钢桁梁铁路悬索桥临时吊索施工工序研究

邵梦龙 郭日强 唐 绪

(西南交通大学土木工程学院 四川成都 610031)

1 引言

铁路建设不可避免地要跨越一系列大水系，有时必须釆用大跨度铁路桥梁。在大跨度桥梁建设中，作为目前桥梁跨越能力最强的结构型式，悬索桥与其它的桥式相比优势更加明显[1-2]，可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点。与公路桥相比，铁路桥桥面窄、活载及二期恒载大、动力响应相对较大[3-4]。由于铁路桥梁的活载及二期恒载较大，铁路悬索桥的主梁一般选择钢桁梁，钢桁梁有较大的竖向刚度，并且能节省钢材，减轻自重；而相对应地，钢桁梁的杆件与节点都较多，使得钢桁梁的施工工序较为复杂。钢桁梁悬索桥与扁平钢箱梁悬索桥在构造和施工方法方面存在着较大的差异[5]。

悬索桥加劲梁的架设顺序按推进方式可分为两种:(1)从中跨跨中和梁端开始向桥塔方向架梁，最终在桥塔处合龙，国内外大多数悬索桥釆用此种方式进行架设；(2)从桥塔开始向跨中及桥台方向架梁，最终在中跨跨中合龙，日本本四连络线上的悬索桥多采用这种方式[6-7]。加劲梁从跨中向两侧桥塔架设的优点是主缆变形较小，较易于进行施工控制，且由于在桥塔处进行合龙，主缆已接近最终线形，从而有效地减小了主缆内的次应力；其缺点则是施工场地的配置、施工人员和器具的运输都比较困难。加劲梁从桥塔向跨中架设的优点是有利于施工操作和施工人员及器具的运输，施工设备和人员都能方便地从塔墩到达桥面；其缺点是施工过程中主缆和加劲梁的变形比较大，施工控制比较复杂。

本文以某座单跨桁架梁铁路悬索桥为背景，提出在边跨无索区设置临时吊索的施工方案，研究从梁端往中跨跨中和从中跨跨中往梁端吊装梁段两种施工顺序的合理性，即通过对比两种施工工序过程中桥梁结构的内力、位移等的变化情况。研究内容主要集中在该悬索桥的主桁杆件、吊索(包括临时吊索)、支座、主索鞍等构件。

2 结构概述

某单跨铁路悬索桥主缆跨度为(132+660+132)m，三跨连续梁跨径组成为(110+660+98)m。主梁在梁端、主塔处设置有竖向支座和横向支座。钢梁采用带竖杆的平行华伦式桁架，共有71个节间，左边跨9个，右边跨8个。桁高12 m，桁宽22 m，标准节间长度12.2 m，左岸端部2个节间及右岸1个节间长度12 m，主塔附近2个节间长度12.8 m。从左至右节点编号依次为 E36、E35、E34…E2、E1、E0、E1′、E2′…E33′、E34′、E35′，共 72 个节点，0 号节点为主跨跨中。其总体布置和节点编号如图1所示。全桥一共 36个梁段，分别为 E36E35、E35E34…E33′E34′、E34′E35′。 标准梁段见图 2。

图1 总体布置和节点编号(单位：m)

混凝土桥塔采用常见的门式框架结构，由塔柱、横梁组成，包括上塔柱、下塔柱和上横梁、下横梁。

图2 标准钢桁梁(单位：mm)

全桥两根主缆，矢跨比为1/10，主跨660 m。主缆由抗拉强度为1 770 MPa的平行镀锌高强钢丝索股组成，每根主缆由127束127丝φ5.4的钢丝束股构成，空隙率为17%。中跨采用平行主缆，横向中心距22 m，且中跨设有53对吊索；边跨另设4对索股在主索鞍上锚固(背索)，不设吊索，采用空间缆，塔顶主缆横向中心距22 m，散索鞍处主缆中心距29 m。

桥面系、钢桁梁、桥面铺装和附属设施等一期恒载、二期恒载重量为424.381 1 kN/m，其中一期加劲梁重量为224.381 1 kN/m，二期恒载为200 kN/m。

计算模型中主缆采用空间悬链线索单元，吊索采用杆单元，桥塔和加劲梁均采用空间梁单元。计算方法为空间几何非线性有限元法，计算分析中考虑结构大位移、P-Δ效应、索的垂度效应等结构几何非线性的影响。边界条件为:塔底固结；左塔处加劲梁和右塔处加劲梁约束竖向、横向自由度，其他自由度放松；锚碇处固结；散索鞍为转轴式，在转轴处竖向转动自由，其它方向被约束。

3 施工方案说明

(1)方案1

先由梁端向塔侧逐段刚结边跨加劲梁梁段，再由塔侧向跨中吊装施工中跨加劲梁梁段，并在跨中合龙。吊装边跨梁段时采用临时吊索，在边跨约为1/3处和2/3处设置临时吊索，编号见图3。①～④号临时吊索设计索力依次为4 767 kN、4 138 kN、4 289 kN、3 940 kN。

(2)方案2

逐段刚结法先吊装施工中跨跨中加劲梁梁段，待中跨合龙后，再从桥塔处开始，逐段悬臂拼装边跨加劲梁梁段，同时在吊装边跨加劲梁梁段时，在两边分别设置两对临时吊索。①～④号临时吊索索力依次为4 000 kN、2 500 kN、2 000 kN、4 000 kN。

