大跨徑鋼桁架連續梁橋施工關鍵技術研究

(山西運城路橋有限責任公司，山西 運城 044000)

0 引言

隨著我國交通強國戰略的持續推進，公路里程不斷增加。在修建公路的過程中為跨越山川溝谷和江河湖泊不得不修建橋梁跨越障礙物。鋼桁架梁式橋其所用材料和結構形式大大降低了橋梁上部結構自重，其跨越能力相比普通混凝土和預應力混凝土而言顯著增強。鋼桁架結構受力復雜、施工中工況多、施工難度大、風險高，因此有必要對大跨徑鋼桁架連續梁橋施工過程中的關鍵技術加以分析。王銘等提出了鋼桁架連續梁橋中桁架的次應力問題，并提出桁架中的次應力會影響上部結構施工安全[1]；公新研究了桿件在不同長細比下桁架中的彎矩響應，并給出了梁式橋和拱式橋不同狀態下的彎矩響應[2]；重慶交通大學嚴云廳利用計算機流程處理技術提出了鋼桁架連續梁橋施工流程系統[3]；蘭州理工大學榮子豪對鋼桁架連續梁橋進行了節點靜力和疲勞應力作了實驗研究，得到了桁架各桿件極限疲勞應力[4]；西南交通大學諸志強優化了鋼桁架梁的桁架結構及節點連接方式[5]。本文以某鋼桁架連續梁橋施工為工程背景，對桁架施工中臨時支撐的受力狀態進行了分析并研究了桁架梁橋的合龍技術和施工監測技術，對類似工程具有借鑒意義。

1 工程概況

某鋼桁架連續梁橋是A市環城高速中跨越既有城市道路的特大橋梁。該橋主跨為100 m+150 m+100 m=350 m鋼桁架連續梁橋，橋面寬44 m采用左右分幅的結構模式，每幅寬度21.5 m，中央隔離帶寬1 m。

2 施工臨時支撐及合龍技術分析

對于較大跨徑鋼桁梁而言，施工中桁架梁的施工是將桁架梁分成若干榀桁架[6-7]，利用臨時支撐及吊裝設備將每榀桁架固定安裝到指定臨時支撐位置，每榀桁架在臨時支撐上進行合龍形成整體結構。因此施工中臨時支撐和合龍技術是大跨徑鋼桁梁橋施工的關鍵工程。

2.1 臨時支撐分析

本工程按照施工組織設計將每榀梁分為13個吊裝段落，鋼桁梁安裝在臨時支撐時呈簡支狀態，整個臨時支撐體系分為17組，每組雙排共計34排，臨時支撐采用鋼管群樁基礎。根據臨時支架布置方式和支架類型將臨時支架分為A、B共兩種。本文采用MADIS數值模擬方法對臨時支撐體系進行了計算分析，并根據數值模擬結果合理調整施工參數。

A類型臨時支架所承受鋼桁架梁自重為1 638 kN和4 133 kN，臨時支撐分配梁采用工字鋼Ⅰ45b，支撐鋼管樁采用φ720 mm×10 mm鋼管，其模擬結果如圖1和圖2所示。

圖1 臨時支撐立柱及上部連接正應力云圖Figure 1 Normal stress nephogram of temporary support column and upper connection

圖2 樁底反力云圖Figure 2 Nephogram of Pile Bottom Reaction

從圖1可以看出整個支撐體系立柱在鋼桁架自重作用下呈現受壓狀態，最大壓應力為52.9 MPa，壓應力在8根支架中受力并不是對稱分布的，圖中一側的4根立柱與鄰側對稱位置處相差在20 MPa左右，這是因為雖然臨時支撐體系呈現對稱分布形式，但鋼桁架梁的荷載組合為非對稱形式，因此使整個臨時結構受力呈現非對稱性。分配梁各桿件整體受力復雜，從圖中可以發現桿件最大壓應力為9 MPa，部分桿件的連接處呈受拉狀態，最大拉應力為11 MPa，這是因為結構荷載的非對稱性和剛性連接改變了應力傳遞方式。

從圖2可以看出樁底反力最大為1 149.3 MPa，最小為441 MPa，反力的非對稱性比較明顯，這是因為立柱自身受力呈現非對稱性，因此立柱底部的樁底必定呈現一定的非對稱性。

根據數值模擬結果，臨時支撐所用材料受力均在材料的強度允許范圍內，因此施工中A型臨時支撐的結構形式和材料類型符合要求。

B類型臨時支架所承受鋼桁架梁自重為2 750 kN和1 514 kN，臨時支撐分配梁采用工字鋼Ⅰ45b，支撐鋼管樁采用φ630 mm×8 mm鋼管，其模擬結果如圖3和圖4所示。

從圖3可以看出在自重和外部荷載作用下臨時支撐桿件間以受壓為主,最大壓應力為33 MPa，個別桿件的接頭部位出現拉應力,最大拉應力為7 MPa，由于外部荷載為非對稱荷載，因此臨時對稱結構支撐的內力呈現非對稱性。鋼管立柱的最大壓應力為36 MPa，最低壓應力為28 MPa。

