大跨度箱-桁結合梁斜拉橋鋼桁梁施工方案研究

肖 頡

(中鐵大橋局集團有限公司 武漢 430050)

1 工程概述

1.1 主體結構設計

洞庭湖特大橋位于湖南省岳陽市，采用鋼箱鋼桁結合梁三塔斜拉橋跨越洞庭湖接入長江的出口水道[1-2]，采用雙線1.2倍ZH活載設計，孔跨布置為98 m+140 m+406 m+406 m+140 m+98 m，全長1 290.24 m。主橋橋跨布置見圖1。

圖1 洞庭湖特大橋主橋橋跨布置圖(單位：m)

主梁為鋼箱、鋼桁結合梁結構，主桁下弦桿及其兩側的風嘴與橋面板組成鋼箱結構，主桁腹桿、上弦桿為桁梁結構。主桁采用內傾布置，上弦桿中心間距12.0 m，下弦桿中心間距14.0 m。全聯桁架為不帶豎桿的華倫式桁架，桁高12.0 m，節間長14.0 m，斜桿立面傾角59.744°,全橋共92個節間，全橋以4號塔對稱布置，鋼梁斷面布置見圖2。

圖2 鋼梁斷面布置圖(單位：mm)

1.2 鋼桁梁架設總體方案

鋼梁安裝采用“先箱后桁”的總體架設方案，鋼梁腹桿、上弦桿及平面和橫向聯結系桿采用散拼架設，由700,900 kN汽車吊機在橋面從3，4，5號墩墩頂開始向兩側雙向對稱架設，鋼桁梁桿件通過設在1號，7號墩附近的提升站運至橋面，再通過橋面汽車運輸至待架位置。

2 鋼桁梁施工重難點

采用“先箱后桁”架設方案，除具有快速實現鋼箱合龍，改善鋼梁架設作業環境，提高施工效率，加快施工進度等優點外，也存在以下重難點。

1) “先箱后桁”施工導致鋼梁下弦桿與上弦桿節間存在縱向變形差。鋼箱梁合龍后，下弦桿節間縱向存在壓縮變形，而此時鋼桁梁上弦桿無縱向變形，因此存在縱向變形差，上弦桿節間長度若不修正調整，鋼桁梁上弦桿安裝存在困難。

2) 散桿件拼裝導致鋼桁桿件接頭較多，變形調整復雜。

3) 上弦桿安裝受上弦、下弦桿制造誤差影響大。鋼梁制造規范中對桿件兩端的孔距誤差要求為±1.0 mm。安裝上弦桿時，除了上弦桿自身的制造誤差外，下弦桿的制造誤差也反映到上弦桿間接頭間隙上，誤差影響將增大[3-6]。

3 桿件縱向變形差研究

各節段鋼箱梁在斜拉索掛索后會產生壓縮，各節段的壓縮變形將對上部鋼桁梁安裝產生影響。鋼箱梁合龍后，各節段在一期恒載索力下的變形見圖3。

圖3 下弦桿節間壓縮變形

由圖3可見，鋼箱梁的最大節段變形約3 mm，各節間變形由塔根部向兩側逐漸減小。在鋼箱梁合龍后，再安裝鋼桁梁時，鋼箱梁已產生縱向變形而鋼桁梁此時無變形，鋼箱梁與鋼桁梁間存在縱向變形差且在塔根處最大，達到3 mm左右，全橋2/3節間的箱-桁縱向變形差超過2 mm，鋼桁梁桿件的安裝存在較大困難。

對此，采取在設計上對鋼桁梁上弦桿進行尺寸補償的方法，計算得到每個節間的下弦桿節間縱向壓縮量見表1，鋼桁梁上弦桿在工廠制造時據此進行尺寸調整，使鋼桁梁桿件在現場無應力狀態下安裝。

表1 考慮先箱后桁施工引起的上弦桿尺寸補償mm

續表1

桿件編號上弦桿補償桿件編號上弦桿補償A25A26-2.1A37A38-1.7A26A27-1.7A38A39-2.1A27A28-1.4A39A40-2.4A28A29-1.1A40A41-2.8A29A30-1.0A41A42-3.0A30A31-0.8A42A43-3.0A31A32-0.7A43A44-2.9A32A33-0.7A44A45-2.3A33A34-0.8A45A46-2.0A34A35-1.0A46A460A35A36-1.1A12A13-2.9