图3 方案1临时吊索示意

4 各施工方案结果对比分析

(1)主桁杆件

两种主梁吊装方案过程中各主桁杆件应力最值如表1所示，各杆件的应力包络图见图4～图7。

表1 施工过程中主桁杆件应力最值 MPa

图4 施工过程中上弦杆应力包络图

图5 施工过程中下弦杆应力包络图

图6 施工过程中竖腹杆应力包络图

图7 施工过程中斜腹杆应力包络图

由图4可知，施工过程中上弦杆在桥塔位置处出现最大拉、压应力，且方案1分别为113.76 MPa、-144.90 MPa(拉应力为正)，方案2分别为75.28 MPa、-108.01 MPa。方案1的最大拉、压应力在桥塔附近变化较为剧烈。方案1中桥塔处至跨中处的上弦杆最大拉应力变化较为剧烈，并在跨中位置方案1与方案2上弦杆最大拉应力相近。而两种方案各位置处上弦杆施工过程的最大压应力沿桥轴线变化均较为剧烈。

由图5可知，方案1中的下弦杆最大拉应力出现在中跨1/8位置处(246.99 MPa)，而最大压应力出现在跨中(-148.22 MPa)。方案2中拉、压应力变化最剧烈的位置在中跨跨中，但值均较小，分别在150 MPa、-120 MPa左右。两种施工方案各位置下弦杆应力沿桥轴线变化整体规律与上弦杆相反。

由图6可知，方案1与方案2中竖腹杆最大拉应力均在中跨3/8附近处较突出，但值非常不均匀，而最大压应力全桥都比较均匀。方案1、方案2在梁左端位置处的竖腹杆最大压应力分别为-95.44 MPa、-132.34 MPa。两种方案各位置竖腹杆最大压应力沿桥轴线都比较均匀(梁端位置处除外)。

由图7可知，整个施工过程方案1与方案2斜腹杆最大拉、压应力在全桥范围内都比较均匀。方案1的最大拉压应力分别为100.69 MPa、-86.21 MPa，方案2的最大拉压应力分别为109.66 MPa、-94.31 MPa。可见，斜腹杆的最大拉、压应力相比于其它杆件均较小。

可见，整个施工过程方案1与方案2各位置处的杆件中，上、下弦杆的最大拉、压应力沿桥轴线变化较为剧烈，而腹杆就较为均匀。

(2)吊索

由图8可知，两种方案中，中跨1/4位置附近的吊索拉应力变化幅度最明显，方案1的最大拉应力为658.30 MPa，方案2为614.86 MPa，且两种施工方案吊索内力相差较小。

图8 施工过程中吊索应力包络图

(3)桥塔支座

在方案1中，左、右塔支座反力均先增大后减小，左塔支座在吊装梁段E19E18(中跨1/6跨位置处)时出现最大值，为17 378 kN；右塔支座在吊装梁段E17′E18′(中跨5/6跨位置处)时出现最大值，为18 280 kN。

方案2中桥塔支座最大反力出现在施工最后阶段，左右塔支座分别为15 759 kN、14 225 kN。

可见，施工过程方案1中的左、右桥塔支座反力均大于方案2。

(4)临时吊索

方案1中临时吊索①～④最大应力均发生在全桥合龙阶段，分别为457.30 MPa、396.10 MPa、410.50 MPa、377.80 MPa。

方案2中临时吊索①～④最大应力分别为385.72 MPa、388.71 MPa、389.49 MPa、397.21 MPa，各临时吊索的应力较均匀。

可见，两种方案各临时吊索最不利应力相差不大，且两方案之间相差也不大。

(5)主索鞍位移

方案1与方案2在空缆状态下左、右塔顶主索鞍纵向位移分别为0.608 m、0.606 m(均朝向边跨方向)。施工过程中方案2的主索鞍位移逐渐减小至成桥阶段；而方案1中的主索鞍位移先增大后减小，这是由于方案1先吊装边跨主梁，使得边跨主缆受较大的竖向力，即主索鞍被拉向边跨方向。左右两侧主索鞍位移均在吊装完成所有边跨梁段前达到最大值，且左右两侧主索鞍最大偏移分别为0.953 m、0.863 m(均朝向边跨方向)。可见，方案1中主索鞍最大偏移量明显大于方案2的偏移量。

5 结论

(1)对于单跨桁架铁路悬索桥，在边跨无索区添加临时吊索的施工方案切实可行，且满足结构的受力安全。

(2)在两种方案施工过程中，上弦杆和下弦杆的最大拉、压应力值在全桥各位置有较大的差异，腹杆的最大拉、压应力则较为均匀。

(3)虽然两种方案都满足结构受力安全要求，但总体上方案2(即从中跨跨中开始吊装梁段)中各杆件的应力在全桥范围内比方案1(从梁端开始吊装梁段)更均匀，且各杆件的最大拉、压应力普遍比方案1的更低。

(4)在两种方案施工过程中，方案2的主索鞍纵向最大位移较小，且与方案1相比，方案2的主缆变形更小，易于进行施工控制。