王金良 陳士通 陳樹(shù)禮 馮志超

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)河北省交通應(yīng)急保障工程技術(shù)研究中心，石家莊 050043）

橋梁拖拉施工技術(shù)因設(shè)備簡(jiǎn)單，施工平穩(wěn)、高效，不影響既有線路等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用［1-2］。對(duì)于多跨簡(jiǎn)支梁橋，為滿足拖拉施工的需要，應(yīng)在相鄰兩孔梁之間安裝臨時(shí)連接構(gòu)件，使各孔鋼桁梁由原來(lái)的簡(jiǎn)支體系變?yōu)檫B續(xù)體系。鋼橋拖拉到位后，先拆除梁跨之間的臨時(shí)連接構(gòu)件，再進(jìn)行落梁作業(yè)［3-4］。

施工過(guò)程中，施工誤差、墩柱沉降等原因均會(huì)導(dǎo)致各跨鋼桁梁支點(diǎn)出現(xiàn)高差。支點(diǎn)高差［5］會(huì)導(dǎo)致梁跨之間的臨時(shí)連接構(gòu)件產(chǎn)生拉壓應(yīng)力，不利于鋼桁梁間連接構(gòu)件的拆除作業(yè)。此外，單跨鋼桁梁的落梁需要利用豎向千斤頂，落梁的理想狀態(tài)是各千斤頂同步下落，但操作過(guò)程中各千斤頂之間的落梁誤差不可避免，落梁不同步導(dǎo)致鋼桁梁扭轉(zhuǎn)變形繼而產(chǎn)生桿件內(nèi)力［6-10］。上述2種情況，如果內(nèi)力過(guò)大均可導(dǎo)致桿件結(jié)構(gòu)損傷。本文分別進(jìn)行了相鄰梁跨支點(diǎn)高差對(duì)桿件應(yīng)力影響和落梁不同步對(duì)桿件應(yīng)力影響的研究。

1 工程概況及有限元模型

1.1 工程概況

京張高速鐵路官?gòu)d水庫(kù)特大橋主橋采用多跨簡(jiǎn)支鋼桁梁，其孔跨布置為8×110 m簡(jiǎn)支拱形鋼桁梁橋，上部鋼桁梁梁長(zhǎng)109.7 m，分為10個(gè)節(jié)間，節(jié)間長(zhǎng)度為10×10.8 m，采用變高曲弦拱形桁架。拱形桁架計(jì)算跨度為108 m，跨中桁高19 m，桁寬13.8 m，支座距梁端0.85 m，相鄰兩孔梁支座中心距為2.0 m。

1.2 有限元模型

利用MIDAS/Civil建立有限元模型，鋼桁梁的主桁架、下平縱聯(lián)及橋門(mén)架采用梁?jiǎn)卧M，上平縱聯(lián)采用桁架單元模擬，橫向連接系的上下弦桿采用梁?jiǎn)卧M，橫向連接系的豎桿及斜桿采用桁架單元模擬。全橋空間桿系模型共采用了1 144個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 615個(gè)單元。鋼橋在拖拉過(guò)程中的約束采用節(jié)點(diǎn)彈性連接（剛性），模擬墊塊僅承受壓應(yīng)力，設(shè)置為一般支撐。通過(guò)對(duì)支點(diǎn)處施加豎向強(qiáng)制位移，模擬支點(diǎn)高差及落梁過(guò)程。

2 支點(diǎn)高差對(duì)桿件應(yīng)力的影響

為了解鋼桁梁拖拉到位后，各支點(diǎn)高差對(duì)梁跨間臨時(shí)連接構(gòu)件及周?chē)鷹U件的影響，進(jìn)行了相鄰梁跨支點(diǎn)高差對(duì)桿件應(yīng)力影響的相關(guān)分析。分析時(shí)任取兩跨相鄰鋼桁梁，假定其支點(diǎn)如圖1所示。同時(shí)，為了便于區(qū)分臨時(shí)連接構(gòu)件及周?chē)鷹U件，對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示。

圖1 鄰跨鋼桁梁支點(diǎn)

圖2 臨時(shí)連接構(gòu)件編號(hào)

