大跨度箱-桁结合梁斜拉桥钢桁梁施工方案研究

肖 颉

(中铁大桥局集团有限公司 武汉 430050)

1 工程概述

1.1 主体结构设计

洞庭湖特大桥位于湖南省岳阳市，采用钢箱钢桁结合梁三塔斜拉桥跨越洞庭湖接入长江的出口水道[1-2]，采用双线1.2倍ZH活载设计，孔跨布置为98 m+140 m+406 m+406 m+140 m+98 m，全长1 290.24 m。主桥桥跨布置见图1。

图1 洞庭湖特大桥主桥桥跨布置图(单位：m)

主梁为钢箱、钢桁结合梁结构，主桁下弦杆及其两侧的风嘴与桥面板组成钢箱结构，主桁腹杆、上弦杆为桁梁结构。主桁采用内倾布置，上弦杆中心间距12.0 m，下弦杆中心间距14.0 m。全联桁架为不带竖杆的华伦式桁架，桁高12.0 m，节间长14.0 m，斜杆立面倾角59.744°,全桥共92个节间，全桥以4号塔对称布置，钢梁断面布置见图2。

图2 钢梁断面布置图(单位：mm)

1.2 钢桁梁架设总体方案

钢梁安装采用“先箱后桁”的总体架设方案，钢梁腹杆、上弦杆及平面和横向联结系杆采用散拼架设，由700,900 kN汽车吊机在桥面从3，4，5号墩墩顶开始向两侧双向对称架设，钢桁梁杆件通过设在1号，7号墩附近的提升站运至桥面，再通过桥面汽车运输至待架位置。

2 钢桁梁施工重难点

采用“先箱后桁”架设方案，除具有快速实现钢箱合龙，改善钢梁架设作业环境，提高施工效率，加快施工进度等优点外，也存在以下重难点。

1) “先箱后桁”施工导致钢梁下弦杆与上弦杆节间存在纵向变形差。钢箱梁合龙后，下弦杆节间纵向存在压缩变形，而此时钢桁梁上弦杆无纵向变形，因此存在纵向变形差，上弦杆节间长度若不修正调整，钢桁梁上弦杆安装存在困难。

2) 散杆件拼装导致钢桁杆件接头较多，变形调整复杂。

3) 上弦杆安装受上弦、下弦杆制造误差影响大。钢梁制造规范中对杆件两端的孔距误差要求为±1.0 mm。安装上弦杆时，除了上弦杆自身的制造误差外，下弦杆的制造误差也反映到上弦杆间接头间隙上，误差影响将增大[3-6]。

3 杆件纵向变形差研究

各节段钢箱梁在斜拉索挂索后会产生压缩，各节段的压缩变形将对上部钢桁梁安装产生影响。钢箱梁合龙后，各节段在一期恒载索力下的变形见图3。

图3 下弦杆节间压缩变形

由图3可见，钢箱梁的最大节段变形约3 mm，各节间变形由塔根部向两侧逐渐减小。在钢箱梁合龙后，再安装钢桁梁时，钢箱梁已产生纵向变形而钢桁梁此时无变形，钢箱梁与钢桁梁间存在纵向变形差且在塔根处最大，达到3 mm左右，全桥2/3节间的箱-桁纵向变形差超过2 mm，钢桁梁杆件的安装存在较大困难。

对此，采取在设计上对钢桁梁上弦杆进行尺寸补偿的方法，计算得到每个节间的下弦杆节间纵向压缩量见表1，钢桁梁上弦杆在工厂制造时据此进行尺寸调整，使钢桁梁杆件在现场无应力状态下安装。

表1 考虑先箱后桁施工引起的上弦杆尺寸补偿mm

续表1

杆件编号上弦杆补偿杆件编号上弦杆补偿A25A26-2.1A37A38-1.7A26A27-1.7A38A39-2.1A27A28-1.4A39A40-2.4A28A29-1.1A40A41-2.8A29A30-1.0A41A42-3.0A30A31-0.8A42A43-3.0A31A32-0.7A43A44-2.9A32A33-0.7A44A45-2.3A33A34-0.8A45A46-2.0A34A35-1.0A46A460A35A36-1.1A12A13-2.9

