王 玲，王 韜，王榮霞

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401)

大跨徑連續(xù)鋼桁梁橋懸臂拼裝線形控制方法研究

王 玲，王 韜，王榮霞

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401)

以某在建大跨徑連續(xù)鋼桁梁橋施工過程為背景，對半懸臂拼裝過程的線形控制方法進行研究。采用有限元軟件Midas Civil建立了鋼桁梁主橋的施工階段模型，通過分析不同預抬高對拼裝過程控制線形的影響，推導出預抬高的合理設置公式，確定了鋼梁架設的起始安裝位置及懸拼過程的控制線形，并結合施工監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析。結果表明：實測線形與預測線形基本吻合，說明設置預抬高的線形控制方法實用有效。

橋梁工程；懸臂施工；鋼桁梁；臨時墩；失穩(wěn)；控制線形

0 引 言

大跨徑橋梁施工過程復雜，由于安裝線形與施工過程密切相關，不同的施工過程及施工措施會得出不同的安裝線形[1]。近年來，橋梁建設的跨徑越來越大，施工過程的線形控制問題逐漸成為施工過程分析的重點研究內容。李傳夫等[2]針對大跨徑鋼管混凝土拱橋吊裝的過程的線形控制問題，提出一種迭代優(yōu)化算法，預先確定拱橋的合理施工狀態(tài)，計算出了各吊點的預抬高和扣索索力，提高了施工過程中鋼管拱肋軸線豎向誤差的控制精度。張建民等[3]采用一階分析法，對千米級斜拉橋施工過程中斜拉索的初始張拉力進行分析，確定了懸臂拼裝過程的合理施工狀態(tài)，并且將一階最優(yōu)化分析法引入了斜拉橋的施工控制系統(tǒng)。對于半懸臂法中對拼裝線形起重要作用的臨時墩結構，胡廣周等[4]結合榕江特大橋的設計與施工情況，較系統(tǒng)的推導了臨時支墩標高的合理計算公式。

采用臨時墩支墩半懸臂施工的大跨徑鋼桁梁橋，在懸臂拼裝過程中，懸臂段的長度逐漸變大，由于鋼結構輕質、柔度大的結構特點，前端下?lián)线^大，容易出現(xiàn)偏離設計線形的問題，如不采取措施，將造成無法順利拼裝至前方臨時墩或橋墩的問題。

筆者研究拼裝過程控制線形的一種控制措施，即通過設置施工預抬高的方式，減少撓度帶來的影響，以使施工過程的線形得到有效控制，同時對施工過程進行優(yōu)化。

1 工程概況

在建的某黃河公路大橋主橋全長876 m，采用下承式變截面連續(xù)鋼桁梁結構，分跨布置為102+168×4+102 m，主桁采用不帶豎桿的華倫式桁架布置，主桁中心距為27 m，主墩處桁高23 m，共用墩及跨中桁高10 m，標準節(jié)間長度為14 m，縱向共58個節(jié)段。鋼桁梁由上弦桿、下弦桿、腹桿、縱橫梁、上平聯(lián)、橋門架組成。上、下弦桿、腹桿、縱橫梁采用Q370qE鋼材；上平聯(lián)、橋門架桿件采用Q345qE鋼材。結構布置見圖1。

圖1 大橋結構(單位：cm)Fig. 1 Structure of the long span bridge

該橋首跨采用臨時支墩就位安裝法，自第2跨開始，采用懸臂拼裝法拼裝鋼梁。首跨81#-80#墩節(jié)間拼裝完畢后，主墩處節(jié)點標高調整至設計標高。鋼梁架設中間跨80#-77#墩用100 t履帶吊在12 m棧橋上懸臂拼裝，邊跨77#-75#墩間用100 t履帶吊在岸上懸臂拼裝。

2 拼裝控制線形分析

某在建黃河公路大橋鋼桁梁主橋80#～75#梁段采用單向懸臂法拼裝，最大懸臂長度達到了105 m，而拼裝過程中鋼桁梁結構呈現(xiàn)懸臂長、柔度大等結構特點，因此，為了對線形進行有效控制，將先架設梁段節(jié)點預抬高，來減小撓度過大帶來的不利影響。為了確定合理的控制線形，采用倒退分析法對預抬高的設置進行分析。

2.1 倒退分析法

倒退分析法的基本思想是：在成橋結構理想初始狀態(tài)下，按實際施工步驟的逆過程，對結構進行倒拆，分析每次拆除一個施工段的結構構件對剩余結構的影響，直至所有構件全部拆完[5-7]。倒退分析各個階段得到的結構位移和內力狀態(tài)便是結構施工到該階段的理想狀態(tài)，按照這些狀態(tài)將所有構件全部正裝回去，最后得到的就是理想成橋狀態(tài)[8-9]。

