大跨度鋼桁架管橋設計分析與施工方案探討

杜 洪 亮

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 前 言

隨著工程建設理念的發(fā)展和國家對環(huán)保、水保及涉河構筑物的要求日趨嚴格，跨河橋梁選擇一跨跨河或跨過主河床已成為新的趨勢。業(yè)內(nèi)急需尋找一種跨越能力較強的結構。鋼桁架是一種古老的結構型式，在鐵路橋梁工程中的應用有著悠久的歷史，近年在公路和市政橋梁中因鋼桁架的獨特優(yōu)勢應用也逐漸增多［1］，但大跨度鋼桁架工程案例有限，對其計算分析和施工方法的研究可供參考的資料較少。

2 項目概況

某鋼桁架管橋主橋設計跨徑為90 m，為一跨跨越主河床，主墩墩高12 m，引橋為30 m小跨徑鋼桁架橋，橋?qū)? m，主桁架高度為6.5 m。主桁為栓接的整體節(jié)點構造，節(jié)點外用高強度螺栓拼接。主桁構件、端斜桿采用Q355C鋼材，構件最大板厚為26 mm。主桁桿件內(nèi)寬均為380 mm。上下弦桿為H截面，上下弦桿件外高420 mm，板厚22～26 mm。腹桿采用H截面形式，為方便現(xiàn)場施工，腹桿與節(jié)點板對拼連接。橋面由縱、橫梁及花紋鋼板組成。行車系下平聯(lián)為交叉型設置，全橋共設置多處橋門架。

3 結構計算分析

3.1 計算參數(shù)

桁架材料：Q355C；荷載：管道及水自重、檢修荷載、二期荷載；溫度作用：整體升溫30℃，整體降溫25℃。

3.2 結構建模

本橋采用橋梁空間分析軟件Midas Civil 2021進行分析，各構件均采用空間梁單元模擬，其主橋整體計算模型如圖1所示。

圖1 鋼桁架整體模型

3.3 結構計算結果

（1）上下弦桿。由圖2可知，弦桿承載能力極限狀態(tài)下的最大應力為179 MPa，小于材料的設計強度。

圖2 上下弦桿應力（單位：MPa）

（2）腹桿。由圖3可知，腹桿承載能力極限狀態(tài)下的最大應力為130 MPa，小于材料的設計強度。

圖3 腹桿應力（單位：MPa）

（3）橫梁。由于橫橋向荷載的影響，端橫梁內(nèi)力最大。從圖4可以看出，橫梁最大應力為195 MPa，小于材料的設計強度。

圖4 橫梁應力（單位：MPa）

（4）平聯(lián)。由于本橋?qū)捒绫容^小，平聯(lián)內(nèi)力較常規(guī)鋼桁架結構大，由圖5可知，平聯(lián)最大應力為73 MPa，小于材料的設計強度。

圖5 平聯(lián)應力（單位：MPa）

4 施工方案比選

鋼桁架橋的常規(guī)施工方法包括支架安裝、少支架安裝、整體吊裝、架橋機安裝、提升架吊裝及頂推安裝等。根據(jù)本項目的結構特點及橋址地形、地貌、水文等情況開展施工方案比選［2］。

（1）起重機安裝。該法適用于橋墩高度較低、場地堅實平坦、具有充足起吊凈空空間和較大的鋼桁架整體拼裝場地的橋梁工程。本橋引橋非常適合采用該方法，但主跨跨越主河床，河道內(nèi)枯水期水量仍然較大，采用起重機進行整體架設時需架設臨時橋梁供起重機使用。

（2）提升架吊裝。提升架設置于已拼裝完成的鋼桁架上，鋼桁架節(jié)段或構件通過便道或起重船運至掉點正下方，再用提升架豎直提升就位。本橋位于非通航河道，采用此法需架設施工便橋。

（3）架橋機安裝。本方法適用于橋下障礙物較多、起重機作業(yè)條件不便，且有構件整體拼裝和存放場地的項目。本項目橋位的引橋處較平坦，可以使用架橋機，對于本橋主跨90 m的鋼桁架，沒有此跨度級別的架橋機成品，且架橋機自身架設也需要輔助墩等臨時措施，因此本橋主橋不適用該方法，引橋可采用此方法。

（4）滿堂支架拼裝。本方法是在梁體正下方搭設支架，再在支架上拼裝構件成橋［3］。該方法需要較長時間占用橋下凈空，且支架搭設工作量較大，橋梁側面需要修建臨時便道或便橋作為材料運輸通道。針對本橋引橋部分可以采用臨時便道，主跨應采用跨河便橋。

（5）少支架拼裝。本方法是在預拼場地將鋼桁架構件拼裝為若干節(jié)段，再在桁架正下方設置多個臨時墩，之后在臨時墩上架設桁架節(jié)段，最后將各個桁架節(jié)段拼裝成整體，成橋后拆除臨時墩。本法同樣需要修建臨時便橋。

