奉思東，楊建平

1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040

0 引言

在地形條件復雜、施工空間緊張的山區(qū)峽谷建設橋梁，需充分利用橋位資源并制訂經(jīng)濟可行的工程方案[1-4]。鋼管混凝土桁梁橋自重輕、力學性能好，可采用化整為零、集零為整的方式制造、運輸和安裝，滿足結(jié)構(gòu)高效性和施工高效性的要求，可作為山區(qū)橋梁建設運營的選擇之一[5-9]。

鋼管混凝土桁梁橋施工時，通常先完成鋼桁架安裝，再施工橋面板；吊設條件允許時，也可將橋面板與鋼桁架組合后整體安裝[10-12]。頂推方案對鋼桁梁橋施工機具的要求較少，主要采用導梁、滑動裝置、頂推裝置等，但不同于鋼板梁、鋼箱梁，鋼桁架的頂推施工需考慮桁架結(jié)構(gòu)的受力特點，即節(jié)點傳力，主桁各桿件主要受拉壓軸向力，施工時應注意主桁桿件節(jié)點間的受力狀態(tài)[13-14]。

鄭州黃河公鐵兩用大橋頂推法施工的滑道構(gòu)造設計如圖1a)所示[15]，相較于傳統(tǒng)滑道，該方案采用較長的滑道，縱橋向長度大于1個節(jié)間長度，在鋼桁架節(jié)點處下方設置滑板抄墊以保證節(jié)點支撐受力，施工控制難度較大。四川干海子大橋采用牽引法施工，如圖1b)所示。在各支墩設置滑輪和走板，實現(xiàn)下弦桿的支承，千斤頂和鋼絞線配合作業(yè)，實現(xiàn)鋼桁架的前移。此方案沒有通過節(jié)點支承受力，其支點反力沿下弦桿全長移動，無需設置長滑道，降低了施工難度[16]。在牽引桁架就位后，現(xiàn)場澆筑管內(nèi)混凝土和橋面板混凝土的澆筑質(zhì)量較難保證。

預制橋面板可以減少現(xiàn)場工作量，減小引起混凝土板開裂的收縮效應和水化熱效應。為改善負彎矩區(qū)橋面板混凝土的抗裂性能，通常在該區(qū)域配置高強混凝土，加密布置鋼筋，優(yōu)化連接件構(gòu)造等，合理的施工工藝(包括交替施工、支點位移、張拉預應力等)，對采用階段組合截面的應力分布也有較大影響[17]。

a)鄭州黃河公鐵兩用大橋頂推滑道構(gòu)造 b)四川干海子橋牽引法示意圖 圖1 鋼桁梁頂推施工典型案例

本文基于中等跨徑鋼管混凝土桁梁橋設計鋼桁架頂推、橋面板安裝的施工方案，分析各結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力情況，進行設計方案比選。鋼桁架頂推，比選導梁設置、空鋼管和鋼管混凝土桁架、頂推支撐形式等；橋面板安裝，考慮交替澆筑預制橋面板濕接縫、支點施加縱向預應力(包括支座強制位移法、張拉預應力鋼絞線)、延遲連接件結(jié)合等方式的單獨施工操作和多方案結(jié)合施工操作的效果。通過分析施工過程結(jié)構(gòu)受力行為和施工可行性，選擇適用于鋼管混凝土桁梁橋施工的方案。

1 結(jié)構(gòu)設計參數(shù)

以4×80 m標準跨徑鋼管混凝土桁梁橋為例，結(jié)構(gòu)立面布置為Warren式腹桿桁架體系，桁高5.7 m，為鋼桁架和橋面板的總高度，高跨比為1/14.0；鋼主桁設計分為邊跨和中跨2種類型，邊跨主桁和中跨主桁各有16個節(jié)間，每節(jié)間長5 m，腹桿與弦桿夾角為63.5°。邊跨、中跨立面布置如圖2所示(圖中單位為mm)。

圖2 邊跨、中跨立面布置

鋼管混凝土桁梁橋主體結(jié)構(gòu)由兩榀平行的鋼桁架組成，在每個節(jié)點處由上平聯(lián)和下平聯(lián)將兩榀主桁相連[15-16]。80 m跨徑鋼管混凝土桁梁設計參數(shù)如圖3所示(圖中單位為mm)。

a)橫斷面一 b)橫斷面二圖3 80 m跨徑鋼管混凝土桁梁橋設計參數(shù)