4 杆件变形调整研究

桁架杆件在安装过程中，接头位置的变形主要受重力影响，因此，根据杆件截面及类型的不同，采取有限元软件建立模型，分析接头位置变形量及相应调整措施。分析结果见表2。

表2 杆杆变形量及调整结果

5 制造误差影响研究

5.1 误差累积分析

根据TB 10212-2009 《铁路钢桥制造规范》，当杆件长度L>11 m时，两端孔群中心距容许误差为±1.0 mm。

为分析上弦杆制造误差对钢桁拼装影响，假定每根杆件误差值为定值，且沿着一个方向累积。以杆件误差值为2a，不考虑杆件压缩或拉伸变形，分析原理如下。

1) 连接第一个节间上弦杆后，J1，J2节点分别产生误差a。

2) 则第二个节间上弦杆安装完成后，J1节点误差累积为a+d，J2节点误差累积为a-c，J3节点误差累积为b，其中L-a+b+c=L+2a，即b+c=3a。依次类推，最终寻找杆件误差在钢桁拼装过程中的累积规律。

分析原理示意见图4。以杆件误差1 mm对钢桁拼装过程进行分析，杆件误差通过单元温度荷载进行模拟。其计算结果见表3。杆件节点误差为1 mm时，拼装8个节间后，杆件制造误差对钢桁拼装起点的影响趋于稳定，拼装点累积误差值为2.5 mm，拼装终点累积误差值未明显趋于稳定。

图4 误差累积分析原理图

mm

5.2 钢桁梁安装分组方案

为减小制造误差的累积，拟分组安装上弦杆，组间设预留调整口。

选取刚度较大的塔根2组钢桁梁进行受力敏感性分析，得出在组间上弦杆接头两侧对顶1 000 kN/桁水平力作用下，组间间隙的变化量。对相应预留口误差及调整内力进行分析，结果见表4。

表4 上弦杆预留口误差及其调整内力(每节间正误差1 mm)

根据以上计算结果，综合现场施工条件及设备状况，选取5个节间设一个预留调整口时误差分布及调整内力情况如下。

1) 若5个节间均正误差1 mm,则预留调整口的调整内力可控制在400 kN/桁以内，此为极端情况。

2) 若4个节间正误差1 mm、1个节间零误差，则预留口调整内力可控制在300 kN/桁以内，此也是较为极端情况。

3) 若3个节间正误差1 mm、2个节间零误差，则预留口调整内力可控制在200 kN/桁以内，此为较可能出现的情况。

以上误差及调整力均在可控范围之内，且为了尽可能减少桁架杆件安装完成后对成桥状态的影响及方便现场施工，因此实际施工时采用每5个上弦杆节间为1组，组间设1个预留调整口，全桥共设18个钢桁梁组，17个预留口。钢桁梁按从塔根向两侧架设，每组内上弦杆节间按正常钢梁架设工艺安装，组间预留调整口，组间预留调整口冲钉插打、高栓施拧待钢桁梁全部安装后进行。

6 结语

通过对钢桁梁安装过程中存在的重难点进行分析，提出了相应的调整措施。

1) 对于钢箱与钢桁杆件纵向变形差问题，通过对钢桁梁上弦杆的长度进行调整以完善。在钢箱梁合龙后，加载全部的钢桁梁荷载，计算此时的下弦杆节间的压缩量，并据此对上弦杆节间长度进行相应调整，确保理论上此时上弦杆满足零应力安装要求。

2) 对于钢桁杆件变形调整复杂的问题，运用有限元模拟桁架杆件在施工过程中可能产生的变形或受到的影响，着重研究了斜杆、上弦杆竖向、主桁侧向的变形和调整方法。

3) 对于误差影响大的问题，通过分析误差累积的影响，提出了钢桁梁上弦杆安装采取“分组安装，组间设预留调整口”的思路。钢桁梁按从塔根向两侧架设，每5个上弦杆节间设为1组，组内上弦杆节间按正常钢梁架设工艺安装，组间预留调整口，组间预留调整口冲钉插打、高栓施拧待钢桁梁全部安装后进行。