田亮 程斌 趙健

（1.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300384；2.中鐵建大橋工程局集團(tuán)南方工程有限公司，廣州 511458；3.上海交通大學(xué)土木工程系，上海 200240）

鋼桁梁橋廣泛應(yīng)用于公路和鐵路橋梁的建設(shè)之中［1］，架設(shè)工法主要包括：膺架法、頂推施工法、整孔架設(shè)法、懸臂拼裝法等［2-5］。其中懸臂拼裝法所需專用輔助結(jié)構(gòu)和設(shè)備較少，適合于架設(shè)各類中大跨度橋梁。由于吊機(jī)進(jìn)行拼裝作業(yè)時(shí)，鋼梁處于懸臂狀態(tài)，為了保證施工安全，鋼梁懸臂端須滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求［6］，此外還要有效監(jiān)控鋼梁的線形和受力狀況［7］。這就需要合理地布置臨時(shí)支墩，以控制鋼主梁的線形和受力。本文以銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于MIDAS/Civil計(jì)算分析鋼梁懸臂拼裝施工過(guò)程，對(duì)鋼梁邊跨臨時(shí)墩的布置方案進(jìn)行了優(yōu)化比選。

1 工程概況

銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋?yàn)樾陆ㄣy川至西安客運(yùn)專線的控制工程，主橋跨越黃河，位于9#至17#墩之間。主橋上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)鋼桁梁柔性拱（圖1），孔跨為（3×168）m，主桁寬13.8 m，高12.8 m。一聯(lián)鋼桁梁柔性拱共44個(gè)節(jié)間，其中兩邊跨各15個(gè)節(jié)間，中跨14個(gè)節(jié)間。拱圈矢高28 m，矢跨比1/4.71，拱圈總共34 個(gè)節(jié)間。其中兩邊拱各12 個(gè)節(jié)間，長(zhǎng)度均為11.0 m，中拱10個(gè)節(jié)間，長(zhǎng)度均為12.0 m。

圖1 連續(xù)鋼桁梁柔性拱1/2結(jié)構(gòu)示意（單位：m）

2 計(jì)算模型

基于 MIDAS/Civil 2015 建立 3×168 m 一聯(lián)連續(xù)鋼桁梁柔性拱的空間模型，材料重度按照實(shí)際桿件的重量調(diào)整得到，鋼梁平弦和拱弦采用梁?jiǎn)卧?。為了與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符合，所建模型考慮了鋼橋面板結(jié)構(gòu)，以板單元模擬橋面板，縱肋、橫梁采用梁?jiǎn)卧M，并與橋面板形成整體受力結(jié)構(gòu)體系。

3 方案比選

采用所建立的連續(xù)鋼桁梁全橋空間有限元模型，選取鋼梁上臨時(shí)墩時(shí)的控制工況進(jìn)行分析計(jì)算，確定鋼梁的最大變形和應(yīng)力。臨時(shí)墩布置方案分為2 種：方案1，邊跨雙支墩；方案2，邊跨三支墩。

3.1 邊跨雙支墩

第一種臨時(shí)墩布置方案為邊跨雙支墩，即分別將臨時(shí)墩布置于節(jié)點(diǎn)E2和E8，如圖2所示。選取上臨時(shí)墩的各個(gè)控制工況進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1.1 上臨時(shí)墩2

架梁吊機(jī)懸拼至E9E8 節(jié)間，準(zhǔn)備上臨時(shí)墩2，對(duì)該工況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3 所示。由于鋼梁懸臂較長(zhǎng)，鋼梁中跨部分支點(diǎn)脫空。懸臂端最大下?lián)献冃?27 mm。鋼梁主墩上弦桿處受力較大，最大組合應(yīng)力約147 MPa。