主桁上弦桿正、負彎矩區(qū)分別采用600 mm×600 mm、1000 mm×600 mm的矩形鋼管混凝土斷面，下弦桿正、負彎矩區(qū)分別采用600 mm×700 mm、1000 mm×700 mm的矩形鋼管混凝土斷面。腹桿正、負彎矩區(qū)分別采用600 mm×400 mm、1000 mm×400 mm的空矩形鋼管。支點左右2個節(jié)間的下弦桿焊接鋼板并澆筑混凝土，形成雙重組合截面，協(xié)助下弦桿承壓；支點斷面設置端橫聯(lián)增加抗扭剛度，負彎矩區(qū)采用抗拔不抗剪圓柱頭栓釘。主桁結(jié)構(gòu)采用Q420D鋼材，管內(nèi)采用C60鋼纖維混凝土，橋面板預制部分采用C50鋼纖維混凝土，現(xiàn)澆部分采用C50微膨脹混凝土。

2 桁架施工方案

2.1 方案設計

根據(jù)鋼管混凝土桁架頂推施工的特點，頂推結(jié)構(gòu)為空鋼管桁架、鋼管混凝土桁架；施工設備選擇設置前導梁、不設置前導梁；受力方式為桁架下弦桿全長支撐頂推、僅在桁架節(jié)點處支撐等。由此提出4種比選方案，如圖4所示。

圖4 桁架頂推方案示意

1)方案一。頂推空鋼管桁架，不設置前導梁，弦桿全長支撐頂推。

2)方案二。在工廠內(nèi)澆筑完成管內(nèi)混凝土，頂推鋼管混凝土桁架，設置前導梁，弦桿全長支撐頂推，導梁參數(shù)通過導梁-主梁相互作用分析優(yōu)化[18-22]。

3)方案三。在工廠內(nèi)澆筑完成管內(nèi)混凝土，頂推鋼管混凝土桁架，不設置前導梁，在桁架節(jié)點處支撐輔助頂推。

4)方案四。在工廠內(nèi)澆筑完成管內(nèi)混凝土，頂推鋼管混凝土桁架，不設置前導梁，弦桿全長支撐頂推。此方案作為最不利方案，作為對比方案。

2.2 有限元模型建立

全橋采用MIDAS/Civil軟件進行有限元模擬分析，其中桁架桿件及管內(nèi)混凝土采用雙梁單元模擬，橋面板采用2片縱梁單元模擬，通過虛擬梁單元模擬其橫向剛度，桁架節(jié)點為全焊節(jié)點，采用共節(jié)點模擬，頂推主桁采用梁不動，支承體系隨頂推階段變化而變化的形式實現(xiàn)。對于方案一、二、四，以主桁每向前頂推1.25 m為1個頂推階段，模擬節(jié)點間受力的狀態(tài)；對于方案三，以主桁每向前頂推5 m(1個節(jié)間)為1個頂推階段，模擬僅節(jié)點處支撐的工況；頂推施工階段共280個。方案二、三、四考慮在工廠澆筑完成管內(nèi)混凝土，達到設計強度[23]。

3 頂推過程分析及方案比選

3.1 頂推過程應力變化

根據(jù)全橋有限元模型，計算方案一中4個位置截面(上弦桿a點、腹桿b點、下弦桿節(jié)點c、下弦桿節(jié)點間d)最大主應力位置應力隨施工階段的變化，如圖5、6所示。

圖5 方案一最大主應力的關鍵位置

a)a點截面 b)b點截面 c)c點截面 d)d點截面圖6 方案一弦桿、腹桿4個位置截面最大主應力處應力變化曲線

由圖6可以看出：隨著頂推施工對應截面正負彎矩的交替出現(xiàn)，弦桿、腹桿的拉壓應力均呈周期性交替變化。上弦桿最大主拉應力為204 MPa，在第2跨支點左側(cè)節(jié)點位置，該處為上弦桿尺寸變化段；此時空鋼管桁架移出3跨，第1跨為最大懸臂狀態(tài)。腹桿拉壓應力小于90 MPa，最大主應力在第1跨支點右側(cè)位置，此時桁架移出60 m，墩頂位于最大主應力位置附近。下弦桿最大主壓應力為283 MPa，在第1跨支點右側(cè)第3節(jié)間處，該處為下弦桿尺寸變化段，空鋼管桁架移出2跨，該截面處下弦桿位于墩頂位置。

