某鋼桁梁斜拉橋項目的懸臂拼裝匹配技術分析

李永

（貴州公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

鋼桁梁斜拉橋作為一種新型組合梁橋，具有承載能力強、穩定性高、跨度大等優點，在橋梁建設中得到大規模應用。目前，常用的鋼桁梁拼裝方式較多，包括頂推法、懸臂拼裝法等，其中對于作業空間受限的條件下，懸臂拼裝法具有十分突出的優勢，但同時也存在一些問題。如待拼裝梁段吊裝時，已拼裝與待拼裝梁體正交異性鋼橋面板易產生變形不匹配問題，影響成橋質量。為此，該文章以某鋼桁梁斜拉橋為依托，系統分析了懸臂段施工階段橋面板產生變形的原因，并指出相應對策，對保證橋梁建設的順利完成具有重要意義。

1 工程概況

1.1 設計概況

某斜拉橋采用獨塔雙跨鋼桁梁結構，跨徑組合形式為2×206m，全長為412m。主梁為雙桁雙層框架結構，斜拉索采用抗拉強度為1860MPa 的鋼絲，索塔為門架式混凝土塔，該橋梁項目鋼桁梁斷面示意如圖1所示。

圖1 某大橋主橋鋼桁梁標準橫斷面（單位：mm）

1.2 施工工藝

斜拉橋整體劃分成33 段，索塔段主要采用鋼管支架與履帶吊實施組拼，而邊跨合龍段與標準段均利用全回轉式吊機懸臂組拼方式進行施工作業。標準段工藝流程如圖2 所示。

圖2 標準梁段懸臂拼裝流程

標準梁段采用整體對稱式懸臂組拼方式進行作業，其施工機械為80t 全回轉式吊機，其支點縱、橫向距離均為12m。由于標準梁段重量大，實際施工時將主桁與鋼橋面板分開吊裝。同時，由于橋梁提梁站高度有限，吊裝點布設于距橋梁中心線8.88m 位置處。

2 鋼桁梁斜拉橋有限元分析

2.1 有限元模型建立

該斜拉橋為正交異性鋼橋面，主要包含面板、中隔板、U 型肋板三部分。根據相關研究理論，通常將此種形式的橋面板分成30 結構體系，具體為第一（主梁）體系、第二（橋面）體系、第三（蓋板）體系。結合該橋梁工程實際情況，主要對第二（橋面）體系實施探究。借助ANSYS 系統構建梁段有限元模型。為降低邊界效應影響，在靠近索塔側的梁段位置設置錨固約束。標準段有限元模型如圖3 所示[1]。

圖3 標準梁段的局部有限元模型

2.2 計算結果與分析

懸臂段梁體在自身重力作用下產生下撓現象，其豎向變形情況如圖4 所示。

圖4 梁段自重作用下懸臂梁段豎向變形（單位：m）

從圖4 可知：第一，橋面板呈現整體下撓現象，且豎向變形由兩端向中間逐漸增大；第二，撓度最大處位于下層橋面板中心線位置，最大豎向位移為-19.7mm。懸臂段施工時，上層橋面板受橋面吊機荷載作用，產生較大豎向變形，而下層橋面板結構無外部荷載作用，因此其變形相對較小，橋面吊機作用下懸臂梁豎向變形情況如圖5 所示。

圖5 橋面吊機荷載作用下懸臂梁段豎向變形（單位：m）

從圖5 可知：第一，該工況下橋面板豎向變形最大部位，位于上橋面懸臂端中心線位置；第二，兩種橋面吊機作用下，橋面板中線位置產生的豎向位移依次為-15.4mm、-35.6mm。待拼裝梁段在其自身重力作用下，梁體兩端及其中心線部位產生豎向變形，通過數值模擬求出橋面中心線及懸臂端相對吊點位置的豎向位移，其值分別為-1.0mm 和-3.2mm，其位移最大處位于懸臂端兩側。通過數值模擬計算求出懸臂段與待拼裝段正交異性鋼橋面板豎向位移，對比發現，懸臂段橋面板豎向位移顯著高于待拼裝段，并且待拼裝段在梁體自身重力及吊點拉力聯合作用下的豎向位移較小。

