曲线钢管混凝土连续桁架桥拖拉施工关键技术研究.pdf

2 0 1 2年第 9期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i ng 5 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5( 2 0 1 2) 0 9 0 0 0 5 0 3 曲线钢 管混凝土连续桁架桥拖拉施 工关键技术研究 王海 良， 杨 新磊 ， 任 权 昌， 董 鹏 ， 王振 宇 ( 天津城市建设学 院 土木工程系 ， 天津3 0 0 3 8 4 ) 摘 要 ： 以 ( 4 0 7+9 4 5 5+ 4 0 7 ) IT I 钢 管 混凝 土 空间 曲线 连 续 梁桁 架桥 为 工程 背 景 ， 通过 对 其施 工过 程 的仿真模拟 ， 重点研究了导梁设计、 滑块局部受力、 施工过程稳定性等相关问题 ， 为曲线钢管混凝土连续 桁 架桥 的拖 拉施 工提 供 了技 术 支持 。 关 键词 ： 钢 管混 凝 土 空 间桁 架拖拉 施 工 导 梁 滑块 局部 受力 稳 定性 中图分 类号 ： U 4 4 1 4 ； U 4 4 5 4 6 1 文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 - 1 9 9 5 2 0 1 2 0 9 0 2 1 工 程概 况 某 桥上 部结 构为 钢管 混凝 土连 续桁 架结 构 ， 左 、 右 两幅分开设置 ， 两 幅之间通过跨 中及墩顶钢管桁架联 结成整体 ， 主梁的横截面见图 1 。全桥共有三联 ， 本文 着重对第一联的主桁架施工进行 了研究 ， 其 中第一联 分跨 为 ( 4 0 7+9 4 4 5+4 0 7 ) n l ， 位 于 半 径 R=3 5 6 i n平面曲线上， 盖梁横坡从 2 变化到 5 。主桁架施 工 的主 要过 程为 ： 现 场 分 段 焊 接 、 台后 分段 组 拼 、 三跨 ( 四跨 ) 拖拉 就 位 ， 待 主 桁 架合 龙 后 ， 浇筑 主桁 架上 、 下 纵向钢管内混凝土， 再现浇桥面混凝土。第一联拖拉施 工分段 情 况 为 ： 第 一 联 0 台一4 墩 四跨 、 4 墩一 8 墩 四 跨 、 8 墩一 1 1 墩三跨分别 作为一个 拖拉跨 。 钢 钢管混凝土下弦 8 I 3 8 1 3 r I 1 2 2 5 0 【 图 1 主 梁 的横 截 面示 意 ( 单 位 ： mm) 2 导 梁选 择 导 梁是 桥梁 在拖 拉施 工 时为 了减少 主梁 的最 大悬 臂长度和内力而在主梁前端设置的临时性结构 ， 通 常 情况 下 应保 持导 梁 的线 形 与 主 梁 一致 。 由于本 桥 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 1 9 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 2 0 5 - 2 0 基金项 目： 天津市 自然科学基 金重点项 目( 1 2 J C Z D J C 2 8 9 0 0 )； 住房 和城 乡建设部研究开发项 目( 2 0 1 1 K 2 1 8 ) ； 天津 市高等学 校科 技 发展基金计划项 目( 2 0 1 0 0 9 0 4 ) 作者简介 ： 王海 良( 1 9 6 6 一) ， 男 ， 河北定州人 ， 教授 ， 硕士。 是 曲线 连续 梁桥 ， 且 为空 间桁架 桥 ， 故导梁 设计 成与 主 梁 同 曲率 的 曲线 空 间 桁 架 结 构 。根 据 该 桥 的结 构 特 点 ， 导梁 采用 与 主梁一 致 的截 面形式 ， 分别 沿 主梁桁 架 上 、 下 弦管 的平 面 曲线 设 置导梁 的上 、 下 弦管 ， 上 、 下 弦 管 的节 点 问用角 钢联结 ； 在 平 面上导 梁上 、 下 弦管桁 架 节间为直 线 ， 节点 处 为 曲线变 化点 ， 采 用 以 “ 直 ” 代 “ 曲” 的处 理 方式形 成 曲线 。已有 文 献表 明 ： 一 般 导 梁的长度与主梁跨度的比值 O 为 0 6 5 ， 导梁与主梁的 刚 度 比 y为 0 2 ， 导梁 与 主 梁 重 度 比 为 0 2左 右 时 导 梁较 为合 理 、 经济 。结合 该大 桥 的结构 特点 ， 分析 了 不同导梁长度、 不 同刚度比下结构的受力特点 ， 具体结 果 见 图 2 。 