頂推支撐點從節(jié)點移動至下一節(jié)點時，當前節(jié)點間的腹桿拉壓軸力存在突變，該過程的結(jié)構(gòu)狀態(tài)可簡化為力學模型，如圖7所示。其中，l為鋼桁架跨徑，x為懸臂段長，q為自重線荷載，R1為頂推支撐點豎向反力，NT為上弦桿軸力，NW為腹桿軸力，NB為下弦桿軸力，MT為節(jié)點間上弦桿彎矩，MW為腹桿彎矩，MB為節(jié)點間下弦桿彎矩，RB為節(jié)點間下弦桿剪力，θ為腹桿與弦桿所成傾角。

圖7 頂推支撐點由節(jié)點移動至節(jié)點間的簡化力學模型

取1-1截面右側(cè)部分，當1#支點位于節(jié)點處，各桿件主要受軸力作用，彎矩與剪力可忽略不計；當支點向節(jié)點間移動時，位于節(jié)點間的下弦桿截面具有較大的彎矩、剪力，彎矩通過節(jié)點傳遞至腹桿、上弦桿，剪力轉(zhuǎn)換為腹桿與上弦桿的軸力。由三彎矩方程可得

式中：M2為2#支點的彎矩，M2>0。

當支點位于節(jié)點處時，有：

R1-qx-NWsinθ=0。

(1)

由式(1)可得：

因此，當NW>0時，該腹桿受軸向拉力，右側(cè)腹桿受軸向壓力。當支點向節(jié)點間移動，且支點位于腹桿截面右側(cè)時，支點所在弦桿截面剪力最大，有：

R1-RB-qx-NWsinθ=0，0≤RB≤R1，

則

-qx≤NWsinθ=R1-RB-qx≤R1-qx。

當支點向節(jié)點間移動且支點位于腹桿截面左側(cè)時，有：

RB-qx-NWsinθ=0，RB≤0，

則

NWsinθ=RB-qx≤0。

該腹桿由軸向受拉迅速變?yōu)檩S向受壓。頂推施工中支點移動時，當前所在節(jié)點間的腹桿軸力拉壓模式轉(zhuǎn)變，其余位置的腹桿基本不變。

施工過程中弦桿最不利受力位置在節(jié)點間，上弦桿最不利受力位置在節(jié)點，上弦桿節(jié)點的最大主應力遠大于下弦桿節(jié)點。支點移動至節(jié)點間時，從弦桿、腹桿的軸向拉壓變?yōu)楣?jié)點間下弦桿的梁受彎模式，且下弦桿彎矩極少通過腹桿傳至上弦桿，只部分傳遞至相鄰的下弦桿桿件。將傳遞至腹桿的彎矩等效成外力矩，將各腹桿剛度等效成彈簧支承剛度，將整體模型等效為多點彈性支承模型；通過分析腹桿等效彈簧剛度對弦桿受力的影響，進而簡化成多點支承模型，如圖8所示。其中，R0為支承處等效反力，k1、k2、k3、k4為各腹桿對下弦桿的等效支承剛度，MW1、MW2、MW3、MW4為各腹桿傳遞彎矩的等效外力矩。

圖8 支點力作用于節(jié)點間的下弦桿簡化模型

3.2 頂推方案比選

以方案一與最不利方案(方案四)對比為例。在方案四中，選取頂推最不利跨支點e及往跨中方向8個節(jié)間的下弦桿截面f，如圖9所示。以施工過程中出現(xiàn)的最大主應力分析計算頂推時上弦桿內(nèi)填混凝土支點和跨中截面的主應力變化，如圖10所示，并在相應截面與方案一進行對比，如表1所示(Z0、Z1、Z2、Z3與0#墩分別相距0、5、10、15 m,g為Z0～Z4截面區(qū)域)。

圖9 頂推方案比選的關鍵位置

a)支點e的應力變化曲線 b)跨中f的應力變化曲線圖10 方案四支點、跨中的應力變化

表1 不同方案下與0#墩不同距離的結(jié)構(gòu)所受應力 MPa

由圖9、10和表1可知：方案四作為最不利方案，將頂推至最大懸臂工況的支點附近的下弦桿、墩頂上弦桿內(nèi)填混凝土作為控制條件，下弦桿最大主壓應力為302 MPa，上弦桿懸臂根部至跨中范圍管內(nèi)混凝土均存在應力超限，該區(qū)域管內(nèi)混凝土基本失效。與方案四相比，方案一控制桿件的最大主應力降低5%～18%。頂推結(jié)構(gòu)為空鋼管桁架，無管內(nèi)混凝土，因此無法對比管內(nèi)混凝土的受力狀況。

