宽幅双层钢桁梁斜拉桥悬臂拼装施工控制探析

摘要 为探索宽幅双层钢桁梁斜拉桥悬臂拼装施工控制要点，解决截面变形不匹配问题，为桥梁施工控制提供成功经验，文章以某独塔钢桁梁斜拉桥为例，对总体施工方案、近塔段梁段拼装及标准梁段拼装等方案展开分析；应用ANSYS APDL命令流方式构建起钢桁梁斜拉桥有限元模型，进而对钢桁梁斜拉桥悬臂拼装截面匹配控制思路进行探讨。结果表明：通过临时支撑的布设以及断面匹配工艺的优化，下弦杆端头竖向变形得到较好控制，待安装梁段受力得以改进，取得了较好的钢桁梁斜拉桥悬臂拼装施工控制效果。

关键词 钢桁梁斜拉桥；悬臂拼装；施工控制；截面匹配

中图分类号 U445 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0070-03

0 引言

宽幅双层钢桁梁斜拉桥宽度大，可容纳车道数更多，具有立体交通特征，在缓解交通压力方面优势显著。但此类斜拉桥在悬臂拼装施工期间，因施工空间、水下通航等因素的影响，无法展开整节段吊装，只能进行散件拼装。钢桥面板所承受的临时荷载超出结构设计荷载的可能性较大；钢桁梁节段纵向长度普遍短于横桥面宽度，横向受力问题较为突出。为保证宽幅双层钢桁梁斜拉桥施工质量及运行安全，必须加强悬臂拼装期间横向安装线形控制，较好解决截面变形不匹配问题。基于此，该文依托公路桥梁实际工程，对宽幅双层钢桁梁斜拉桥悬臂拼装施工控制要点展开分析研究，以期为此类桥型在我国公路工程中的推广应用提供借鉴参考。

1 工程概况

某公路桥梁为独塔钢桁梁斜拉桥，跨径2×206 m。索塔为门架式结构，斜拉索呈扇形布置。桥梁为半漂浮结构，竖向及抗风支座、纵向阻尼装置等均布设于索塔下横梁处。该跨河桥梁主梁为三角桁架钢桁梁结构，中心设计高度为10.55 m，梁宽36.5 m。正交异性钢桥面板顶板厚度按2.0 cm、1.6 cm和1.4 cm确定。顶板则通过上下口宽40 cm、25.3 cm，高33 cm，厚0.8 cm的U形加劲肋加固，U形肋按76 cm的间距设置。

2 宽幅双层钢桁梁斜拉桥主梁施工方案

2.1 总体施工方案

该钢桁梁斜拉桥索塔处梁段均借助履带吊和钢管支架吊装，现场焊接拼装。此后借助220 t汽车吊在已经拼装完成的梁段处拼装全回转吊机，借助该吊机安装整节段弦杆和钢桥面板。考虑通过全回转吊机悬臂散拼安装Z0梁段时节段重量大，故将节段弦杆分成下弦杆、上弦杆和腹杆等分次安装[1]，最后安装钢桥面板。

2.2 履带吊拼装近塔段梁段

将梁段部件运输至桥位处，通过履带吊吊装至临时支架，利用千斤顶进行位置调整后展开索塔区梁段拼装。

2.3 全回转吊机拼装标准梁段

Z0梁段重量大，按照以下次序展开散件吊装：将桥面吊机移动至Z1梁段处，再由提梁站将待安装构件放至运梁车上；按照下弦杆—上弦杆—腹杆—下桥面板—上桥面板的次序安装构件；由桥面吊机取梁后起吊并旋转至待安装处定位后焊接；安装斜拉索后首次张拉。按照以上流程重复操作，直至Z0梁段安装任务全部完成。

Z1～Z14标准梁段则按照以下次序展开拼装：因受到施工场地限制，无法直接运梁至桥下并通过桥面吊机起梁，故通过大里程侧桥面吊机将Z14梁段起吊至Z16梁段上部；由2台桥面吊机展开Z14梁段对称吊装，定位后焊连；进而安装相应梁段斜拉索并张拉。按照相同工艺进行Z13梁段吊装，安装斜拉索并张拉。重复以上操作，直至最终完成Z1梁段拼装施工。

3 宽幅双层钢桁梁斜拉桥有限元分析

3.1 模型构建

通过ANSYS APDL命令流的方式展开钢桁梁斜拉桥有限元模型构建[2]。将钢桁梁视为斜拉桥的关键部分共同参与全桥受力，并计算其在不同荷载组合下的内力。通过板壳单元、梁单元、杆单元展开钢桥面板、主桁架、斜拉索模拟。因钢桁梁斜拉桥结构及悬臂拼装施工过程均具有对称性特征，故构建1/4模型，共包括2 141个梁单元、70 846个板壳单元、15个杆件单元。全桥有限元模型见图1。

结合《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020）及设计方案，拟定出该双层钢桁梁斜拉桥主梁材料参数取值，见表1。

施工期间桥面吊机前后支反力主要结合厂家提供的资料确定和施加。在空载情况下，桥面吊机无负重荷载，只考虑自重荷载的前后支反力为540 kN和445 kN。在起吊情况下考虑吊机负重荷载后的前后支反力为1 250 kN和138 kN。

3.2 斜拉索索力分析

该钢桁梁斜拉桥初张索力较大，很容易造成结构切线形变，影响合龙过程的顺利展开。为此，在二期恒载加载后进行二次调索，并进行二次调索索温初拟；以最后施工阶段为成桥状态[3]。根据表2中斜拉索索力和成桥索应力模拟结果，初张索力变化合理，取值符合索力分布规律；二次调索后成桥索力满足要求且分布均匀。