2.2 施工過程仿真分析

以有限元軟件Midas Civil建立了鋼桁梁主橋施工階段計算模型，見圖2。由于該橋鋼梁與橋墩之間設置支座，建模時以邊界約束代替支座及臨時墩支點，主要分析上部結構施工階段的線形變化；荷載主要考慮自重及施工荷載。該階段鋼梁自79#橋墩向78#橋墩拼裝，懸拼至臨時墩L9后，臨時墩抄墊，繼續(xù)向78#橋墩進行拼裝，見圖3。

圖2 鋼桁梁橋有限元模型Fig. 2 The finite element model of steel truss girder bridge

圖3 大橋施工示意Fig. 3 Construction schematic of long span bridge

以下弦桿軸線作為鋼梁線形研究對象，對懸臂長度最長的79#-78#梁段進行分析，下弦桿節(jié)點編號見圖4，計算結果見表1。

圖4 鋼桁梁橋79#-78#節(jié)段下弦桿節(jié)點編號Fig. 4 Numbering of lower chord node at 79#-78# section of steel truss girder bridge

Table1Frontenddeflectionunderthelargestcantilevercondition

施工階段架設狀態(tài)鋼梁節(jié)點懸臂長度/m前端下?lián)狭?mm工況1到達L9X26105-421．2工況2到達78#X3063-281．1

通過對施工過程進行分析可以看出，該階段的線形控制目標即使得鋼梁懸臂端的標高到達前方支點標高，此時支點反力為0，然后將鋼梁墊緊以完成體系轉換。這一階段存在兩個最大懸臂狀態(tài)。由表1知，懸拼到臨時墩L9為第1個最大懸臂狀態(tài)，前端下?lián)蠟?21.2 mm；懸拼至78#橋墩為第2個大懸臂狀態(tài)，前端撓度達到281.1 mm。

2.3 不同預抬高對懸臂施工的影響

針對鋼桁梁結構柔度大的特點[10]，考慮采用在支點設置預抬高的方式來達到線形控制的目的。由于采用的是部分抬高的方法，撓度的變化量與抬高量并不相同。為分析預抬高對控制線形的敏感性，以表1懸臂端下?lián)狭繛橐罁?jù)，取不同預抬高值，最大懸臂工況下弦桿軸線的線形變化見圖5。由圖5可知，支點抬高后，最大懸臂狀態(tài)的線形有明顯的變化，懸臂端標高的變化幅度大于支點抬高的變化幅度。由此可見，合理確定抬高值對懸臂施工合攏至前方橋墩有著重要影響。

圖5 下弦桿軸線的線形Fig. 5 Linear of the lower chord axis

2.4 預抬高的設置公式推導

為進一步研究預抬高的合理取值，將預抬高與撓度變化量的關系進行擬合，得出的結果見圖6。由圖6可知，鋼梁懸拼體系轉換前，預抬高與前端的撓度呈線性關系。

圖6 撓度變化Fig. 6 Deflection change

采用線性函數(shù)來擬合兩者的關系，可以得出體系轉換前的預抬高設置公式：

h=αw+β

(1)

式中：h為該階段預抬高；w為懸拼過程梁端最大撓度；α、β為線性方程系數(shù),由計算結果進行參數(shù)擬合得到。

79#-78#梁段的鋼梁拼裝經歷了一次體系轉換，將預抬高設置在79#墩頂進行一次預抬時，需要分別計算體系轉換前、體系轉換后兩個階段的預抬高，并且考慮體系轉換后對體系轉換前的影響。應用式(1)得

h1=α1w1+β1

(2)

h2=α2w2+β2

(3)

式中：h1為體系轉換前預抬高；h2為體系轉換后預抬高；w1為體系轉換前的最大撓度；w2為體系轉換后的最大撓度；α1、α2、β1、β2為線性方程系數(shù), 由模型理論計算結果得到。

考慮體系轉換后對體系轉換前的影響，推導一次預抬高的合理設置公式為

H=α1(h2+w1)+β1

(4)

式中：H為一次預抬高。

式(4)為所拼裝梁段內存在一次體系轉換、兩個懸拼階段的一次預抬高設置公式，當所拼裝的梁段內設有兩個臨時墩時，拼裝過程有3個懸臂狀態(tài)，相應的一次預抬高公式為

H=α1[α2(α3w3+β3+w2)+β2+w1]+β1

(5)

式中：H為多次體系轉換的預抬高公式；αi、βi為線性方程系數(shù), 由模型理論計算結果得到，i=1，2，3。

根據(jù)以上推導過程可知，式(5)能夠適用于采用同類施工方法的鋼桁梁橋，使用時可以根據(jù)臨時墩位置進行多次迭代計算。

2.5 控制線形及鋼梁起始安裝位置

依據(jù)式(4)可知，在懸拼段起始位置設置預抬高后，鋼桁梁的拼裝控制線形與不設置預抬高的控制線形對比見圖7，表2。由圖7可見，設置預抬高后，不需要在前方支點進行標高調整即可使得鋼梁順利到達前方支墩，減少施工過程中千斤頂?shù)募有遁d過程，從而降低了鋼梁拼裝過程線形控制的難度。由表2可知，考慮抬高，可以減少千斤頂在臨時墩墩頂?shù)捻敵蹋苊馇Ы镯斶^大的反力對臨時墩穩(wěn)定的影響，線形控制較易，施工過程合理簡便，并由此得出了79#鋼梁的起始安裝位置及臨時墩的定位標高。

