简支双线钢桁梁桥施工问题研究.pdf

总659期2023年第29期（10月 中）收稿日期：2023-04-13作者简介：刘洪涛（1978），男，工程师，从事公路桥梁建设管理工作。简支双线钢桁梁桥施工问题研究刘洪涛（宜春市公路事业发展中心樟树分中心，江西 宜春 331200）摘要：为探索跨河简支双线钢桁梁桥适用的施工工艺，以具体桥梁工程为例，结合工程实际提出半悬臂顶推法架设钢梁的施工方案，并从支架拼装、临时支墩布设、梁底滑道安装、顶推、落梁等方面对施工控制要点展开分析；应用MIDAS/Civil软件构建单片主桁结构有限元模型，对成桥后结构应力、挠度、预拱度、自振特性等进行模拟分析。结果表明，施工方案可行，钢桁梁桥应力、挠度、疲劳强度等均满足要求，结构处于较好的受力状态。关键词：简支梁；钢桁梁；顶推施工；应力中图分类号：U445.4文献标识码：B0 引言钢桁梁桥因具备较大的跨越能力，重量轻，施工周期短，强度和刚度高，在跨越河流及深沟峡谷等处的桥梁建设中被广泛应用。近年来，随着我国钢桥设计、架设等施工经验的逐渐积累以及正交异性桥面板、整体节点等技术的应用，钢桁梁桥取得巨大发展，但对于跨河桥梁建设而言，其架设会对河道通航产生不利影响，甚至会造成河段通航中断。基于此，以某斜交跨越所在河道的简支双线钢桁梁桥为例，提出在河岸拼装钢梁，并通过在河道内设置临时支墩展开钢梁半悬臂顶推法架设的施工思路，以期为工程实践提供参考。1 工程概况某桥梁设计长度为2.979 km，斜交跨越所在河道，为满足河道双向通航净宽及净高要求，经过论证，主跨采用128 m双线下承式简支钢桁梁结构。钢桁梁为密横梁整体正交异形桥面结构，桥面板通过剪力钉连接15 cm厚的槽板。钢梁主桁主要按照竖杆三角形腹杆体系设计，桁高和桁宽分别为16.0 m、12.1 m，节间长为12.8 m。主桁弦杆为箱梁截面，上下弦杆内高分别为1 260 mm和1 250 mm，箱梁截面内宽为904 mm。桥面板为16 mm厚钢板，下部按照600 mm间距设置U形纵肋，在横梁腹板处开孔穿越。2 施工过程控制该简支双线钢桁梁重量大，配置的高强螺栓多达50 000套。所在河道通航任务重，对桥梁施工时间和空间有严格限定。为此，决定在岸坡临时支架上拼装钢梁，在河道内设置临时支墩，采用半悬臂顶推法架设钢梁1，将桥梁架设施工对河道航运的不利影响降至最低。2.1 岸上支架拼装临时支架在岸坡空地搭设，在搭设好的支架上展开拼装。支架两侧地面必须实施平整硬化，便于材料运输及吊装施工。在4044#墩之间修建临时支墩，支墩上搭设滑道、操作平台及护栏。操作平台预留出0.61.0 m的操作空间，同时将2根16工字钢所制成的钢垫设置在平台上梁端。拼装支架平面按直线布置，下滑道设置在支架上，通过调整节点处滑道高度以调节钢梁预拱度。上滑道刚度必须符合要求，宽度应超出下弦宽，且不得因上滑道变形而引发下弦杆变形。下滑道必须根据桥梁实际运行中最不利荷载进行选用。2.2 河道内临时支墩布设为满足河道内通航要求，在河道中布设2个临时支墩，为控制顶推悬臂长度，临时支墩纵向宽度为16 m，2支墩间距为51.20 m，与主桥墩距离均为18.40 m。完成部分桩体施打后，对管桩展开静力荷载试验，进行桩基实际承载力检测，并根据试验结果，调整桩数和桩长。2.3 杆件安装安装杆件前必须全面复核杆件及连接部结构尺寸，并确保误差位于允许范围内，同时检查杆件结构外部是否存在局部变形、损伤、油漆脱落等情况，保证杆件尺寸、质量、外观均满足施工要求。根据 公路钢结构桥梁设计规范（JTG D642015）复测桥墩及垫石顶高程、中线及跨距，偏差不150交通世界TRANSPOWORLD得超出规范允许值。