朱永波

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概況

斜拉橋、懸索橋等造型美觀、跨越能力大的橋梁在跨越大江大河的大跨度橋梁中占據(jù)重要位置。其主橋梁體多采用鋼桁梁、鋼箱梁或鋼箱鋼桁結(jié)合梁。需要探討的是多跨鋼桁鋼箱結(jié)合梁架設(shè)過程中架設(shè)順序問題及合龍精度問題。鋼箱鋼桁結(jié)合梁架設(shè)時一般采用在陸地將鋼箱鋼桁拼裝一個節(jié)間后吊裝架設(shè)。這就帶來節(jié)間重量大，體積龐大，運輸及吊裝需要的大型設(shè)備多，須高空作業(yè)及易受環(huán)境影響等不利因素。因而先架設(shè)箱梁，在箱梁合龍的基礎(chǔ)上利用已有平臺架設(shè)鋼桁梁則可以解決上述問題。鋼桁梁拼裝過程中如何保證合龍精度是本文所重點關(guān)注的問題[1- 4]。

蒙華鐵路洞庭湖特大橋主橋為(99.12+140+406+406+140+99.12)m 三塔雙索面鋼箱鋼桁結(jié)合梁斜拉橋，全長 1 290.24 m。主橋橋跨布置見圖1[5]。

圖1 洞庭湖特大橋主橋橋跨布置(單位：m)

主梁為鋼箱鋼桁結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，主桁采用內(nèi)傾布置，上弦中心距12.0 m，下弦中心距14.0 m。全聯(lián)桁架為不帶豎桿的華倫式桁架，桁高12.0 m，節(jié)間長14.0 m，斜桿立面傾角59.744°。全橋共92個節(jié)間，全橋以4號塔對稱布置，斷面布置見圖2。

主要桿件質(zhì)量參數(shù)見表1。

洞庭湖特大橋以其結(jié)構(gòu)設(shè)計形式新穎，施工技術(shù)難度大，在國內(nèi)外同類橋梁中具有5項第一。

1)世界上首座重載鐵路三塔斜拉橋；

圖2 鋼梁斷面布置(單位：mm)

2)世界上跨度最大的鐵路三塔斜拉橋；

3)世界上首次在斜拉橋上采用鋼箱鋼桁結(jié)合主梁形式；

表1 主要桿件質(zhì)量參數(shù)

4)世界上首次在斜拉橋上采用先架設(shè)、合龍鋼箱梁，然后安裝合龍鋼桁梁的成橋方法；

5)國內(nèi)首次在鐵路橋上采用中塔穩(wěn)定索。

2 箱梁合龍后架設(shè)桁梁存在的問題

1)桁梁桿件拼裝受下弦鋼箱制造安裝誤差、桁梁制造誤差與安裝累積誤差的影響。桁梁安裝時，除了鋼箱、鋼桁自身的制造誤差外，鋼箱安裝線形的偏差會傳遞、放大至上弦，造成上弦桿件安裝困難。

2)上弦桿件節(jié)間間距調(diào)整困難。上弦安裝時，鋼箱梁已經(jīng)合龍，結(jié)構(gòu)體系剛度較大，鋼桁梁在其上安裝時調(diào)整難度較大。

3)鋼桁梁下弦與上弦節(jié)間存在縱向變形差。鋼箱梁合龍后，下弦節(jié)間縱向存在壓縮變形，而此時鋼桁梁上弦無縱向變形，兩者存在縱向變形差。此問題在設(shè)計時雖已考慮，將上弦節(jié)間設(shè)計長度進行了調(diào)整，但設(shè)計索力與成橋索力不一致，縱向仍存在少量變形差。

鋼桁梁合龍時合龍口的變形及所需頂拉力等參數(shù)需要進行適應(yīng)性分析計算，以便適應(yīng)施工機具及現(xiàn)有工況。

蒙華鐵路洞庭湖大橋進行了先合龍鋼箱梁，再拼裝鋼桁梁的創(chuàng)新施工方法，對橋梁施工技術(shù)的發(fā)展進行了一些嘗試。采用ANSYS的土木工程專用程序包ANSYS/Civil FEM就鋼桁梁拼裝合龍口變形偏差進行計算和分析，對鋼桁梁施工合龍變形以及頂拉力等施工參數(shù)與現(xiàn)有設(shè)備配套的適應(yīng)性進行分析，以便對施工進行理論指導(dǎo)[6-10]。

