钢混组合梁桥桁架施工位移研究

宋文泽

(中铁六局集团天津铁路建设有限公司，天津市河北区律纬路诺德中心10号楼 300232)

截止2020年我国公路里程突破500万km，铁路里程突破14万km。现如今在公路铁路工程建设中，很多桥梁工程都面临跨越既有线路的问题。为满足桥梁建设的质量与速度，钢混组合桁架桥因其整合了钢结构的抗拉能力和混凝土结构抗压能力的优点被广泛应用。由于钢混组合桁架桥采用槽型梁和桁架组合结构[1,2]，且安全系数更高，其耐久性与防火性能也更好，同时，其减少了用钢量，可降低造价。但是随着桥梁跨度的增加，桁架的杆件变的越来越长，因此温度对桁架的拼装影响越来越大，同时也会造成节点偏移。若此时进行混凝土浇筑，会对整个桁架的刚度造成影响，最终可能会使桁架承载能力下降，在车辆荷载的反复加载下甚至破坏。为此，开展大跨度钢混组合桁架桥施工质量控制研究尤为重要。

1 钢混组合桁架施工难点

1.1 现场拼装

由于桁架的外形尺寸大,若在工厂进行拼装，则后续运输工作困难。若先在工厂加工好后,将散件运至现场进行拼装,则拼装量大，安装后的整体重量也大。若拼装好后吊装，则起重困难，现场吊装后拼装节点也不易控制[3]。

1.2 温度控制

在桁架拼装阶段，钢结构的热胀冷缩会使结构产生纵向位移，且每幅桁架的变形累加，在桁架合龙时会因变形过大而产生困难。根据Dilger W H和Fu H C的研究,桥梁结构受外界温度变化影响不存在稳态热状态,温度的骤升骤降都会使结构产生非常大的温度应力,使梁体发生变形,并且这种影响在钢-混凝土组合结构桥梁施工中十分明显[4-5]，因此温度效应对桁架施工合龙的影响不容忽视。

1.3 浇筑前变形控制

由于桁架拼装时为静定结构，温度对构件产生的影响可以通过纵向和横向变形来消除构件的内力，不会产生竖向变形。但是，桁架拼装完成后混凝土浇筑前由于桁架支座处节点为临时固结，当产生升温或降温时，桁架内部产生较大的内力，最终会在桁架与槽型梁的连接处产生较大内力，导致某个或者几个节点产生竖向位移，影响节点的定位，造成节点定位不准确。同时，对这类结构的定位较多采用了全站仪的接触测量法，即测量时，需要事先在构件的目标点上安置反射片或做标记。前期施工时标记容易被破坏，造成定位出现偏差[6，7]，因此如何调控各个节点，使整个桁架结构同时达到设计标高就显得至关重要。

文中结合东海特钢跨水槽铁路钢混组合梁桥的施工，从温度对桁架拼装的影响以及桁架节点间的相互影响两个方面展开研究。

2 工程背景

本桥位于河北省唐山市东海特钢专用线先期开工段与水槽铁路交汇处，设计里程SDK1+173.935～SDK1+248.635,桥梁全长74.55m，与既有道路夹角142°。线路为单线三级铁路，位于R=600m的圆曲线上，纵坡0.5%，设计时速80km/h。桥梁上部采用三角形桁架，共8幅，每幅长9m，桁架高10m，宽7.6m，下部采用混凝土槽型梁，底板厚度0.7m,腹板厚度1.7m，在距支座3m处逐渐加厚至2.2m。桁架结构的上弦杆为箱型截面，两端前五根腹杆为箱型截面，其余为工字型截面；下弦杆为槽钢，上平连杆同样为工字型截面。桥面横向布置为0.2m栏杆底座+0.8m人行横道+1.3m腹板宽+6.3m道砟宽+1.3m腹板宽+0.8m人行横道+0.2m栏杆底座。如图1所示。

图1 桁架结构图Fig.1 Truss structure drawing

3 温度对拼装桁架的影响

3.1 当地温度变化

唐山地区历年极端高温为38.6℃，极端最低气温为-19.2℃，设计施工温度为10℃～15℃。当地年平均气温(数据来源：天气网)变化趋势如图2所示。

图2 唐山当地年平均气温Fig.2 Local annual mean temperature in Tangshan

3.2 桁架施工步骤

(1)首先在平地进行E1，E2与下弦杆的拼装作业，待车道两边桁架吊装并临时固结后，安装上平横联，同时进行E3，E4与下限的拼装作业。

(2)待第一幅桁架拼装完成后，吊装E3，E4，A1与下弦杆，并进行螺栓初拧和上平横联拼装作业。

(3)依次进行E5，E6，E7，E8，与A2，A3上平横联作业，进行螺栓初拧。

(4)进行A4弦杆拼装，并完成上平横联，进行螺栓初拧。

(5)浇筑槽型梁混凝土并养护，待混凝土强度达到设计值100%后，且龄期大于7d时，张拉预应力钢筋。

(6)最后进行钢桁架螺栓终拧。

3.3 设计参数

由于钢桁架为对称结构，为减少施工工期，采取由两端向中间拼装的方式，除支座处为固结外其他节点均为仅受压，环境初始温度为15℃。由于此地区月平均气温相差较大，因此设计了每增加5℃为一组，从0℃到35℃，分别记录各个节点的横向位移情况，共8组数据。