4 桿件變形調整研究

桁架桿件在安裝過程中，接頭位置的變形主要受重力影響，因此，根據桿件截面及類型的不同，采取有限元軟件建立模型，分析接頭位置變形量及相應調整措施。分析結果見表2。

表2 桿桿變形量及調整結果

5 制造誤差影響研究

5.1 誤差累積分析

根據TB 10212-2009 《鐵路鋼橋制造規范》，當桿件長度L>11 m時，兩端孔群中心距容許誤差為±1.0 mm。

為分析上弦桿制造誤差對鋼桁拼裝影響，假定每根桿件誤差值為定值，且沿著一個方向累積。以桿件誤差值為2a，不考慮桿件壓縮或拉伸變形，分析原理如下。

1) 連接第一個節間上弦桿后，J1，J2節點分別產生誤差a。

2) 則第二個節間上弦桿安裝完成后，J1節點誤差累積為a+d，J2節點誤差累積為a-c，J3節點誤差累積為b，其中L-a+b+c=L+2a，即b+c=3a。依次類推，最終尋找桿件誤差在鋼桁拼裝過程中的累積規律。

分析原理示意見圖4。以桿件誤差1 mm對鋼桁拼裝過程進行分析，桿件誤差通過單元溫度荷載進行模擬。其計算結果見表3。桿件節點誤差為1 mm時，拼裝8個節間后，桿件制造誤差對鋼桁拼裝起點的影響趨于穩定，拼裝點累積誤差值為2.5 mm，拼裝終點累積誤差值未明顯趨于穩定。

圖4 誤差累積分析原理圖

mm

5.2 鋼桁梁安裝分組方案

為減小制造誤差的累積，擬分組安裝上弦桿，組間設預留調整口。

選取剛度較大的塔根2組鋼桁梁進行受力敏感性分析，得出在組間上弦桿接頭兩側對頂1 000 kN/桁水平力作用下，組間間隙的變化量。對相應預留口誤差及調整內力進行分析，結果見表4。

表4 上弦桿預留口誤差及其調整內力(每節間正誤差1 mm)

根據以上計算結果，綜合現場施工條件及設備狀況，選取5個節間設一個預留調整口時誤差分布及調整內力情況如下。

1) 若5個節間均正誤差1 mm,則預留調整口的調整內力可控制在400 kN/桁以內，此為極端情況。

2) 若4個節間正誤差1 mm、1個節間零誤差，則預留口調整內力可控制在300 kN/桁以內，此也是較為極端情況。

3) 若3個節間正誤差1 mm、2個節間零誤差，則預留口調整內力可控制在200 kN/桁以內，此為較可能出現的情況。

以上誤差及調整力均在可控范圍之內，且為了盡可能減少桁架桿件安裝完成后對成橋狀態的影響及方便現場施工，因此實際施工時采用每5個上弦桿節間為1組，組間設1個預留調整口，全橋共設18個鋼桁梁組，17個預留口。鋼桁梁按從塔根向兩側架設，每組內上弦桿節間按正常鋼梁架設工藝安裝，組間預留調整口，組間預留調整口沖釘插打、高栓施擰待鋼桁梁全部安裝后進行。

6 結語

通過對鋼桁梁安裝過程中存在的重難點進行分析，提出了相應的調整措施。

1) 對于鋼箱與鋼桁桿件縱向變形差問題，通過對鋼桁梁上弦桿的長度進行調整以完善。在鋼箱梁合龍后，加載全部的鋼桁梁荷載，計算此時的下弦桿節間的壓縮量，并據此對上弦桿節間長度進行相應調整，確保理論上此時上弦桿滿足零應力安裝要求。

2) 對于鋼桁桿件變形調整復雜的問題，運用有限元模擬桁架桿件在施工過程中可能產生的變形或受到的影響，著重研究了斜桿、上弦桿豎向、主桁側向的變形和調整方法。

3) 對于誤差影響大的問題，通過分析誤差累積的影響，提出了鋼桁梁上弦桿安裝采取“分組安裝，組間設預留調整口”的思路。鋼桁梁按從塔根向兩側架設，每5個上弦桿節間設為1組，組內上弦桿節間按正常鋼梁架設工藝安裝，組間預留調整口，組間預留調整口沖釘插打、高栓施擰待鋼桁梁全部安裝后進行。