懸臂拼裝鋼箱梁斜拉橋線形施工控制

鄒雨亭

（廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引 言

懸臂拼裝的鋼箱梁斜拉橋施工控制過程中，需要確定主梁的無應力構形和安裝線形。安裝線形指的是不同吊裝工況下待安裝梁段懸臂端的連線。無應力構形指的是主梁在胎架上的制作構形。安裝線形關注的是鋼梁吊裝現場線形的控制，無應力構形關注的是鋼梁制作現場梁段的預制長度和梁段間預拼接角度。安裝線形的意義較為明確，但考慮到鋼箱主梁懸臂拼裝過程中的線形受溫度的影響，直接按照安裝標高理論值進行鋼箱主梁定位變得不可行。無應力構形卻不直觀且不夠被重視，梁段在工廠預制時不計算無應力構形，而直接按設計構形進行預制，要么以安裝線形作為無應力構形進行預制[1-3]。對于前種做法，對于全焊接接口鋼箱梁可通過現場切割頂、底板鋼梁長度來調整接頭拼裝角度，勢必造成大量的現場切割工作量，而對于全栓接鋼箱梁幾乎很難實現。對于后者做法，顯然是錯誤的，因安裝線形為不同吊裝工況下的線形，以之為基準來預制無應力構形，將會導致待安裝梁段與已安裝梁段間的夾角過大而造成焊縫寬度要么過寬，要么過窄，與之伴隨的是焊接殘余應力對結構的不利影響[4]。

綜上所述，本文以南寧市某雙塔鋼箱梁斜拉橋為工程背景，首先以單片梁為研究對象，采用ANSYS 建立其在吊裝工況下的局部模型，得出梁段在吊裝過程中的變形對無應力構形幾乎沒有影響。其次以全橋為研究對象，以局部計算結果為支撐，采用Midas Civil 模擬施工過程建立全橋模型，通過一種巧妙的建模方法“一次性激活除合龍單元以外的所有單元（僅有剛度，無自重），荷載按實際施工過程加載”，提出了鋼箱主梁無應力構形和安裝線形的計算方法。最后給出了考慮溫度效應影響的鋼箱主梁定位標高的計算公式，為今后類似項目線形提供參考。

1 工程概述

該橋主橋跨徑布置為（45+100+300+100+45）m雙塔雙索面連續鋼箱梁斜拉橋，為半漂浮體系，橋寬39 m，橋面設雙向6 車道，設計荷載為城市-A 級。上部結構為橫向分離的封閉鋼箱梁，兩分離主梁中間采用橫箱連接，箱內梁高3.438 m。索塔采用單柱式空心薄壁圓端型變截面，斜拉索按“密索”布置，標準索距為12 m，索面形狀為豎琴型。橋型立面圖如圖1 所示。

圖1 橋型立面圖

根據本工程結構特點和區域地形、地貌及施工條件，鋼箱梁安裝施工總體思路為：采用整節段水路運輸，在主塔附近靠邊跨側搭設棧橋及支架，支架上安裝變幅式桅桿吊機，采用倒退拖拉和吊機前移方法拼裝邊跨12～3號鋼箱梁，邊跨鋼箱梁安裝完成后利用吊機安裝墩頂0～1號鋼箱梁，接著安裝2號鋼箱梁使得邊跨合龍，再繼續往中跨安裝直至全橋合龍[5-7]（見圖2、圖3）。

圖2 邊跨鋼箱梁安裝方案圖

圖3 中跨鋼箱梁安裝方案圖

2 梁段無應力構形的確定

鋼主梁斜拉橋的懸臂拼裝不能像混凝土梁段那樣實現梁端間轉角和懸臂端標高的較大調整，完全依靠斜拉索索力調整標高，將導致較大的內力誤差。更為嚴重的是，必然導致主梁較大的拼接誤差。誤差的累積使得線形偏離理論值較多，很難再調整過來[3-4]。

在無應力構形確定之前，需要思考一個問題，即如何模擬梁段的吊裝。常規做法是，吊裝下一片梁時僅在前一片梁段橋面吊機前、后錨點所在節點處施加集中力，以模擬待吊裝梁段的重量。這種方法建模進行線形控制忽略了一個問題，即待吊裝梁段自重作用下的變形是否會對線形的控制產生影響。本文通過建立ANSYS 建立局部分析模型給予了回答。

2.1 有限元模型的建立

取4 個梁段為研究對象，采用板單元SHELL 181 模擬鋼箱梁頂板、底板、腹板、橫隔板及U 型加勁肋，分析吊裝第5 片梁的工況下主梁的變形和拼接端口的相對變形。有限元模型及加載圖如圖4 所示。

圖4 局部分析模型及加載圖

（1）主梁變形計算

在吊裝第5 片梁的工況下，作用于前4 片梁上的荷載有吊機前支點壓力、后錨點拉力、斜拉索拉力和梁段自重。待吊裝梁段變形如圖5、圖6 所示。

圖5 待吊裝梁段頂板豎向位移云圖

圖6 待吊裝梁段底板豎向位移云圖

由圖5、圖6 可知，待吊裝梁段頂板、底板（非吊點位置）在吊裝過程中豎向位移最大值為1.4 mm。

由圖7～ 圖10 可知，待吊裝梁段吊點處（橫隔板位置）頂板、底板豎向位移最大值為0.75mm。

圖7 前吊點處橫斷面頂板豎向位移

圖8 前吊點處橫斷面底板豎向位移

圖9 后吊點處橫斷面頂板豎向位移

圖10 后吊點處橫斷面底板豎向位移

（2）待吊裝梁段、已安裝梁段端口變形計算

因左、右幅對稱，為方便闡述，僅提取主梁半幅橫斷面部分控制點變形計算結果，控制點布置如圖11 所示。

圖11 變形控制點布置橫斷面圖

由圖12 可知，待吊裝梁段端口最大值位于外腹板9號控制點處，為0.04 mm；已安裝梁段端口與待吊裝梁段端口相對位移最大值位于底板13號控制點處，為1.60 mm。

