装配式管桁架公路钢桥施工可行性研究

刘玉娟，郭锐

（1.山西工程科技职业大学，山西 太原 030031；2.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030012）

1 引言

我国现有装配式公路钢桥的最大架设跨度为69m，实际应用中架设最大跨度仅为60m。随着我国大跨径桥梁的增多，现有的装配式结构已无法满足交通运输、抗震救灾、水毁等桥梁的应急抢修需求[1]。在此背景下，结合交通运输部企业技术创新资助项目《军民两用新型大跨装配式公路钢桥》（2013315490060），提出了一种新型的装配式管桁架公路钢桥，该方案是在英国艾克罗装拆式桥产品的基础上提出来的，将杆件改为强度和刚度更高的矩形钢管，通过节点箱用销栓进行连接，以加快拼装速度。

装配式桥梁的拼装架设方法有满堂支架法、设临时墩法、悬臂推出法、整孔吊装法和转体法，其中，满堂支架法适用于跨越干涸或水深较浅、净空不高的河道，设临时墩法适用于跨越干涸或水深较浅的河道或山谷，悬臂推出法适用于不能架设支架或临时墩的沟谷，整孔吊装法适用于交通便利或大型设备可以进入的场地或通航河道，转体法适用于顺桥向预制场地狭窄或两岸山体强度较高的情形。蒋曙萍[2]分析了ZB-450型大跨度装配式公路钢桥的钢桥拼装、架设的要点及难点，该桥采用悬臂推出法架设桥梁。昌灯明等[3]以洪塘大桥西侧引桥段的施工为例，对全桥的悬臂推出法进行了有限元分析和静载试验。楚玉川等[4]利用ANSYS对装配式钢桥的“跨骑式”和“悬挂式”两种架设方法的关键环节进行了比较分析。研究发现，悬臂推出法的适用性较高，技术也较为成熟，故本文采用两种不同的导梁结构对装配式管桁架公路钢桥进行悬臂推出法的有限元模拟分析，重点分析研究施工过程中结构的位移、应力和稳定性问题，为该新型装配式管桁架公路钢桥的推广应用提供参考。

2 装配式管桁架公路钢桥构造

2.1 桁架组成

装配式管桁架公路钢桥的组成包括主桁架、支撑体系和桥面系。上下弦杆、斜腹杆、竖腹杆及节点箱构成主桁架部分；支撑体系包括上平联和下平联，其中上平联由桥门架、中横联、拉杆组成，下平联由连接横梁之间的拉杆组成；横梁、纵梁和U型钢桥面板组成桥面系。具体组成如图1所示。

2.2 桁架单元

如图2 所示，上下弦杆是采用长度为9000mm 矩形钢管，截面尺寸为250mm×250mm×24mm；竖腹杆和斜腹杆均采用截面尺寸为250mm×250mm×10mm 的矩形钢管，长度分别为5710mm和6683mm；桥门架和中横联采用定制长度的管桁架单元；上平联中的拉杆采用d30的圆钢，下平联中的拉杆采用70mm×70mm×8mm的角钢；横梁采用40 号工字钢，纵梁采用100mm×100mm×6mm的矩形钢管，桥面板采用U型钢桥面板。

图2 桁架单元（mm）

2.3 桁架连接构造

装配式管桁架公路钢桥的连接构造拟采用节点箱销接连接体系，各杆件的长度在有限元计算分析时，选取的是结构的节间长度，未考虑节点箱部分的尺寸，上下弦杆的端部通过释放梁端约束的方式进行销接连接的模拟。

