趙汗青,任為東,高靜青,金 令,王海彬

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055； 2.中鐵大橋局集團(tuán)第一工程有限公司,鄭州 450053)

引言

鋼桁梁橋因具有承載能力強(qiáng)、跨越能力大、自重輕和施工速度快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用到公路和鐵路橋梁工程中[1-3]。而在鋼桁梁架設(shè)過程中，為了得到較好的經(jīng)濟(jì)效益和施工效率，需要根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇最適合的鋼桁梁架設(shè)施工方法。目前，國內(nèi)應(yīng)用在連續(xù)鋼桁梁橋中比較常見的施工方法有：懸臂拼裝法、頂推施工法和浮運(yùn)架設(shè)法[4-8]。

在懸臂拼裝法方面，趙前進(jìn)等[9]對玉磨鐵路元江雙線特大橋的施工場地布置和臨時(shí)墩布置進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，并系統(tǒng)分析了上承式連續(xù)鋼桁梁的懸臂拼裝方法和合龍方法。王玲等[10]采用Midas Civil軟件模擬鋼桁梁主橋的施工階段，研究半懸臂拼裝過程的線形控制方法。陳濤[11]針對滬蘇通長江公鐵大橋，介紹了大節(jié)段鋼梁雙懸臂架設(shè)的施工工藝。鄭光[12]對采用分階段懸臂安裝的連續(xù)鋼桁梁橋進(jìn)行線形監(jiān)控和應(yīng)力監(jiān)控。

在頂推施工法方面，胡軍等[13]針對蒙華鐵路洞庭湖特大橋主橋，分析了鋼梁頂推法架設(shè)的施工難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)。李兆峰等[14]、田亮等[15]和婁松等[16]對頂推施工中鋼桁梁橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)分析，并對大型鋼桁梁頂推施工進(jìn)行可行性分析和安全性分析。王金良等[17]分析了鋼桁梁頂推施工時(shí)軸線偏移對桿件應(yīng)力的影響。舒彬等[18]以利津縣黃河鐵路特大橋連續(xù)鋼桁梁為例，研究連續(xù)鋼桁梁多點(diǎn)同步頂推施工的關(guān)鍵技術(shù)。張奉春[19]以黃大鐵路黃河特大橋的(120+4×180+120) m連續(xù)鋼桁梁為例，分別介紹了鋼桁梁的頂推施工技術(shù)和施工過程中的監(jiān)控技術(shù)及措施。

在浮運(yùn)架設(shè)法方面，段賢昌[20]和李曉東[21]介紹了采用浮運(yùn)轉(zhuǎn)體法架設(shè)鋼桁梁的關(guān)鍵施工技術(shù)。陳海[22]以新長鐵路大運(yùn)河特大橋的鋼桁梁為例，著重介紹了在浮運(yùn)平臺上拼裝并架設(shè)鋼桁梁的關(guān)鍵施工方法。

1 工程概況

鄭濟(jì)高鐵鄭州黃河特大橋于鄭州市東北部跨越黃河，航道等級為規(guī)劃Ⅳ級，凈空要求為8 m。橋址位于黃河沖積平原區(qū)，地形平坦，地勢開闊。沿線所經(jīng)過的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，主要包括：第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)填土，第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)粉土、粉細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土，第四系上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)粉土、粉細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土。

鄭州黃河特大橋主橋全長2 016 m，其中連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)的跨徑為(112+6×168+112) m。鋼桁梁為三主桁結(jié)構(gòu)、雙層橋面布置，上層為雙向六車道公路橋面，下層為鄭濟(jì)雙線鐵路和市域雙線鐵路共四線鐵路橋面[23]。主橋效果圖如圖1所示。

1.1 主桁

主橋?yàn)槿麒煜孪壹觿配撹炝?，平行弦部分的邊桁桁?5.0 m，中桁桁高15.24 m，中支點(diǎn)桁高加高15.0 m(圖2、圖3)，通過調(diào)整加勁弦桿豎板形狀使得橋梁立面呈現(xiàn)拱形構(gòu)造。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：m)

圖3 中支點(diǎn)橫斷面(單位：m)

