公轨两用钢桁梁悬索桥加劲梁架设方案探讨

刘孝辉，苏小波

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

公轨两用钢桁梁悬索桥加劲梁架设方案探讨

刘孝辉，苏小波

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

结合既有工程经验，基于无应力状态理论，对重庆郭家沱长江大桥主梁安装提出多种比较方案。通过对施工阶段弦杆、吊杆的内力及应力规律的比较，以及对临时铰合龙措施的探讨，研究各方案的优劣性，并结合技术难度、施工周期、施工成本等因素，对该桥施工方案提出合理化建议。

无应力状态；钢桁梁悬索桥；施工方案；受力特点

钢桁梁悬索桥主梁刚度大，抗扭及抗风稳定性较好，且加劲梁可设计为双层桥面，故在大跨度铁路或公轨(铁)共建桥梁结构中极具竞争力[1]。该类桥梁杆件数量多、2期恒载重量大，施工措施较钢箱梁悬索桥更为繁琐和复杂。由于轨道交通对梁端转角有严格的刚度要求，主梁一般都设计为连续结构[2]，故主塔支座截面受力的复杂性是该类桥型的另一特点。另外，目前公轨(铁)两用钢桁梁悬索桥在世界范围内并不多见，对加劲梁安装方法的研究也远不如钢箱梁悬索桥成熟，因此，本文以重庆郭家沱长江大桥为工程背景，研究加劲梁不同安装方法的优劣性，为类似工程提供参考。

1 工程概况

重庆郭家沱长江大桥是一座公轨两用钢桁梁悬索桥，跨径布置为75 m+720 m+75 m。该桥为双层桥面布置，上层为8车道城市快速路，下层为双线轨道交通，上、下层桥面均为正交异性板钢桥面；主梁桁高12.5 m，节间长度15 m，采用带斜撑的三角形桁架形式，材料为Q345钢材；主缆矢跨比为1/9，采用PPWS-135-127高强度镀锌钢丝，抗拉强度为1 770 MPa，单根钢丝直径为5.25 mm。该桥上、下层桥面2期恒载共计17 t/m，桥型布置如图1所示。

2 架设方案比较

笔者对已建成的公铁两用悬索桥施工方法进行了调研和汇总，见表1[3]。从表1可知，日本在本州—四国联络线上修建了多座公铁两用悬索桥，除大鸣门桥外，所有桥梁均利用桥面吊机+浮吊，从桥塔往跨中方向逐段刚接加劲梁。但研究表明，受主缆大变形的影响，桁架和吊索的施工应力较高，可能会超过规范限值。虽然日本采用所谓“三点调索牵引法[4-5]”，通过将前端吊索拉力分散到后面2根吊索上，滞后2节段张拉的方法来解决这一问题，但笔者认为该方法缺点也很明显：需要多组调索设备，施工过程繁琐，工期较长。葡萄牙的4月25日桥和香港地区的青马大桥均采用逐段铰接法施工，但也存在临时杆件用量大、合龙节点多、等代压重成本高等问题,也会对施工过程中的抗风稳定性和作业安全性产生隐患。重庆郭家沱大桥跨越长江，桥位处航道宽阔，水、陆交通均较为便利，施工方法和架设顺序均不受限制，具备整节段吊装的外部条件。因此，如何利用现有条件选择合理、高效、经济的施工方法，需进一步深入探讨。

图1 重庆郭家沱大桥桥型布置

表1 已建成公铁两用悬索桥架设方法汇总

目前，我国已建成数座公路钢桁梁悬索桥，其主梁施工方法大致可分为3类：刚接法、铰接法和刚铰混合法[5]。与表1架设方法相比较，刚铰混合法的提出是一种突破，因为，无论采用何种施工方法，最终目的仍达到合理成桥状态。经过调索，重庆郭家沱长江大桥主梁的竖向位移和吊杆内力分别如图2和图3所示。从图2可以看出，其主跨竖向位移基本为零，边跨为连续梁，跨中最大挠度8 cm。从图3可以看出，除边吊杆索力略大外，中间吊杆内力均匀，故可将此状态视为合理成桥状态。

图2 成桥状态下主梁竖向位移

图3 成桥状态下吊杆内力

基于无应力状态理论，在施工阶段，主缆、吊杆和主桁杆件均采用无应力长度进行安装，且无论采用何种施工方法，成桥状态均唯一[6]。依据该理论，结合公路钢桁梁悬索桥的既有工程经验[7]，对郭家沱大桥提出了3种加劲梁安装方案，见表2。

