哪吒大桥钢桁加劲梁悬臂拼装过程中连接方式研究

陈 淮，栗金营，李 杰，夏 伟

(郑州大学 土木工程学院，郑州 450001)

1 工程概况及加劲梁施工方案

哪吒大桥是河南省对口援助四川省江油市地震灾后恢复重建的第三批实施项目，哪吒大桥设计为双塔单跨悬索桥(图1)，跨径252 m。为了解决加劲梁在高山峡谷地区的长途运输和现场拼装问题，哪吒大桥的加劲梁采用半漂浮体系的钢桁梁。钢桁加劲梁由两片主桁、上下弦平联及横联组成，主桁间距7.2 m，主桁上下弦杆中心梁高2.2 m;钢桁加劲梁吊点处设横联，纵向间距为4 m。全桥共有标准梁段60个，每个标准梁段长4 m，非标准段2个，位于梁端，每个梁段长4.78 m;钢桁加劲梁各杆件间通过节点钢板采用高强螺栓连接。全桥共62节钢桁加劲梁，每一节段重约76 kN，施工时每一节段拼装好后运至现场进行组装。该桥位乾元山方向较平坦，北川方向地势陡峭，起伏变化很大，河宽约200 m，深达70多m，桥面距常水位约30 m。哪吒大桥在悬索桥中虽然规模不算大，但施工现场条件复杂、架设设备有限、技术难度大，再加上施工工期较紧，合理选择钢桁加劲梁架设方案是该工程顺利完成的关键。

图1 哪吒大桥总体布置立面(单位:m)

结合哪吒大桥工程特点及施工现场实际情况，为了在有限的时间内安全、经济地完成钢桁加劲梁的架设，哪吒大桥钢桁加劲梁的安装方案采取了钢索吊装方案。该方案的顺利实施与钢桁加劲梁节段的连接方式有密切的关系，钢桁加劲梁连接方式的不同会造成桥梁施工方案无法实施或施工难度很大;同时连接方式的选取对钢桁加劲梁的合龙方式及成桥设计状态有较大的影响［1～5］。因此，为了选取合理的钢桁加劲梁连接方式，本文基于有限元软件Midas/civil仿真模拟钢桁加劲梁施工过程，对比分析了钢桁加劲梁刚接施工、刚—铰混合施工对桥梁施工阶段钢桁加劲梁及吊索的受力影响，其中刚—铰混合施工分两种连接方式:全桥设26对双铰和全桥设6对双铰。通过分析这3种施工方案对桥梁结构受力的影响，得出了适合哪吒大桥钢桁加劲梁施工的连接方式，以此指导哪吒大桥的施工和施工监控。

2 钢桁加劲梁三种连接方式对结构受力的影响

2.1 悬索桥钢桁加劲梁三种连接方式

悬索桥钢桁加劲梁连接方式的选择需要考虑多方面的影响，比如:结构受力、规模大小、钢桁加劲梁吊装方案、气象条件等，不同悬索桥有各自合适的连接方式。一般来说，钢桁加劲梁施工时各节段的连接方式主要有:

1)全铰法［6］即钢桁加劲梁各节段全部用铰相连，在设铰位置弯矩为零，各节段之间在竖向可以相互自由转动。该连接方式可以使钢桁加劲梁在施工阶段基本处于无应力状态，在施工时节段受力达到理想状态，但竖向刚度较小，整体各节段变形较大，不稳定，会给钢桁加劲梁施工带来较大的难题，同时钢桁加劲梁线形不容易控制，很难达到理想的成桥设计状态。

2)逐次刚接法［6］即钢桁加劲梁各节段安装时直接固结后再与吊索连接。这种连接方式可以大大提高加劲梁的刚度，稳定性较好，但在施工中会由于自重引起较大的局部应力和架设应力，若该应力值超限，需要采取必要的措施。

3)刚—铰混合法［6～10］即在钢桁加劲梁应力过大的位置设置临时施工铰，其余节段均刚接的连接方式。该方法在实施中通常有两种做法，①在节段施工中，当设铰位置的下弦杆开口量很小，或刚要相互抵触时，把上弦杆所设的铰打开并刚接，换做实际的刚性连接，即有铰的逐次刚接法;②选择在合龙前把全部铰固定，然后再实施合龙。该连接方式介于铰接及刚接之间，集中了两种连接方式的优点，是通常采用的一种连接方式。