3 悬臂推出法架桥程序

3.1 架桥程序

装配式公路钢桥采用悬臂推出法进行施工，一般的步骤为：

①对现场进行踏勘，并选择合适的桥位中线，以确定桥梁的合适跨径。

②提出拟建处的基础处理方案，计算填挖数量，确定基础标高。

③摇滚和平滚安装好后，拼好桥梁，采用机械牵引，推出桥梁[5]。

④推出过程中应保持桥梁平衡，桥梁的重心在整个推出过程中应在推出的岸上。

⑤桥梁落座前，拆除导梁，千斤顶所承受的力应均匀传至结构，确保一次落座。

3.2 推出稳定校核

公路钢桥采用悬臂推出架设时，为保证推出过程中结构的稳定性[6，7]，需对下述问题进行验算：

①平衡状态的滚轴承载力校核。

当推出至摇滚前后处于平衡状态时，此时的推出重量均由摇滚承受，因此需对所有摇滚的承载力进行校核。

②正桥尚未搭上摇滚的滚轴承载力校核。

臂架推进对岸摇滚，正桥并没有搭上摇滚，这一阶段就会出现对岸摇滚最大负荷，此时只有两个摇滚支持着桥架（正桥搭上后才有四个摇滚支撑），需对所有滚轴的承载力进行校核。

③推出时桥梁的稳定性验算。

桥梁推出过程中，摇滚稳定力矩要比倾覆力矩大。

3.3 下弦接头的应用

桥梁在推出时，由于自身重量使导梁下垂，以及对岸标高高于推出岸，使导梁前段低于对岸摇滚标高而无法搭上，须在导梁下弦相邻的两节桁架之间安装下弦接头[8]，用销子连接起来，使导梁前端翘起，以便获得一定的抬高度。抬高度必须大于两岸高差与导梁前端下垂度之和，从而使桥梁顺利到达并通过对岸摇滚[9，10]。

下弦接头在导梁各种位置的鼻端抬高高度见表1。

表1 接头位置和导梁端抬高度

4 施工阶段模型建立

悬臂推出法需要在钢梁前端设置导梁，根据导梁结构不同分为两种方案：一是采用装配式管桁架拼装单元作导梁，二是用贝雷片作导梁。

4.1 装配式管桁架拼装单元作导梁

采用装配式管桁架拼装单元在桥的前端或后部组装一个临时的导梁或尾部压重梁，导梁与主梁之间通过特殊的连接杆件进行连接，如图3所示。这种牵引方法适用于装配式管桁架拼装单元己经成为常备构件的情况，前提条件是备用构件较多且在最大荷载下下弦杆能够承受所产生的弯曲应力。

图3 装配式管桁架拼装单元作导梁的悬臂推出法

导梁采用装配式管桁架拼装单元拼装而成，最大程度利用已有构件。导梁的结构形式与主梁相似，上、下弦采用主梁结构竖腹杆，斜腹杆采用主梁结构竖腹杆和斜腹杆，横向联系采用原结构横向联系，节点连接采用专门用于导梁的节点箱。90m跨径推出方案的导梁全长57.07m，为主梁长度的0.634倍。导梁在前端第二、三节间的下弦处装设有抬高节点箱，使前端翘起以抵消导梁的下挠度，如仍有下挠到对岸后将前端顶起，则导梁能到达对岸的摇滚上，以使桥梁顺利就位，如图4所示。

图4 推进钢梁布置图

考虑场地的限制，顶推过程中主桁架分为6段进行拼装，每段为两节桁架，长18m，最后一段压重梁段为3节桁架，长27m，如图5所示。顶推前，需要对导梁进行提前拼接，同时还需要提前拼接第1个主桁梁段。

图5 主桁分段示意图

为适应较短的拼装场地，悬臂推出分10次进行，即导梁和第1个主桁梁段拼装完后第一次推出悬臂，当主桁架拼完梁段后进行第二次推出，依次类推，待主桁架拼装完后，进行最后一次推出导梁至对岸。当导梁到达对岸，结构由悬臂体系转换为简支体系后，即可进行边牵引边拆卸导梁直至主桁架到位。

4.2 贝雷片作导梁

采用贝雷片作导梁的悬臂推出法在传统的“321”型和“200”型装配式钢桥上应用较成熟。导梁的结构形式是三排三层，如图6所示。由于本桥主桁架与“321”型和“200”型装配式钢桥相比桁高较高，对于主桁架连接处导梁来讲，其必须要保证是三层结构。导梁在条件允许的情况下可以选择三排或双排结构，最好不要采用单排桁架。

图6 贝雷片作导梁的悬臂推出法

导梁是用贝雷片拼装而成。导梁的结构形式为变截面梁，即用贝雷片按三排三层、三排双层、双排双层、双排单层、单排单层并按每四节间变化的规则拼装，在前端第二、三节间的下弦处装有下弦接头，使前端翘起以抵消导梁的下挠度，使导梁能顺利到达对岸的摇滚上，从而使桥梁顺利就位。导梁尾部是采用贝雷连接杆竖向一侧与装配式管桁架单元的连接，背向一侧的下端连接于主桁架端节点箱上，上端与斜连接杆的下端相连，而斜连接杆的上端被连于上弦杆端节点箱上，横向连接是用“600”型桁架的专用长横梁、支撑架和交叉杆等组拼成整体。导梁由21 节“321”标准贝雷片连接而成，总长63m。具体布置如图7所示。