图 2表 明 ： 对 于 钢管 混 凝 土 空 间桁 架 曲线 连 续 梁 桥 ， 导梁与主梁的刚度 比 介于 0 0 50 2 2之间， 单 位 长度 重量 比 JB介 于 0 1 3 4 0 2 0 3之 间 ， 导 梁 与主 梁 桁架 的长度 比 O 介于 0 6 10 7 4之 间时为宜。当导 梁 与主 梁 的刚度 比 =0 0 5 ， 导 梁 长 度 为 3 0 m 时 ， 在 施工 过 程 中导梁 的最 大竖 向位移 最 小 ， 此 时 主梁 的上 、 下 弦管 的最 大组 合 应力 符 合 规 范 要 求 。 因此 ， 该 大 桥 最终 选 用下 弦管 为 4 ) 3 0 0 mm， 壁 厚 2 0 mm 的钢 管 ， 上 弦 管为 4 ) 1 0 0 m m， 壁 厚 1 0 m m 的钢 管 ， 节 点 间距 为 3 m， 长度 3 0 m的导梁。单幅桁架 的导梁结构形式示意 如 图 3所 示 。 3拖拉滑块局 部应 力分 析 滑块 是在 平 面钢板 上 间隔焊 制一 定尺 寸 的凹形竖 向钢板制成 ， 然后通过抱箍按一定间距 固定在下弦管 上。在滑块安装时， 应保证滑块间距符合设计要求 ， 同 时应 确保 各滑 块 竖 直及 滑 块 边 线顺 直 。上 、 下 滑道 均 用 2 0 m m 厚 的钢 板 焊 接 而成 ， 上 、 下 滑 道 间 应涂 抹 黄 油 。下 滑道 为拖 拉过 程 中的 支撑 体 系 ， 并 通 过 下滑 道 6 铁道建筑 寻粱长度， m ( a ) 组合应力 比较 导梁长 度， m ( c ) 主梁 上弦管最大组 合应力对 比 l 蠢 毯 复 捌 导粱 长度 m ( b ) 最大竖向位移比较 导粱长度 ， m ( d 1 主粱下弦管是 大组合应力对 比 图 2 不同导梁长度和刚度 比下的参数 比较 图 3 单 幅导梁结构形式示 意 将水平力传递给盖梁， 下滑道和盖梁刚性连接 ， 盖梁通 过预埋钢板和下滑道焊接形成整体 。滑块结构横截面 参见 图 6 。 空 间桁架 结构 的拖拉 、 顶 推不 同于 整 体箱 形 结 构 的拖 拉 、 顶推 。大悬 臂 时 ， 前 支点 承受较 大 的支撑 反力 从而导致滑块将承受较大的应力 ， 同时， 对于 曲线桥 的 拖拉还要考虑梁体的扭转。为了确保施工过程中拖拉 滑块 不 出现强 度 问题 ， 采 用通 用有 限元 软件 A N S Y S对 钢管桁 架 拖拉 时 滑块 的局 部 应 力进 行 了分 析 。其 中 ， 下弦管、 滑块和滑道均采用 S o l i d 4 5单元来模拟 ， 荷载 按桁架最大悬臂阶段时的局部下弦管的轴力 、 剪力 、 弯 矩 ， 然后再 以压强的方式分别加载到下弦管两个端面 上 ， 滑 道 的底板 四边 采用 固结 。 经 计算 得 知 ， 滑 块 上 的 竖 向承 托 钢 板 的 中点 附 近 呈 现 出较 大 的应 力 ， 虽然 没有 超过 钢材 的屈服 应力 ， 但 已接近剪切屈服应力。为改善此处受力状况 ， 采用两 种 方式进 行加 强 ： 一 种 是在 竖 向承 托 钢板 间增 设 横 向 隔板 ， 一种 是在 竖 向承 托 钢 板 间增 加 竖 向隔板 。如 图 4和 图 5所示 。 图 4 加横 向隔板 图 5 加竖 向隔板 对 两种 改进方 案进行 了有 限元 分析 。为 了方便 比 较 ， 将滑块竖 向承托钢板加横隔板 的情形定为方案 1 ， 加 竖 向隔板 的情形定 为方 案 2 。不 同位 置点 ( 见 图 6 ) 的米塞斯 应力 值见 表 1 。其 中点 3为 滑块 竖 向板 的 中 点位置 ， 点 5为滑块与滑道的接触点。 由表 1 数据可以看 出， 两种改进方案均对 1 、 2 、 3 点的米赛斯应力没有明显 的影响， 这是因为影响下弦 管的应力变化的主要 因素是导梁对桁架的作用。相 比 方 案 1而言 ， 方案 2的 点 4和点 5位 置 处 的应 力 状 态 改 善情况 较 为显著 。方案 2不仅 减小 了滑块竖 向承 托 钢 板 的应 力水 平 ， 而且 还减 缓 了 滑块 与滑 道 接 触点 间 2 0 1 2年第 9期 曲线钢 管混凝土连续桁架桥拖拉施工关键技术研 究 7 图 6 滑块上各应力点 的位 置 表 1 不 同情况下 的各点米 塞斯 应力值 MP a 的应力 集 中 ， 故建 议 施 工 时采 用 在 滑 块 的竖 向承 托 钢 板 中加 竖 向隔板 的方 案 。 