4)半铰法［10］该方法是将钢桁加劲梁段起吊并安装吊索后，各梁段间采用一种临时连接方式进行结合。该临时连接不同于通常所说的铰，其连接构造具有一定竖向弯曲刚度，但弯曲刚度值较小，同时有较大的扭转刚度，它可以克服钢桁加劲梁的过应力问题，而且具有较强的横向稳定性。它与上面所说的铰仅在竖向刚度上有差异，一个是有较小的刚度，另一个则是完全无刚度。

结合哪吒大桥工程特点及上述4种钢桁加劲梁节段的连接方式，以下选取3种连接方案进行分析:①逐次刚接方案;②刚—铰混合(全桥对称设置26对双铰)，即在1/4跨以内按每两个节段(8 m)设1个铰，1/4至跨中按每3个节段(12 m)设1个铰;③刚—铰混合(全桥对称设置6对双铰)，即在7与8、16与17、25与26节段之间设铰，基本按等间距布置。

2.2 三种连接方式对钢桁加劲梁结构受力的影响

采用有限元软件Midas/civil建立钢桁加劲梁逐次刚接施工方案、刚—铰混合连接施工方案(全桥对称设置26对双铰)和刚—铰混合连接施工方案(全桥对称设置6对双铰)的有限元计算模型，计算得到的钢桁加劲梁在吊装施工过程中3种连接方式对钢桁加劲梁上、下弦杆的影响，如图2和图3所示。

分析图2和图3计算结果可以看出:

1)采用全桥逐次刚接方案施工时，钢桁加劲梁上、下弦杆最大组合应力分别为 -130 MPa和116 MPa，出现在节段19和节段42位置，该位置在1/4～1/2跨之间，距1/4跨位置有4个节段。从钢桁加劲梁半幅吊装全过程来看，上、下弦杆应力经历了由小变大再变小的过程，全桥钢桁加劲梁各杆件应力均不超限。

图2 三种连接方式对应的上弦杆理论应力包络图

图3 三种连接方式对应的下弦杆理论应力包络图

2)采用刚—铰混合(全桥对称设置26对双铰)连接方式时，钢桁加劲梁在大部分节段上、下弦杆应力接近于零，在第16和47节段附近出现波峰，但应力不超过20 MPa，可以认为钢桁加劲梁在施工过程中基本处于无应力状态，达到了施工中的理想状态，不存在施工应力过大问题，更不会发生过应力现象。但是由于设铰数量过多，钢桁加劲梁施工阶段稳定性不好，结构相对太柔弱，存在施工不安全隐患;同时每个施工铰位置在合龙时都是一个合龙口，合龙位置过多会增加钢桁加劲梁合龙难度，强制合龙又会造成局部应力问题，合龙位置处理不好会造成成桥线形无法满足设计要求及线形不圆顺问题。

3)采用刚—铰混合(全桥对称设置26对双铰)连接方式时，与全桥逐次刚接方案相比，钢桁加劲梁上、下弦杆在第1对铰之后各阶段应力大幅度减小，各设铰位置应力略有波峰，节段19之后(半幅内)应力逐渐减小至零点，最大压、拉应力出现在节段8附近，分别为-34 MPa和31 MPa。与前两种钢桁加劲梁施工方案相比，该方案在结构受力上介于两种连接方式之间，施工应力安全可靠，同时由于设铰数量较少，会减小钢桁加劲梁合龙施工的难度。

由此可以得出:从钢桁加劲梁结构受力上讲，3种方案均不会造成钢桁加劲梁施工应力超限问题，理论上均是可行的，但由于计算时没有考虑施工时桥面临时荷载及临时运载情况，及实际施工与理论存在偏差，可能造成钢桁加劲梁局部受力过大，使结构产生损伤，故从安全角度考虑，不宜采用全桥刚接施工方法;另外，刚—铰混合施工时，设铰过多不仅会使施工中结构整体稳定性下降，同时会加大施工难度，给施工带来潜在的安全隐患。经对比综合考虑，建议采用第3种施工连接方案，即全桥对称设置6对双铰的连接方案。

2.3 三种连接方式对吊索受力的影响

在钢桁加劲梁吊装施工过程中，单根吊索的受力不仅关系到结构安全，同时也关系到节段钢桁加劲梁与吊索栓接施工的难易程度。本文通过数值仿真模拟钢桁加劲梁整体吊装施工过程，得出了采用不同连接方式对应的各施工阶段吊索的受力情况，见图4。