图7 推进钢梁布置图

主桁分5段，如图8所示。各段长度分别为13.5m、18m、18m、18m、22.5m，最后一段压重梁段为3节桁架，长度为27m。

图8 主桁分段示意图

为适应较短的拼装场地，悬臂推出分10次进行，即导梁和第1 个主桁梁段拼装完后第一次推出，悬臂长18m，当主桁架拼完梁段后进行第二次推出，悬臂长36m，依次类推，每次推出18m。待主桁架拼装完后，进行最后一次推出导梁至对岸。当导梁到达对岸，结构由悬臂体系转换为简支体系后，即可进行边牵引边拆卸导梁，直至主桁架到位。

5 结果分析

5.1 位移值

采用两种形式的导梁进行施工阶段分析后得到各施工阶段的位移值，见表2，其中在最大悬臂阶段的位移等值线如图9所示。

表2 施工阶段位移值

图9 最大悬臂阶段位移图

由表2和图9可知，采用悬臂推出法在最大悬臂阶段（CS5）导梁悬臂端的位移最大，当采用装配式管桁架拼装单元作导梁时位移值为79.16cm，当采用贝雷片作导梁时位移值为110.70cm，由表1可知，在安装下弦接头后可使得导梁前端翘起，以便获得一定的抬高度，因此位移均在合理范围之内。

5.2 组合应力

采用两种形式的导梁进行施工阶段分析后，得到各施工阶段的组合应力值见表3，其中在各主要阶段的应力图如图10、图11所示。

表3 施工阶段组合应力值

图10 主要施工阶段组合应力图-装配式管桁架拼装单元作导梁

图11 主要施工阶段组合应力图-贝雷片作导梁

由表3和图10、图11可知：

装配式管桁架拼装单元作导梁时，推出岸摇滚处导梁上下弦杆应力最大，导梁和主桁架连接处由于桁架杆件尺寸相差不大，应力不大。组合应力最大值出现在最大悬臂阶段，最大拉应力为168MPa，最大压应力为174MPa，均未达到材料的屈服强度。其他施工阶段的导梁和主桁架单元应力均较小，满足强度要求。

贝雷片作导梁时，推出岸摇滚处导梁上下弦杆、导梁和主桁架连接处桁架构件以及导梁层数和排数变化处竖杆应力较大，在实际中可合理设计连接处使其截面变化变缓。组合应力最大值出现在最大悬臂阶段，最大拉应力为305MPa，最大压应力为333 MPa，均未达到材料的屈服强度。其他施工时期，导梁和主桁架单元有着相对较小的应力。

模型中所查看的应力均为组合应力，考虑了轴力和弯矩的共同作用，在建模中节点处做共结点处理。实际应用中，桁架单元受轴力作用且由于连接板的存在应视为铰接，导梁处局部应力稍大也较为合理。

5.3 屈曲系数

桥梁在悬臂推出过程中，很有可能出现稳定性问题，因此很有必要对施工阶段桥梁进行屈曲分析。利用Midas Civil对结构进行屈曲分析，从而对施工阶段装配式管桁架公路钢桥的整体稳定性进行检验。在进行屈曲分析时，考虑的屈曲荷载=自重+K×（公路Ⅱ级荷载+横桥向风荷载）。考虑到装配式结构的特殊性，施工周期很短，在进行风荷载计算时，设计基本风速取15m/s（相当于7级风）。

各施工阶段的屈曲系数K、最大悬臂阶段（CS5）的一阶屈曲模态如图12所示。

图12 施工阶段屈曲系数

与贝雷片作导梁时相比，采用装配式管桁架拼装单元作导梁时的各施工阶段的屈曲系数总体更大些，总体趋势基本一致，均为先下降后回升。采用两种不同导梁的施工阶段屈曲系数最小值均出现在最大悬臂阶段（CS5），分别为16.62和4.87，除此之外，其他各施工阶段的屈曲系数均大于4，满足结构稳定性要求。

