大跨度连续钢桁梁桥无支墩顶推施工可行性分析

周洪顺

（中铁十四局集团有限公司，山东济南250014）

大跨度连续钢桁梁桥无支墩顶推施工可行性分析

周洪顺

（中铁十四局集团有限公司，山东济南250014）

无支墩顶推施工技术具有不影响通航、工期短和施工成本低等优点，广泛应用于钢桥与预应力混凝土桥梁施工。国内外桥梁顶推施工，最大悬臂长超过160m的顶推施工案例较少，对大跨度桥梁无支墩顶推施工的研究有所不足。以东营黄河铁路特大桥为工程背景，采用有限元方法，计算分析大跨度连续钢桁梁桥无支墩顶推施工方法的可行性。研究结果表明，设置80m长导梁，不能满足结构强度要求；设置100m或120m长导梁，可满足施工过程中强度和稳定性要求，故该桥采用顶推施工方案具有较大可行性。

顶推施工；大跨度桥梁；导梁；强度；稳定性

大跨度连续钢桁梁桥常用的施工方法有悬臂拼装法、缆索吊机施工法、浮运施工法、顶推施工法等［1－3］。顶推法施工技术，由于其施工成本低、工期短且不影响通航的优点而得到推广，广泛应用于钢桥与预应力混凝土桥梁的施工［4－6］。至今，顶推施工技术应用已较为成熟。

2004年，竣工通车的法国米约大桥（全长2 460 m，为204m＋6×342m＋204 m的7塔钢斜拉桥），将顶推施工的最大悬臂长度提高到171 m，最大跨径提高到了342 m［7］。米约大桥的顶推施工成功，代表着世界上顶推技术的先进水平。

国内，从1978年陕西狄家河铁路桥（4 m×40 m）首次采用顶推施工技术 ，到2010年我国建成的郑州黄河公铁两用大桥（120 m＋5×168 m＋120 m），将顶推过程中最大悬臂长度提高到168 m［8］，代表着国内顶推施工技术日趋成熟与完善。然而，目前国内大跨度桥梁，特别是悬臂长度在160m以上的，采用顶推施工的实际案例很少；悬臂长度170 m以上的桥梁采用顶推施工法的更是没有。

本文以黄大铁路东营黄河特大桥（主桥120 m＋4×180m＋120 m）为工程背景，通过有限元计算来分析悬臂长度180m的连续钢桁梁桥采用顶推施工的可行性。

1 东营黄河特大桥工程简介

黄大铁路东营黄河特大桥全长1 183m，跨河主桥为一联120m＋4×180m＋120m连续钢桁梁桥，两岸引桥是跨越黄河大堤的两孔108m钢桁梁及河滩地的预应力混凝土简支箱梁桥。主桥采用下承式明桥面连续钢桁梁，有两片主桁，桁架形式为有竖杆的三角形桁架，桁高18.0m，节间长度10.0m，主桁中心距11.0m。引桥108m钢桁梁采用下承式明桥面简支钢桁梁，桁架形式为无竖杆三角形桁式，桁高13.6m，节间长度12m，主桁中心距11.0m。主桥结构及主桁架立面典型布置形式如图1和图2所示。

图1 主桥结构形式（单位：m）

图2 主桁架立面典型布置形式（单位：m）

2 导梁设计

顶推施工的主要临时结构是悬臂前端设置导梁。依据顶推施工经验，导梁长度范围一般取0.5～0.7倍的最大悬臂跨度［9－10］。本次研究中，分别选择导梁长度为L＝120m、100m、80m。导梁结构尺寸考虑与主桁架的连接，选用变高度的钢桁架梁。悬臂前端桁架梁高度为9m，节间距10m，长60m，为无竖杆的三角形桁架。后端桁架梁，考虑与主桥桁架的连接，取高度18m，节间距10m，长度为依次为20m、40m、60m，为带竖杆的三角形桁架。导梁横向布置为2片桁架，桁架垂直布置，主桁间距为11.0m，与主桥桁架等宽。导梁主桁架横向连接设置上平纵联和下平纵联。导梁各杆件截面尺寸取相应主桁杆件截面的1／4（保持钢板厚度与主桁截面相同）。图3以120m导梁为例，给出了其立面布置形式。

图3 导梁立面结构图（单位：mm）

3 顶推施工可行性计算分析

3.1 最不利计算工况

无支墩顶推施工时，最危险的状态有两种：一种是最大悬臂状态，即导梁与部分主梁悬臂180m，此时悬臂主梁固定端承受了所有悬臂结构重量，其部分杆件应力可能会超限；另一种是导梁前端顶升到桥墩的状态，此时导梁端部由于承受较大的支承反力，其部分杆件应力可能会超限，甚至发生屈曲失稳。故必须通过计算来分析两种状态下桥梁杆件的强度和稳定性，以判断该桥采用无支墩顶推施工法是否可行。

