公軌兩用鋼桁梁懸索橋加勁梁架設(shè)方案探討

劉孝輝，蘇小波

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

公軌兩用鋼桁梁懸索橋加勁梁架設(shè)方案探討

劉孝輝，蘇小波

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

結(jié)合既有工程經(jīng)驗(yàn)，基于無應(yīng)力狀態(tài)理論，對重慶郭家沱長江大橋主梁安裝提出多種比較方案。通過對施工階段弦桿、吊桿的內(nèi)力及應(yīng)力規(guī)律的比較，以及對臨時(shí)鉸合龍措施的探討，研究各方案的優(yōu)劣性，并結(jié)合技術(shù)難度、施工周期、施工成本等因素，對該橋施工方案提出合理化建議。

無應(yīng)力狀態(tài)；鋼桁梁懸索橋；施工方案；受力特點(diǎn)

鋼桁梁懸索橋主梁剛度大，抗扭及抗風(fēng)穩(wěn)定性較好，且加勁梁可設(shè)計(jì)為雙層橋面，故在大跨度鐵路或公軌(鐵)共建橋梁結(jié)構(gòu)中極具競爭力[1]。該類橋梁桿件數(shù)量多、2期恒載重量大，施工措施較鋼箱梁懸索橋更為繁瑣和復(fù)雜。由于軌道交通對梁端轉(zhuǎn)角有嚴(yán)格的剛度要求，主梁一般都設(shè)計(jì)為連續(xù)結(jié)構(gòu)[2]，故主塔支座截面受力的復(fù)雜性是該類橋型的另一特點(diǎn)。另外，目前公軌(鐵)兩用鋼桁梁懸索橋在世界范圍內(nèi)并不多見，對加勁梁安裝方法的研究也遠(yuǎn)不如鋼箱梁懸索橋成熟，因此，本文以重慶郭家沱長江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯考觿帕翰煌惭b方法的優(yōu)劣性，為類似工程提供參考。

1 工程概況

重慶郭家沱長江大橋是一座公軌兩用鋼桁梁懸索橋，跨徑布置為75 m+720 m+75 m。該橋?yàn)殡p層橋面布置，上層為8車道城市快速路，下層為雙線軌道交通，上、下層橋面均為正交異性板鋼橋面；主梁桁高12.5 m，節(jié)間長度15 m，采用帶斜撐的三角形桁架形式，材料為Q345鋼材；主纜矢跨比為1/9，采用PPWS-135-127高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲，抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa，單根鋼絲直徑為5.25 mm。該橋上、下層橋面2期恒載共計(jì)17 t/m，橋型布置如圖1所示。

2 架設(shè)方案比較

筆者對已建成的公鐵兩用懸索橋施工方法進(jìn)行了調(diào)研和匯總，見表1[3]。從表1可知，日本在本州—四國聯(lián)絡(luò)線上修建了多座公鐵兩用懸索橋，除大鳴門橋外，所有橋梁均利用橋面吊機(jī)+浮吊，從橋塔往跨中方向逐段剛接加勁梁。但研究表明，受主纜大變形的影響，桁架和吊索的施工應(yīng)力較高，可能會超過規(guī)范限值。雖然日本采用所謂“三點(diǎn)調(diào)索牽引法[4-5]”，通過將前端吊索拉力分散到后面2根吊索上，滯后2節(jié)段張拉的方法來解決這一問題，但筆者認(rèn)為該方法缺點(diǎn)也很明顯：需要多組調(diào)索設(shè)備，施工過程繁瑣，工期較長。葡萄牙的4月25日橋和香港地區(qū)的青馬大橋均采用逐段鉸接法施工，但也存在臨時(shí)桿件用量大、合龍節(jié)點(diǎn)多、等代壓重成本高等問題,也會對施工過程中的抗風(fēng)穩(wěn)定性和作業(yè)安全性產(chǎn)生隱患。重慶郭家沱大橋跨越長江，橋位處航道寬闊，水、陸交通均較為便利，施工方法和架設(shè)順序均不受限制，具備整節(jié)段吊裝的外部條件。因此，如何利用現(xiàn)有條件選擇合理、高效、經(jīng)濟(jì)的施工方法，需進(jìn)一步深入探討。

