂端鋼桁梁順利上墩，通常在尾部墩頂處提前支墊，但傳統(tǒng)方法導(dǎo)致尾部墩頂處穩(wěn)定性控制難度更大，本文采用“跨間臨時連接夾角+前端支座后裝”方案，即在墩頂臨時連接桿件的夾角，使墩頂兩側(cè)鋼桁梁呈“V”形，夾角為179.506°，可使鋼桁梁產(chǎn)生向上位移482mm，懸臂前端的剩余位移量為-455mm；施工過程中采用支座后裝方案，支座高600mm>455mm，可使鋼桁梁架設(shè)前端先擱置在墊石上，待所有節(jié)間架設(shè)完成后在鋼桁梁端部進(jìn)行頂升，約700mm后使支座滑移到位，完成支座安裝即可，起始墩處無須為了上墩而提前墊高，提高了整體穩(wěn)定性(見圖3)。

圖3 上墩墩頂支座后裝

3.2 墩旁托架優(yōu)化設(shè)計

墩旁托架的作用包括：①承受墩頂節(jié)間和橋面吊機(jī)的安裝荷載；②保障鋼桁梁安裝期間結(jié)構(gòu)平面內(nèi)穩(wěn)定。通過采用3.1節(jié)介紹的施工措施后減小了最大懸臂狀態(tài)下鋼桁梁自重，減小了墩旁托架設(shè)計難度，下面對墩旁托架設(shè)計進(jìn)行分析。

3.2.1無墩旁托架分析

通過建立有限元模型，在不考慮不平衡力和墩旁托架支撐作用下，鋼桁梁結(jié)構(gòu)自身是穩(wěn)定體系。在最大懸臂狀態(tài)下墩頂處鋼桁梁最大拉應(yīng)力為279MPa，最大壓應(yīng)力為-242MPa，鋼桁梁應(yīng)力不滿足設(shè)計與規(guī)范要求，因此托架需提供較大支撐力。托架支撐節(jié)點應(yīng)選擇有豎桿和斜桿連接節(jié)點，離22號墩最近的節(jié)點為第2節(jié)間前端底部節(jié)點E2，此時各節(jié)間架設(shè)完成后E2節(jié)點處的位移如表1所示。

表1 E2節(jié)點處位移 mm

3.2.2墩旁托架設(shè)計

鋼桁梁在雙懸臂架設(shè)期間，隨著懸臂長度的增加，支架支撐點E2處位移逐步增加，如表1所示，托架所受力也逐步增加，同時支架設(shè)計剛度越大，支架所受內(nèi)力也越大，因此托架需選擇一個合理的剛度提供支撐力，確保懸臂架設(shè)期間在支架不脫空的情況下控制好支架內(nèi)力。

墩旁托架采用格構(gòu)柱形式，為避免設(shè)置支架基礎(chǔ)，墩旁托架支承于承臺上，頂部支承于鋼桁梁E2節(jié)點處，通過試算，墩旁托架立柱采用φ800×8鋼管較合理，可改善支架頂部和底部局部受力，隨著鋼桁梁架設(shè)，托架支點承受的鋼桁梁自重內(nèi)力過大，且這部分鋼桁梁自重可由鋼桁梁自身承受，因此可采取措施釋放部分托架內(nèi)力。

3.2.3墩旁托架主動控制技術(shù)

本項目托架不承受平面外的不平衡內(nèi)力，僅提供平面內(nèi)的不平衡內(nèi)力，因此鋼桁梁架設(shè)過程中可釋放托架支點處位移來主動控制托架內(nèi)力，同時保證一定支撐力來承受鋼桁梁平面內(nèi)不平衡彎矩。通過建立有限元模型對支點處位移釋放進(jìn)行敏感性分析，最大懸臂架設(shè)狀態(tài)下在支架支撐點處釋放位移10，15，20，25mm，分析結(jié)果如表2所示，計算分析中考慮了結(jié)構(gòu)自重、施工臨時荷載、風(fēng)荷載及整體升降溫。