4 宽幅双层钢桁梁斜拉桥悬臂拼装几何控制参数确定

4.1 成桥预拱度

1/2车道荷载频遇值对应的挠度反值即为成桥预拱

度[4]。根据模拟分析，得出钢桥面板集中荷载及均布荷载对应位置；结合《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）确定出桥面系横向布载系数及纵向折减系数。提取各关键受力点竖向位移后拟定出初步成桥预拱度值，见图2。

4.2 安装线形

钢桁梁节段散件悬臂拼装期间，从左幅到右幅展开主桁架安装。在安装左幅主桁架时，吊机必须向左幅旋转相应角度，其左幅前支点反力相应增大，左幅已安装主桁架竖向变形也相应增大；左幅待安装主桁架线形也会相应降低。此后在进行右幅主桁架安装时，右幅主桁架会表现出相同情形。故必须展开安装线形状深入分析。此处仅计算和分析Z1梁段左幅和右幅主桁架安装线形，计算结果见表3。其中，A15和A16为已安装Z2梁段上弦杆最前端节点和未安装Z1梁段上弦杆最前端节点。

5 宽幅双层钢桁梁斜拉桥悬臂拼装截面匹配控制

5.1 增设临时支撑

（1）斜腹杆和下弦杆间设置临时支撑。按照设计方案展开钢桁梁节段划分后，主桁架下弦杆悬臂长度相应增大，下弦杆竖向变形也随之增加，进而造成主桁架下弦杆安装线形偏离设计线形。为此，将临时支撑增设于主桁架下弦杆前部和腹杆间，使下弦杆悬臂结构从悬臂状转变为简支状，起到抑制变形的作用[5]。

（2）上下层钢桥面板间布设临时支撑。对于钢桁梁斜拉桥而言，桥面吊机通常锚固于永久支撑或主桁架处。而该斜拉桥上下层钢桥面板间并未布设永久支撑，仅上层钢桥面板参与桥面吊机受力，发生变形的可能性非常大。为此，在上层钢桥面板吊机锚固处布设临时支撑，以起到共同受力的效果。以上两种临时支撑布设情况见图3。

以上两种临时支撑布设后，下层钢桥面板在悬臂梁段自重的作用下竖向变形总体呈减小趋势，位移峰值-8.8 mm出现在下层钢桥面板中线位置；主桁架下弦杆挠度值仅为-0.01 mm，可忽略不计。上层钢桥面板受到桥面吊机荷载作用后竖向变形降低50%左右，变动趋势与临时支撑设置前基本一致。钢桥面板变形峰值-14.8 mm出现在上层钢桥面板悬臂匹配端。

5.2 断面匹配优化

在悬臂拼装钢桥面板时，主桁架安装过程已经结束。故截面匹配过程中应先焊接钢桥面板横隔板和主桁架横隔板；此后卸除吊点拉力，在降低吊机支反力的同时控制断面变形。以上处理还会使待安装钢桥面板受力发生改变。当完全卸除悬臂拉力后，在梁段自重的作用下桥面相应位置表现出下挠趋势。根据模拟分析，待安装梁段变形峰值-9.2 mm出现在梁中线区域。

该钢桁梁斜拉桥悬臂拼装截面匹配控制后，断面竖向变形结果见表4。悬臂梁段各项变形均得到较好控制；因待安装梁段受力状态的调整，其变形趋势随之改变，从原来的两端下挠转变成中线处下挠。待卸除吊点拉力后，因梁段自重和桥面吊机空载等的作用，其竖向变形峰值达到-13.0 mm；在桥面吊机起吊后桥面中心线处竖向变形峰值增至-14.9 mm。以上取值均比悬臂拼装截面匹配控制前有所降低，也验证了断面匹配控制效果。

6 结论

综上所述，因主桁架下弦杆悬臂长度、梁段自重等均较大，该钢桁梁斜拉桥悬臂段下层钢桥面板表现出较大的竖向变形；因钢桥面板未布设永久支撑，在受到桥面吊机荷载作用后上层钢桥面板竖向变形增大。该文在分析悬臂拼装期间已安装梁段及待安装桥面板受力的基础上，对钢桥面板变形趋势规律进行总结。进而通过布设临时支撑，使下弦杆端头竖向变形得到较好控制；将临时支撑与钢桥面板连接后形成共同承荷结构，对以上竖向变形起到较好抑制。通过断面匹配工艺的优化，使待安装梁段受力得到改进，在卸除吊点拉力后支点反力得以减小，悬臂梁段截面匹配时的竖向变形得到较好控制。

参考文献

[1]李永.某钢桁梁斜拉桥项目的悬臂拼装匹配技术分析[J].运输经理世界， 2024（7）：68-70.

[2]吴升宇，刘建，董创文.宽幅双层钢桁梁斜拉桥悬臂拼装匹配技术研究[J].公路与汽运， 2023（1）：120-124+128.

[3]吴建民.山区特大跨径钢桁梁斜拉桥主梁施工架设技术[J].工程建设与设计， 2022（14）：169-171.

[4]强伟亮，周俊龙，韦永斌，等.高低塔双索面斜拉桥钢桁梁架设关键技术研究[J].天津建设科技， 2021（2）：1-4.

[5]庄值政，谢明，王晓雷，等.山区大跨斜拉桥钢桁梁施工控制技术[J].公路交通科技（应用技术版）， 2020（4）： 199-201.