方案一～三與方案四的最大主應力對比如表2所示，各控制桿件的截面位置編號如圖11所示(S1為方案三、四主桁前端到達1#墩時，0#墩對應的上弦桿內(nèi)混凝土截面；S2為方案二前導梁到達1#墩時，0#墩對應的上弦桿內(nèi)混凝土截面)。

表2 各方案最大主應力及控制截面

圖11 各桿件截面編號示意

由表2可知：與方案四對比，方案二通過設置前導梁減少了頂推懸臂長度，下弦桿支點附近節(jié)間主應力降低41%～73%，管內(nèi)鋼纖維混凝土最大主拉應力為12 MPa，失效范圍僅為頂推70～80 m的懸臂工況下支點所在截面。方案三在節(jié)點處支撐頂推的方式，避免了頂推過程中弦桿的梁受彎模式，下弦桿對應截面節(jié)點間截面的應力降低34%～53%，節(jié)點處截面應力及管內(nèi)填混凝土應力狀態(tài)無改善，懸臂根部至跨中范圍均存在失效。由此推薦方案一、二為施工可行方案。

4 橋面板施工方案

4.1 預應力施加對比

根據(jù)橫向全寬預制橋面板分塊設計，從全橋橋面板施工過程應力控制角度，擬定交替澆筑混凝土濕接縫作為方案A，并在方案A基礎上，分別對比支點位移(方案B)和張拉縱向預應力(方案C)對鋼主桁、橋面板混凝土的影響。

1)方案A(交替施工)。吊裝各跨跨中預制橋面板→澆筑跨中濕接縫及剪力槽→吊裝墩頂范圍內(nèi)預制橋面板→澆筑墩頂區(qū)域

2)方案B(支點位移)。澆筑跨中濕接縫及剪力槽→頂升中墩支點→澆筑中墩墩頂區(qū)域→混凝土養(yǎng)護，降低支點→完成邊墩相應步驟，如圖12所示，其中①、②為支點對應的頂升順序。

圖12 方案B支點位移示意

3)方案C(張拉縱向預應力)。在負彎矩區(qū)橋面板中性軸處布置縱向預應力鋼絞線。澆筑跨中濕接縫及剪力槽→澆筑中墩墩頂區(qū)域，預留鋼束兩端橫橋向濕接縫→混凝土養(yǎng)護，張拉預應力→澆筑預留濕接縫→完成邊墩相應步驟。

取對稱結(jié)構(gòu)(邊跨、中跨)，橋面板、上弦桿最大主應力分布如圖13、14。

a)橋面板 b)上弦桿圖13 方案A、B最大主應力分布對比

a)橋面板 b)上弦桿圖14 方案A、C最大主應力分布對比

由圖13、14可知：在橋面板施工完成工況下，方案B負彎矩區(qū)橋面板有1.0～2.5 MPa壓應力儲備，該區(qū)域內(nèi)上弦桿拉應力增大25～30 MPa，跨中區(qū)域無明顯變化；方案C鋼束錨點側(cè)拉應力較小，其余截面均受壓，負彎矩區(qū)橋面板有1.0～3.0 MPa壓應力儲備，該區(qū)域內(nèi)上弦桿拉應力減小10～15 MPa。支點位移和張拉預應力束對鋼主桁結(jié)構(gòu)的成橋受力狀態(tài)產(chǎn)生影響，說明在支點回落、張拉預應力前，負彎矩區(qū)橋面板現(xiàn)澆混凝土達到設計強度，通過剪力釘群與鋼主桁形成組合截面，支點回落、張拉預應力在組合截面中重新分布應力，并施加到鋼主桁上；方案B中上弦桿拉應力增大，方案C中上弦桿拉應力減小。取不同參數(shù)計算方案B、C對負彎矩區(qū)橋面板的壓應力儲備，發(fā)現(xiàn)支點頂升100～200 mm與張拉8束12Φs15.2 mm預應力鋼絞線的效果一致。