3 施工控制優化措施

3.1 斜腹桿與下弦桿之間增設臨時支撐

鋼桁梁節段主桁下弦桿懸臂段長度過大，下弦桿在梁體自身重力作用下產生較大豎向變形，給后期主桁拼裝帶來較大困難。為有效避免該問題，保證施工安全，實際施工時，為防止下弦桿變形，在主桁下弦桿與斜腹板之間增設臨時支撐體系，見圖6。

圖6 鋼桁梁下弦桿臨時支撐布置示意圖

3.2 上下層橋面板之間增設臨時支撐

依據實踐經驗，橋面吊機主要固定于主桁或永久性結構之上，但由于該斜拉橋上下層橋面板間未設置永久性連接裝置，造成上層橋面板結構產生較大豎向變形。為防止此類問題出現，在斜拉橋上下層橋面板之間增設臨時支撐，將上、下層橋面板連接成整體，共同承受外部荷載作用，以有效控制上層橋面板豎向變形，如圖7 所示。

圖7 上下層臨時支撐布置示意圖

3.3 懸臂梁段優化結果對比

增加設置臨時支撐之后，斜拉橋懸臂段受梁體自身重力影響，橋面板產生下撓現象，通過數值模擬計算，相較于布設支撐前，橋面板變形得到明顯下降，變形最大部位位于下層橋面板中線位置，其位移由最初的-19.7mm 降至-9.1mm，且下弦桿位置處的變形較小，可不予以考慮。增設臨時支撐后，斜拉橋懸臂段受橋面吊機重力作用，橋面板出現整體下撓現象，通過數值模擬計算，兩種橋面吊機作用下，其豎向變形最大部位位于上橋面懸臂端中心線位置，其豎向位移由最初的-15.4mm、-35.6mm 降至-6.4mm、-15.0mm[2]。

3.4 待安裝梁段匹配工藝分析

鋼桁梁懸臂施工時，待拼裝梁體鋼橋面板下方主桁架已施工完成，在對梁體實施匹配時，可先將橋面板與主桁架之間的橫隔板連接在一起，然后再卸除吊點荷載，以有效降低吊機錨固點處的支座反力，防止梁體匹配位置的變形。同時，有效改變待安裝梁體橋面板受力狀態，使其成為僅受自身重量作用的簡支梁結構。待吊機對梁體的拉力作用全部卸除后，待拼裝梁體在自身重力影響下，在結構中心線位置產生向下的撓度，通過數值模擬計算，對待拼裝梁段匹配工藝實施優化后，其豎向位移最大處位于結構中心線位置，最大位移為-9.4mm[3]。

3.5 施工優化后結果對比

匹配工藝優化后斷面位置豎向變形情況如圖8所示。

圖8 施工優化后匹配斷面豎向變形

從圖8 可知：匹配工藝優化后，懸臂段所有部位豎向變形顯著下降，同時因待拼裝梁體受力形式變化，其變形情況也隨之發生變化，從吊裝階段的兩端豎向變形轉變為拼裝狀態下的橋面中線豎向變形。吊機對梁體的拉力作用全部卸除后，懸臂段在工況及自身重量荷載共同作用下，其最大位移位于橋面中線位置，其值為-13.2mm，該條件下待拼裝梁體橋面中線處的豎向位移為-8.7mm，二者之間的偏差達4.5mm，拼裝過程中，可利用千斤頂及定位法進行調整。

4 結論

綜上所述，文章以某鋼桁架斜拉橋為依托，系統探究雙層雙桁鋼桁架斜拉橋梁體懸臂安裝時橋面板變形不匹配的原因，并提出施工控制優化措施，具體結論如下：第一，變形不匹配原因。一是主桁下弦桿懸臂長度較大，造成懸臂段重力荷載顯著增大；二是上下層橋面板間缺少支撐裝置，在吊機荷載影響下，上、下橋面板變形差異較大；三是待拼裝梁體吊裝過程中，在自身重力荷載作用下變形相對較小。第二，施工控制優化措施。一是主桁下弦桿、斜腹板間，增加設置臨支體系，以有效防止下弦桿變形；二是在斜拉橋上下層橋面板之間增設臨時支撐，將上、下層橋面板連接成整體，共同承受外部荷載作用，以有效控制上層橋面板豎向變形；三是完善施工工藝，改變待拼裝梁體橋面板受力形式，匹配安裝時，先將橋面板與主桁架之間的橫隔板連接在一起，然后再卸除吊點荷載，以有效降低吊機錨固點處的支座反力，防止梁體匹配位置的變形。