長聯大跨連續鋼桁梁懸臂拼裝全過程仿真研究

趙汗青,任為東,高靜青,金 令,王海彬

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055； 2.中鐵大橋局集團第一工程有限公司,鄭州 450053)

引言

鋼桁梁橋因具有承載能力強、跨越能力大、自重輕和施工速度快等優點而被廣泛運用到公路和鐵路橋梁工程中[1-3]。而在鋼桁梁架設過程中，為了得到較好的經濟效益和施工效率，需要根據施工現場實際情況，選擇最適合的鋼桁梁架設施工方法。目前，國內應用在連續鋼桁梁橋中比較常見的施工方法有：懸臂拼裝法、頂推施工法和浮運架設法[4-8]。

在懸臂拼裝法方面，趙前進等[9]對玉磨鐵路元江雙線特大橋的施工場地布置和臨時墩布置進行了較為詳細的介紹，并系統分析了上承式連續鋼桁梁的懸臂拼裝方法和合龍方法。王玲等[10]采用Midas Civil軟件模擬鋼桁梁主橋的施工階段，研究半懸臂拼裝過程的線形控制方法。陳濤[11]針對滬蘇通長江公鐵大橋，介紹了大節段鋼梁雙懸臂架設的施工工藝。鄭光[12]對采用分階段懸臂安裝的連續鋼桁梁橋進行線形監控和應力監控。

在頂推施工法方面，胡軍等[13]針對蒙華鐵路洞庭湖特大橋主橋，分析了鋼梁頂推法架設的施工難點及關鍵技術。李兆峰等[14]、田亮等[15]和婁松等[16]對頂推施工中鋼桁梁橋關鍵節點進行力學分析，并對大型鋼桁梁頂推施工進行可行性分析和安全性分析。王金良等[17]分析了鋼桁梁頂推施工時軸線偏移對桿件應力的影響。舒彬等[18]以利津縣黃河鐵路特大橋連續鋼桁梁為例，研究連續鋼桁梁多點同步頂推施工的關鍵技術。張奉春[19]以黃大鐵路黃河特大橋的(120+4×180+120) m連續鋼桁梁為例，分別介紹了鋼桁梁的頂推施工技術和施工過程中的監控技術及措施。

在浮運架設法方面，段賢昌[20]和李曉東[21]介紹了采用浮運轉體法架設鋼桁梁的關鍵施工技術。陳海[22]以新長鐵路大運河特大橋的鋼桁梁為例，著重介紹了在浮運平臺上拼裝并架設鋼桁梁的關鍵施工方法。

1 工程概況

鄭濟高鐵鄭州黃河特大橋于鄭州市東北部跨越黃河，航道等級為規劃Ⅳ級，凈空要求為8 m。橋址位于黃河沖積平原區，地形平坦，地勢開闊。沿線所經過的地質條件較為復雜，主要包括：第四系全新統人工堆積層(Q4ml)填土，第四系全新統沖積層(Q4al)粉土、粉細砂、中砂、粉質黏土，第四系上更新統沖積層(Q3al)粉土、粉細砂、中砂、粉質黏土。

鄭州黃河特大橋主橋全長2 016 m，其中連續鋼桁梁結構的跨徑為(112+6×168+112) m。鋼桁梁為三主桁結構、雙層橋面布置，上層為雙向六車道公路橋面，下層為鄭濟雙線鐵路和市域雙線鐵路共四線鐵路橋面[23]。主橋效果圖如圖1所示。

1.1 主桁

主橋為三主桁下弦加勁鋼桁梁，平行弦部分的邊桁桁高15.0 m，中桁桁高15.24 m，中支點桁高加高15.0 m(圖2、圖3)，通過調整加勁弦桿豎板形狀使得橋梁立面呈現拱形構造。

圖2 標準橫斷面(單位：m)

圖3 中支點橫斷面(單位：m)

主桁弦桿均采用箱形截面，板件根據需要設板式加勁肋。腹桿大部分采用箱形截面，部分豎桿采用H形截面。

1.2 橋面系

公路混凝土橋面板的寬度為32.5 m，支承在鋼梁上弦，并通過剪力釘與鋼桁梁上弦連接起來，從而實現共同受力的目標。

鐵路橋面系采用正交異性鋼橋面板，鋼橋面板上的防護墻內側鋪設15 cm厚的混凝土橋面板，橋面板與無砟軌道底座板連接，橋面兩側防護墻外設置通信、信號、電力電纜槽。

2 施工方案簡介

2.1 總體施工布置

鄭濟高鐵鄭州黃河特大橋主橋采用懸臂拼裝法架設。主橋共設置2處合龍口(南合龍口和北合龍口)，分為3個主要施工部分。分別以382號墩和兩個交界墩378號墩、386號墩為架梁起點，利用龍門吊架設拼裝鋼桁梁桿件。在跨徑范圍內設置若干臨時墩作為臨時支撐點。連續鋼桁梁施工布置立面如圖4所示。

圖4 (112+6×168+112)m連續鋼桁梁施工布置立面 (單位：m)

2.2 施工步驟

鄭濟高鐵鄭州黃河特大橋主橋(112+6×168+112) m連續鋼桁梁分3部分，采用懸臂拼裝施工，主要施工步驟如下。

(1)步驟1：在382號墩搭設墩旁托架，利用龍門吊拼裝起始節間鋼桁梁。在378號墩～379號墩之間和385號墩～386號墩之間分別搭設北岸邊跨拼裝支架和南岸邊跨拼裝支架，并利用龍門吊在拼裝支架上拼裝鋼桁梁，如圖5(a)所示。

