寬幅雙層鋼桁梁斜拉橋懸臂拼裝施工控制探析

摘要 為探索寬幅雙層鋼桁梁斜拉橋懸臂拼裝施工控制要點，解決截面變形不匹配問題，為橋梁施工控制提供成功經驗，文章以某獨塔鋼桁梁斜拉橋為例，對總體施工方案、近塔段梁段拼裝及標準梁段拼裝等方案展開分析；應用ANSYS APDL命令流方式構建起鋼桁梁斜拉橋有限元模型，進而對鋼桁梁斜拉橋懸臂拼裝截面匹配控制思路進行探討。結果表明：通過臨時支撐的布設以及斷面匹配工藝的優化，下弦桿端頭豎向變形得到較好控制，待安裝梁段受力得以改進，取得了較好的鋼桁梁斜拉橋懸臂拼裝施工控制效果。

關鍵詞 鋼桁梁斜拉橋；懸臂拼裝；施工控制；截面匹配

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0070-03

0 引言

寬幅雙層鋼桁梁斜拉橋寬度大，可容納車道數更多，具有立體交通特征，在緩解交通壓力方面優勢顯著。但此類斜拉橋在懸臂拼裝施工期間，因施工空間、水下通航等因素的影響，無法展開整節段吊裝，只能進行散件拼裝。鋼橋面板所承受的臨時荷載超出結構設計荷載的可能性較大；鋼桁梁節段縱向長度普遍短于橫橋面寬度，橫向受力問題較為突出。為保證寬幅雙層鋼桁梁斜拉橋施工質量及運行安全，必須加強懸臂拼裝期間橫向安裝線形控制，較好解決截面變形不匹配問題。基于此，該文依托公路橋梁實際工程，對寬幅雙層鋼桁梁斜拉橋懸臂拼裝施工控制要點展開分析研究，以期為此類橋型在我國公路工程中的推廣應用提供借鑒參考。

1 工程概況

某公路橋梁為獨塔鋼桁梁斜拉橋，跨徑2×206 m。索塔為門架式結構，斜拉索呈扇形布置。橋梁為半漂浮結構，豎向及抗風支座、縱向阻尼裝置等均布設于索塔下橫梁處。該跨河橋梁主梁為三角桁架鋼桁梁結構，中心設計高度為10.55 m，梁寬36.5 m。正交異性鋼橋面板頂板厚度按2.0 cm、1.6 cm和1.4 cm確定。頂板則通過上下口寬40 cm、25.3 cm，高33 cm，厚0.8 cm的U形加勁肋加固，U形肋按76 cm的間距設置。

2 寬幅雙層鋼桁梁斜拉橋主梁施工方案

2.1 總體施工方案

該鋼桁梁斜拉橋索塔處梁段均借助履帶吊和鋼管支架吊裝，現場焊接拼裝。此后借助220 t汽車吊在已經拼裝完成的梁段處拼裝全回轉吊機，借助該吊機安裝整節段弦桿和鋼橋面板。考慮通過全回轉吊機懸臂散拼安裝Z0梁段時節段重量大，故將節段弦桿分成下弦桿、上弦桿和腹桿等分次安裝[1]，最后安裝鋼橋面板。

2.2 履帶吊拼裝近塔段梁段

將梁段部件運輸至橋位處，通過履帶吊吊裝至臨時支架，利用千斤頂進行位置調整后展開索塔區梁段拼裝。

2.3 全回轉吊機拼裝標準梁段

Z0梁段重量大，按照以下次序展開散件吊裝：將橋面吊機移動至Z1梁段處，再由提梁站將待安裝構件放至運梁車上；按照下弦桿—上弦桿—腹桿—下橋面板—上橋面板的次序安裝構件；由橋面吊機取梁后起吊并旋轉至待安裝處定位后焊接；安裝斜拉索后首次張拉。按照以上流程重復操作，直至Z0梁段安裝任務全部完成。