此后，在待架设桥墩上测放出桥梁端线和中线。考虑到该钢桁梁桥杆件实际重量，拟采用 2台扒杆高度为 32 m 的 70 t履带吊展开现场吊装施工。在施工现场按照“下弦杆桥面系腹杆上弦杆上平联”的次序从一端向另一端拼装钢梁。使用50 t龙门吊吊装杆件，吊装期间，应尽量保持弦杆、横纵梁的水平，以及竖杆的垂直，斜杆倾斜角应控制在3040。拼装期间，应实时测量钢梁水平度、拱度及中线偏差，并将各指标取值控制在允许范围内。2.4 梁底滑道安装按照下滑道连续、下弦杆节点上滑道间断的形式布置滑道，河道内临时支墩所设置的下滑道长度不受节间长度1.25倍的限制，以确保顶推施工期间中间墩总能有1个节点在支撑支架。为保证结构受力的稳定，在主桁下弦杆节点下方设置上滑道，并整体垫高钢梁，使其与上滑道底面标高一致。在相应桥墩上安装2台250 t顶推千斤顶，并在桥墩和临时支墩下弦杆两侧设置横向限位；在梁底端横梁接缝处设置拉锚器。为避免顶推施工期间钢梁发生较大偏斜，还须在滑道外增设导向装置，以限制钢梁横移。2.5 钢梁顶推2.5.1 顶推设备该钢桁梁桥最大顶推悬臂长38.40 m，导梁长6.0 m，导梁重14.5 t，前导梁通过螺栓连接下弦杆。待完成主梁和导梁拼装后展开顶推，顶推力计算公式如下：H=KGF+GI（1）式（1）中：H为设计顶推力，单位t；K为梁桥顶推安全系数，取 1.5；G为待顶推钢梁总重量，单位 t，取2 200 t；F为滑道摩擦因数，取0.1；I为待顶推箱梁设计坡度，单位。经过计算，该钢桁梁桥设计顶推力为330 t，故以4台行程为1.5 m的150 t穿心顶为拖拉设备，并配备OVM锚具和钢绞线。在钢梁前端下弦杆顶梁座处设置固定拖拉点，并在39#墩支架下滑道设置拖拉反力架和千斤顶，借助钢绞线实现牵引拖拉。2.5.2 顶推施工在支架上完成钢梁拼装后通过连续顶推千斤顶的方式，将钢梁从40#墩向39#墩顶推。在此期间，左右千斤顶必须同步行进，偏差超标后必须立即暂停，调整并找正后恢复顶推。顶推全过程中，借助滑道上横向限位，保证顶推轨迹与梁体线形一致。立面则按照平坡行走。钢桁梁标高控制通过台座、桥墩及临时墩顶部滑道标高的调整实现，横向偏移控制通过桥墩及临时墩横向限位控制实现，纵向位移控制则通过千斤顶行程控制而实现2。顶推施工过程中，必须安排专业人员实时检测梁体位移、线形，对于超要求的偏移必须及时纠正。2.6 安装支座及落梁支座安装前必须认真核对支座型号、适用吨位、安装位置、设计前置量等参数，无误后吊放至台顶垫石上3个薄型千斤顶上。39#墩和40#墩交替落梁，每次下落高度不得超出10 cm，直至达到设计标高，确保支座完全受力。按照设计要求测试、调整梁体线形，锚固支座。3 结构受力分析3.1 模型构建为展开结构受力分析，应用MIDAS/Civil构建全桥有限元模型，考虑到该桥梁结构对称，为简化计算，只取单片主桁结构建立模型分析受力。主桁和桥面板通过梁单元模拟，两者之间的连接则通过桁架单元模拟，并以桥面板受力后所产生的主桁响应为模拟重点。这种处理方式与构建全桥模型并将行车荷载和桥面板自重直接建立在纵梁上的情况相比，既能快速模拟出桥梁结构实际受力，又能简化模拟过程，计算结果无明显差异。按照这种思路构建的单片主桁结构有限元模型共包括44个梁单元与10个桁架单元，29个节点。3.2 计算结果及分析应用以上有限元分析所得出的主桁杆件应力仿真模拟结果见表1。根据结果，该简支双线钢桁梁桥主桁杆件在不同荷载组合下应力模拟值不同。以最不利荷载组合下的应力值展开结构受力验算。