從圖4可以看出樁底反力最大為795 MPa,最小為432 MPa，由于B型臨時支撐所受荷載是非對稱性的，因此樁底反力呈現一定的非對稱性。

2.2 合龍技術分析

對于大跨徑鋼桁架梁橋而言，由于其自身結構復雜，結構自身重力大,移動困難，因此采用分節預制安裝、現場合龍的施工方法。合龍技術的控制重點和難點是不同預制節段高程的控制[8]，本工程通過調節臨時支撐處支點高度和抬升系統達到高程控制的目的，工程施工中采用一天中溫度最低時段合龍以抵消溫度應力對高程的影響。

圖4 樁底反力云圖Figure 4 Nephogram of Pile Bottom Reaction

本工程的合龍技術采用分步吊裝的吊裝方案。吊裝時采用兩臺吊裝設備，如圖5所示，一臺設備吊裝需要合龍的桁架若干桁片，結構間采用臨時固結的連接方式，另一臺吊裝設備吊裝同榀其他桁片和連接桿件，待一榀所有桁片和桿件吊裝完成后將臨時固結裝置換成焊接和螺栓連接，合龍完成。

圖5 主跨合龍Figure 5 Main span closure

合龍段精度控制通過調節100 t級液壓千斤頂實現。頂進包括橫向頂進和軸向頂進兩個方向，橫向頂進控制不同桁片間的連接精度，軸向頂進控制合龍段的連接長度和施工誤差。吊裝設備將桁架吊裝就位后，桁架位置精度并不能滿足安裝精度，因此必須通過頂進設備對桁架進行細微移動，移動精度以能滿足桁架間螺栓孔的連接為準，液壓千斤頂在頂進過程中嚴格控制其伸長量。合龍的控制標準以桁架高程為主，臨時固結反力為輔。

3 施工監測技術分析

大跨徑橋梁在施工中為了控制施工精度，提高施工質量往往需要進行施工監測，施工監測技術已經成為了施工過程中的輔助技術[9-10]。工程重點對結構內力、結構位移、墩柱沉降和施工溫度進行了監測。

桿件內力監測是監測的重點[11]。施工中某個桿件內力一旦超出其容許值會破壞相應桿件，結構的整體受力狀態出現與設計不符現象。應力監測通過應變傳感器，通過測量桿件的變形情況通過材料力學計算桿件內力，傳感器技術參數如表1所示。本工程共設置測點250個，其中鋼結構表面測點184個，其他部位測點66個。

表1 傳感器技術參數Table1 Technicalparametersofsensors里程靈敏度耐久性/a工作溫度/℃標距/mm±1500με1με>3-30～120128

結構位移主要指節段桁架平面位置和高程。對于預制拼裝結構而言要嚴格控制拼裝精度，通過施工測量對高程和平面位置出現偏差構件要及時糾偏，每次糾偏要控制糾偏量，提高糾偏頻率逐步糾偏。

對于結構位移測量是通過全站儀實現的，全站儀技術參數如表2所示。

表2 全站儀技術參數Table2 Technicalparametersoftotalstation測角精度測距精度1″±(1mm+10-6)

墩柱沉降觀測在施工中是比較重要的監測項目，因為墩柱沉降不僅能影響上部結構拼裝精度，更能改變上部結構受力狀態。由于忽視墩柱的累計變形量在極端情況下甚至會出現墩柱失穩傾斜釀造工程事故。因此要在墩柱身設置沉降觀測點觀測墩柱沉降。

施工溫度監測是對桁架及支撐架構等關鍵連接節點的溫度進行監測。鋼桁架連續梁橋是多次超靜定結構施工中結構表面的溫度差會在結構內部產生溫度應力，溫度應力的存在對結構極為不利[12]，溫度應力過大時甚至會使桿件損壞，產生質量問題，因此要嚴密監測結構的溫度，及時消除溫度應力對結構的影響。

4 結論

以某鋼桁架連續梁橋為工程背景，利用數值模擬的方法分析了施工中臨時支撐體系的受力狀態，并從工程施工質量控制出發研究了連續梁橋的合龍技術和施工監測技術，主要得出了以下結論：

a.根據臨時支撐的受力狀態將臨時支撐分為A、B兩種類型，在非對稱荷載下臨時機構的受力呈現一定的非對稱性。A型支撐分配梁最大壓應力為9 MPa，立柱最大壓應力為52.9 MPa，基底反力最大為1 149.3 MPa。B型支撐分配梁最大壓應力為33 MPa，立柱最大壓應力為36 MPa，基底反力最大為795 MPa。

b.合龍技術是連續梁橋施工關鍵工程之一，施工中要制定合理的吊裝方案、高程和平面位置控制措施，提高合龍精度。

c.施工監測技術是施工控制的重要技術措施，要從結構內力、結構位移、墩柱沉降和施工溫度監測等方面加強施工測量，確保安全施工。