圖12 梁段端口變形計算結果

綜上所述，無論是待吊裝梁段本身的變形，還是待吊裝梁段與已安裝梁段端口之間的相對變形，值均非常小，幾乎可以忽略不計。這表明本橋主梁的剛度很大，在吊裝過程中的變形幾乎可以忽略不計。

采用Midas Civil 模擬施工過程建立全橋有限元模型（見圖13）。以局部計算結果為支撐，全橋模型在吊裝下一片梁時，僅在前一片梁段橋面吊機前、后錨點所在節點處施加集中力。集中力的大小根據橋面吊機的站位和待吊梁段的重量近似按“兩點支撐”結構計算。同時在建模過程中采用了一種“一次性激活除合龍單元以外的所有單元（僅有剛度、無自重），荷載按實際施工過程加載”的巧妙的建模方法，考慮新生成節點的初始位移指定到沿著已成梁段切線上，以此來得到無應力線形。

圖13 整體有限元模型

根據整體計算得到主梁的豎向累計位移，就可以由式（1）得出主梁無應力線形，主梁累計位移計算結果如圖14 所示。

圖14 主梁無應力線形（全橋）

由于岸側過渡墩至主塔之間SA12～SA1 梁段在支架上一次性焊接成型，故相應的累計位移較少。江側主塔至跨中之間SJ2～ SJ12 梁段為單懸臂拼裝施工，相應的累計位移也較大，SJ12 梁段的前端豎向累計位移達到-50.1 cm（以向下為負）。

2.2 無應力構型的確定

主梁各控制點的無應力線形坐標求出后，就可得到梁段的無應力制作尺寸。確定梁段無應力制作尺寸有兩種方法：（1）梁段采用帶直角的梯形，即將梁段的一端與軸線保持垂直，另一端轉動一個角度；（2）梁段采用矩形[8]。通常為了適應梁段間的折角匹配，將梁段做成帶直角的梯形，梁段無應力制作尺寸如圖15 所示。令第i-1 片主梁與第i 片主梁的預拼裝角度為Δαi，第i-1 片主梁傾角為αi-1，第i 片主梁傾角為αi。為了適應梁段間的折角匹配，需將梁段兩端或一端的接觸面轉動。根據簡單的幾何關系，可以得到如下關系：

圖15 梁段無應力制作尺寸圖

式中：ki、ki-1分別為第i 片主梁與第i-1 片主梁的斜率；hs、hx分別為截面的上下形心距；L（i-1）o為第i-1 片主梁軸線的無應力長度；L（i-1）s、L（i-1）x分別為頂、底板的無應力長度。

工廠預制過程中，還需考慮焊縫的寬度和收縮量的影響，一般由廠家根據經驗或實測值給出。最終的制作尺寸應減去梁段兩端的焊縫寬度，再加上焊縫收縮量[9-10]。

3 梁段安裝線形的確定

如前所述，主梁的安裝線形指的是不同吊裝工況下待安裝梁段懸臂端的連線，對于線性結構，主梁的設計線形坐標與安裝線形坐標之間的關系，如下所示：

根據整體計算得到主梁的豎向累計位移，就可以由式（3）得出主梁的安裝標高，詳見表1。可見，為達到設計線形，主梁中跨跨中預抬值為244 mm（向上）。

表1 S J 10 梁段定位時定位標高計算單位：mm

4 考慮溫度影響的鋼箱梁定位標高的修正

溫度對線形控制的影響分為晝夜溫差和季節性溫差，而在施工過程中起作用的是晝夜溫差產生的沿梁高變化的溫度梯度[11-13]。本文提出了一種考慮溫度影響的鋼箱梁定位標高的確定的方法。

設第i 片主梁起吊匹配時，第i-1 片主梁前、后端標高實測值為，理論值（不考慮溫度效應影響）為，則溫度對前、后端標高影響若要保證定位時第i-1片主梁與第i 片主梁之間夾角與理論值相同（未考慮頂、底板焊縫收縮差影響），則第i 片主梁安裝標高的調整量按式（4）確定：

式中：Li-1、Li分別為第i-1 片及第i 片主梁的長度。

新梁段起吊匹配時，主梁上各節點的標高值計算公式如下：

式中：H1為節點的設計高程；Δ1為節點自生成到最終成橋狀態的豎向累計位移值；Δ2為節點自生成到當前施工階段的豎向累計位移值。

以南岸的SJ10 梁段的標高控制為例，設梁段SJ10 定位時，SJ9 前、后端實測標高分別為、，梁段長度L9=L10=12 m，其余相關參數見表1。由表1中數據可得SJ10 實時定位標高為

利用上述計算公式，在施工現場即使結構的溫度場發生變化，也能實時求出梁段的定位標高，給施工過程中線形的控制帶來極大的便利。

5 結 語

（1）本文論述了鋼箱主梁無應力構形及安裝線形的相關概念及計算方法。

（2）本文提出了在考慮溫度影響的梁段定位標高的修正公式，并將其運用于工程實例，簡化了施工控制工作，提高了施工控制的效率，并取得了良好的控制效果，可以作為今后類型項目線形控制參考。