图4 三种连接方案对应的吊索受力

从图4可以看出，逐次刚接方案施工时各施工节段对应吊索的受力呈抛物线变化(半幅内)，在1/4跨位置达到峰值点，最大受力约为300 kN，其中受力超过150 kN的节段有20节左右，占吊装节段的65%以上;采用刚—铰混合连接(设26对铰)时，整体吊装施工时全部节段吊杆受力基本均匀，约在50 kN左右，上下波动不超过20 kN，受力较稳定，是较好的理想施工状态;采用刚——铰混合连接(设6对铰)时，吊杆受力在各设铰位置出现折点，各转折点受力值依次减小，最后趋于稳定，从整体来看吊杆在第1个铰位置以前各节段受力与刚接施工时完全一致，在第3个铰之后各节段受力与设26对铰时基本趋于一致，吊杆在第7节段受力最大约200 kN，其中超过150 kN的节段仅4个。

综合以上数据可以得出:采用逐次刚接方案施工，吊杆受力最大，约300 kN(772 MPa)，安全系数约为2.3，小于规范要求的3.0，会给施工带来一定的安全隐患，从结构受力角度上看不可取;另外，在实际节段与吊索栓接的施工过程中，超过150 kN的力需要借助机械设备来完成，该方案的实施需增加机械牵拉设备，同时延长了施工工期，会造成大部分节段施工困难，从施工经济性、安全性及施工工期上来考虑，该方案亦不可取。

若采用刚—铰混合连接(设26对铰)的连接方式，在受力上没有问题，结构有足够的安全储备，不足之处在于设铰数量过多，结构受力变形较大，会给施工带来困难，同时存在钢桁加劲梁合龙施工困难问题。

若采用刚—铰混合连接(设6对铰)的连接方式，吊索最大受力约200 kN(529 MPa)，有3.3倍的安全系数，满足规范要求，该方案在吊索受力上是可取的;由于受力超过150 kN的吊索数量较少，这些节段与吊索栓接时可以临时采用油压千斤顶进行提拉到位即可，现场满足施工条件。该方案的实施仅需要人工借助倒链葫芦即可完成，施工方便快捷，可以提高施工效率，同时节约施工成本，在经济及安全性上是可取的。

2.4 建议采用的钢桁加劲梁连接方式

通过对比分析3种钢桁加劲梁连接方式对施工中各节段结构和吊索受力的影响，并综合考虑现场施工条件及在实际施工中会遇到的问题，建议哪吒大桥钢桁加劲梁架设施工采用第3种连接方式。

在实际架设过程中，针对该方案可能出现的问题建议:

1)由于设铰位置结构变形较大，会出现拐折点，为避免变形过大挤压桥面板使其受损或破坏，在设铰位置处的桥面板待铰接换刚接后再进行安装;

2)在吊杆受力超过150 kN的节段施工时，若靠倒链葫芦牵拉不能使节段与吊索栓接，或难度较大，可以采用油压千斤顶配合牵拉到位;

3)在施工过程中，第1个铰的设置位置可以提前一个节段，这样就可以使吊杆受力最大位置变为第6节段，同时可减小最大受力值，降低施工难度;

4)各设铰位置的铰待跨中合龙前一节段统一换做实际的刚性连接，该工作相对较容易，同时为跨中合龙提供方便;

5)施工过程中密切观察设铰位置下弦杆开口量的变化，若出现两节段下弦杆相互抵触，应暂停钢桁加劲梁的安装施工，待验算结构受力安全无虞后再行施工。

3 结束语

通过对比分析3种钢桁加劲梁连接方式对钢桁加劲梁及吊索受力的影响，并综合考虑哪吒大桥施工现场环境及施工条件，从施工方便快捷和安全可靠的角度出发，建议采用第3种钢桁加劲梁连接方式，即设6对双铰的刚—铰混合连接方法进行施工。该方法减小了施工过程中钢桁加劲梁的应力，使钢桁加劲梁的梁体在施工中处于安全状态;同时减少了设铰数量，钢桁加劲梁施工的难度及复杂性相对较小，节段施工稳定性得到了提高。

哪吒大桥主体工程于2010年7月施工完毕，8月建成通车。哪吒大桥实际施工证明，采用这种连接方式取得了较好的施工效果，整个节段安装只在第7节段(即第1个设铰位置处)借助了油压千斤顶牵拉施工，其余钢桁加劲梁安装均靠倒链葫芦即可顺利施工，极大地提高了施工效率。

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