镇胜公路北盘江大桥钢桁梁架设施工过程分析

曹春明 易伦雄 王碧波

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430050）

北盘江特大桥为主跨636m的单跨双铰简支钢桁梁悬索桥，是沪瑞国道主干线镇宁至胜境关公路段的控制性工程。上部结构钢桁梁施工是本工程的重点和难点，施工中节段之间的连接方式对施工过程中加劲梁的应力、施工进度和工程质量的影响非常大，因此选择加劲梁合理可行的施工方法是保证既达到设计的成桥状态，又使施工过程中不至于出现加劲梁装配应力过高的关键［1］。文中主要介绍该桥钢桁梁架设施工方案的确定及该方案的计算分析。

1 加劲梁结构形式

本桥采用钢桁加劲梁，由主桁、横梁、上下平面纵向联接系以及桥面系结构等组成，见图1。

图1 北盘江大桥主桥横断面图（单位：cm）

主桁采用带竖杆的华伦式桁架，桁高5.0m，节间长3.5m，纵向2片主桁间距与主缆间距相同，为28.0m。横梁为桁架式结构，纵向7.0m设一道，横梁与主桁等高，为5.0m，节间长度3.5 m。上、下平面纵向连接系采用交叉型，横梁的上、下弦杆分别作为上、下平联的撑杆。钢桁梁全部杆件均选用制造简单、安装方便的 “工”形构件［2］。

桥面系结构由桥面板、纵、横肋和纵梁组成，纵向通长连续。桥面横向共设5片纵梁，桥面板通过纵梁搁置在主桁横梁之上，纵梁与横梁间设置盆式橡胶支座。

2 加劲梁吊装及连接施工

加劲梁采用缆索吊装施工，立体梁段架设，全桥共47个节段。除中间梁段吊装节段长19m外，其余均为14m（见图2），最大吊重130t。

图2 北盘江大桥加劲梁节段划分示意图（单位：m）

对于以钢桁梁作为加劲梁的悬索桥，施工架设方案对施工过程中加劲梁的应力、施工进度和工程质量的影响较大，因此选择合理可行的架设方案是钢桁梁设计的关键［3］。

2.1 加劲梁架设方案确定原则

（1）节段连接的必要性。桥址区位于峡谷地带，风场环境复杂，钢桁梁吊装时要尽早连接，以确保结构在施工期间的抗风安全，减小施工期间的风致振动，方便人员施工。

（2）节段连接的可操作性。钢桁梁各节段之间采用高强螺栓连接，调节量仅为螺栓与螺栓孔之间的间隙，而且还有一定制造误差，因此只有钢桁梁节段之间位移量较小的时候才进行连接，尽量避免强迫连接。

（3）结构受力的安全性。既要保证施工过程中钢桁梁结构安全，又要尽量减少成桥后不可消除的架设内力，避免在施工过程中因受力需要加大杆件截面，造成结构用量的大幅增加而导致全桥工程造价的提高。

经多方案比选，综合考虑国内外既有施工方案优缺点后进行了改进，确定了架设方法。

2.2 钢桁梁架设方法

（1）钢桁梁由跨中向两端进行吊装，吊装前11个钢桁梁节段时将上弦以冲钉连接，再吊装2个节段后将该批梁段共17个梁段的上弦刚接，剩余节段在吊装就位后即与相邻节段的上弦刚接。

（2）从1／4跨位置向两侧对称吊装桥面板。

（3）从跨中向两边对称以二期恒载的等代荷载进行压重施工。

（4）从跨中向两边对称将加劲梁节段间的下弦杆转化为刚接。

（5）撤掉二期恒载等代压重荷载，进行桥面铺装及附属结构的施工。

3 加劲梁架设施工过程计算与分析

计算程序采用BNLAS桥梁结构非线性计算软件，对北盘江大桥建立三维有限元模型，见图3。根据实际施工情况，计算模拟加劲梁从跨中向两端对称逐段吊装。结构的边界约束条件为：主缆锚固点和塔底固结约束，加劲梁端部仅采用只压竖向约束。

图3 北盘江大桥空间计算模型

3.1 吊装钢桁梁

钢桁梁吊装时线形受主缆线形影响，最初为中间低、两边高的凹曲线，节段上弦互相挤压，下弦互相分离而出现“张口”［4］。随着钢桁梁吊装节段增加，主缆刚度增大，凹形竖曲线会逐渐趋于平缓，待各节段上弦之间位移接近时就可对钢桁梁节段上弦进行连接。

首先吊装跨中的1号节段，然后依次向两侧对称吊装，在吊装4（4”）节段之前，因主缆变形较大，各节段接口之间位移差较大，竖向位移差最大达到37mm，纵向位移差最大达到26mm，冲钉无法连接相邻节段，可采用橡胶垫片将接头进行保护。继续吊装4（4”）和5（5”）节段，主缆承受约11个节段重量之后，主缆刚度逐渐增大，每吊装一个节段引起主缆变形幅度大为减少，各节段接口之间位移差也随之减少，上弦接口最大竖向位移差减至1.2mm，最大纵向位移差减至2 mm，此时将节段之间上弦接口采用冲钉连接（计算时采用限制线位移，放松转角约束模拟），各阶段下弦杆间无连接。继续吊装6（6”）～9（9”）节段，每吊装一个节段均与已吊装节段间上弦采用冲钉连接。

吊装完17个节段以后，计算发现钢桁梁节段之间竖向位移非常接近，此时将已吊装的17个节段上弦之间的冲钉连接转为刚接（高强螺栓连接），再依次吊装剩下节段，每吊装1个节段均与已吊装节段间上弦刚接。在钢桁梁吊装过程中，上弦杆最大应力为86.1MPa，腹杆最大应力为50.6MPa，吊索最大应力为270.1MPa，各杆件最大应力基本出现在跨中附近。钢桁梁吊装完成后与成桥状态相比最大位移为3.343m，节段间下弦接口处位移差见图4。