3.2 计算荷载

本文计算中，考虑如下三种荷载：

（1）钢结构重度取78 kN／m3。根据工程经验，节点板和其他加固构件占钢桁桥重量的30%左右，而其在MIDAS空间模型中较难建立，故对自重乘以1.3的系数。

（2）施工临时荷载：考虑施工需要，根据工程经验，取施工临时荷载为5 kN／m。

（3）风荷载：参照《铁路桥涵设计基本规范》［11］（TB10002.1－2005），其风压计算公式：

式中：K1为结构风载体形系数，取1.3；K2为风压高度变化系数，本桥距地面平均高度23 m，故该值取1.05；K3为地形、地理条件系数，取1.0；W0为基本风压，取700 Pa。则：

W＝1.3×1.05×1.0×700＝955.5 Pa

计算风荷载时，取该风压值与钢桁梁轮廓面积的填充系数（取0.4）之乘积，横向加载于单片主桁架节点上。

3.3 材料特性取值

本桥主要采用Q370q与Q345q两种钢材，其主要物理参数特性取值：

钢材弹性模量 Eg＝2.1×105MPa，剪切模量 Ev＝0.81×105MPa，泊松比υ＝0.3。

钢材的应力限值，参照《铁路桥梁钢结构设计规范》［12］容许应力法，采用1.7的系数对桥梁杆件应力进行验算，确保杆件强度满足要求；并通过特征值屈曲分析验算结构的稳定性。表1为两种钢材的容许应力［12－14］。

表1 钢材容许应力表 单位：MPa

3.4 有限元计算模型

钢桁梁桥的杆件，实际上不完全是桁架单元或梁单元，而是介于两者之间，每根杆件采用何种单元模拟，与节点刚度及其周围杆件的相对刚度有关，而本桥杆件与节点众多，准确模拟存在较大困难。计算分析时，采用桁架单元＋梁单元的计算模型：主要受力杆件采用桁架单元，其他杆件采用空间梁单元，形成横向框架，提供2片桁架的横向刚度。全部有限元模型共有节点1 145个，单元2 829（其中桁架单元712个，梁单元2 117个）。图4为主梁标准节段的有限元模型图，图5导梁有限元模型图。

图4 主梁标准节段有限元模型图

图5 导梁的空间有限元模型图

3.5 80m导梁计算分析

图6给出了钢结构自重＋施工临时荷载作用下，采用80m长度导梁顶推至最大悬臂状态时的应力云图，由图6可知主桁下弦杆最大压应力232 MPa，上弦杆最大拉应力201MPa，由于上下弦杆均采用Q370钢，对照表1可知下弦杆压应力超过容许应力，故采用80m导梁不可行。

图6 80m导梁最大悬臂状态应力

3.6 100m导梁计算分析

图7给出了钢结构自重＋施工临时荷载＋风荷载（各荷载分项系数为1）组合作用下，采用100m长度导梁顶推至最大悬臂状态时的应力云图。

由图7可知，最大悬臂状态时，在钢结构自重＋施工临时荷载＋风荷载组合作用下：（1）桁架单元压应力最大218 MPa，拉应力最大189 MPa，均处于安全状态。（2）梁单元压应力最大252MPa，拉应力最大318 MPa，强度条件不满足。考虑该最大应力只发生于局部杆件，可以对不满足的局部杆件加强，使其强度满足要求。

图8给出了采用100m长度导梁顶推至最大悬臂状态时，桥梁在自重荷载（分项系数为1）作用下的一阶屈曲模态及临界荷载系数。

图7 100m 导梁最大悬臂状态应力

图8 100m导梁最大悬臂状态一阶屈曲模态

由图8可知，最大悬臂状态时：在自重荷载可变情况下（施工临时荷载与风荷载设定为不变），悬臂结构发生一阶屈曲的临界荷载系数为4.914，表明自重作用下结构具有足够的特征值屈曲稳定性。

图9给出了钢结构自重＋施工临时荷载＋风荷载（各荷载分项系数为1）组合作用下，100m长度导梁前端顶升到桥墩顶部时（即导梁前端受到支承）的应力云图。

由图9可见，导梁前端受到支承时，在钢结构自重＋施工临时荷载＋风荷载组合作用下：（1）桁架单元压应力最大118 MPa，拉应力最大132 MPa，均处于安全状态。（2）梁单元压应力最大121MPa，拉应力最大149MPa，均处于安全状态。（3）导梁前端顶升发生强迫位移，支承于桥墩后，相比最大悬臂状态，杆件的应力有所减小。

