寧波三官堂大橋桁架制造線形確定方法研究

姜洋

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

寧波三官堂大橋桁架制造線形確定方法研究

姜洋

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

對連續鋼桁架橋分別采用兩種施工方法的結構成橋受力狀態進行了理論推導，并對其桁架制造線形的確定方法進行了研究。分析表明，分別采用中跨設置臨時墩和邊支點頂升兩種施工方法的連續鋼桁架橋可達到相同的成橋受力狀態，除合龍段外的桁架制造線形一致，而合龍段的制造線形應根據不同的施工方法進行調整。

鋼桁架橋；制造線形；臨時墩；邊支點頂升

0　引　言

鋼桁架橋具有承載能力強、結構剛度大的特點，被廣泛應用于鐵路橋梁中。早在19世紀末，國外鋼桁梁橋的主跨跨徑就已突破500m。但隨著跨徑的增加，鋼桁梁橋自重在承載能力中的占比越來越大，承載效率的降低使得該橋型的跨徑未有增加。

近年來，我國鋼橋建設的整體技術水平得到了長足發展，橋梁跨徑不斷增加，橫向寬度越來越大，結構形式也越來越多樣化。目前我國已建成的主跨超過500 m的大跨徑橋梁均采用拱式或纜索承重體系，而鋼桁梁橋的跨徑仍未突破300 m，對大跨徑鋼桁梁橋的設計和施工缺乏相應經驗。

三官堂大橋位于寧波市東部城區，是連接高新區院士路與鎮海區明海大道的跨越甬江通道。由于要求一跨過江，主跨跨徑達到465 m，且橋位臨近莊橋機場，施工過程中橋梁建筑高度也受到限制。采用拱式或纜索承重體系橋梁方案時，矢跨比或塔跨比不在常規取值范圍內，受力體系不合理，經濟性能較差。因此主橋采用連續鋼桁架橋，跨徑布置為160+465+160=785（m），建成后將成為世界上跨徑最大的連續鋼桁架橋，如圖1所示。

桁架采用變高桁，桁式采用N形桁，跨中桁高14.5 m，邊墩頂桁高15.0 m，中墩頂桁高42.0 m；設置雙向八車道，兩榀主桁中心間距33.7 m，中跨橋面寬度45.9 m；桁架基本節間距15.0 m，中墩頂附近為18.75 m。

該橋可采用以下兩種施工方法：一是中跨采用整節段懸臂拼裝施工并在河中適當位置設置臨時墩；二是不設置臨時墩進行中跨懸臂拼裝，為了減小恒載下中支點處負彎矩，需在中跨合龍后對邊支點進行頂升。設置中跨臨時墩可減小最大懸臂狀態下的懸臂端豎向撓度，便于調整合龍口和桁架標高，但臨時墩的反力較大，施工費用較高，且存在一定的船撞風險。因此，該橋施工方法的確定還需從結構受力、經濟性能、施工風險等多方面進行深入的對比研究。

連續鋼桁架橋的成橋受力狀態和制造線形與施工過程密切相關。在施工方法尚不能確定時，如果能確定一種制造線形可適應不同的施工方案，將為施工圖設計帶來極大便利。本文將對比分析連續鋼桁架橋采用不同施工方法時的成橋受力狀態，并對其桁架制造線形的確定方法進行研究。

1　兩種施工方法的成橋受力狀態

1.1中跨設置臨時墩

總體施工流程為：支架上散拼A1～A15節段→整節段懸臂拼裝A16～A25節段→中跨合龍→拆除中跨臨時墩→二期恒載施工。

中跨合龍時，如圖2所示，設臨時墩距中支點水平距離為L，通過千斤頂調整臨時墩支反力為F，由于臨時墩支反力作用引起的邊墩支反力為P1，中支點彎矩M1=FL。

如圖3所示，拆除中跨臨時墩引起的邊墩支反力為P2，中支點彎矩為M2，跨中彎矩為M3，其中M2+M3=FL=M1，由此M1-M2=M3。

將圖2和圖3疊加可得到由于設置中跨臨時墩所引起的結構彎矩，如圖4所示，此時邊墩支反力為P1-P2，中跨彎矩均為M3。

圖1　寧波三官堂大橋總體布置（單位：m）

圖2　中跨合龍工況臨時墩支反力引起的彎矩

圖3　拆除臨時墩工況彎矩

圖4　設置臨時墩引起的結構彎矩

1.2中跨不設置臨時墩

總體施工流程為：支架上散拼A1～A15節段→整節段懸臂拼裝A16～A25節段→中跨合龍→兩側邊支點同時頂升→二期恒載施工。

中跨桁架合龍后，兩側邊支點同時頂升引起的結構彎矩如圖5所示，邊墩支反力為P，中跨彎矩為M。

圖5　兩側邊支點同時頂升工況彎矩

1.3成橋受力狀態對比

對比圖4和圖5，分別由設置中跨臨時墩和邊支點頂升引起的結構彎矩圖形狀相同，由于兩者的邊界條件也相同，因此只需要保證邊墩支反力相同，即P1-P2=P，兩種施工方法的成橋受力狀態就是一致的。

