大型鋼桁架管廊橋施工控制分析

連小華

（山西省長治公路分局，山西 長治046000）

1 工程概況

管廊跨河大橋上部采用3層鋼桁架結(jié)構(gòu)，橋?qū)?5 m，高6 m；管廊跨河大橋橋長180 m，共4跨，縱向布置為（48+36+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁。橋墩采用空心和實心墩相結(jié)合，上部采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，橋?qū)?5 m，檢修通道位于橋梁兩側(cè)，各1.5 m寬，布置在桁架底層。

鋼桁梁主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345D，檢修走道等附屬結(jié)構(gòu)材質(zhì)采用 Q235C，（48+36+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁1 669.96 t，第二聯(lián)（48+48+42）m 鋼桁梁1 003.42 t，附屬結(jié)構(gòu) 365.81 t；支座采用 QZ2500、QZ4000、QZ6000、QZ8000，數(shù)量分別為 9個、9個、6個、3個，共計27個。

鋼桁梁主梁由3片桁架組成，主桁中心距7.5 m，橋面寬度15 m（兩邊桁中心距），節(jié)間6.0 m，桁高6 m，設上、中、下3層橫梁，相鄰兩層橫梁間距3.0 m，在上層和下層分別設置上平縱聯(lián)和下平縱聯(lián)；主桁桁片采用米字型結(jié)構(gòu)，由上弦桿、中弦桿、下弦桿、斜腹桿和豎腹桿組成，在下弦桿外側(cè)設有檢修走道，檢修走道寬1.5 m，如圖1所示。圖1為該橋橋型布置圖。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

主桁上、中、下弦桿均采用箱形斷面，斷面高600 mm，寬 600 mm，腹板厚度 18 mm，翼板厚度16 mm。斜腹桿和豎腹桿均采用“H”型截面，斜腹桿截面寬度600 mm，高度300 mm，腹板厚度14 mm，翼板厚度14 mm；豎腹桿截面寬度600 mm，高度300 mm，腹板厚度14 mm，翼板厚度14 mm，在支座位置適當加強，加強截面寬度600 mm，高度300 mm，腹板厚度16 mm，翼板厚度18 mm。主桁各桿件之間均采用焊接連接。

主桁設上、中、下3層橫梁，均采用“工”型截面，截面高度600 mm，標準截面寬度400 mm，腹板厚度12 mm，翼板厚度18 mm，在管道有水平推力位置，橫梁截面適當加強，加強橫梁截面高度600 mm，上翼緣寬度640 mm，板厚24 mm，下翼緣寬度400 mm，板厚18 mm。在下層兩相鄰橫梁間另設一道次橫梁。各橫梁與主桁節(jié)點之間采用焊接連接。

主桁采用“X”型上、下平聯(lián)，平聯(lián)桿件均采用“工”字型截面，截面高度220 mm，截面寬度220 mm，腹板厚度8 mm，翼板厚度12 mm。上、下平聯(lián)桿件與主桁通過M24高強度螺栓連接。

圖2 主桁架構(gòu)成（單位：mm）

2 施工過程描述

根據(jù)施工方案，管廊大橋0～3號段鋼桁架采用連續(xù)頂推的施工工藝，3～4號段桁架采用原位拼裝，現(xiàn)場搭設鋼管支架，吊裝機械采用大噸位履帶吊搭配施工。

圖3 施工平臺布置圖

具體情況如下：（48+36+48+48）m鋼桁架梁全長180 m安裝總重約為1 670 t。其中0～3號墩（48+36+48）m梁段為平直連續(xù)段，在0號墩一側(cè)搭設拼裝平臺進行頂推施工，且0～1號墩之間采用貝雷桁架支撐頂推滑道，1～2號墩之間采用預應力鋼管支撐頂推滑道，2～3號墩之間采用鋼導梁進行頂推[2]；3～4號墩48 m梁段主桁架為階梯段，采用鋼管支架逐段安裝。

2.1 鋼桁架頂推施工順序

臨時基礎(chǔ)施工→安裝臨時支架→安裝滑道→拼裝鋼桁架和導梁→安裝頂推設備→技術(shù)檢查→頂推施工→拆除導梁→頂梁、落梁就位（檢查各部件、連接、安裝支座等）→拆除臨時支架、支墩等。

2.2 關(guān)鍵施工步驟（見表1）

表1 關(guān)鍵施工步驟

3 施工控制要點

為確保頂推過程中鋼桁架、橋墩的安全，頂推全過程進行監(jiān)控[3]。考慮頂推法架設的施工特點和過程，施工控制要點為鋼桁架線形控制為主，應力控制為輔。鋼桁架施工過程中線形控制主要包括橫向位移監(jiān)控及豎向撓度監(jiān)測，橫向位移監(jiān)控在導道梁頂面，鋼桁架梁頂板中線位置每隔10～20 m固定一個小棱鏡，分別在頂推前、頂推中、頂推就位后采用全站儀觀測小棱鏡。根據(jù)測設的小棱鏡位置推斷鋼桁架及導梁的橫向位移偏差。每次主梁頂推前后對各節(jié)點及其他控制斷面進行撓度測試，特別對施工過程中最不利斷面進行重點測試。應力控制為輔可根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點選擇關(guān)鍵斷面進行應力測試，主要測試斷面為鋼桁架跨中、四分點和橋墩根部，為了補償鋼構(gòu)件溫度應變并消除影響，在測點同時布置工作應變計和溫度補償應變計。此外，施工過程中，應對墩頂部位的水平位移進行重點監(jiān)控。