3.4 有限元模型建立

3.4.1 模型简化

(1)由于本桥钢桁架为沿z轴中心对称图形，因此简化为4幅三角形(见图3)。实际工程中上弦杆与腹杆的连接处均不在节点处，且节点处构造复杂。为方便模型建立与减少计算，均考虑在节点处进行连接。

图3 桁架简化图形Fig.3 Simplified diagram of truss

(2)对于桁架上下杆与腹杆，考虑到纵向宽度较大，因此采用空间梁单元进行模拟。

(3)本部分仅分析在纵桥向温度对桁架节点的影响，在成桥前杆件无较大内力，不会产生较大横向位移。因此不考虑由于温度产生的横向变形。

3.4.2 边界条件的确定

根据实际工程施工情况，本桁架结构成桥前为简支结构，在midas模型中节点的边界条件按表1进行约束。

表1 桁架各节点约束

3.4.3 计算求解

根据实际钢桁架拼装顺序，首先建立一幅桁架模型，对节点进行约束，设定初始温度为15℃，分别设定最终温度为0℃到35℃，每5℃取一组数据。记录各节点的位移，结果见表2。依次建立两幅、三幅、四幅桁架的模型，分别记录各节点的位移，结果见表3、表4、表5。

表2 一幅桁架节点纵向位移

表3 两幅桁架节点纵向位移

表4 三幅桁架节点纵向位移

表5 四幅桁架节点纵向位移

由于桁架自重相较于温度产生的影响不可以忽略不计，因此在进行模型计算中考虑了自重。

3.5 数据处理

根据表2、表3、表4、表5分别建立一幅桁架到四幅桁架的2号节点、3号节点、4号节点、5号节点的温度-位移关系，结果见图4、图5、图6、图7。

图4 2号节点位移图Fig.4 Displacement diagram of Node 2

图5 3号节点位移图Fig.5 Displacement diagram of Node 3

图6 4号节点位移图Fig.6 Displacement diagram of Node 4

图7 四幅桁架各节点位移图Fig.7 Displacement diagrams of four truss joints

对图4、图5、图6、图7进行分析，可以得出如下结论。

(1)通过对图4至图6分析可知：对于相同长度相同材料的钢材，自重和温度共同对钢混组合桁架的所有节点的影响均是线性的，且温度越高位移越大；对于同一个桁架的同一个节点，当桁架为两幅及以上时，自重和温度共同对节点的影响是相差不大，可以视为影响相同。

(2)通过对图7分析可知，在施工温度为15℃设计温度时，桁架的变形为0，温度升高与降低，节点越多的桁架位移越大。

(3)通过对图4至图7分析可知，温度升高桁架产生膨胀，温度减低收缩，因此在采用由两端向中间拼装时，将合龙时的温度控制在10℃到20℃即可。

4 桁架节点间相互影响

由于桁架结构的特性，当其中一个节点产生变形时，对其他节点也会产生影响，且桁架结构的节点较多，导致了节点标高控制困难，通过研究其中某一个节点对其他节点的影响，运用叠加原理，即可求出最优解。

4.1 模型建立

同样以此桥为研究对象，探讨在两端节点固结、中间节点为仅受压条件下，某节点位移对其他节点的影响。依图纸所提供的杆件参数，建立全桥三维模型图，见图8。在图8中，从左向右依次为1～9号节点。对1和9节点进行铰接，模拟其在成桥前可以自由转动，2～8号节点仅受压，模拟其在模板上，通过对节点的强制位移来模拟施工时桁架节点的调整。

图8 桁架模型图Fig.8 Truss model diagram

4.2 数据处理

由于结构与约束均对称，2号、3号、4号节点分别与8号、7号、6号节点影响相同，因此对2～5号节点分别进行竖向强制位移5mm，10mm，分别记录2～8号节点的位移情况。计算结果见表6、表7和图9、图10。

表6 强制位移5mm的节点位移情况表

表7 强制位移10mm的节点位移情况表

图9 强制位移5mmFig.9 Forced displacement of 5 mm

图10 强制位移10mmFig.10 Forced displacement of 10 mm

通过对表6、表7和图9、图10的分析可以得如下结论：

(1)节点强制位移对两端铰接结桁架影响为随着节点的增加，位移先增加后减小，呈二次抛物线状；

(2)强制位移节点离跨中越近，桁架的变形越小，对结构的影响就越小；

(3)离调节位置越远，桁架的变化趋势越平缓，变化趋势接近一条直线；

(4)当调节跨中桁架时，对两侧相同位置的桁架的影响是相同的；

(5)通过表6和表7的数据分析，当调整值相差一倍时，对桁架每个节点的影响也相差一倍。

5 结束语

通过东海特钢跨水槽铁路钢混组合梁桥的建模分析，针对温度对桁架拼装与节点偏移对桁架变形的影响研究，得出以下结论：

(1)在桁架拼装过程中，在自重和温度作用下对桁架纵向位移是线性的，当采用从两端向中间拼装时，合龙前可以正常施工，只需合龙时的一段时间内将温度控制在设计温度，桁架的变形即可恢复至设计状态；

(2)在对桁架拼节点进行定位时，可将各个节点需要调整的数值做成一条曲线，通过与各个节点的位移曲线进行对比，当调节一个节点不能满足整个桁架节点的标高时，可同时调节多个节点，并利用叠加原理，确定节点位置和强制位移。