Z1～Z14標準梁段則按照以下次序展開拼裝：因受到施工場地限制，無法直接運梁至橋下并通過橋面吊機起梁，故通過大里程側橋面吊機將Z14梁段起吊至Z16梁段上部；由2臺橋面吊機展開Z14梁段對稱吊裝，定位后焊連；進而安裝相應梁段斜拉索并張拉。按照相同工藝進行Z13梁段吊裝，安裝斜拉索并張拉。重復以上操作，直至最終完成Z1梁段拼裝施工。

3 寬幅雙層鋼桁梁斜拉橋有限元分析

3.1 模型構建

通過ANSYS APDL命令流的方式展開鋼桁梁斜拉橋有限元模型構建[2]。將鋼桁梁視為斜拉橋的關鍵部分共同參與全橋受力，并計算其在不同荷載組合下的內力。通過板殼單元、梁單元、桿單元展開鋼橋面板、主桁架、斜拉索模擬。因鋼桁梁斜拉橋結構及懸臂拼裝施工過程均具有對稱性特征，故構建1/4模型，共包括2 141個梁單元、70 846個板殼單元、15個桿件單元。全橋有限元模型見圖1。

結合《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650—2020）及設計方案，擬定出該雙層鋼桁梁斜拉橋主梁材料參數取值，見表1。

施工期間橋面吊機前后支反力主要結合廠家提供的資料確定和施加。在空載情況下，橋面吊機無負重荷載，只考慮自重荷載的前后支反力為540 kN和445 kN。在起吊情況下考慮吊機負重荷載后的前后支反力為1 250 kN和138 kN。

3.2 斜拉索索力分析

該鋼桁梁斜拉橋初張索力較大，很容易造成結構切線形變，影響合龍過程的順利展開。為此，在二期恒載加載后進行二次調索，并進行二次調索索溫初擬；以最后施工階段為成橋狀態[3]。根據表2中斜拉索索力和成橋索應力模擬結果，初張索力變化合理，取值符合索力分布規律；二次調索后成橋索力滿足要求且分布均勻。

4 寬幅雙層鋼桁梁斜拉橋懸臂拼裝幾何控制參數確定

4.1 成橋預拱度

1/2車道荷載頻遇值對應的撓度反值即為成橋預拱

度[4]。根據模擬分析，得出鋼橋面板集中荷載及均布荷載對應位置；結合《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）確定出橋面系橫向布載系數及縱向折減系數。提取各關鍵受力點豎向位移后擬定出初步成橋預拱度值，見圖2。

4.2 安裝線形

鋼桁梁節段散件懸臂拼裝期間，從左幅到右幅展開主桁架安裝。在安裝左幅主桁架時，吊機必須向左幅旋轉相應角度，其左幅前支點反力相應增大，左幅已安裝主桁架豎向變形也相應增大；左幅待安裝主桁架線形也會相應降低。此后在進行右幅主桁架安裝時，右幅主桁架會表現出相同情形。故必須展開安裝線形狀深入分析。此處僅計算和分析Z1梁段左幅和右幅主桁架安裝線形，計算結果見表3。其中，A15和A16為已安裝Z2梁段上弦桿最前端節點和未安裝Z1梁段上弦桿最前端節點。

5 寬幅雙層鋼桁梁斜拉橋懸臂拼裝截面匹配控制

5.1 增設臨時支撐

（1）斜腹桿和下弦桿間設置臨時支撐。按照設計方案展開鋼桁梁節段劃分后，主桁架下弦桿懸臂長度相應增大，下弦桿豎向變形也隨之增加，進而造成主桁架下弦桿安裝線形偏離設計線形。為此，將臨時支撐增設于主桁架下弦桿前部和腹桿間，使下弦桿懸臂結構從懸臂狀轉變為簡支狀，起到抑制變形的作用[5]。