主桁弦桿均采用箱形截面，板件根據(jù)需要設(shè)板式加勁肋。腹桿大部分采用箱形截面，部分豎桿采用H形截面。

1.2 橋面系

公路混凝土橋面板的寬度為32.5 m，支承在鋼梁上弦，并通過剪力釘與鋼桁梁上弦連接起來，從而實(shí)現(xiàn)共同受力的目標(biāo)。

鐵路橋面系采用正交異性鋼橋面板，鋼橋面板上的防護(hù)墻內(nèi)側(cè)鋪設(shè)15 cm厚的混凝土橋面板，橋面板與無砟軌道底座板連接，橋面兩側(cè)防護(hù)墻外設(shè)置通信、信號、電力電纜槽。

2 施工方案簡介

2.1 總體施工布置

鄭濟(jì)高鐵鄭州黃河特大橋主橋采用懸臂拼裝法架設(shè)。主橋共設(shè)置2處合龍口(南合龍口和北合龍口)，分為3個(gè)主要施工部分。分別以382號墩和兩個(gè)交界墩378號墩、386號墩為架梁起點(diǎn)，利用龍門吊架設(shè)拼裝鋼桁梁桿件。在跨徑范圍內(nèi)設(shè)置若干臨時(shí)墩作為臨時(shí)支撐點(diǎn)。連續(xù)鋼桁梁施工布置立面如圖4所示。

圖4 (112+6×168+112)m連續(xù)鋼桁梁施工布置立面 (單位：m)

2.2 施工步驟

鄭濟(jì)高鐵鄭州黃河特大橋主橋(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁分3部分，采用懸臂拼裝施工，主要施工步驟如下。

(1)步驟1：在382號墩搭設(shè)墩旁托架，利用龍門吊拼裝起始節(jié)間鋼桁梁。在378號墩～379號墩之間和385號墩～386號墩之間分別搭設(shè)北岸邊跨拼裝支架和南岸邊跨拼裝支架，并利用龍門吊在拼裝支架上拼裝鋼桁梁，如圖5(a)所示。

(2)步驟2：以382號墩、378號墩和386號墩為起點(diǎn)，利用龍門吊分別由中間向兩側(cè)、由兩側(cè)向中間懸臂架設(shè)鋼桁梁，架設(shè)至臨時(shí)墩時(shí)，將臨時(shí)墩墩頂與鋼桁梁底部抄墊緊密，形成臨時(shí)支撐，如圖5(b)所示。

(3)步驟3：繼續(xù)架設(shè)鋼桁梁，當(dāng)鋼桁梁架設(shè)至永久墩墩頂位置時(shí)，利用千斤頂將鋼桁梁起頂至計(jì)算高程位置，安裝墩頂臨時(shí)抄墊塊，然后利用千斤頂將鋼桁梁緩緩回落，完成鋼桁梁的上墩，如圖5(c)所示。

(4)步驟4：按照以上步驟和順序架設(shè)鋼桁梁，直至合龍口位置，如圖5(d)所示。圖6為鋼桁梁架設(shè)的現(xiàn)場照片。

圖5 (112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁架設(shè)步驟

圖6 鋼桁梁架設(shè)現(xiàn)場

(5)步驟5：當(dāng)全部臨時(shí)墩和臨時(shí)支架與鋼桁梁之間脫空，調(diào)節(jié)合龍口坐標(biāo)，安裝合龍口臨時(shí)鎖定結(jié)構(gòu)，完成合龍。

3 仿真模擬

為了研究(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁在施工過程中的內(nèi)力情況，保證其順利架設(shè)，采用有限元計(jì)算軟件Midas Civil建立分析模型，進(jìn)行施工階段分析。模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為18 479個(gè)，總單元數(shù)為32 836個(gè)，合龍后的整體模型如圖7所示。

圖7 空間有限元整體模型

其中，鐵路鋼橋面板采用板單元模擬，鋼桁架和縱橫梁簡化為梁單元；公路混凝土預(yù)制橋面板簡化為均布荷載；采用只受壓節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬臨時(shí)墩和拼裝支架；使用節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移荷載模擬頂落梁施工過程。

3.1 材料

(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁的鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)主要為Q370qE鋼，部分桿件采用Q420qE鋼。由規(guī)范[24-26]可知，鋼材主要力學(xué)性能如表1所示。