表1 主桁杆件应力模拟结果荷载组合结构自重恒载恒载+活载1/2活载杆件位置上弦杆下弦杆腹杆上弦杆下弦杆腹杆上弦杆下弦杆腹杆上弦杆下弦杆腹杆轴向应力/MPa-39.6841.1032.59-54.5355.2144.42-154.79159.41132.18-36.7839.4033.69弯曲应力/MPa截面内-9.45-6.120-11.64-7.300-26.4220.8706.86-5.630截面外0016.790019.780038.7000-9.28剪切应力/MPa1.741.550-1.941.630-3.382.85054.7146.200151总659期2023年第29期（10月 中）3.2.1 应力验算根据表 1 模拟结果，该钢桁梁桥最大轴向应力为159.41 MPa，最大弯曲应力为 38.70 MPa，最大剪切应力为54.71 MPa，主桁杆件采用Q370qE钢材。按照设计规范，轴向应力最大值为max=159.41 MPa=210 MPa，弯曲应力最大值为 wmax=38.70 MPaw=220 MPa，剪切应力最大值为 max=54.71 MPa-1，故应当按照以拉为主的拉-压构件展开疲劳验算4。根据设计规范，dn(max-min)=121.8 d 0=146.61MPa，其中d为钢桁梁桥多线系数，取1.21；n为钢桁梁桥受拉构件损伤修正系数，取1.0；0为疲劳应力幅允许值，取121.7 MPa。据此可知，该钢桁梁桥主桁疲劳强度符合要求。3.2.4 自振频率按照设计规范，钢桁梁桥横向刚度主要采用水平挠度和自振频率2个指标加以衡量。其中，自振频率是桥梁结构的固有振频，也是体现桥梁结构横向刚度的关键性指标。应用有限元模型，对该钢桁梁桥自振频率展开计算，结果见表2。表2 钢桁梁桥自振频率计算结果振频/Hz第1阶第2阶第3阶第4阶1.7321.9214.1854.278振型主桁架随桥面系横向振动桥跨呈竖向对称半波振动桥跨呈竖向反对称半波振动主桁架随桥面系横向扭转振动根据表中结果，在第1阶振频作用下，主桁架随桥面系发生横向振动，表明该钢桁梁桥横向刚度较弱，1.732 Hz的振动频率也超出1.340 Hz的规范参考值；在第2、3阶振频的作用下，结构均表现为竖向振动；第4阶振动频率作用下，结构表现为横向扭转振动。也就是说，在振动频率相差较小的情况下，横向振动和竖向振动交替出现，表明该钢桁梁桥横竖向刚度较为均衡；此外，桥梁主桁尺寸及横梁高度确定时必须兼顾结构平面刚度，由于结构具有较大的扭转刚度，故扭转振型出现晚。4 结束语综上所述，简支双线钢桁梁桥中主桁是关键性受力杆件，上弦杆在受到竖向荷载作用时受压，下弦杆受拉，且有限元模拟结果表明，上弦杆受压所表现出的轴向应力始终小于下弦杆受拉产生的轴向应力。该钢桁梁桥施工过程中，根据轴向应力确定施工材料，并在主桁结构中增设横向连接，在桥面系设置预拱度，加强结构竖向挠度及结构整体刚度控制。对施工过程中结构受力的有限元分析表明，该桥梁挠度、应力、疲劳强度等均满足设计要求，其施工实践也为类似公路桥梁建设提供了经验借鉴。参考文献：1 张同文.简支钢桁梁桥设计方案优化分析J.江西建材，2022（11）：164-165.2 谢馨，杜萍.简支钢桁梁桥的极限状态法与容许应力法对比J.交通科技，2021（4）：53-57.3 梁显伟，张义强，李国峰.大跨度简支钢桁梁施工精度控制技术研究J.公路，2020，65（6）：73-75.4 严伟，完海鹰，陈安英，等.简支钢桁梁桥转体滑移施工及力学分析J.工程与建设，2019，33（5）：804-807.152