4 施工過程有限元分析

4.1 建立有限元模型

將橋梁按照空間實用理論簡化為平面桿系，采用MIDAS/CIVIL（V8.2.1）結(jié)構(gòu)分析程序進行橋梁施工階段及成橋狀態(tài)的分析計算。根據(jù)管廊跨河大橋設計圖紙，建立該橋計算模型。全橋共1 104節(jié)點，共分2 813個單元。管廊跨河大橋成橋及施工過程模型[4]如圖4所示。

4.2 臨時滑道撓度控制分析

圖4 分析模型

0～1號墩之間采用貝雷桁架支撐頂推滑道，1～2號墩之間采用預應力鋼管支撐頂推滑道，為確保頂推過程中鋼桁架、橋墩的安全，頂推全過程對臨時滑道及鋼管的豎向及橫向變形進行監(jiān)控，分別在跨中及四分點布置測試截面即S1～S6截面（如圖5所示），每個測試截面橫向布置3個測點Si-1～Si-3（如圖6所示），如S1截面對應測點Si-1～Si-3。分別在頂推前、頂推中、頂推就位后采用全站儀觀測，根據(jù)測設的小棱鏡變形推斷主桁架的位移偏差。

圖5 滑道梁及鋼管縱斷面編號

圖6 橫斷面編號

圖7 0～1號跨滑道施工階段變形規(guī)律

圖8 1～2號跨滑道施工階段變形規(guī)律

圖7為鋼桁架頂推施工過程中1～2號墩之間貝雷桁架支撐頂推滑道的變形規(guī)律圖，圖8為鋼桁架頂推施工過程中1～2號墩之間預應力鋼管支撐頂推滑道的變形規(guī)律圖。由圖可知，貝雷桁架支撐頂推滑道S1～S3截面在施工過程中最不利變形分別為37 mm、45 mm、27 mm，且同一個斷面橫向3個測點撓度值略有不同，中間測點大于兩側(cè)測點，因為中間滑道承受的主桁架自重較兩側(cè)滑道大，與實際情況相符；鋼管支撐頂推滑道S4～S6截面在施工過程中最不利變形分別為20 mm、75 mm、48 mm，且同一個斷面橫向3個測點撓度值略有不同，同時在頂推過程中鋼管滑道變形起伏較大，隨著頂推過程S4截面和S5截面最大變形差均在30 mm左右，S4截面甚至出現(xiàn)上翹的現(xiàn)象，因此施工過程中，必須根據(jù)頂推階段進行跟蹤連續(xù)測量。

4.3 導梁撓度控制分析

2～3號墩之間采用鋼導梁進行頂推，為確保頂推過程中鋼桁架、橋墩的安全，頂推全過程對導梁的豎向及橫向變形進行監(jiān)控[5]，分別在導梁的根部、跨中及最前端布置測試截面即S1～S3截面（如圖9所示），每個測試截面橫向布置3個測點Si-1～Si-3（如圖10所示），如S1截面對應測點Si-1～Si-3。分別在頂推前、頂推中、頂推就位后采用全站儀觀測，根據(jù)測設的小棱鏡變形推斷主桁架的位移偏差。

圖9 導梁測試截面編號

圖10 橫斷面測點編號

導梁施工過程中各階段累計變形規(guī)律如表2。

表2為2～3號墩鋼桁架頂推施工過程中導梁的變形規(guī)律。導梁在第三頂推階段達到最大懸臂狀態(tài)，此處最大懸臂指鋼桁架達到最大懸臂，下一個頂推階段導梁前端到達3號墩即形成前支點，導梁S1～S3截面在施工過程中最不利變形分別為71.5 mm、86 mm、109.5 mm，其中導梁根部截面即主桁架前端最大撓度隨著主桁架頂推持續(xù)增加，而導梁前端和跨中最大位移均在主桁架的最大懸臂階段，導梁前端到達3號墩形成前支點后即不再增加。

表2 導梁變形規(guī)律mm

4.4 墩頂水平位移控制分析

管廊跨河大橋施工階段由于頂推施工產(chǎn)生水平力及結(jié)構(gòu)自重，施工過程中主墩發(fā)生水平位移，經(jīng)分析計算頂推施工過程中2號橋墩及曲折段桁架臨時支架拆除階段3號橋墩均會發(fā)生較大的水平位移，圖11、圖12為施工過程中產(chǎn)生的最不利水平位移變形圖。

圖11 頂推過程最不利水平位移（單位：mm）

圖12 支架拆除階段最不利水平位移（單位：mm）

由圖11、圖12可知，施工過程中墩頂最不利水平位移分別為2號橋墩0.8 mm、1號橋墩0.4 mm，支架拆除階段彎折孔墩頂最不利水平位移3號橋墩墩頂為28 mm，4號橋墩墩頂為4 mm，因此施工過程中應布置測點并在相應施工階段進行跟蹤連續(xù)控制。

5 結(jié)語

本文以某大型鋼桁架管廊大橋為例，首先對該橋的特點、頂推滑道、導梁的布置及施工過程進行了詳細描述，同時，對施工過程控制要點進行了總結(jié)，最后借助有限元分析手段，分別建立了全橋及施工階段分析模型，對施工全過程中滑道和導梁關(guān)鍵截面的變形規(guī)律以及墩頂?shù)淖畈焕轿灰七M行了控制分析，分析發(fā)現(xiàn)桁架及鋼管支撐滑道跨中截面在施工過程中最不利變形分別為45 mm和75 mm，在頂推過程中滑道變形起伏較大，監(jiān)控過程中須密切關(guān)注；鋼導梁根部截面即主桁架前端最大撓度隨著主桁架頂推持續(xù)增加，最大達到71.5 mm，變形較大，應在主桁架線形控制中充分考慮；此外，由于墩高較大，施工過程中墩頂最大水平位移達到28 mm，必要時應進行頂推；以上分析結(jié)果為保證橋梁施工安全提供重要依據(jù)，本文的研究成果可供類似工程借鑒。