表1 鋼材的主要力學(xué)性能

3.2 荷載

荷載主要考慮了鋼桁架自重、鐵路橋面板自重、公路橋面板自重、施工不平衡荷載、風(fēng)荷載的影響。

3.2.1 結(jié)構(gòu)自重及剛度

模型中單元的重力與實(shí)際鋼梁的重力存在一定區(qū)別，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過調(diào)整材料的容重進(jìn)行修正，使得模型的自重與設(shè)計(jì)理論值保持一致。

因?yàn)槟Ｐ椭袉卧膭偠扰c實(shí)際鋼梁的剛度存在一定區(qū)別，所以為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過調(diào)整材料的彈性模量來調(diào)整，使得模型預(yù)拱度計(jì)算值與設(shè)計(jì)理論值基本保持一致，如圖8所示。

圖8 預(yù)拱度模型計(jì)算值與設(shè)計(jì)理論值對比

3.2.2 施工不平衡荷載

在鋼桁梁兩側(cè)雙懸臂架設(shè)的施工階段，可能會出現(xiàn)架設(shè)速度不對稱的情況，產(chǎn)生不平衡荷載。本文假設(shè)雙懸臂架設(shè)的一側(cè)進(jìn)度比另一側(cè)快3根桿件，則不平衡荷載取1 500 kN，如圖9所示。

圖9 施工不平衡荷載

3.2.3 風(fēng)荷載

根據(jù)鄭州地區(qū)100年重現(xiàn)期的10 min平均最大風(fēng)速可知，平坦空曠距常水位高度20 m的風(fēng)荷載強(qiáng)度為0.5 kPa。鋼桁梁橫向受風(fēng)面積按橋跨結(jié)構(gòu)桿件中心線輪廓面積乘以0.4取值[26]。

3.3 重點(diǎn)施工階段劃分

結(jié)合理論分析與模型試算，進(jìn)行(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁的重點(diǎn)施工階段劃分，如表2所示。

表2 重點(diǎn)施工階段劃分

3.4 主要計(jì)算分析結(jié)果

3.4.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

如果在最不利情況下，鋼桁梁構(gòu)件的梁單元應(yīng)力滿足規(guī)范要求，則認(rèn)為鋼桁梁架設(shè)施工過程是安全的。表3為重點(diǎn)施工工況中梁單元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

表3 重點(diǎn)施工工況中模型計(jì)算結(jié)果

由表3可知：

(1)在378號墩～北合龍口之間的懸臂架設(shè)過程中，鋼桁梁的梁單元應(yīng)力最大值為195 MPa，小于規(guī)范設(shè)計(jì)值210 MPa；

(2)在382號墩～南北合龍口之間的懸臂架設(shè)過程中，鋼桁梁的梁單元應(yīng)力最大值為194 MPa，小于規(guī)范設(shè)計(jì)值210 MPa；

(3)在386號墩～南合龍口之間的懸臂架設(shè)過程中，鋼桁梁的梁單元應(yīng)力最大值為195 MPa，小于規(guī)范設(shè)計(jì)值210 MPa。

3.4.2 橫向抗傾覆驗(yàn)算

橫向抗傾覆驗(yàn)算采用公式(1)計(jì)算[22]。

(1)

式中，kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，取2.5；∑Sbk，i為穩(wěn)定力矩之和；∑Ssk，i為傾覆力矩之和。

綜上，鄭濟(jì)鐵路鄭州黃河特大橋主橋(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁在懸臂架設(shè)施工過程中是安全的。

4 結(jié)語

鄭濟(jì)鐵路鄭州黃河特大橋主橋(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁采用兩側(cè)分別向中間與中間向兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行的懸臂架設(shè)施工方法，大大縮短了施工工期。利用Midas Civil軟件，建立大跨連續(xù)鋼桁梁的有限元分析模型，研究各施工階段鋼桁梁構(gòu)件的受力情況，找出最不利情況，并分析最不利情況下鋼桁梁的受力情況以及進(jìn)行橫向抗傾覆驗(yàn)算。結(jié)果表明，在鋼桁梁懸臂架設(shè)過程中構(gòu)件應(yīng)力最大值小于規(guī)范設(shè)計(jì)值，橫向抗傾覆驗(yàn)算滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證了鋼桁梁懸臂架設(shè)施工過程是安全的。目前，鄭濟(jì)鐵路鄭州黃河特大橋主橋已經(jīng)順利合龍，可為今后長聯(lián)大跨連續(xù)鋼桁梁橋的設(shè)計(jì)施工提供參考和借鑒。