裝配式管桁架公路鋼橋施工可行性研究

劉玉娟，郭銳

（1.山西工程科技職業(yè)大學，山西 太原 030031；2.山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030012）

1 引言

我國現(xiàn)有裝配式公路鋼橋的最大架設跨度為69m，實際應用中架設最大跨度僅為60m。隨著我國大跨徑橋梁的增多，現(xiàn)有的裝配式結構已無法滿足交通運輸、抗震救災、水毀等橋梁的應急搶修需求[1]。在此背景下，結合交通運輸部企業(yè)技術創(chuàng)新資助項目《軍民兩用新型大跨裝配式公路鋼橋》（2013315490060），提出了一種新型的裝配式管桁架公路鋼橋，該方案是在英國艾克羅裝拆式橋產品的基礎上提出來的，將桿件改為強度和剛度更高的矩形鋼管，通過節(jié)點箱用銷栓進行連接，以加快拼裝速度。

裝配式橋梁的拼裝架設方法有滿堂支架法、設臨時墩法、懸臂推出法、整孔吊裝法和轉體法，其中，滿堂支架法適用于跨越干涸或水深較淺、凈空不高的河道，設臨時墩法適用于跨越干涸或水深較淺的河道或山谷，懸臂推出法適用于不能架設支架或臨時墩的溝谷，整孔吊裝法適用于交通便利或大型設備可以進入的場地或通航河道，轉體法適用于順橋向預制場地狹窄或兩岸山體強度較高的情形。蔣曙萍[2]分析了ZB-450型大跨度裝配式公路鋼橋的鋼橋拼裝、架設的要點及難點，該橋采用懸臂推出法架設橋梁。昌燈明等[3]以洪塘大橋西側引橋段的施工為例，對全橋的懸臂推出法進行了有限元分析和靜載試驗。楚玉川等[4]利用ANSYS對裝配式鋼橋的“跨騎式”和“懸掛式”兩種架設方法的關鍵環(huán)節(jié)進行了比較分析。研究發(fā)現(xiàn)，懸臂推出法的適用性較高，技術也較為成熟，故本文采用兩種不同的導梁結構對裝配式管桁架公路鋼橋進行懸臂推出法的有限元模擬分析，重點分析研究施工過程中結構的位移、應力和穩(wěn)定性問題，為該新型裝配式管桁架公路鋼橋的推廣應用提供參考。

2 裝配式管桁架公路鋼橋構造

2.1 桁架組成

裝配式管桁架公路鋼橋的組成包括主桁架、支撐體系和橋面系。上下弦桿、斜腹桿、豎腹桿及節(jié)點箱構成主桁架部分；支撐體系包括上平聯(lián)和下平聯(lián)，其中上平聯(lián)由橋門架、中橫聯(lián)、拉桿組成，下平聯(lián)由連接橫梁之間的拉桿組成；橫梁、縱梁和U型鋼橋面板組成橋面系。具體組成如圖1所示。

2.2 桁架單元

如圖2 所示，上下弦桿是采用長度為9000mm 矩形鋼管，截面尺寸為250mm×250mm×24mm；豎腹桿和斜腹桿均采用截面尺寸為250mm×250mm×10mm 的矩形鋼管，長度分別為5710mm和6683mm；橋門架和中橫聯(lián)采用定制長度的管桁架單元；上平聯(lián)中的拉桿采用d30的圓鋼，下平聯(lián)中的拉桿采用70mm×70mm×8mm的角鋼；橫梁采用40 號工字鋼，縱梁采用100mm×100mm×6mm的矩形鋼管，橋面板采用U型鋼橋面板。

圖2 桁架單元（mm）

2.3 桁架連接構造

裝配式管桁架公路鋼橋的連接構造擬采用節(jié)點箱銷接連接體系，各桿件的長度在有限元計算分析時，選取的是結構的節(jié)間長度，未考慮節(jié)點箱部分的尺寸，上下弦桿的端部通過釋放梁端約束的方式進行銷接連接的模擬。

3 懸臂推出法架橋程序

3.1 架橋程序

裝配式公路鋼橋采用懸臂推出法進行施工，一般的步驟為：

①對現(xiàn)場進行踏勘，并選擇合適的橋位中線，以確定橋梁的合適跨徑。

②提出擬建處的基礎處理方案，計算填挖數(shù)量，確定基礎標高。

③搖滾和平滾安裝好后，拼好橋梁，采用機械牽引，推出橋梁[5]。

④推出過程中應保持橋梁平衡，橋梁的重心在整個推出過程中應在推出的岸上。

⑤橋梁落座前，拆除導梁，千斤頂所承受的力應均勻傳至結構，確保一次落座。

3.2 推出穩(wěn)定校核

公路鋼橋采用懸臂推出架設時，為保證推出過程中結構的穩(wěn)定性[6，7]，需對下述問題進行驗算：

①平衡狀態(tài)的滾軸承載力校核。

當推出至搖滾前后處于平衡狀態(tài)時，此時的推出重量均由搖滾承受，因此需對所有搖滾的承載力進行校核。

②正橋尚未搭上搖滾的滾軸承載力校核。

臂架推進對岸搖滾，正橋并沒有搭上搖滾，這一階段就會出現(xiàn)對岸搖滾最大負荷，此時只有兩個搖滾支持著橋架（正橋搭上后才有四個搖滾支撐），需對所有滾軸的承載力進行校核。