图4 钢桁梁吊装完成后各节段下弦接口处位移差

由图4可见，各节段下弦接口处最大竖向位移差为1.8mm，最大纵向位移差为6.7mm，均出现在端部，这主要是由于钢桁梁端部节段纵向只有1根吊索，且支座为只压支座导致的，其余位置竖向位移最大仅为0.7mm，纵向位移差为6.3 mm，这说明钢桁梁吊装完成后线形已趋于平顺。

3.2 吊装桥面板

桥面板采用缆索吊从1／4跨位置（11和11”节段处）向两侧对称吊装，置于钢桁梁上支座处。桥面板吊装选择从1／4跨位置往两侧吊装主要是从主缆变形均匀，钢桁梁节段间受力较小来考虑。桥面板吊装过程中上弦杆最大应力为148.3 MPa，腹杆最大应力为91.2MPa，吊索最大应力为509.3MPa，各杆件最大应力基本出现在起吊点和跨中附近。

桥面板吊装完成后，钢桁梁与成桥状态相比最大位移为1.120m，钢桁梁形成的凹形竖曲线进一步平缓，各节段间下弦接口处位移差见图5。

图5 桥面板吊装完成后各节段下弦接口处位移差

由图5可见，节段间下弦最大竖向位移差为1.8mm，最大纵向位移差为3.7mm，均出现在端部，原因与前述一致，其余位置竖向位移差最大仅为0.4mm，纵向位移差为2.3mm，接口间位移差进一步缩小。

3.3 二期恒载等代荷载压重施工

本桥二期恒载重约48kN／m，约占加劲梁总重的24%。对于二期恒载是否采取等代荷载压重施工进行了比较分析。

（1）二期恒载不等代荷载压重施工。桥面板吊装完成后直接就将钢桁梁下弦刚接，然后再焊接桥面板，施工二恒。采用该方案时，若钢桁梁设计制造线形采用成桥线形，因二恒未压重，钢桁梁下弦依然处于“张口”状态，除端部节段以外节段间下弦接口竖向最大高差为0.4mm，纵向最大位移差为2.3mm，需强行将钢桁梁下弦刚接，施工难度大，连接困难，但成桥后钢桁梁杆件应力与采取压重方案的杆件应力相差不大。若钢桁梁设计制造线形采用二恒未施工前钢桁梁线形，则节段易于连接，施工便捷，但成桥后钢桁梁杆件应力（见表1）与采取压重方案的杆件应力高。

表1 二期恒载不等代压重成桥后主桁架各类杆件及吊索最大、最小应力 MPa

（2）二期恒载等代荷载压重施工。桥面板吊装完成后采取二恒等代荷载压重，然后再将钢桁梁下弦刚接，焊接桥面板，撤掉二恒等代压重荷载，施工二恒，成桥时钢桁梁各杆件应力见表2。

表2 二期恒载等代压重成桥后主桁架各类杆件及吊索最大、最小应力 MPa

由表1、表2可见，二恒不等代压重施工比压重施工弦杆应力最高达35.9MPa，如果在设计时考虑上述增加的应力，钢桁梁需增加约9%的钢料，因此从经济性考虑最终还是确定采取二期恒载等代荷载压重方案。

二期恒载等代压重施工过程中，上弦杆最大应力为90.3MPa，腹杆最大应力为55.6MPa，吊索最大应力为640.3MPa。

3.4 连接钢桁梁下弦

二期恒载等代荷载压重施工完成后，此时钢桁梁与主缆已基本达到设计成桥线形，最大位移差仅为2mm，节段间最大竖向位移差仅为0.4 mm，最大纵向位移差仅为0.2mm，连接钢桁梁下弦就相对简单。下弦刚接完成后，再连接节段间上下平联。钢桁梁下弦连接过程中，上弦杆最大应力为73.6MPa，下弦杆最大应力为12.9 MPa，腹杆最大应力为35.2MPa，吊索最大应力为610.3MPa。

3.5 焊接桥面板

钢桁梁节段间下弦刚接后，即可撤去二期恒载等代压重荷载，进行桥面板现场焊接施工，最后进行桥面铺装及附属结构施工。

从以上计算结果来看，钢桁梁各杆件架设过程中最大应力为148.3MPa，吊索最大应力为640.3MPa，均小于材料允许应力，整个架设过程是安全可靠的。同时计算成桥线形与设计线形仅相差2mm，架设过程中对线形的控制较好，节段间连接也是易于施工的。

4 结语

在北盘江大桥设计过程中，针对桥址处地质、风环境及交通运输条件等因素对钢桁梁架设方案进行了多方案比选，最终确定的方案是合适的。架设过程中结构安全，施工便捷，经济性较好，成桥线形满足要求。

目前该桥已建成通车，加劲梁架设完全按照设计确定的方案实施，架设过程中杆件应力、加劲梁位移及实际成桥线形基本与计算保持一致。该桥的建成对类似钢桁梁悬索桥的设计与施工具有一定的借鉴意义。

［1］王忠彬，沈锐利，唐茂林.悬索桥钢桁架加劲梁施工方法分析［J］.石家庄铁道学院学报，2006（1）：117－121.

［2］王碧波，易伦雄.镇胜公路北盘江大桥主跨636m钢桁梁悬索桥设计［J］.桥梁建设，2009（2）：44－57.

［3］钱冬生，陈仁福.大跨悬索桥的设计与施工［M］.修订版.成都：西南交通大学出版社，1999.

［4］周昌栋，潭永高，宋官保.悬索桥上部结构施工［M］.北京：人民交通出版社，2003.