3 各工況下鋼桁梁合龍口變形分析

3.1 斜桿安裝時的變形

上弦桿安裝之前斜桿屬于懸臂狀態(tài)，此時工字型斜桿懸臂端最大縱向位移為22 mm(見圖3)，施加7 kN/桁的水平作用力即可調(diào)整回位。

圖3 工字形斜桿安裝時的縱向變形(單位：mm)

箱型斜桿懸臂端最大縱向位移為5 mm(見圖4)，通過施加24 kN/桁的水平作用力，即可調(diào)整回位。

圖4 箱形斜桿安裝時的縱向變形(單位：mm)

3.2 上弦桿件懸臂時的豎向變形

在上弦桿間定位沖釘未插打前，上弦桿屬于懸臂狀態(tài)，此時懸臂端最大豎向位移為25 mm(見圖5)，懸臂端上提110 kN/桁的作用力，上弦桿可調(diào)平。

圖5 上弦桿件懸臂時的豎向變形(單位：mm)

3.3 上平聯(lián)未安裝時主桁的側(cè)向變形

在腹桿、上弦安裝過程中，如果上平聯(lián)未安裝，則主桁在自重下的側(cè)向變形為7 mm(見圖6)，每個上弦節(jié)點處頂開40 kN，即可回位。

圖6 上平聯(lián)未安裝時的主桁側(cè)向變形(單位：mm)

3.4 組內(nèi)上弦的縱向間隙調(diào)整計算

組內(nèi)上弦節(jié)間接頭安裝時，前端僅為2根斜桿組成的三角形和一根上弦桿件，若在上弦間對頂100 kN/桁的水平力引起的變形見表2。

表2 組間上弦對頂100 kN/桁水平力引起的變形

3.5 誤差累積影響分析

經(jīng)計算可知：

1)如果5個節(jié)間設(shè)一個預(yù)留調(diào)整口，即使每個節(jié)間均誤差+2 mm，則預(yù)留調(diào)整口的調(diào)整內(nèi)力可控制在 1 000 kN/桁以內(nèi)，此為極端情況。

2)如果4個節(jié)間誤差+2 mm，1個節(jié)間誤差為0，則預(yù)留口調(diào)整內(nèi)力可控制在700 kN/桁以內(nèi)，此也是較為極端情況。

3)如果3個節(jié)間誤差+2 mm，2個節(jié)間誤差為0，則預(yù)留口調(diào)整內(nèi)力可控制在400 kN/桁以內(nèi)，此為較有可能出現(xiàn)的情況。

根據(jù)以上計算與分析，擬5個上弦節(jié)間設(shè)一個預(yù)留調(diào)整口，全橋共設(shè)18個鋼桁梁組，17個預(yù)留口。

3.6 下弦節(jié)點間轉(zhuǎn)角差對上弦安裝影響分析

經(jīng)計算兩相鄰下弦節(jié)點間的轉(zhuǎn)角差為10-4rad，則對應(yīng)的上弦節(jié)點間距改變量為1.2 mm,見表3。

表3 單位豎向荷載引起的下弦節(jié)點轉(zhuǎn)角

4 結(jié)論

1)節(jié)間內(nèi)斜桿、上弦桿與平聯(lián)變形均不大，加上下弦鋼箱制造安裝誤差、桁梁制造誤差與安裝累積誤差的影響也可控，運用普通手段即可進行安裝。

2)在最不利工況下，頂拉力與節(jié)間變形均在機具能力范圍內(nèi)，不用另行制造大型安裝設(shè)備，從而使得在已合龍箱梁上安裝鋼桁梁變得簡便易行。

3)在理論計算與實際工況有誤差的情況下，可以采用調(diào)整索力，從而改變下弦節(jié)點間轉(zhuǎn)角差來調(diào)整合龍口的變形，使得所需頂拉力在可控范圍內(nèi)。

4)現(xiàn)場的實際操作證明了理論數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測值吻合較好，驗證了計算理論的可靠性，對鋼梁架設(shè)先箱后桁法施工進行了有益探索。

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