③推出時橋梁的穩(wěn)定性驗算。

橋梁推出過程中，搖滾穩(wěn)定力矩要比傾覆力矩大。

3.3 下弦接頭的應用

橋梁在推出時，由于自身重量使導梁下垂，以及對岸標高高于推出岸，使導梁前段低于對岸搖滾標高而無法搭上，須在導梁下弦相鄰的兩節(jié)桁架之間安裝下弦接頭[8]，用銷子連接起來，使導梁前端翹起，以便獲得一定的抬高度。抬高度必須大于兩岸高差與導梁前端下垂度之和，從而使橋梁順利到達并通過對岸搖滾[9，10]。

下弦接頭在導梁各種位置的鼻端抬高高度見表1。

表1 接頭位置和導梁端抬高度

4 施工階段模型建立

懸臂推出法需要在鋼梁前端設置導梁，根據(jù)導梁結構不同分為兩種方案：一是采用裝配式管桁架拼裝單元作導梁，二是用貝雷片作導梁。

4.1 裝配式管桁架拼裝單元作導梁

采用裝配式管桁架拼裝單元在橋的前端或后部組裝一個臨時的導梁或尾部壓重梁，導梁與主梁之間通過特殊的連接桿件進行連接，如圖3所示。這種牽引方法適用于裝配式管桁架拼裝單元己經(jīng)成為常備構件的情況，前提條件是備用構件較多且在最大荷載下下弦桿能夠承受所產生的彎曲應力。

圖3 裝配式管桁架拼裝單元作導梁的懸臂推出法

導梁采用裝配式管桁架拼裝單元拼裝而成，最大程度利用已有構件。導梁的結構形式與主梁相似，上、下弦采用主梁結構豎腹桿，斜腹桿采用主梁結構豎腹桿和斜腹桿，橫向聯(lián)系采用原結構橫向聯(lián)系，節(jié)點連接采用專門用于導梁的節(jié)點箱。90m跨徑推出方案的導梁全長57.07m，為主梁長度的0.634倍。導梁在前端第二、三節(jié)間的下弦處裝設有抬高節(jié)點箱，使前端翹起以抵消導梁的下?lián)隙?，如仍有下?lián)系綄Π逗髮⑶岸隧斊?，則導梁能到達對岸的搖滾上，以使橋梁順利就位，如圖4所示。

圖4 推進鋼梁布置圖

考慮場地的限制，頂推過程中主桁架分為6段進行拼裝，每段為兩節(jié)桁架，長18m，最后一段壓重梁段為3節(jié)桁架，長27m，如圖5所示。頂推前，需要對導梁進行提前拼接，同時還需要提前拼接第1個主桁梁段。

圖5 主桁分段示意圖

為適應較短的拼裝場地，懸臂推出分10次進行，即導梁和第1個主桁梁段拼裝完后第一次推出懸臂，當主桁架拼完梁段后進行第二次推出，依次類推，待主桁架拼裝完后，進行最后一次推出導梁至對岸。當導梁到達對岸，結構由懸臂體系轉換為簡支體系后，即可進行邊牽引邊拆卸導梁直至主桁架到位。

4.2 貝雷片作導梁

采用貝雷片作導梁的懸臂推出法在傳統(tǒng)的“321”型和“200”型裝配式鋼橋上應用較成熟。導梁的結構形式是三排三層，如圖6所示。由于本橋主桁架與“321”型和“200”型裝配式鋼橋相比桁高較高，對于主桁架連接處導梁來講，其必須要保證是三層結構。導梁在條件允許的情況下可以選擇三排或雙排結構，最好不要采用單排桁架。