圖1 重慶郭家沱大橋橋型布置

表1 已建成公鐵兩用懸索橋架設(shè)方法匯總

目前，我國已建成數(shù)座公路鋼桁梁懸索橋，其主梁施工方法大致可分為3類：剛接法、鉸接法和剛鉸混合法[5]。與表1架設(shè)方法相比較，剛鉸混合法的提出是一種突破，因?yàn)椋瑹o論采用何種施工方法，最終目的仍達(dá)到合理成橋狀態(tài)。經(jīng)過調(diào)索，重慶郭家沱長江大橋主梁的豎向位移和吊桿內(nèi)力分別如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，其主跨豎向位移基本為零，邊跨為連續(xù)梁，跨中最大撓度8 cm。從圖3可以看出，除邊吊桿索力略大外，中間吊桿內(nèi)力均勻，故可將此狀態(tài)視為合理成橋狀態(tài)。

圖2 成橋狀態(tài)下主梁豎向位移

圖3 成橋狀態(tài)下吊桿內(nèi)力

基于無應(yīng)力狀態(tài)理論，在施工階段，主纜、吊桿和主桁桿件均采用無應(yīng)力長度進(jìn)行安裝，且無論采用何種施工方法，成橋狀態(tài)均唯一[6]。依據(jù)該理論，結(jié)合公路鋼桁梁懸索橋的既有工程經(jīng)驗(yàn)[7]，對郭家沱大橋提出了3種加勁梁安裝方案，見表2。

2.1 對內(nèi)力的影響

3種施工方案施工階段上弦桿的軸力包絡(luò)曲線如圖4所示。從圖4可以看出，采用散拼法施工，上弦桿最大壓力為1 745 t，發(fā)生在1/4跨處，最大拉力在主塔支座處出現(xiàn)峰值，達(dá)到1835t，隨后迅速回落，再逐漸增加；采用逐段剛接法施工，對上弦桿產(chǎn)生的拉、壓效應(yīng)基本相同，最大均約為1 500 t，且均發(fā)生在主跨跨中位置；采用剛鉸混合法施工能極大降低上弦桿跨中部位的壓力，最大值僅為750 t，降幅達(dá)50%，但施工過程中對上弦桿的拉力基本沒有影響。

表2 3種加勁梁安裝方案一覽

圖4 施工階段上弦桿軸力包絡(luò)曲線

施工階段下弦桿軸力包絡(luò)曲線如圖5所示，其規(guī)律與上弦桿基本相反。采用散拼法施工，下弦桿以受拉為主，最大拉力2 235 t，發(fā)生在主墩支座位置，下弦桿最大壓力同樣發(fā)生在此處，數(shù)值可達(dá)1 500 t，其余部位迅速降低；采用逐段剛接法施工，下弦桿最大拉力1 540 t，發(fā)生在主跨跨中截面，桿件壓力則均在670 t以下；采用剛鉸混合法施工，跨中增設(shè)臨時(shí)鉸，同樣能有效降低下弦桿跨中區(qū)域的軸向拉力，最大可降低至250 t，降幅達(dá)84%，但對支座處的最大軸力基本沒有改善。

圖5 施工階段下弦桿軸力包絡(luò)曲線

主梁吊裝階段3種方案下單根吊索軸力包絡(luò)曲線如圖6所示。從圖6可以看出，采用散拼法和逐段剛接法施工時(shí)，吊桿內(nèi)力分布曲線均在1/4跨附近出現(xiàn)嚴(yán)重“鼓包”，施工階段最大單根吊桿力分別達(dá)到790和750 t，遠(yuǎn)大于最大節(jié)段自重450 t；采用剛鉸混合法施工則能極大緩解吊桿軸力包絡(luò)曲線的“鼓包現(xiàn)象”，最大吊桿力降至330 t，降幅達(dá)56%，采用該方法，施工過程中最大吊桿力的分布也基本均勻。此外，剛鉸混合法模型僅在跨中區(qū)段設(shè)置了2對臨時(shí)鉸，從而進(jìn)一步說明臨時(shí)鉸對改善施工階段吊桿內(nèi)力具有顯著效果。