考慮相鄰梁跨可能出現(xiàn)的支點(diǎn)高差現(xiàn)象，假定3種情況進(jìn)行分析，見(jiàn)表1。由于桿件數(shù)量較多，圖3 給出了支點(diǎn)高差影響最明顯的端斜桿4，8，15，19單元的應(yīng)力關(guān)系曲線。為了方便區(qū)分不同支點(diǎn)高差工況，按“XY-MN-L”的形式對(duì)工況進(jìn)行命名，其中，XY=A，B或AB 表示發(fā)生支點(diǎn)高差的梁跨；M，N=1～4 表示各跨支點(diǎn)高差發(fā)生的位置；L=1～22，表示桿件單元號(hào)。如“A-13-1”表示A 跨鋼桁梁 1，3 支點(diǎn)下降時(shí)單元 1 的應(yīng)力變化值；“AB-1313-1”表示A，B跨鋼桁梁1，3支點(diǎn)均下降時(shí)單元1的應(yīng)力變化值。

表1 支點(diǎn)高差工況

圖3 支點(diǎn)高差與端斜桿應(yīng)力關(guān)系曲線

2.1 工況1

由圖3（a）可知：①支點(diǎn)高差發(fā)生于單跨鋼桁梁時(shí)，梁跨連接處下沉支點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的端斜桿應(yīng)力隨高差的增加呈現(xiàn)增大現(xiàn)象。如A跨1，3支點(diǎn)（工況A-13）中支點(diǎn) 3 對(duì)應(yīng)的單元 4 和 B 跨1，3 支點(diǎn)（工況B-13）中支點(diǎn)1 對(duì)應(yīng)的單元19，其應(yīng)力均隨高差增大而線性增大。②相鄰兩跨鋼桁梁支點(diǎn)均出現(xiàn)高差時(shí)，若梁跨支點(diǎn)高差發(fā)生在同一位置（工況AB-1313），鄰跨間的端斜桿應(yīng)力均隨高差的增大而增大，最大應(yīng)力仍發(fā)生于下沉支點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置，如A 跨1，3 支點(diǎn)中支點(diǎn)3 對(duì)應(yīng)的單元4和B跨1，3支點(diǎn)中支點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的單元19；若鄰跨支點(diǎn)高差發(fā)生位置不同時(shí)（工況AB-1324），支點(diǎn)未下沉位置對(duì)應(yīng)的端斜桿應(yīng)力隨支點(diǎn)高差增大而增大，如A跨支點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的單元15和B跨支點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的單元19。

2.2 工況2

分析圖3（b）可知：①支點(diǎn)高差發(fā)生于單跨鋼桁梁時(shí)，鋼桁梁首端下降導(dǎo)致支點(diǎn)高差（工況A-12），支點(diǎn)高差的增大對(duì)相鄰梁跨A，B 端部弦桿單元4，8，15，19應(yīng)力基本沒(méi)有影響；鋼桁梁尾端下降導(dǎo)致的支點(diǎn)高差（工況A-34），隨著支點(diǎn)高差的增大相鄰梁跨A，B端部弦桿單元應(yīng)力出現(xiàn)了先降后增的變化趨勢(shì)。②相鄰兩跨鋼桁梁支點(diǎn)均出現(xiàn)高差時(shí)，如均為鋼桁梁首端下降導(dǎo)致的支點(diǎn)高差（工況AB-1212），隨著支點(diǎn)高差的增大，相鄰梁跨A，B 端部弦桿單元應(yīng)力均為遞增變化，但A 跨鋼桁梁端部弦桿單元4，15應(yīng)力變化速率大于B跨鋼桁梁端部弦桿單元8，19。若發(fā)生兩跨鋼桁梁首端和尾端下降導(dǎo)致的支點(diǎn)高差（工況AB-1234），A，B端部弦桿單元應(yīng)力均為遞增變化。對(duì)于相鄰梁跨A，B而言，因鋼桁梁首端或尾端下降引起的支點(diǎn)高差，均可導(dǎo)致與梁跨端部弦桿的應(yīng)力發(fā)生變化，且變化方式與支點(diǎn)高差形式有關(guān)，但支點(diǎn)高差對(duì)應(yīng)力影響有限，不會(huì)對(duì)其安全產(chǎn)生影響。