當成橋受力狀態確定時，中跨臨時墩的位置與其支反力是一一對應的關系，可按如下流程求解連續鋼桁架橋的合理成橋狀態和中跨臨時墩支反力：

（1）按照邊支點頂升施工方法確定合理成橋狀態，即確定合適的邊支點頂升量使得連續鋼桁架橋的桁架桿件用鋼量最小，求得邊墩支反力P。

（2）確定中跨臨時墩的位置，設定初始臨時墩支反力F0，求得邊墩支反力P1-P2，如果P1-P2與P的誤差在允許范圍內，則結束迭代計算，否則利用二分法修正F0，直至求得臨時墩支反力F。

下面通過一個算例對上述分析進行驗證，空間計算模型如圖6所示，橋面板采用板單元，其余構件采用梁單元模擬。

圖6　空間分析有限元模型

全橋共設置4個臨時墩，當L=142.5 m時，每個臨時墩的支反力F=1 200 t，邊支點頂升量為0.8 m。設置中跨臨時墩和邊支點頂升兩種施工方案的上弦桿恒載軸力差值如圖7所示，最大差值為1.1 t，與恒載軸力的最大相對誤差為0.2%。由此可知，通過選取合適的參數，可使兩種施工方法在恒載下的受力狀態相同。

圖7　上弦桿恒載軸力差值

2　兩種施工方法的制造線形

采用前進分析法分別按照兩種施工方法的施工步驟對上述算例進行施工過程模擬，計算中考慮構件的切向安裝。桁架弦桿（不包括合龍段）在施工過程中的累積豎向位移如圖8所示，圖中橫坐標為弦桿節點與中支點的水平距離，中跨方向為正，邊跨方向為負。為便于比較，不考慮活載對預拱度設置的影響，將弦桿各節點的累積位移反向即可得到鋼桁架橋的制造線形。

從圖中可以看出，設置臨時墩和邊支點頂升兩種施工方法的豎向位移差值在邊支點處為0.8 m，即為邊支點頂升量，在中支點處差值為0，差值近似為直線，主要是由邊支點頂升引起的結構剛體轉動引起。

將邊支點頂升方案的制造線形（不包括合龍段）繞中支點進行剛體轉動，使得邊支點的制造線形與其成橋位置相同，設置臨時墩與剛體轉動后邊支點頂升兩種施工方案的制造線形豎向差值如圖9所示，最大差值為1.6 mm，兩種制造線形基本一致。

圖8　弦桿節點施工過程累積豎向位移

圖9　弦桿節點制造線形豎向差值

而合龍段的弦桿長度卻有一定差別，與采用中跨設置臨時墩的施工方法相比，邊支點頂升方法的合龍段上弦桿長13.8 cm，下弦桿短13.8 cm，而豎腹桿長度相同。因此，兩種施工方法除合龍段外的桁架制造線形一致，合龍段的制造線形應根據不同的施工方法進行調整。

3　結語

通過分析可以得出以下主要結論：

（1）當連續鋼桁架橋采用中跨設置臨時墩的施工方法時，對于確定的成橋受力狀態，臨時墩的位置與其支反力是一一對應的關系，當臨時墩位置改變時，可通過調整其支反力使得結構的成橋受力狀態不變。

（2）對于分別采用中跨設置臨時墩和邊支點頂升兩種施工方法的連續鋼桁架橋，只要通過選擇合適的設計參數，即臨時墩的位置、支反力和邊支點頂升量，就可達到同樣的成橋受力狀態。

（3）當成橋受力狀態相同時，上述兩種施工方案除合龍段外的桁架制造線形一致。

在寧波三官堂大橋施工圖設計中，推薦采用邊支點頂升的施工方法，并由此確定了桁架制造線形。如在施工過程中采用中跨設置臨時墩的方案，在臨時墩位置確定的情況下，可通過選擇合適的臨時墩支反力使得成橋結構內力狀態以及除合龍段外的桁架制造線形均保持不變，僅需對合龍段的制造線形進行調整，使該橋設計給出的桁架制造線形可適應不同的施工方法。

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1009-7716（2016）04-0095-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.030

2015-12-17

姜洋（1983-），男，黑龍江齊齊哈爾人，工學博士，工程師，從事橋梁結構設計和研究工作。