圖6 主梁吊裝階段吊桿軸力包絡(luò)曲線

2.2 對應(yīng)力的影響

3種施工方案在施工階段其上、下弦桿的應(yīng)力包絡(luò)曲線分別如圖7和圖8所示。從圖7、圖8可以看出，施工過程中采用散拼法施工，上弦桿最大弦桿應(yīng)力均發(fā)生在支座位置。采用散拼法，上弦桿最大拉、壓應(yīng)力分別為245 MPa和-267 MPa，明顯高于其余二者；采用剛鉸混合法施工則可將該值分別降至122 MPa和-183 MPa，主跨區(qū)域桿件應(yīng)力則降至100 MPa以下。下弦桿的規(guī)律同樣如此：采用散拼法施工，下弦桿最大拉、壓應(yīng)力分別為187 MPa和-203 MPa；采用剛鉸混合法施工則可使施工階段下弦桿的應(yīng)力水平大幅降低。

除開支座位置，3種方案最大應(yīng)力發(fā)生位置也不相同。采用散拼法施工，在1/4跨位置達(dá)到應(yīng)力峰值，包絡(luò)曲線形成“鼓包”，下弦桿尤為明顯；采用逐段剛接法施工，最大應(yīng)力發(fā)生在跨中位置；采用剛鉸混合法施工，應(yīng)力包絡(luò)曲線則相對比較均勻。除了采用散拼法施工在支座位置弦桿應(yīng)力超標(biāo)外，其余2種工法施工階段應(yīng)力均在規(guī)范限值以內(nèi)。

圖7 施工階段上弦桿應(yīng)力包絡(luò)曲線

圖8 施工階段下弦桿應(yīng)力包絡(luò)曲線

2.3 合龍措施探討

從以上分析可以看出，剛鉸混合法與另外2種施工方法相比，能有效降低弦桿內(nèi)力和應(yīng)力，同時(shí)也可使施工階段最大吊桿力趨于均勻，但代價(jià)是合龍口增多，合龍措施相應(yīng)繁瑣。必須指出的是，3種方法均存在主梁無應(yīng)力合龍問題，此3種方法的合龍措施并無優(yōu)劣，在此不作詳細(xì)比較。就3種方法而言，剛鉸混合法較另外2種增設(shè)了臨時(shí)鉸，故全橋合龍前，必須首先實(shí)現(xiàn)臨時(shí)鉸的無應(yīng)力合龍，為此，本文探討臨時(shí)鉸合龍的技術(shù)措施及可行性。

主跨合龍前結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)(放大10倍)如圖9所示。從圖9可以看出，受主纜線形未穩(wěn)定的影響，主梁呈明顯上拱現(xiàn)象，臨時(shí)鉸處下弦桿之間的間隙必然不等于弦桿的無應(yīng)力長度。常規(guī)做法是采用壓重或千斤頂輔助調(diào)整合龍口間隙，以實(shí)現(xiàn)下弦桿的無應(yīng)力安裝。利用影響矩陣法進(jìn)行計(jì)算，可得到實(shí)現(xiàn)無應(yīng)力合龍的具體措施，如圖10所示。從圖10可以看出，在下弦桿利用千斤頂對頂，頂升力為530 t，并輔以壓重措施(單點(diǎn)壓重220 t)，即可實(shí)現(xiàn)臨時(shí)鉸合龍口的無應(yīng)力合龍。臨時(shí)鉸調(diào)整前后合龍口間隙如圖11所示。

圖9 主跨合龍前結(jié)構(gòu)位移(放大10倍)

圖10 臨時(shí)鉸無應(yīng)力合龍措施

計(jì)算表明，在無應(yīng)力措施施加前，合龍口的豎向位移差為79 mm，水平位移差為75 mm；采用合龍調(diào)整后，豎向和水平向位移差分別降至0.9和1.4 mm，基本具備無應(yīng)力合龍條件；合龍措施利用現(xiàn)有常規(guī)設(shè)備也較易實(shí)現(xiàn)，成本不高。當(dāng)然，無應(yīng)力合龍措施有很多種，具體實(shí)施并不局限于上述計(jì)算成果。

圖11 臨時(shí)鉸調(diào)整前后合龍口位移(局部)