4.2 橋面板方案擬定

綜合各方案的應力比對結(jié)果，將方案B、C結(jié)合，采用抗拔不抗剪連接技術(shù)以提高預應力施加效率[24]，并調(diào)整相關施工順序，擬定橋面板施工步驟為：吊裝各跨跨中預制橋面板、澆筑跨中濕接縫及剪力槽→頂升中墩支點→吊裝中墩區(qū)域預制橋面板、澆筑中墩墩頂區(qū)域，預留鋼束兩端橫橋向濕接縫→混凝土養(yǎng)護，張拉預應力→澆筑中墩預留濕接縫→降低中墩支點→頂升邊墩支點→吊裝邊墩區(qū)域預制橋面板、澆筑邊墩墩頂區(qū)域，預留鋼束兩端橫橋向濕接縫→混凝土養(yǎng)護，張拉預應力→澆筑邊墩預留濕接縫→降低邊墩支點，如圖15所示。

圖15 墩頂區(qū)域橋面板施工步驟

關鍵工況下橋面板邊跨、中跨截面最大主應力分布如圖16所示。圖中工況1～6分別為：工況1為頂升中墩支點；工況2為張拉中墩預應力；工況3為回落中墩支點；工況4為頂升邊墩支點；工況5為張拉邊墩預應力；工況6為回落邊墩支點。

圖16 關鍵工況下橋面板截面最大主應力分布

由圖16可知：頂升工況下，相鄰跨跨中靠近該支點區(qū)域的橋面板拉應力增大，除該支點外相鄰跨的跨中橋面板壓應力增大，頂升高度宜控制在200 mm范圍內(nèi)，此時該處跨中拉應力增幅小于2.0 MPa；張拉預應力工況下，張拉區(qū)域橋面板壓應力增大1.5～3.0 MPa，其余區(qū)域橋面板拉應力稍微增大；支點回落工況下，該區(qū)域內(nèi)橋面板壓應力增大，相鄰墩墩頂區(qū)域橋面板壓應力減小。

綜合鋼桁架頂推方案B并進行局部設計優(yōu)化[25-27]，得到施工完成工況下橋面板、管內(nèi)混凝土最大主應力分布范圍及弦桿、腹桿最大主應力，如表3所示。該工況下的墩頂上弦桿管內(nèi)混凝土和跨中下弦桿管內(nèi)混凝土受拉，不再考慮該部分與弦桿的組合作用，只計算腹桿的最大拉、壓應力。

表3 施工完成工況下混凝土桿件最大主應力 MPa

由表3可知：綜合鋼桁架頂推方案B和橋面板施工優(yōu)化方案，施工完成工況下各桿件、混凝土板、管內(nèi)混凝土的應力均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，且各桿件最大拉壓應力絕對值差較小，橋面板混凝土存在壓應力儲備。

5 結(jié)論

以4×80 m標準跨徑鋼管混凝土桁梁橋為例，對鋼桁架頂推、橋面板安裝的施工方案比選和過程進行分析。

1)與鋼板梁、鋼箱梁不同，中等跨徑鋼管混凝土桁梁橋的頂推施工需考慮桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點傳力，全長支撐頂推過程中，桁架結(jié)構(gòu)的2種受力模式，即節(jié)點傳力和各桿件受軸力、受節(jié)點間支承時下弦桿的梁受彎交替循環(huán)。當支點經(jīng)過節(jié)點間時，該節(jié)點間的下弦桿彎矩極少通過腹桿傳至上弦桿，只部分傳遞至相鄰的下弦桿桿件，可以簡化為多點連續(xù)梁模型。

2)采用僅節(jié)點處支撐頂推的方式可避免下弦桿的梁受彎模式，下弦桿對應截面的應力降低，但節(jié)點處截面、管內(nèi)填混凝土應力均無改善，懸臂根部至跨中范圍均存在失效。

3)通過設置前導梁減少鋼管混凝土桁架的頂推懸臂長度，下弦桿支點附近節(jié)間主應力降低41%～73%，管內(nèi)混凝土失效范圍為頂推70～80 m的懸臂工況下支點所在截面。因此，施工可行性方案為空鋼管桁架全長支撐頂推就位后澆筑管內(nèi)混凝土、鋼管混凝土桁架前置導梁全長支撐頂推。

4)綜合墩頂縱向預應力束、支點位移法、墩頂延遲連接等措施，可有效減少橋面板施工應力。施工完成工況下，墩頂區(qū)域橋面板混凝土壓應力儲備為2.8～4.3 MPa，支點頂升高度宜控制在100～200 mm，頂升效果與張拉8束12Φs15.2 mm預應力鋼絞線一致。