圖6 貝雷片作導梁的懸臂推出法

導梁是用貝雷片拼裝而成。導梁的結構形式為變截面梁，即用貝雷片按三排三層、三排雙層、雙排雙層、雙排單層、單排單層并按每四節(jié)間變化的規(guī)則拼裝，在前端第二、三節(jié)間的下弦處裝有下弦接頭，使前端翹起以抵消導梁的下?lián)隙龋箤Я耗茼樌竭_對岸的搖滾上，從而使橋梁順利就位。導梁尾部是采用貝雷連接桿豎向一側與裝配式管桁架單元的連接，背向一側的下端連接于主桁架端節(jié)點箱上，上端與斜連接桿的下端相連，而斜連接桿的上端被連于上弦桿端節(jié)點箱上，橫向連接是用“600”型桁架的專用長橫梁、支撐架和交叉桿等組拼成整體。導梁由21 節(jié)“321”標準貝雷片連接而成，總長63m。具體布置如圖7所示。

圖7 推進鋼梁布置圖

主桁分5段，如圖8所示。各段長度分別為13.5m、18m、18m、18m、22.5m，最后一段壓重梁段為3節(jié)桁架，長度為27m。

圖8 主桁分段示意圖

為適應較短的拼裝場地，懸臂推出分10次進行，即導梁和第1 個主桁梁段拼裝完后第一次推出，懸臂長18m，當主桁架拼完梁段后進行第二次推出，懸臂長36m，依次類推，每次推出18m。待主桁架拼裝完后，進行最后一次推出導梁至對岸。當導梁到達對岸，結構由懸臂體系轉換為簡支體系后，即可進行邊牽引邊拆卸導梁，直至主桁架到位。

5 結果分析

5.1 位移值

采用兩種形式的導梁進行施工階段分析后得到各施工階段的位移值，見表2，其中在最大懸臂階段的位移等值線如圖9所示。

表2 施工階段位移值

圖9 最大懸臂階段位移圖

由表2和圖9可知，采用懸臂推出法在最大懸臂階段（CS5）導梁懸臂端的位移最大，當采用裝配式管桁架拼裝單元作導梁時位移值為79.16cm，當采用貝雷片作導梁時位移值為110.70cm，由表1可知，在安裝下弦接頭后可使得導梁前端翹起，以便獲得一定的抬高度，因此位移均在合理范圍之內。

5.2 組合應力

采用兩種形式的導梁進行施工階段分析后，得到各施工階段的組合應力值見表3，其中在各主要階段的應力圖如圖10、圖11所示。

表3 施工階段組合應力值

圖10 主要施工階段組合應力圖-裝配式管桁架拼裝單元作導梁

圖11 主要施工階段組合應力圖-貝雷片作導梁

由表3和圖10、圖11可知：

裝配式管桁架拼裝單元作導梁時，推出岸搖滾處導梁上下弦桿應力最大，導梁和主桁架連接處由于桁架桿件尺寸相差不大，應力不大。組合應力最大值出現(xiàn)在最大懸臂階段，最大拉應力為168MPa，最大壓應力為174MPa，均未達到材料的屈服強度。其他施工階段的導梁和主桁架單元應力均較小，滿足強度要求。

貝雷片作導梁時，推出岸搖滾處導梁上下弦桿、導梁和主桁架連接處桁架構件以及導梁層數(shù)和排數(shù)變化處豎桿應力較大，在實際中可合理設計連接處使其截面變化變緩。組合應力最大值出現(xiàn)在最大懸臂階段，最大拉應力為305MPa，最大壓應力為333 MPa，均未達到材料的屈服強度。其他施工時期，導梁和主桁架單元有著相對較小的應力。

模型中所查看的應力均為組合應力，考慮了軸力和彎矩的共同作用，在建模中節(jié)點處做共結點處理。實際應用中，桁架單元受軸力作用且由于連接板的存在應視為鉸接，導梁處局部應力稍大也較為合理。

5.3 屈曲系數(shù)

橋梁在懸臂推出過程中，很有可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，因此很有必要對施工階段橋梁進行屈曲分析。利用Midas Civil對結構進行屈曲分析，從而對施工階段裝配式管桁架公路鋼橋的整體穩(wěn)定性進行檢驗。在進行屈曲分析時，考慮的屈曲荷載=自重+K×（公路Ⅱ級荷載+橫橋向風荷載）?？紤]到裝配式結構的特殊性，施工周期很短，在進行風荷載計算時，設計基本風速取15m/s（相當于7級風）。

各施工階段的屈曲系數(shù)K、最大懸臂階段（CS5）的一階屈曲模態(tài)如圖12所示。

圖12 施工階段屈曲系數(shù)

與貝雷片作導梁時相比，采用裝配式管桁架拼裝單元作導梁時的各施工階段的屈曲系數(shù)總體更大些，總體趨勢基本一致，均為先下降后回升。采用兩種不同導梁的施工階段屈曲系數(shù)最小值均出現(xiàn)在最大懸臂階段（CS5），分別為16.62和4.87，除此之外，其他各施工階段的屈曲系數(shù)均大于4，滿足結構穩(wěn)定性要求。