5.4 稳定校核

通过对悬臂推出法的施工阶段进行分析，需要对以下三种情形进行稳定性校核计算，以保证在整个施工过程中安全，避免发生倾覆。

5.4.1 平衡点时滚轴的承载力校核

当桥推出至平衡点时，摇滚承受着主桁架和导梁的全部重量。

当采用装配式管桁架拼装单元作导梁时，正桥重1846.3kN，导梁重719.9kN，总重2566.2kN。摇滚承受荷载亦是如此，摇滚中每一滚轴的设计荷载之和应大于2566.2kN，以保证推出过程中的安全。

当采用贝雷片作导梁时，正桥重1846.3kN，导梁重704.0kN，总重2550.3kN。一对摇滚承受荷载亦是如此，摇滚中每一滚轴的设计荷载之和应大于2550.3kN，以保证推出过程中的安全。

全部重量落于摇滚上，前端虽有下垂度，但因抬高量比较大，故出现除梁压于摇滚上外，其余滚轴全部与梁脱开，前端有少量的上、下起伏的“点头”现象，此时可用工人稳定，同时可调整梁偏移到正确位置。

5.4.2 正桥尚未搭上摇滚时滚轴的承载力校核

导梁完全推过对岸摇滚，同时正桥并没有搭上摇滚，这种情况下就会出现对岸摇滚最大负荷，一付摇滚对桁架支撑。

G计算如下：

式中，为正桥跨径，m；为导梁跨径，m；为正桥重力，kN；为导梁重力，kN。

当采用装配式管桁架拼装单元作导梁时，G 为935.5kN；当采用贝雷片作导梁时，G 为973.6 kN。未超过平衡点时滚轴的设计荷载，故满足要求。

5.4.3 推出时桥架的稳定性验算

最不利的施工阶段是最大悬臂阶段，故对该阶段进行稳定性验算。

①当采用装配式管桁架拼装单元作导梁时，悬臂段导梁重力W1=440.7kN；悬臂段正桥重力W2=493.47kN；摇滚之后正桥段重力W3=741.4kN。则有：

倾覆力矩M1=64.5W1+18W2=37308 kN·m

稳定力矩M2=27W3=20018 kN·m

因此，该阶段倾覆力矩M1＞稳定力矩M2，考虑在正桥末端配置三节段主桁架（W4=360.5 kN）进行压重，压重后稳定力矩M2'=M2+67.5W4=44352kN·m，压重后该阶段的稳定安全系数为1.19（M2'/M1）。

②当采用贝雷片作导梁时，悬臂段导梁分为三排三层、三排双层、双排双层、双排单层、单排单层多种布置，需分段计算倾覆力矩。重量分别为W11=222 kN、W12=134 kN、W13=99 kN、W14=59 kN、W15=46 kN。悬臂段正桥W2=426.2 kN；摇滚之后正桥段重力W3=948.9 kN。则有：

倾覆力矩M1=33W11+45W12+57W13+69W14+81W15+13.5W2=32561 kN·m

稳定力矩M2=31.5W3=29862 kN·m

因此，该阶段倾覆力矩M1＞稳定力矩M2，考虑在正桥末端配置一段主桁架（W4=137kN）进行压重，压重后稳定力矩M2'=M2+76.5W4=43042 kN·m，压重后该阶段的稳定安全系数为1.32（M2'/M1）。

6 结语

①位移值最大值均出现在最大悬臂阶段，采用贝雷片作导梁时的位移值大于采用“600”型管桁架构件作导梁时的位移值，但均可通过安装下弦接头以使导梁前端翘起，因此各施工阶段的位移均满足要求。

②组合应力最大拉压应力值均出现在最大悬臂阶段，其中“600”型管桁架构件作导梁时，最大拉压应力未超过材料设计强度；贝雷片作导梁时，最大拉压应力超过材料设计强度但未达到材料的屈服强度；其他施工阶段的导梁和主桁架单元应力均较小，满足强度要求。

③两种导梁方案下各施工阶段的屈曲系数总体趋势基本一致，屈曲系数最小值均出现在最大悬臂阶段，各施工阶段的屈曲系数均大于4，满足结构稳定性要求。

④通过对导梁在平衡点以及正桥尚未搭上摇滚时的滚轴的承载力进行校核，只需摇滚的设计承载力达到计算值，即可保证结构安全，最大悬臂推出阶段的稳定性验算结果表明，两种导梁方案在该阶段均需配置一定数量的梁段进行压重，以避免推出时发生倾覆。