2.3 工況3

分析圖3（c）可知：①支點(diǎn)高差發(fā)生于單跨鋼桁梁時(shí)，支點(diǎn)下沉側(cè)主桁端弦桿應(yīng)力隨著高差的增大出現(xiàn)了先降后增的變化，支點(diǎn)下沉側(cè)主桁臨跨對(duì)應(yīng)位置的端弦桿應(yīng)力則出現(xiàn)了逐漸增大的變化趨勢(shì)，支點(diǎn)未發(fā)生變化一側(cè)的主桁端弦桿應(yīng)力基本沒(méi)有變化。如A跨鋼桁梁左側(cè)主桁支點(diǎn)下沉?xí)r（工況A-14），A 跨鋼桁梁端弦桿單元15 應(yīng)力為先降后增狀態(tài)，而B(niǎo) 跨鋼桁梁端弦桿單元19應(yīng)力為上升狀態(tài)，右側(cè)主桁位置的端弦桿單元4 和單元8 應(yīng)力基本維持不變。②相鄰兩跨鋼桁梁的左右側(cè)主桁支點(diǎn)均出現(xiàn)高差時(shí)，若相鄰兩跨鋼桁梁同側(cè)主桁同時(shí)下沉（工況AB-1414），鋼桁梁端弦桿應(yīng)力整體變化幅度較小，最大差值在5 MPa左右，影響不明顯。相鄰兩跨鋼桁梁異側(cè)主桁同時(shí)下沉（工況AB-1423），支點(diǎn)下沉側(cè)主桁端弦桿應(yīng)力隨著高差的增大出現(xiàn)了先降后增的變化，支點(diǎn)下沉側(cè)主桁臨跨對(duì)應(yīng)位置的端弦桿應(yīng)力則出現(xiàn)了逐漸增大的變化趨勢(shì)。如A 跨鋼桁梁左側(cè)主桁和B跨鋼桁梁右側(cè)主桁支點(diǎn)同時(shí)下沉?xí)r（工況AB-1423），端弦桿單元8、單元15應(yīng)力為先降后增狀態(tài)，而端弦桿單元4、單元19單元應(yīng)力則為上升狀態(tài)。

2.4 梁跨臨時(shí)連接構(gòu)件零應(yīng)力拆解

整橋拖拉就位后，需要將各跨鋼桁梁間的臨時(shí)連接構(gòu)件拆除，然后再將8孔鋼桁梁落梁就位，臨時(shí)連接構(gòu)件拆解時(shí)的理想狀態(tài)為零應(yīng)力。實(shí)現(xiàn)臨時(shí)桿件零應(yīng)力的同時(shí)，亦當(dāng)避免對(duì)鋼桁梁桿件產(chǎn)生不利影響。為此，結(jié)合鋼桁梁拖拉到位后臨時(shí)連接構(gòu)件的應(yīng)力分析，輔以前述相鄰梁跨鋼桁梁支點(diǎn)位置對(duì)鋼桁梁端部桿件應(yīng)力影響的一般規(guī)律，可知，鋼桁梁首尾（工況AB-1234）出現(xiàn)支點(diǎn)高差時(shí)對(duì)鋼桁梁端部桿件應(yīng)力影響較小?；阡撹炝菏孜渤霈F(xiàn)支點(diǎn)高差的工況，探求臨時(shí)連接構(gòu)件水平桿件的零應(yīng)力狀態(tài)。

鋼桁梁拖拉到位后，臨時(shí)連接構(gòu)件的水平桿件因兩端鋼桁梁跨中下?lián)铣惺芾瓚?yīng)力。為消除臨時(shí)連接構(gòu)件水平桿件的拉應(yīng)力，需要解決因兩端鋼桁梁跨中下?lián)显谒綏U端部引起的變位，在前述支點(diǎn)高差對(duì)應(yīng)力影響規(guī)律的研究基礎(chǔ)上，采用調(diào)高A跨鋼桁梁支點(diǎn)1，2和B跨鋼桁梁支點(diǎn)3，4的辦法（工況AB-1234）。為避免節(jié)點(diǎn)次彎矩的影響，以軸力產(chǎn)生的拉應(yīng)力為參考對(duì)象進(jìn)行研究。圖4為工況AB-1234支點(diǎn)高度調(diào)整與臨時(shí)水平桿件應(yīng)力的關(guān)系曲線。