(2)步驟2：以382號墩、378號墩和386號墩為起點，利用龍門吊分別由中間向兩側、由兩側向中間懸臂架設鋼桁梁，架設至臨時墩時，將臨時墩墩頂與鋼桁梁底部抄墊緊密，形成臨時支撐，如圖5(b)所示。

(3)步驟3：繼續架設鋼桁梁，當鋼桁梁架設至永久墩墩頂位置時，利用千斤頂將鋼桁梁起頂至計算高程位置，安裝墩頂臨時抄墊塊，然后利用千斤頂將鋼桁梁緩緩回落，完成鋼桁梁的上墩，如圖5(c)所示。

(4)步驟4：按照以上步驟和順序架設鋼桁梁，直至合龍口位置，如圖5(d)所示。圖6為鋼桁梁架設的現場照片。

圖5 (112+6×168+112) m連續鋼桁梁架設步驟

圖6 鋼桁梁架設現場

(5)步驟5：當全部臨時墩和臨時支架與鋼桁梁之間脫空，調節合龍口坐標，安裝合龍口臨時鎖定結構，完成合龍。

3 仿真模擬

為了研究(112+6×168+112) m連續鋼桁梁在施工過程中的內力情況，保證其順利架設，采用有限元計算軟件Midas Civil建立分析模型，進行施工階段分析。模型總節點數為18 479個，總單元數為32 836個，合龍后的整體模型如圖7所示。

圖7 空間有限元整體模型

其中，鐵路鋼橋面板采用板單元模擬，鋼桁架和縱橫梁簡化為梁單元；公路混凝土預制橋面板簡化為均布荷載；采用只受壓節點彈性支承模擬臨時墩和拼裝支架；使用節點強制位移荷載模擬頂落梁施工過程。

3.1 材料

(112+6×168+112) m連續鋼桁梁的鋼結構材質主要為Q370qE鋼，部分桿件采用Q420qE鋼。由規范[24-26]可知，鋼材主要力學性能如表1所示。

表1 鋼材的主要力學性能

3.2 荷載

荷載主要考慮了鋼桁架自重、鐵路橋面板自重、公路橋面板自重、施工不平衡荷載、風荷載的影響。

3.2.1 結構自重及剛度

模型中單元的重力與實際鋼梁的重力存在一定區別，為了保證計算結果的準確性，通過調整材料的容重進行修正，使得模型的自重與設計理論值保持一致。

因為模型中單元的剛度與實際鋼梁的剛度存在一定區別，所以為了保證計算結果的準確性，通過調整材料的彈性模量來調整，使得模型預拱度計算值與設計理論值基本保持一致，如圖8所示。

圖8 預拱度模型計算值與設計理論值對比

3.2.2 施工不平衡荷載

在鋼桁梁兩側雙懸臂架設的施工階段，可能會出現架設速度不對稱的情況，產生不平衡荷載。本文假設雙懸臂架設的一側進度比另一側快3根桿件，則不平衡荷載取1 500 kN，如圖9所示。

圖9 施工不平衡荷載

3.2.3 風荷載

根據鄭州地區100年重現期的10 min平均最大風速可知，平坦空曠距常水位高度20 m的風荷載強度為0.5 kPa。鋼桁梁橫向受風面積按橋跨結構桿件中心線輪廓面積乘以0.4取值[26]。

3.3 重點施工階段劃分

結合理論分析與模型試算，進行(112+6×168+112) m連續鋼桁梁的重點施工階段劃分，如表2所示。

表2 重點施工階段劃分

3.4 主要計算分析結果

3.4.1 結構應力

如果在最不利情況下，鋼桁梁構件的梁單元應力滿足規范要求，則認為鋼桁梁架設施工過程是安全的。表3為重點施工工況中梁單元應力計算結果。

表3 重點施工工況中模型計算結果

由表3可知：

(1)在378號墩～北合龍口之間的懸臂架設過程中，鋼桁梁的梁單元應力最大值為195 MPa，小于規范設計值210 MPa；

(2)在382號墩～南北合龍口之間的懸臂架設過程中，鋼桁梁的梁單元應力最大值為194 MPa，小于規范設計值210 MPa；

(3)在386號墩～南合龍口之間的懸臂架設過程中，鋼桁梁的梁單元應力最大值為195 MPa，小于規范設計值210 MPa。

3.4.2 橫向抗傾覆驗算

橫向抗傾覆驗算采用公式(1)計算[22]。

(1)

式中，kqf為橫向抗傾覆穩定系數，取2.5；∑Sbk，i為穩定力矩之和；∑Ssk，i為傾覆力矩之和。

綜上，鄭濟鐵路鄭州黃河特大橋主橋(112+6×168+112) m連續鋼桁梁在懸臂架設施工過程中是安全的。

4 結語

鄭濟鐵路鄭州黃河特大橋主橋(112+6×168+112) m連續鋼桁梁采用兩側分別向中間與中間向兩側同時進行的懸臂架設施工方法，大大縮短了施工工期。利用Midas Civil軟件，建立大跨連續鋼桁梁的有限元分析模型，研究各施工階段鋼桁梁構件的受力情況，找出最不利情況，并分析最不利情況下鋼桁梁的受力情況以及進行橫向抗傾覆驗算。結果表明，在鋼桁梁懸臂架設過程中構件應力最大值小于規范設計值，橫向抗傾覆驗算滿足規范要求，驗證了鋼桁梁懸臂架設施工過程是安全的。目前，鄭濟鐵路鄭州黃河特大橋主橋已經順利合龍，可為今后長聯大跨連續鋼桁梁橋的設計施工提供參考和借鑒。