2.1 对内力的影响

3种施工方案施工阶段上弦杆的轴力包络曲线如图4所示。从图4可以看出，采用散拼法施工，上弦杆最大压力为1 745 t，发生在1/4跨处，最大拉力在主塔支座处出现峰值，达到1835t，随后迅速回落，再逐渐增加；采用逐段刚接法施工，对上弦杆产生的拉、压效应基本相同，最大均约为1 500 t，且均发生在主跨跨中位置；采用刚铰混合法施工能极大降低上弦杆跨中部位的压力，最大值仅为750 t，降幅达50%，但施工过程中对上弦杆的拉力基本没有影响。

表2 3种加劲梁安装方案一览

图4 施工阶段上弦杆轴力包络曲线

施工阶段下弦杆轴力包络曲线如图5所示，其规律与上弦杆基本相反。采用散拼法施工，下弦杆以受拉为主，最大拉力2 235 t，发生在主墩支座位置，下弦杆最大压力同样发生在此处，数值可达1 500 t，其余部位迅速降低；采用逐段刚接法施工，下弦杆最大拉力1 540 t，发生在主跨跨中截面，杆件压力则均在670 t以下；采用刚铰混合法施工，跨中增设临时铰，同样能有效降低下弦杆跨中区域的轴向拉力，最大可降低至250 t，降幅达84%，但对支座处的最大轴力基本没有改善。

图5 施工阶段下弦杆轴力包络曲线

主梁吊装阶段3种方案下单根吊索轴力包络曲线如图6所示。从图6可以看出，采用散拼法和逐段刚接法施工时，吊杆内力分布曲线均在1/4跨附近出现严重“鼓包”，施工阶段最大单根吊杆力分别达到790和750 t，远大于最大节段自重450 t；采用刚铰混合法施工则能极大缓解吊杆轴力包络曲线的“鼓包现象”，最大吊杆力降至330 t，降幅达56%，采用该方法，施工过程中最大吊杆力的分布也基本均匀。此外，刚铰混合法模型仅在跨中区段设置了2对临时铰，从而进一步说明临时铰对改善施工阶段吊杆内力具有显著效果。

图6 主梁吊装阶段吊杆轴力包络曲线

2.2 对应力的影响

3种施工方案在施工阶段其上、下弦杆的应力包络曲线分别如图7和图8所示。从图7、图8可以看出，施工过程中采用散拼法施工，上弦杆最大弦杆应力均发生在支座位置。采用散拼法，上弦杆最大拉、压应力分别为245 MPa和-267 MPa，明显高于其余二者；采用刚铰混合法施工则可将该值分别降至122 MPa和-183 MPa，主跨区域杆件应力则降至100 MPa以下。下弦杆的规律同样如此：采用散拼法施工，下弦杆最大拉、压应力分别为187 MPa和-203 MPa；采用刚铰混合法施工则可使施工阶段下弦杆的应力水平大幅降低。

除开支座位置，3种方案最大应力发生位置也不相同。采用散拼法施工，在1/4跨位置达到应力峰值，包络曲线形成“鼓包”，下弦杆尤为明显；采用逐段刚接法施工，最大应力发生在跨中位置；采用刚铰混合法施工，应力包络曲线则相对比较均匀。除了采用散拼法施工在支座位置弦杆应力超标外，其余2种工法施工阶段应力均在规范限值以内。

图7 施工阶段上弦杆应力包络曲线

图8 施工阶段下弦杆应力包络曲线

2.3 合龙措施探讨

从以上分析可以看出，刚铰混合法与另外2种施工方法相比，能有效降低弦杆内力和应力，同时也可使施工阶段最大吊杆力趋于均匀，但代价是合龙口增多，合龙措施相应繁琐。必须指出的是，3种方法均存在主梁无应力合龙问题，此3种方法的合龙措施并无优劣，在此不作详细比较。就3种方法而言，刚铰混合法较另外2种增设了临时铰，故全桥合龙前，必须首先实现临时铰的无应力合龙，为此，本文探讨临时铰合龙的技术措施及可行性。

主跨合龙前结构的变形状态(放大10倍)如图9所示。从图9可以看出，受主缆线形未稳定的影响，主梁呈明显上拱现象，临时铰处下弦杆之间的间隙必然不等于弦杆的无应力长度。常规做法是采用压重或千斤顶辅助调整合龙口间隙，以实现下弦杆的无应力安装。利用影响矩阵法进行计算，可得到实现无应力合龙的具体措施，如图10所示。从图10可以看出，在下弦杆利用千斤顶对顶，顶升力为530 t，并辅以压重措施(单点压重220 t)，即可实现临时铰合龙口的无应力合龙。临时铰调整前后合龙口间隙如图11所示。