圖4 臨時(shí)連接桿件應(yīng)力與高差關(guān)系曲線

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到應(yīng)力與高差的關(guān)系為

式中，k為支點(diǎn)高差。

由上式可計(jì)算出調(diào)高A 跨鋼桁梁支點(diǎn)1，2 和B 跨鋼桁梁支點(diǎn)3，4的具體數(shù)值。

3 落梁不同步對(duì)桿件應(yīng)力的影響分析

鋼桁梁拖拉就位后，需要在豎向千斤頂作用下進(jìn)行落梁作業(yè)，鋼梁桿件內(nèi)力隨著豎向千斤頂?shù)闹螤顟B(tài)的變化而變化。對(duì)于單跨簡(jiǎn)支梁而言，落梁作業(yè)的4 個(gè)千斤頂同時(shí)下落相同高度時(shí)，不會(huì)對(duì)鋼桁梁的內(nèi)力產(chǎn)生影響。但施工過(guò)程中，由于存在施工誤差，可能會(huì)使鋼桁梁落梁時(shí)未達(dá)到同一高度，產(chǎn)生不同步落梁。因此，通過(guò)對(duì)于鋼桁梁施加不同程度的豎向強(qiáng)制位移，模擬鋼桁梁下落過(guò)程中出現(xiàn)的誤差，并研究鋼桁梁桿件的內(nèi)力變化情況。本次不同步落梁研究分3種工況，見(jiàn)表2。

表2 不同步落梁工況

結(jié)合上述3 種不同步落梁工況，圖5 給出了鋼桁梁的桿件應(yīng)力極值變化曲線。

圖5 落梁不同步與桿件應(yīng)力極值變化曲線

由圖5可知，鋼桁梁落梁作業(yè)時(shí)，隨著落梁時(shí)不同步高差的增大，工況1 和工況3 中的桿件拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均出現(xiàn)了線性遞增趨勢(shì)，而工況2 對(duì)桿件的應(yīng)力沒(méi)有影響。3 種不同步落梁工況，工況1對(duì)桿件應(yīng)力影響最明顯，不同步差值在10～100 mm 時(shí)，鋼桁梁拉應(yīng)力極值在60～240 MPa，壓應(yīng)力最大值增加153 MPa 左右。盡管工況2 和工況3 對(duì)桿件應(yīng)力的影響較小，但這2 種不同步過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼桁梁的整體傾斜，繼而引發(fā)水平分力，對(duì)落梁千斤頂產(chǎn)生不利影響。因此，鋼桁梁作業(yè)時(shí)要盡量保證同步作業(yè)，時(shí)刻注意對(duì)角不同步引起的桿件應(yīng)力變化及首尾和左右不同步引起的側(cè)傾危害。

4 結(jié)論

1）對(duì)比3 種相鄰梁跨可能出現(xiàn)的支點(diǎn)高差現(xiàn)象，無(wú)論出現(xiàn)哪種支點(diǎn)高差，受高差影響最為明顯的都是鋼桁梁端部斜桿。

2）3 種不同支點(diǎn)高差中，對(duì)應(yīng)力影響最為嚴(yán)重的是鋼桁梁的對(duì)角支點(diǎn)有高差，對(duì)角1 mm 高差產(chǎn)生的應(yīng)力變化可達(dá)12 MPa，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制鋼桁梁對(duì)角支點(diǎn)的水平高差。

3）結(jié)合鋼桁梁拖拉到位后臨時(shí)連接構(gòu)件的應(yīng)力分析與相鄰梁跨鋼桁梁支點(diǎn)位置對(duì)鋼桁梁端部桿件應(yīng)力影響的一般規(guī)律，提出了調(diào)節(jié)相鄰梁跨首位端部支點(diǎn)高差的方法實(shí)現(xiàn)兩跨臨時(shí)連接的零應(yīng)力拆解。

4）單跨簡(jiǎn)支梁不同步落梁作業(yè)中，對(duì)角不同步引起的桿件應(yīng)力變化最明顯，左右與首尾不同步落梁雖對(duì)桿件應(yīng)力影響較小，但會(huì)產(chǎn)生較大的水平力，引起鋼桁梁側(cè)傾，因此施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)予以重視。