綜上所述，本文對以上 3種施工方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行如下概括：與另外2種方法相比，剛鉸混合法能顯著降低施工過程中桿件和吊桿的應(yīng)力，且施工周期短，安裝精度高。考慮到水運(yùn)條件及臨時(shí)鉸的無應(yīng)力合龍措施及成本，推薦采用剛鉸混合法，其更具優(yōu)勢。3種施工方案優(yōu)缺點(diǎn)概述見表3。

表3 3種施工方案優(yōu)缺點(diǎn)概述

3 結(jié)論

與鋼箱梁懸索橋不同，鋼桁梁懸索橋加勁梁剛度大，在施工方案的選擇上也具有更大空間。由于實(shí)際工程范例少，目前對公軌(鐵)兩用連續(xù)鋼桁梁懸索橋施工方法的研究遠(yuǎn)不及鋼箱梁般深入和徹底。本文以重慶郭家沱長江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，對可能?shí)施的3種施工方案進(jìn)行了初步分析，并得到以下結(jié)論：

1) 若采用橋面吊機(jī)散拼法施工主梁則會致使支座位置的弦桿內(nèi)力出現(xiàn)“尖點(diǎn)”，應(yīng)力水平超過規(guī)范限值；若采用逐段剛接法施工，則主墩支座附近桿件的應(yīng)力水平次之；若采用剛鉸混合法施工，則上、下弦桿的內(nèi)力和應(yīng)力均最均勻。

2) 采用散拼法和逐段剛接法施工，均會導(dǎo)致施工階段吊桿內(nèi)力在1/4跨附近出現(xiàn)嚴(yán)重“鼓包”，采用剛鉸混合法則可大幅降低施工階段吊桿內(nèi)力，使之基本均勻分布。

3) 增設(shè)臨時(shí)鉸的數(shù)量可使施工階段桿件內(nèi)力更加均勻，但會增加構(gòu)造及施工措施的復(fù)雜性，故臨時(shí)鉸的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮，重慶郭家沱長江大橋以2對為宜。

4) 臨時(shí)鉸的無應(yīng)力合龍措施簡單可行、技術(shù)成熟、成本合理，考慮到對弦桿及吊桿應(yīng)力的改善效果，在航運(yùn)條件具備的前提下，推薦將剛鉸混合法作為連續(xù)鋼桁梁懸索橋加勁梁的施工方法。

[1]蔡憲堂.大跨度鐵路懸索橋剛度研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[2]孟凡超.懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]劉吉晗.大跨度鐵路懸索橋加勁梁施工方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[4]劉 高，彭運(yùn)動，周 平，等.壩陵河大橋鋼桁加勁梁施工架設(shè)方案研究[J].公路交通科技，2009，26(5)：80-85.

[5]凌勝春.山區(qū)大跨度懸索橋鋼桁加勁梁架設(shè)方法研究[J].城市道橋與防洪，2014(7)：294-296.

[6]姚 進(jìn)，莊值政，張鳳凰.山區(qū)懸索橋鋼桁架加勁梁安裝技術(shù)[J].公路，2013(7)：82-86.

[7]秦順全.橋梁施工控制—無應(yīng)力狀態(tài)法理論與實(shí)踐[M].北京：人民交通出版社，2007.

[8]譚永高.大跨徑懸索橋桁架加勁梁節(jié)段的安裝研究[J].公路，2007(7)：46-50.

Discussion on Erection of Road-Track Dual-purpose Stiffening Girder of Steel Truss Suspension Bridge for Public

LIU Xiaohui,SU Xiaobo

In this paper,based on the experience of the existing engineering and the stress-free state theory,some comparison scheme was put forward for the installation of the main girder of Chongqing Guojiatuo Yangtze River Bridge. Through comparing the law of internal force and stress of the chord and boom in the construction stage and discussing the measures of temporary hinge jointing,this paper discusses the advantages and disadvantages of various schemes,and puts forward some rational suggestions on the construction scheme of the bridge considering the technical difficulty,construction period and construction cost.

stress-free state; steel truss suspension bridge; construction scheme; stress characteristics

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.011

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318223380)

2016-07-29

劉孝輝(1964-)，男，四川省隆昌縣人，本科，教授級高工。

1009-6477(2016)06-0047-05

U448.25

A