線形控制79#墩起始安裝標高/m臨時墩L9定位標高/m千斤頂起頂位置千斤頂起頂量/mm千斤頂起頂反力/t設置預抬高52．85153．23178#墩頂300．00(臨時墩不起頂)不考慮預抬高52．55152．529臨時墩L9墩頂702．2660．7

3 鋼桁梁拼裝過程線形監(jiān)測分析

該在建大橋采用了設置預抬高的方法對施工過程的線形進行控制。在施工過程中，在每一個節(jié)間上下游兩端選取下弦桿底緣作為標高觀測點進行現(xiàn)場監(jiān)測，最后將實測結果與理論計算結果進行對比,結果見表3。

表3最大懸臂工況高程監(jiān)測

Table3Heightmonitoringunderthelargestcantileverconditionm

節(jié)點位置上游高程下游高程平均高程理論標高實測高程-理論高程X1952．84852．84652．84752．851-0．004X2052．99652．99052．99252．9890．003X2153．09253．08653．08953．094-0．005X2253．18153．17153．17553．1720．003X2353．24253．23253．23753．2290．008X2453．27453．26953．27153．2600．011X2553．27253．26853．27753．2610．016X2653．25553．24953．25253．2310．021

由表3可知，懸拼段的實測高程總體趨勢與理論高程一致；實測高程略高于理論高程，高程誤差由懸拼根部逐漸累積至懸拼前端，最大誤差為2.1 cm。由此可見，采用設置預抬高的鋼梁實際線形良好，優(yōu)化了在前方支墩的調整工作，使得鋼梁懸拼線形可控，減少了施工中的不確定性，降低了施工難度。

對于實際監(jiān)測分析所產生的誤差，可以采用千斤頂進行小幅度微調，以保證拼裝過程的精度要求。

4 結 論

某在建黃河大橋主跨為168 m，是國內唯一一座大跨徑連續(xù)鋼桁梁橋，分跨多、跨徑大、結構復雜，由此帶來了一系列施工中的技術難題。通過對大橋的施工過程進行分析，得出以下結論：

1)對于采用懸臂拼裝的大跨徑多跨連續(xù)鋼桁梁橋，隨著懸臂長度的增加，懸臂端的撓度也隨之變大。如懸臂端撓度控制不當，將造成鋼梁拼裝困難、千斤頂頂程加大、臨時墩失穩(wěn)等一系列問題。因此，應重視施工過程中的線形控制問題。

2)以往的工程案例中，對于預抬高設置的研究并不多見，然而對于該連續(xù)鋼桁梁橋而言，懸臂長度大，結構柔度大，預抬高對線形的控制起到了關鍵作用。通過建立有限元模型，分析了預抬高對拼裝線形的敏感性，并以倒退分析的思路推導了半懸臂拼裝多臨時墩施工法一次預抬高的設置公式，該公式對于采用懸臂施工法的長聯(lián)大跨鋼桁梁橋具有普遍適用性。

3)通過對施工過程中千斤頂反力、起頂量的對比，分析了懸臂拼裝過程的控制線形，計算出了鋼梁的起始安裝位置。

4)建設中的黃河公路大橋鋼桁梁主橋采用了設置預抬高的方法對拼裝線形進行控制，通過對線形監(jiān)測結果的分析，驗證了這一控制方法的合理性與實用性，這為我國大跨徑鋼桁梁橋施工積累了經驗。

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LinearControlMethodofCantileverAssemblyofLongSpanContinuousSteelTrussBridge

WANG Ling, WANG Tao, WANG Rongxia

(School of Civil and Transportation Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P.R.China)

Taking the construction process of a large span continuous steel truss bridge as the background, the linear control method of the cantilever assembly process was studied. The finite element software MIDAS Civil was used to establish the steel truss beam bridge model in construction phase. Through the analysis on the effect of different pre-elevation on the linear control of assembly process, the formula for pre-elevation reasonable setting was derived, which determined the initial installation position of steel girder erection and the control alignment of the suspension process. Combined with the construction monitoring data, the analysis was carried out. The results show that the measured alignment is basically consistent with the predicted alignment, which indicates that the linear control method of setting pre-elevation is practical and effective.

bridge engineering; cantilever construction; steel truss girder; temporary pier; instability; control line shape

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.03

2016-08-04；

2017-02-13

王 玲(1976—)，女，河北邯鄲人，副教授，博士，主要從事結構工程方面的研究。E-mail：wlarkl@sina.com。

U443.3

A

1674-0696(2017)11-011-05

(責任編輯：譚緒凱)