表2 托架頂部支點釋放位移敏感性分析

由表1，2分析可知，鋼桁梁在架設(shè)完成6號節(jié)間時，釋放支點20mm位移，托架與鋼桁梁不脫空，此時托架頂單點反力平均減小約2 000kN，墩頂支座處單點反力平均增加2 000kN，將荷載轉(zhuǎn)移到永久支座上，此時托架構(gòu)件最大應(yīng)力為195MPa，滿足規(guī)范要求，為抵抗平面內(nèi)的不平衡彎矩提供了更高安全系數(shù)。

施工過程中，托架頂部空間位置有限，無法設(shè)置噸位較大的千斤頂，因此分2次頂升，釋放位移，千斤頂頂力控制在2 000kN以內(nèi)，即第5，6節(jié)間架設(shè)完成后頂升鋼桁梁，抽取10mm支墊。

3.3 側(cè)向穩(wěn)定性控制

在墩旁托架支撐進(jìn)行懸臂架設(shè)情況下，大懸臂鋼桁梁架設(shè)還需考慮平面外的穩(wěn)定性，特別是項目所在地長江口，風(fēng)速大，施工期間的平面外穩(wěn)定性分析考慮2種計算工況：①工況1(正常施工工況) 正常施工到最大懸臂狀態(tài)(懸臂梁不對稱施工)疊加正常施工風(fēng)荷載。不考慮鋼桁梁與支座摩阻力的情況下，在縱向邊桁支墊處單個需提供 2 048kN 的縱向約束力以抵抗平面外不平衡彎矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)；橫向承受了風(fēng)荷載的推力按兩跨均采用滿風(fēng)荷載計算，單個墩頂合計需提供側(cè)向限位力 3 449kN。 ②工況2(極限工況) 對稱施工到第8節(jié)間，疊加極限風(fēng)荷載。不考慮鋼桁梁與支座摩阻力的情況下，在縱向邊桁支墊處單個需提供 3 329kN 的縱向約束力以抵抗平面外不平衡彎矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)；橫向承受了風(fēng)荷載的推力按兩跨均采用滿風(fēng)荷載計算，單個墩頂合計需提供側(cè)向限位力6 157kN。

項目具體實施措施如下。

1)橫向約束 為防止施工期間在橫風(fēng)作用下鋼桁梁出現(xiàn)橫向側(cè)滑或傾覆，在22號墩墩頂采取橫向約束措施。墩頂施工過程中在中桁支座墊石兩側(cè)設(shè)置預(yù)埋件，后在預(yù)埋件上焊接型鋼，通過型鋼對拉結(jié)構(gòu)形成橫向限位，對拉采用8根φ40精軋螺紋鋼筋，預(yù)拉力為625kN，如圖4a所示，單組橫向限位裝置可提供6 000kN水平抵抗力。

圖4 22號墩橫、縱向限位結(jié)構(gòu)

2)縱向約束 雙懸臂拼裝過程中，鋼桁梁未上墩頂前，最大懸臂長度達(dá)100m，考慮縱坡和大風(fēng)導(dǎo)致的縱向滑移，需對鋼梁進(jìn)行臨時縱向限位。支座墊石施工過程中在邊桁支座墊石4個角點位置設(shè)置預(yù)埋件，后在預(yù)埋件上焊接型鋼，通過型鋼對拉結(jié)構(gòu)形成縱向限位，對拉采用精軋螺紋鋼筋，如圖4b所示。該裝置同時可抵抗雙懸臂結(jié)構(gòu)體系的扭力。單組縱向限位裝置可提供2 000kN水平抵抗力。

4 結(jié)語

2020年7月，滬通長江大橋全線通車，項目的實施為大跨度簡支鋼桁梁橋的懸臂架設(shè)提供了良好示范，結(jié)合項目結(jié)構(gòu)自身特點，提出適合于本項目的穩(wěn)定性控制措施。

1)減少最大懸臂狀態(tài)下鋼桁梁安裝荷載和上墩時所需支墊高度。

2)墩旁托架僅提供部分結(jié)構(gòu)支撐和抵抗平面內(nèi)彎矩，不提供抵抗平面外不平衡彎矩。

3)墩頂設(shè)置限位，并提供抵抗平面外不平衡彎矩。

4)通過有限元分析選擇合適剛度的墩旁托架，并采取主動控制措施，保證墩旁支架結(jié)構(gòu)受力安全。

通過以上多種措施，確保112m鋼桁梁全懸臂架設(shè)的穩(wěn)定性，可為類似橋梁架設(shè)提供借鑒。