图9 主跨合龙前结构位移(放大10倍)

图10 临时铰无应力合龙措施

计算表明，在无应力措施施加前，合龙口的竖向位移差为79 mm，水平位移差为75 mm；采用合龙调整后，竖向和水平向位移差分别降至0.9和1.4 mm，基本具备无应力合龙条件；合龙措施利用现有常规设备也较易实现，成本不高。当然，无应力合龙措施有很多种，具体实施并不局限于上述计算成果。

图11 临时铰调整前后合龙口位移(局部)

综上所述，本文对以上 3种施工方案的优缺点进行如下概括：与另外2种方法相比，刚铰混合法能显著降低施工过程中杆件和吊杆的应力，且施工周期短，安装精度高。考虑到水运条件及临时铰的无应力合龙措施及成本，推荐采用刚铰混合法，其更具优势。3种施工方案优缺点概述见表3。

表3 3种施工方案优缺点概述

3 结论

与钢箱梁悬索桥不同，钢桁梁悬索桥加劲梁刚度大，在施工方案的选择上也具有更大空间。由于实际工程范例少，目前对公轨(铁)两用连续钢桁梁悬索桥施工方法的研究远不及钢箱梁般深入和彻底。本文以重庆郭家沱长江大桥为工程背景，对可能实施的3种施工方案进行了初步分析，并得到以下结论：

1) 若采用桥面吊机散拼法施工主梁则会致使支座位置的弦杆内力出现“尖点”，应力水平超过规范限值；若采用逐段刚接法施工，则主墩支座附近杆件的应力水平次之；若采用刚铰混合法施工，则上、下弦杆的内力和应力均最均匀。

2) 采用散拼法和逐段刚接法施工，均会导致施工阶段吊杆内力在1/4跨附近出现严重“鼓包”，采用刚铰混合法则可大幅降低施工阶段吊杆内力，使之基本均匀分布。

3) 增设临时铰的数量可使施工阶段杆件内力更加均匀，但会增加构造及施工措施的复杂性，故临时铰的设计应综合考虑，重庆郭家沱长江大桥以2对为宜。

4) 临时铰的无应力合龙措施简单可行、技术成熟、成本合理，考虑到对弦杆及吊杆应力的改善效果，在航运条件具备的前提下，推荐将刚铰混合法作为连续钢桁梁悬索桥加劲梁的施工方法。

[1]蔡宪堂.大跨度铁路悬索桥刚度研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[2]孟凡超.悬索桥[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]刘吉晗.大跨度铁路悬索桥加劲梁施工方法研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[4]刘 高，彭运动，周 平，等.坝陵河大桥钢桁加劲梁施工架设方案研究[J].公路交通科技，2009，26(5)：80-85.

[5]凌胜春.山区大跨度悬索桥钢桁加劲梁架设方法研究[J].城市道桥与防洪，2014(7)：294-296.

[6]姚 进，庄值政，张凤凰.山区悬索桥钢桁架加劲梁安装技术[J].公路，2013(7)：82-86.

[7]秦顺全.桥梁施工控制—无应力状态法理论与实践[M].北京：人民交通出版社，2007.

[8]谭永高.大跨径悬索桥桁架加劲梁节段的安装研究[J].公路，2007(7)：46-50.

Discussion on Erection of Road-Track Dual-purpose Stiffening Girder of Steel Truss Suspension Bridge for Public

LIU Xiaohui,SU Xiaobo

In this paper,based on the experience of the existing engineering and the stress-free state theory,some comparison scheme was put forward for the installation of the main girder of Chongqing Guojiatuo Yangtze River Bridge. Through comparing the law of internal force and stress of the chord and boom in the construction stage and discussing the measures of temporary hinge jointing,this paper discusses the advantages and disadvantages of various schemes,and puts forward some rational suggestions on the construction scheme of the bridge considering the technical difficulty,construction period and construction cost.

stress-free state; steel truss suspension bridge; construction scheme; stress characteristics

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.011

交通运输部建设科技项目(2013318223380)

2016-07-29

刘孝辉(1964-)，男，四川省隆昌县人，本科，教授级高工。

1009-6477(2016)06-0047-05

U448.25

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