5.4 穩(wěn)定校核

通過對懸臂推出法的施工階段進行分析，需要對以下三種情形進行穩(wěn)定性校核計算，以保證在整個施工過程中安全，避免發(fā)生傾覆。

5.4.1 平衡點時滾軸的承載力校核

當橋推出至平衡點時，搖滾承受著主桁架和導梁的全部重量。

當采用裝配式管桁架拼裝單元作導梁時，正橋重1846.3kN，導梁重719.9kN，總重2566.2kN。搖滾承受荷載亦是如此，搖滾中每一滾軸的設計荷載之和應大于2566.2kN，以保證推出過程中的安全。

當采用貝雷片作導梁時，正橋重1846.3kN，導梁重704.0kN，總重2550.3kN。一對搖滾承受荷載亦是如此，搖滾中每一滾軸的設計荷載之和應大于2550.3kN，以保證推出過程中的安全。

全部重量落于搖滾上，前端雖有下垂度，但因抬高量比較大，故出現(xiàn)除梁壓于搖滾上外，其余滾軸全部與梁脫開，前端有少量的上、下起伏的“點頭”現(xiàn)象，此時可用工人穩(wěn)定，同時可調整梁偏移到正確位置。

5.4.2 正橋尚未搭上搖滾時滾軸的承載力校核

導梁完全推過對岸搖滾，同時正橋并沒有搭上搖滾，這種情況下就會出現(xiàn)對岸搖滾最大負荷，一付搖滾對桁架支撐。

G計算如下：

式中，為正橋跨徑，m；為導梁跨徑，m；為正橋重力，kN；為導梁重力，kN。

當采用裝配式管桁架拼裝單元作導梁時，G 為935.5kN；當采用貝雷片作導梁時，G 為973.6 kN。未超過平衡點時滾軸的設計荷載，故滿足要求。

5.4.3 推出時橋架的穩(wěn)定性驗算

最不利的施工階段是最大懸臂階段，故對該階段進行穩(wěn)定性驗算。

①當采用裝配式管桁架拼裝單元作導梁時，懸臂段導梁重力W1=440.7kN；懸臂段正橋重力W2=493.47kN；搖滾之后正橋段重力W3=741.4kN。則有：

傾覆力矩M1=64.5W1+18W2=37308 kN·m

穩(wěn)定力矩M2=27W3=20018 kN·m

因此，該階段傾覆力矩M1＞穩(wěn)定力矩M2，考慮在正橋末端配置三節(jié)段主桁架（W4=360.5 kN）進行壓重，壓重后穩(wěn)定力矩M2'=M2+67.5W4=44352kN·m，壓重后該階段的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.19（M2'/M1）。

②當采用貝雷片作導梁時，懸臂段導梁分為三排三層、三排雙層、雙排雙層、雙排單層、單排單層多種布置，需分段計算傾覆力矩。重量分別為W11=222 kN、W12=134 kN、W13=99 kN、W14=59 kN、W15=46 kN。懸臂段正橋W2=426.2 kN；搖滾之后正橋段重力W3=948.9 kN。則有：

傾覆力矩M1=33W11+45W12+57W13+69W14+81W15+13.5W2=32561 kN·m

穩(wěn)定力矩M2=31.5W3=29862 kN·m

因此，該階段傾覆力矩M1＞穩(wěn)定力矩M2，考慮在正橋末端配置一段主桁架（W4=137kN）進行壓重，壓重后穩(wěn)定力矩M2'=M2+76.5W4=43042 kN·m，壓重后該階段的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.32（M2'/M1）。

6 結語

①位移值最大值均出現(xiàn)在最大懸臂階段，采用貝雷片作導梁時的位移值大于采用“600”型管桁架構件作導梁時的位移值，但均可通過安裝下弦接頭以使導梁前端翹起，因此各施工階段的位移均滿足要求。

②組合應力最大拉壓應力值均出現(xiàn)在最大懸臂階段，其中“600”型管桁架構件作導梁時，最大拉壓應力未超過材料設計強度；貝雷片作導梁時，最大拉壓應力超過材料設計強度但未達到材料的屈服強度；其他施工階段的導梁和主桁架單元應力均較小，滿足強度要求。

③兩種導梁方案下各施工階段的屈曲系數(shù)總體趨勢基本一致，屈曲系數(shù)最小值均出現(xiàn)在最大懸臂階段，各施工階段的屈曲系數(shù)均大于4，滿足結構穩(wěn)定性要求。

④通過對導梁在平衡點以及正橋尚未搭上搖滾時的滾軸的承載力進行校核，只需搖滾的設計承載力達到計算值，即可保證結構安全，最大懸臂推出階段的穩(wěn)定性驗算結果表明，兩種導梁方案在該階段均需配置一定數(shù)量的梁段進行壓重，以避免推出時發(fā)生傾覆。