公路大跨度梁拱组合钢结构技术分析.pdf

85NO.6/DECEMBER.2023交通建设与管理 影响有影响的人 公路大跨度梁拱组合钢结构技术分析吕慧儒（山西交通建设监理咨询集团有限公司，山西 太原 030012）摘要：为解决公路桥梁建设存在结构复杂、施工难度等诸多问题，以某项目工程为例，探讨大跨度梁拱组合钢结构技术要点。从组合拱分段吊装、主拱卸载等多方面探讨大跨度梁拱组合钢结构施工方法。分析表明，通过将梁和拱两种结构形式相互融合，以创新的方式来实现大跨度桥梁的构建，不仅可以充分发挥梁和拱结构各自的优势，还能够提升承载力、稳定性、耐久性。关键词：桥梁工程；大跨度桥梁；梁拱组合；钢结构技术中图分类号：U445 文献标识码：B 文章编号：1673-8098（2023）06-0085-030 引言在现代交通建设中，公路桥梁作为城市和地区间联系的重要枢纽，不仅需要满足跨越水体、交通干道等的需求，还要具备承载大荷载、稳定性和安全性等多重要求。传统桥梁结构形式在应对大跨度问题时还需完善，因而需要寻找新的创新性解决方案。在这种背景下，公路大跨度梁拱组合钢结构技术应运而生，该技术不仅在跨越性能上取得突破，还在承载能力、刚度等方面有着显著的优势。然而，在此领域尚存在一些不足之处，例如结构设计、施工工艺等方面需要进一步深化研究。本文将重点探讨公路大跨度梁拱组合钢结构技术的原理、技术实施要点，为公路桥梁工程的可持续发展提供创新思路。1 公路大跨度梁拱组合钢结构技术概述公路大跨度梁拱组合钢结构技术是一种高效创新的桥梁建设方法，该技术将梁和拱两种结构形式巧妙融合，以实现更大的跨度、更优越的力学性能和更高的建筑效率。在该技术中，梁和拱作为桥梁主要承载结构，相互协同作用，充分发挥各自的优点。梁能够有效分担桥梁的垂直荷载，而拱则能够抵抗桥梁的水平力，尤其是抗风力作用。通过梁拱的相互支撑和协作，能够实现更大的桥梁跨度，从而减少中间支点的设置，提高桥梁的通航能力和舒适性。在公路大跨度梁拱组合钢结构技术中，钢材作为主要建材，具有高强度、耐腐蚀等优点，能够满足大跨度桥梁的结构要求。此外，该技术还采用先进的制造工艺和装配技术，实现工程施工的高效率和高质量。模块化的设计和预制工程能够减少现场施工时间，提高工程进度1。2 公路大跨度梁拱组合钢结构技术应用2.1 工程概况某公路桥梁工程选用大跨度的结构形式，主要由正交空间管桁架和上部的拱结构组成。其中，上部拱结构呈正交形状，上拱宽度为 6m，下拱宽度为 2m，通过上下拱连杆进行紧密连接。整个桥梁的上拱跨度为 192m，下拱跨度为 108m，呈现出宽大的平面尺寸，适应较大的横向跨度。在桁架主要杆件中，使用截面规格为 180mm8mm 和 700mm40mm 的钢材，材质包括 Q345B 和 Q345GJB；而工程中所用的钢管拱最大直径达到700mm，壁厚达到 40mm，具有坚固的支撑能力。在结构设计中，为增强整体稳定性，桥梁的组合拱桁架端部配置 30 道平面悬挑次桁架，次桁架的悬挑长度达到 5.5m。主要杆件的截面形式包括圆管和箱形，统一使用 Q345B 钢材。2.2 组合拱分段吊装 2.2.1 分段及安装顺序东侧结构的拱桁架构成一个综合体，包括上拱、下拱以及86 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 中间支承杆等组合。在进行这种结构的设计中，重点考虑拼装和分段吊装。为有效地完成这项任务，使用 650t 的机械设备进行主要的吊装工作，辅助使用 50t 汽车起重机。上拱被分解成11 个段落，下拱则被分解成 9 个段落，采用对称吊装的方法。施工过程中，按照从两侧向中间逐步推进的顺序，逐段进行安装，以达到结构整体性的要求。在上拱的安装过程中，每安装完一段拱结构，即时进行上下拱的腹杆连接，使其形成平面桁架结构，以确保结构的横向稳定性。