4拖拉施工的稳定性分析 拖拉施工过程中桁架结构会受到风荷载的横向作 用 ， 而处于悬臂状态的钢管空间桁架 曲线连续结构受 影响更大， 所以在施工过程 中要特别关 注钢管空间桁 架曲线连续结构在风荷载的横向作用下的桁架结构稳 定性 。根据 公路桥涵设计通用规范( J T G D 6 0 2 0 0 4 ) 中有关风荷载 的计算规定 以及施工地点的实际 概况 j ， 考虑主梁及导梁空 间杆件 的迎风面积 ， 确定 主梁 上 弦管 、 下 弦管 ， 导 梁 上 弦管 、 下 弦管 的风 荷 载 等 效值 分别 为 0 2 0 0 ， 0 6 0 0 ， 0 1 3 0及 0 0 6 7 。 运 用有 限元 软 件 Mi d a s C i v i l 模 拟 了 1 3种 不 同 工 况下结构的稳定性， 并用稳定系数来表示。其中： 工况 1 ， 导梁 前进 3 0 I n ； 工况 2 ， 导 梁 到 达 1 墩未 支 撑 ； 工 况 3 ， 导梁 到达 1 墩 支撑 ； 工 况 4， 导 梁过 1 墩 3 0 n l ； 工 况 5 ， 导梁到达 2 墩未支撑 ； 工况 6 ， 导梁到达 2 墩支撑 ； 工况 7 ， 导 梁过 2 墩 3 0 m； 工 况 8 ， 导 梁 到 达 3 墩未 支 撑 ； 工况 9 ， 导梁到达 3 墩支撑 ； 工况 1 0 ， 导梁过 3 墩 3 0 r f l ； 工况 1 1 ， 导梁 到 达 4 墩 未 支撑 ； 工 况 1 2 ， 导 梁 到 达 4 墩 支 撑 ； 工 况 1 3 ， 导 梁 过 4 墩 3 0 n l ， 即拖 拉 到 位 结束 。同时 ， 在分析时考虑 了两种情况 ： 一种是两幅导 梁 间未 加横 向联 结 ， 另一 种 是 在 两 幅 导 梁之 间加 一 定 刚度的横向联结 ， 使两幅导梁形成整体。两种情况在 不同工况下的稳定系数见表 2 。 表 2不 同工况下的稳定 系数 由表 2数 据可看 出， 本桥 的施 工稳定 系数符合 公路桥涵钢结构及木结构设计规 范( J T J 0 2 5 8 6 ) 中稳 定 系数 应不 小 于 1 3的 相应 规 定 ， 说 明 在 风荷 载作用下该桥的拖拉施工具有一定的安全性 。对 比加 设 横 向联结 前后 的稳 定 性 系 数 ， 可 知 采 取 在 两 幅 导梁 间加横向联结的措施后 ， 每个工况 的稳定系数均有所 增加 ， 加强导梁的整体刚度对钢管空间桁架连续梁 的 顶推 施 工 的稳 定性 有显 著 提高 。 5 结 语 1 ) 对 于钢 管 混凝 土 空 间桁 架 梁桥 的拖 拉 、 顶推 施 工 ， 导 梁 与 主梁 桁 架 的 刚 度 比 介 于 0 0 50 2 2之 间 ， 单 位 长度 重量 比 卢介 于 0 1 3 40 2 0 3之 间 ， 导 梁 与主梁桁架的长度 比 介于 0 6 1 0 7 4之间时为宜 ； 2 ) 拖拉、 顶推施工过程 中， 滑块竖 向承托 钢板加 设竖向隔板可显著减小其局部应力 ； 3 ) 加 强双 幅导 梁 间 的横 向联结 ， 增 加 其 整 体 刚 度 对钢管空间桁架连续梁的拖拉、 顶推施工 的稳定性 有 显著提高。 参 考 文 献 1 王卫 锋 ， 林 俊锋 ， 马 文 田 桥梁 顶 推施 工 导梁 的优化 分 析 J 工程力学 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 2 ) ： 1 3 2 1 3 8 2 陈霜兵 ， 彭康福 ， 郗 玉兵 东海大桥 近岛段工程 8 5 0 l lf l 曲 线顶推梁钢导梁设计与施工 J 桥梁建设 ， 2 0 0 4 ( 增 ) ： 2 4 2 6 3 田仲初 ， 张 华平 顶推 施工 中导 梁 的合理 配置 J 世界桥 梁 ， 2 0 0 5 ( 4)： 4 1 4 3 4 徐宏 ， 杨敏 ， 王欣 ， 等 风荷载对连续钢桁梁悬拼施工影 响的 仿 真分析 J 铁道 标准设计 ， 2 0 0 9 ( 增 ) ： 6 4 6 7 5 中华人民共和国交通运输部 J T G D 6 0 -2 0 0 4 公路桥涵设 计 通用规范 S 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 4 6 中华 人民共和国交通 运输部 J T J O 2 5 8 6 公路桥 涵钢结 构 与木 结构设计规范 s 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 8 7 ( 责任审编孟庆伶)