图10给出了100 m长度导梁前端顶升到桥墩支座位置时，结构在自重作用下的一阶屈曲模态及临界荷载系数。

由图10可见，导梁前端受到支承时，在自重荷载可变情况下（施工临时荷载与风荷载设定为不变），桥梁结构发生一阶屈曲的临界荷载系数为2.664，略大于施工阶段要求的安全系数2，稳定性安全度不高。

图9 100m 导梁前端支承状态应力

图10 100m导梁前端支承状态一阶屈曲模态

3.7 120m导梁计算分析

相比于100m长度导梁，采用120 m导梁计算求得的主桁杆件应力是偏小的，图11给出了钢结构自重＋施工临时荷载＋风荷载（各荷载分项系数为1）组合作用下，采用120 m长度导梁顶推至最大悬臂状态时的应力云图。

图11 120m导梁最大悬臂状态梁单元应力

由图11可知，采用120 m导梁，在最大悬臂状态时，梁单元压应力最大234 MPa，拉应力最大246 MPa，均小于100m导梁在同样情况下求出的结果。从强度条件分析而言，导梁长度采用120m相比100 m是偏安全的。

图12给出了120m导梁最大悬臂状态下，桥梁自重荷载可变时的一阶屈曲模态及临界荷载系数。

图12 自重下120m导梁最大悬臂状态一阶屈曲模态

由图12可知，120m导梁最大悬臂状态时，在自重荷载可变情况下（施工临时荷载与风荷载设定为不变），悬臂结构发生一阶屈曲的临界荷载系数为2.232，且为导梁个别杆件失稳，小于100 m长度导梁的稳定系数。可知从最大悬臂状态的稳定性安全来说，导梁长度采用120m相比100m是偏不安全的，但仍可以保证此状态下结构的特征值屈曲稳定性。

图13给出了120m导梁前端支承状态下，桥梁自重荷载可变时的一阶屈曲模态及临界荷载系数。

图13 自重下120m导梁前端支承状态一阶屈曲模态

由图13可知，120m导梁前端支承状态时，在自重荷载可变情况下（施工临时荷载与风荷载设定为不变），桥梁结构发生一阶屈曲的临界荷载系数为2.269，且为导梁整体失稳，大于100 m导梁的计算结果，特征值屈曲稳定性满足要求。

4 结 论

本文以黄大铁路东营黄河特大桥为工程背景，研究了其采用不同长度导梁顶推施工过程中的强度和稳定性，得出以下几点结论：

（1）导梁长度采用80m时，最大悬臂状态部分杆件压应力会超限，不能满足结构强度要求，故80 m导梁方案不可行。而导梁长度采用100m或120 m，强度和稳定性基本满足要求，但结构个别杆件（即应力超限的杆件）需进行加强，增大其截面尺寸或对其临时加固。结构失稳均为导梁失稳，导梁需要进一步优化。

（2）采用100m长导梁，前端支承于桥墩时，相比其最大悬臂状态时，自重作用下的稳定安全系数有较大降低，这一特点在导梁设计与顶推施工中应给予重视。

（3）最不利工况下的结构强度与特征值屈曲稳定性分析表明，东营黄河大桥采用无支墩顶推施工方案，具有一定可行性，但仍需要进一步对导梁等施工措施进一步优化。

不过，本文的稳定性分析只是线弹性情况下的特征值屈曲分析，尚未计入钢桁桥的几何非线性和材料非线性，这一点在进一步研究工作中要充分考虑。

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The Feasibility Analysis of the Incremental Launching Construction of Long－span Continuous Steel Truss Bridge without Supporting Piers

ZHOU Hong－shun
（China Railway 14 th Construction Bureau Co.，Ltd.，Ji’nan，Shandong 250014，China）

With the advantage of no－effect to shipping，shorter construction time and lower cost，the incremental launching construction method without supporting piers is widely used in the construction of steel and prestressed concrete bridges.At home and aboard，the cases of incremental launching construction of long－span bridges whose cantilever length exceeds 160 m are rare，and the feasibility research on incremental launching constructionmethod in long－span bridges is insufficient.With the example of Dongying Yellow River Bridge，the feasibility of the incremental launching constructionmethod without supporting pierswas analysed by using finite elementmethod.The results indicate that，the strength of bridge can’tmeet the constructional requirementswhen the length of launching nose is 80m，and the strength and stability of bridge will bothmeet the requirementswhen the length of launching nose is 100m or 120 m.So the method of incremental launching construction is feasible.

incremental launching construction；long－span bridge；launching nose；strength；stability

U445.462

A

1672—1144（2014）04—0222—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.045

2014－03－05

2014－04－26

周洪顺（1976—），男 ，山东金乡人 ，高级工程师 ，主要从事桥梁结构施工技术工作。