在卸载前，上下拱结构不会承担任何荷载，从而确保其横向稳定性。在组合拱的安装中，通过临时支撑架来分担荷载。现场的安装施工过程中，组合拱采用渐变的结构形式，跨中最大起拱参数为 50mm。在上拱和下拱的安装环节，都需要布置支撑架来满足结构的稳定性标准。在上拱的吊装工作完成后，要立即进行拱间撑杆的连接。撑杆主要采用 400mm16mm、325mm12mm、203mm12mm 等不同规格的圆钢管，根据实际情况设置长度，确保其尺寸符合要求，以避免可能造成的严重危害和影响2。2.2.2 临时支撑设置东侧组合拱体系的安装设计中，涉及两种独立的支撑结构体系，即上拱和下拱的支撑结构体系，同时还有支撑点的设置。下拱桁架的安装中，采用 2m2m1.5m 的支撑体系，共计 5组支撑点以满足所需条件。上拱架在安装过程中，应采用两个上述支撑体系，相互组合，总共包含 8 个支撑点。在组合拱安装的过程中，确保支撑架稳定，使上下拱支撑架与临近混凝土结构有机组合，保证结构连接的稳固性。临时支撑架直接落在混凝土板结构上，下部同样应用相同的支撑架，延伸至基础顶部。在组合拱钢拱架的吊装过程中，为保证下部支撑结构的稳定性，上下桁架结构中间应设置 4 个组合支撑架，中央使用圆管进行支撑，总共 8 个支撑架。下拱架的中央部分应设置 3 个支撑架，使用圆管连接固定。在截面中央位置，采用直径 219mm10mm的圆钢管，再使用直径 60mm3.5mm 的圆管进行连接，以确保连接的牢固性。组合拱桁架的连接中，支撑结构的高度较大，每个支撑架高约 37m，单独使用时稳定性有限。为确保安全性达标，应通过桁架连接两个支撑架，形成整体，并布置剪刀撑和缆风绳，以满足运行需求。2.2.3 组合拱吊装验算借助计算机程序，首先进行结构自重的自动计算，并对其进行 1.35 倍的系数放大，同时还进行节点的附加质量分析。结合工程特点，详细考虑恒荷载、活荷载、温度荷载、风荷载等各种载荷条件下的应力和变形参数。在这些不同工况下，选择适当的参数组合，根据 1.2 恒荷载+1.4 活荷载+0.7 温度荷载+0.6 风荷载的组合，进行应力和变形的综合分析，同时考虑 1.5 倍的放大系数。在进行拱架结构的设计计算中，采用分块吊装方法。在最不利的情况下，结构的最大变形量分别为：x 方向为 9.8mm，y 方向为 13.4mm，z 方向为 23.1mm；而最大应力为 84.6N/mm2。在吊装作业环节中，悬挑跨度的最大变形满足我国国家标准要求的 1/250 限制，最大变形为 48mm，符合技术标准。对于非悬挑跨度的吊装单元，根据变形限制 1/400 进行计算，最大变形为60mm，也符合工程标准的要求3。2.3 主拱卸载在进行卸载操作时，严格按照规定的工艺方案执行是确保施工成果的关键。在此阶段，结构主体与临时支撑彻底分离，摆脱多点支撑的状态，进入自身结构支撑的状态。在这个过程中，结构部件的内力和变形状态始终在变化，而非固定状态，直至最终拆除临时支撑结构。因此，卸载临时支撑是处理永久加载情况的过程，其中内部应力的变化较为复杂。需要强调的是，主拱的卸载操作必须在主体结构安装完毕之后进行。在主拱结构的卸载中，采取先中间后两侧的顺序，最后再卸载支座部位的支撑架结构。在主拱卸载操作中，对挠度进行控制，确保组合拱的最大挠度不超过 15.1mm，同时杆件的最大应力为130.7N/mm2。整个卸载过程中挠度和应力都保持在合理范围内，整体结构的受力状态达到要求。特别值得注意的是，卸载操作中杆件的最大应力出现在组合拱拱架制作附件的弦杆部位。2.4 组合拱卸载前后变形监测在组合拱的卸载操作前后，针对整个拱结构的竖向变形进行详细分析。在上拱的下弦设置 7 个测点，在下拱的下弦设置 5 个测点，以便进行变形的测量。为确定位置，在卸载操作区域安装反光片，利用全站仪进行精确的测量和分析，记录两次位移数据的变化。