（2）上下層鋼橋面板間布設臨時支撐。對于鋼桁梁斜拉橋而言，橋面吊機通常錨固于永久支撐或主桁架處。而該斜拉橋上下層鋼橋面板間并未布設永久支撐，僅上層鋼橋面板參與橋面吊機受力，發生變形的可能性非常大。為此，在上層鋼橋面板吊機錨固處布設臨時支撐，以起到共同受力的效果。以上兩種臨時支撐布設情況見圖3。

以上兩種臨時支撐布設后，下層鋼橋面板在懸臂梁段自重的作用下豎向變形總體呈減小趨勢，位移峰值-8.8 mm出現在下層鋼橋面板中線位置；主桁架下弦桿撓度值僅為-0.01 mm，可忽略不計。上層鋼橋面板受到橋面吊機荷載作用后豎向變形降低50%左右，變動趨勢與臨時支撐設置前基本一致。鋼橋面板變形峰值-14.8 mm出現在上層鋼橋面板懸臂匹配端。

5.2 斷面匹配優化

在懸臂拼裝鋼橋面板時，主桁架安裝過程已經結束。故截面匹配過程中應先焊接鋼橋面板橫隔板和主桁架橫隔板；此后卸除吊點拉力，在降低吊機支反力的同時控制斷面變形。以上處理還會使待安裝鋼橋面板受力發生改變。當完全卸除懸臂拉力后，在梁段自重的作用下橋面相應位置表現出下撓趨勢。根據模擬分析，待安裝梁段變形峰值-9.2 mm出現在梁中線區域。

該鋼桁梁斜拉橋懸臂拼裝截面匹配控制后，斷面豎向變形結果見表4。懸臂梁段各項變形均得到較好控制；因待安裝梁段受力狀態的調整，其變形趨勢隨之改變，從原來的兩端下撓轉變成中線處下撓。待卸除吊點拉力后，因梁段自重和橋面吊機空載等的作用，其豎向變形峰值達到-13.0 mm；在橋面吊機起吊后橋面中心線處豎向變形峰值增至-14.9 mm。以上取值均比懸臂拼裝截面匹配控制前有所降低，也驗證了斷面匹配控制效果。

6 結論

綜上所述，因主桁架下弦桿懸臂長度、梁段自重等均較大，該鋼桁梁斜拉橋懸臂段下層鋼橋面板表現出較大的豎向變形；因鋼橋面板未布設永久支撐，在受到橋面吊機荷載作用后上層鋼橋面板豎向變形增大。該文在分析懸臂拼裝期間已安裝梁段及待安裝橋面板受力的基礎上，對鋼橋面板變形趨勢規律進行總結。進而通過布設臨時支撐，使下弦桿端頭豎向變形得到較好控制；將臨時支撐與鋼橋面板連接后形成共同承荷結構，對以上豎向變形起到較好抑制。通過斷面匹配工藝的優化，使待安裝梁段受力得到改進，在卸除吊點拉力后支點反力得以減小，懸臂梁段截面匹配時的豎向變形得到較好控制。

參考文獻

[1]李永.某鋼桁梁斜拉橋項目的懸臂拼裝匹配技術分析[J].運輸經理世界， 2024（7）：68-70.

[2]吳升宇，劉建，董創文.寬幅雙層鋼桁梁斜拉橋懸臂拼裝匹配技術研究[J].公路與汽運， 2023（1）：120-124+128.

[3]吳建民.山區特大跨徑鋼桁梁斜拉橋主梁施工架設技術[J].工程建設與設計， 2022（14）：169-171.

[4]強偉亮，周俊龍，韋永斌，等.高低塔雙索面斜拉橋鋼桁梁架設關鍵技術研究[J].天津建設科技， 2021（2）：1-4.

[5]莊值政，謝明，王曉雷，等.山區大跨斜拉橋鋼桁梁施工控制技術[J].公路交通科技（應用技術版）， 2020（4）： 199-201.