圖2 邊跨雙支墩布置方案

圖3 方案1上臨時(shí)墩2時(shí)計(jì)算結(jié)果

3.1.2 上臨時(shí)墩1

架梁吊機(jī)懸拼鋼梁平弦E3E2 節(jié)間，準(zhǔn)備上臨時(shí)墩1，對(duì)該工況進(jìn)行計(jì)算。鋼梁變形如圖4（a）所示，懸臂端最大下?lián)?75 mm。鋼梁應(yīng)力分布如圖4（b）所示，上弦桿受拉，最大應(yīng)力出現(xiàn)在臨時(shí)墩2的上弦桿位置，約225 MPa，超過(guò)了材料的容許應(yīng)力，鋼梁受力較大，存在施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 方案1上臨時(shí)墩1時(shí)計(jì)算結(jié)果

3.2 邊跨三支墩

第二種臨時(shí)墩布置方案為邊跨三支墩，分別將邊跨的臨時(shí)墩布置于節(jié)點(diǎn)E4，E8 和E12，如圖5 所示。選取鋼梁上臨時(shí)墩的各個(gè)控制工況進(jìn)行計(jì)算分析。

圖5 邊跨三支墩布置方案

3.2.1 上臨時(shí)墩2

架梁吊機(jī)懸拼至E9E8 節(jié)間，準(zhǔn)備上臨時(shí)墩2。對(duì)該工況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。鋼梁變形如圖6（a）所示，懸臂端最大下?lián)?0 mm，相比方案1 的懸臂下?lián)?27 mm 明顯減小。應(yīng)力分布如圖6（b）所示，鋼梁上弦桿處的最大組合拉應(yīng)力約96 MPa，相比方案1 鋼梁受力明顯減小。

圖6 方案2上臨時(shí)墩2時(shí)計(jì)算結(jié)果

3.2.2 上臨時(shí)墩1

架梁吊機(jī)懸拼至E5E4 節(jié)間，準(zhǔn)備上臨時(shí)墩1，架拱吊機(jī)拼裝E10E9 節(jié)間拱。對(duì)該工況進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖7 所示。鋼梁懸臂端最大下?lián)?6 mm，小于方案1 中上臨時(shí)墩1 時(shí)的下?lián)?75 mm，鋼梁變形如圖7（a）所示。鋼梁應(yīng)力分布如圖7（b）所示，臨時(shí)墩2 處的上弦桿受力較大，最大組合拉應(yīng)力為123 MPa，相比方案1上臨時(shí)墩1時(shí)鋼梁上弦的225 MPa明顯降低。

圖7 方案2上臨時(shí)墩1時(shí)計(jì)算結(jié)果

3.3 比選結(jié)果

經(jīng)過(guò)方案對(duì)比研究，銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋的架設(shè)采用邊跨三支墩方案。該方案有效地減小了鋼桁梁的受力和變形，保證了施工安全。圖8 為采用邊跨三支墩架設(shè)的連續(xù)鋼桁梁柔性拱，施工過(guò)程中鋼桁梁受力狀況良好，工程進(jìn)展順利。主橋工程已于2017年10月底完成施工。

圖8 架設(shè)中的銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋

4 結(jié)論

建立了銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋的空間有限元模型，針對(duì)邊跨雙支墩和邊跨三支墩2種邊跨臨時(shí)墩布置方案，進(jìn)行了比選研究。得到了如下結(jié)論：

1）當(dāng)采用邊跨雙支墩方案時(shí)，鋼梁懸臂端最大下?lián)?27 mm，上弦桿的最大組合拉應(yīng)力為225 MPa，鋼梁受力不利，存在施工風(fēng)險(xiǎn)。

2）當(dāng)采用邊跨三支墩方案時(shí)，鋼梁懸臂端最大下?lián)?6 mm，上弦桿的最大組合拉應(yīng)力約123 MPa，臨時(shí)墩的支反力也明顯減小。

3）選用邊跨三支墩方案，鋼梁的受力和變形相比邊跨雙支墩方案有明顯改善，減小了臨時(shí)支墩的支反力，且上墩較為容易，有效地規(guī)避了施工風(fēng)險(xiǎn)。