在拱桁架的变形监测中，监测到卸载后大拱跨的最大竖向位移为 24.4mm，而小拱跨的竖向位移最大为 18.5mm，这两者之间存在一定的差异。在进行拱架变形控制时，监测到两侧的变形量较大，而中心位置的变形较小。通过分析荷载参数值的不同，深入掌握受力条件的差异，从中反映出两个部件之间的关系。2.5 实测在实际的现场安装施工过程中，进行全面的结构尺寸检测，从弹性模量、几何尺寸、连接方式、空间位置等多个角度进行考87NO.6/DECEMBER.2023交通建设与管理 影响有影响的人 量。综合分析结构的受力状况和变形情况，以便更好地掌握结构的性能特点，并采取必要的措施来应对不同情况。为获得结构的振动频率参数，采用脉冲试验的方法进行分析。这种方法通过将环境影响作为输入信号，观察结构微小的振动变化，并对试验参数进行分析。利用位移传感器捕捉结构的响应信号，从而准确确定结构的振动频率是否符合要求。实测频率与计算频率见表 1。根据表 1 的分析结果，可以得知竖向频率为 2.88Hz。而在水平方向上，南北向的频率分布在 2.00 至 3.88Hz 之间，东西向的频率分布也在2.00至3.88Hz之间。然而，与计算数据相比，存在一定的差异。这也表明理论计算与实际参数之间存在明显的差异。因此，需要从多个方面入手，以确保施工标准与现场实际情况相符。3 公路大跨度梁拱组合钢结构施工注意事项（1）在选择钢材时，应严格按照设计要求选择符合规定标准的高质量钢材。在进场前对材料进行全面检验，包括验收合格证明、材料标志、性能指标等，以确保其质量符合要求。（2）为确保焊缝的质量，施工中应当配备经验丰富且经过培训合格的焊工，根据结构的特点和要求选择适宜的焊接工艺。焊接操作过程中，需对焊缝进行全面的检查。可视检查和射线检查等多种方式相结合，以便全面掌握焊缝的质量情况。（3）在组装的各个阶段，必须采用高精度的测量工具，如激光测距仪、测量标尺等，以确保每个构件的尺寸准确无误。更重要的是，必须严格按照设计要求进行尺寸测量，将每个构件的实际尺寸与设计尺寸进行比对。只有当各个构件的尺寸精度达到标准，才能保证结构的组装精度和稳定性。（4）在施工过程中必须严格按照设计要求进行节点连接，采用合适的连接件，确保连接的强度和稳定性。不同类型的连接表 1 实测频率与计算频率（Hz）测点方向测试频率计算频率12341234组合拱桁架跨中竖向2.883.59水平南北向2.003.003.633.884.495.255.396.28水平东西向2.003.88方式，如螺栓连接、焊接连接等，应根据结构的性质和要求进行选择。连接件的材质和尺寸也应与设计相符，确保节点连接能够承受各种荷载和力的作用。（5）临时支撑的布置应严格符合设计要求，包括支撑的位置、数量、材料和尺寸等。每个临时支撑都应具备足够的承载能力，能够有效地分担结构荷载。临时支撑的设置还需要考虑结构的变形情况，以确保在结构调整和组装过程中，能够保持结构的几何形状和稳定性。（6）施工过程中应注重安全，确保工人和施工设备的安全。采取必要的安全措施，如搭设安全网、佩戴安全装备等。4 结语公路大跨度梁拱组合钢结构技术作为现代桥梁工程领域的创新之举，为解决大跨度桥梁工程所面临的各种挑战提供有力的解决方案。具体施工环节通过巧妙地将梁和拱两种结构形式相融合，不仅实现跨度的突破，还在抗力性能和施工效率方面都取得显著的进展。在今后项目开展时，需要重视大跨度梁拱组合钢结构技术研究，不断优化施工现场技术控制，为桥梁建设奠定基础。参考文献1 周玉林，刘军，吴海军，等.大跨度梁拱组合体系 0 号块应力状态分析J.湖南城市学院学报（自然科学版），2019，28（6）：1-5.2 戴公连，唐立新，汪禹.大跨度铁路连续梁拱组合桥的合理边中跨比研究 J.铁道科学与工程学报，2015，12（4）：829-832.3白轮.大跨度梁拱组合钢结构桥梁施工技术J.中国高新科技，2021（9）：46-47.