（6）頂推施工。該方法是在橋頭設置拼裝平臺，在跨內(nèi)設置臨時墩，利用頂推裝置將拼裝平臺上拼裝后的節(jié)段向主跨頂推，直至全部桁架頂推至設計位置。橋址的場地條件可以采用本方案實施。

（7）施工便橋方案探討。根據(jù)既有成熟的施工方案情況，施工本橋需在橋位附近建設一座臨時便橋。常規(guī)便橋型式主要有兩類，第一類為需在河道內(nèi)設置支撐的結構；另一類為浮式便橋。本橋位于城市內(nèi)河上，業(yè)主及河道主管部門要求永久橋梁一跨跨越主河床，且要求最大限度降低施工期對河道的影響。搭設臨時棧橋需要在水中設置樁基，由于施工周期長，樁基很難拆除，且施工污染水土環(huán)境；在水中設置墩子會影響水流流態(tài)，造成較大局部沖刷，后期不可修復。針對嚴格的環(huán)水保要求，浮橋式便橋是這種情況下的最優(yōu)解決方案，但由于浮橋的橋面高程是由水位直接決定的，當水面與橋梁上部結構高差較大時，無法利用吊機等設備對上部結構進行安裝施工。根據(jù)本橋的具體情況，推薦采用預應力浮橋支架結構輔助施工。

5 預應力浮橋支架系統(tǒng)設計

5.1 系統(tǒng)組成

方案包括浮橋結構、浮橋橋臺、預應力鋼束和張拉臺座等。浮橋結構由若干個鋼結構桁架首尾鉸接，鋼桁架底部設置若干浮箱，兩岸的浮橋橋臺與鋼桁架鉸接連接。2個張拉臺座分設于兩岸橋臺后方，與張拉臺座連接的預應力鋼束設置于所有浮箱下方。浮橋結構由于浮箱的浮力而漂浮于水面。預應力浮便橋布置見圖6。

圖6 預應力浮便橋布置

5.2 實施步驟

根據(jù)橋位處的地形及水文條件確定浮橋的跨徑及伸縮裝置位置。按設計方案中橋臺位置及張拉臺座（或利用永久橋墩）對相應構筑物進行施工。在張拉臺座之間鋪設預應力鋼束，在鋼束上架設浮橋節(jié)段，浮橋節(jié)段間及浮橋節(jié)段與橋臺間設置伸縮縫及鉸鏈；張拉臺座和浮橋橋臺間設置軌道，軌道上設置鋼構架，鋼構架采用鉸接與張拉臺座和浮橋構件連接［4］。使用張拉設備對預應力鋼束施加拉力，隨著預應力的施加浮橋跨中緩慢向上隆起，直至全部浮橋部分形成向上的曲線，再在張拉預應力的同時控制與橋頭剛構架連接的卷揚機，使得鋼構架平穩(wěn)沿著橋臺與臺座之間的軌道向橋臺滑動；隨后將鋼構架與橋臺進行鉸接，形成施工拱架。在此架上繼續(xù)拼接桿件，形成桁架拱，再在拱架頂設置拱上立柱，立柱上設置可滑移支座，作為頂推施工的輔助支撐。

5.3 施工要點

（1）張拉臺座后需設置卷揚機，浮橋橋臺與張拉臺座的間距需根據(jù)成橋支架的拱軸線參數(shù)確定。

（2）預應力鋼束應連接于張拉臺座與浮橋之間的鋼構件的臺座端，并設置張拉錨具。

（3）在浮橋的伸縮縫鉸鏈處設置連接于浮橋鋼架和預應力鋼束間的張拉引導架，張拉引導架的規(guī)格分布按照預應力張拉過程中浮橋中部先突起，由中間向兩岸依次突起的原則設置。

（4）在伸縮縫鉸鏈處安裝上下限位鋼板，保證在張拉過程中各節(jié)段僅可向下限位鋼板方向轉(zhuǎn)角，且每個鉸鏈處的轉(zhuǎn)角均可達到設計角度。

6 頂推施工總體流程

（1）在主跨橋墩附近搭設主桁架拼裝平臺并安設頂推系統(tǒng)。

（2）搭設預應力浮橋支架系統(tǒng)。

（3）逐段頂推鋼桁架。

（4）主跨合龍。

7 結論及建議

（1）本橋的總體應力水平較低，基本可以滿足承載力需求。

（2）本文計算成果僅為對橋梁結構整體應力水平的宏觀評價，構件及節(jié)點均應按現(xiàn)行規(guī)范進行詳細驗算。

（3）本技術也適用于山區(qū)跨越深溝山谷的場地條件。

（4）本方案提供一種頂推施工臨時墩的新型實現(xiàn)方式，將臨時墩的施工轉(zhuǎn)變?yōu)榉汁h(huán)分段的方式進行，可節(jié)省工程造價，保護周邊環(huán)境，降低施工難度，減少施工風險。