箱桁结合梁先箱后桁的桁梁合龙口变形适应性分析

朱永波

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概况

斜拉桥、悬索桥等造型美观、跨越能力大的桥梁在跨越大江大河的大跨度桥梁中占据重要位置。其主桥梁体多采用钢桁梁、钢箱梁或钢箱钢桁结合梁。需要探讨的是多跨钢桁钢箱结合梁架设过程中架设顺序问题及合龙精度问题。钢箱钢桁结合梁架设时一般采用在陆地将钢箱钢桁拼装一个节间后吊装架设。这就带来节间重量大，体积庞大，运输及吊装需要的大型设备多，须高空作业及易受环境影响等不利因素。因而先架设箱梁，在箱梁合龙的基础上利用已有平台架设钢桁梁则可以解决上述问题。钢桁梁拼装过程中如何保证合龙精度是本文所重点关注的问题[1- 4]。

蒙华铁路洞庭湖特大桥主桥为(99.12+140+406+406+140+99.12)m 三塔双索面钢箱钢桁结合梁斜拉桥，全长 1 290.24 m。主桥桥跨布置见图1[5]。

图1 洞庭湖特大桥主桥桥跨布置(单位：m)

主梁为钢箱钢桁结合梁结构，主桁采用内倾布置，上弦中心距12.0 m，下弦中心距14.0 m。全联桁架为不带竖杆的华伦式桁架，桁高12.0 m，节间长14.0 m，斜杆立面倾角59.744°。全桥共92个节间，全桥以4号塔对称布置，断面布置见图2。

主要杆件质量参数见表1。

洞庭湖特大桥以其结构设计形式新颖，施工技术难度大，在国内外同类桥梁中具有5项第一。

1)世界上首座重载铁路三塔斜拉桥；

图2 钢梁断面布置(单位：mm)

2)世界上跨度最大的铁路三塔斜拉桥；

3)世界上首次在斜拉桥上采用钢箱钢桁结合主梁形式；

表1 主要杆件质量参数

4)世界上首次在斜拉桥上采用先架设、合龙钢箱梁，然后安装合龙钢桁梁的成桥方法；

5)国内首次在铁路桥上采用中塔稳定索。

2 箱梁合龙后架设桁梁存在的问题

1)桁梁杆件拼装受下弦钢箱制造安装误差、桁梁制造误差与安装累积误差的影响。桁梁安装时，除了钢箱、钢桁自身的制造误差外，钢箱安装线形的偏差会传递、放大至上弦，造成上弦杆件安装困难。

2)上弦杆件节间间距调整困难。上弦安装时，钢箱梁已经合龙，结构体系刚度较大，钢桁梁在其上安装时调整难度较大。

3)钢桁梁下弦与上弦节间存在纵向变形差。钢箱梁合龙后，下弦节间纵向存在压缩变形，而此时钢桁梁上弦无纵向变形，两者存在纵向变形差。此问题在设计时虽已考虑，将上弦节间设计长度进行了调整，但设计索力与成桥索力不一致，纵向仍存在少量变形差。

钢桁梁合龙时合龙口的变形及所需顶拉力等参数需要进行适应性分析计算，以便适应施工机具及现有工况。

蒙华铁路洞庭湖大桥进行了先合龙钢箱梁，再拼装钢桁梁的创新施工方法，对桥梁施工技术的发展进行了一些尝试。采用ANSYS的土木工程专用程序包ANSYS/Civil FEM就钢桁梁拼装合龙口变形偏差进行计算和分析，对钢桁梁施工合龙变形以及顶拉力等施工参数与现有设备配套的适应性进行分析，以便对施工进行理论指导[6-10]。

3 各工况下钢桁梁合龙口变形分析

3.1 斜杆安装时的变形

上弦杆安装之前斜杆属于悬臂状态，此时工字型斜杆悬臂端最大纵向位移为22 mm(见图3)，施加7 kN/桁的水平作用力即可调整回位。

图3 工字形斜杆安装时的纵向变形(单位：mm)

箱型斜杆悬臂端最大纵向位移为5 mm(见图4)，通过施加24 kN/桁的水平作用力，即可调整回位。

图4 箱形斜杆安装时的纵向变形(单位：mm)

3.2 上弦杆件悬臂时的竖向变形

在上弦杆间定位冲钉未插打前，上弦杆属于悬臂状态，此时悬臂端最大竖向位移为25 mm(见图5)，悬臂端上提110 kN/桁的作用力，上弦杆可调平。

图5 上弦杆件悬臂时的竖向变形(单位：mm)

3.3 上平联未安装时主桁的侧向变形

在腹杆、上弦安装过程中，如果上平联未安装，则主桁在自重下的侧向变形为7 mm(见图6)，每个上弦节点处顶开40 kN，即可回位。

图6 上平联未安装时的主桁侧向变形(单位：mm)

3.4 组内上弦的纵向间隙调整计算

组内上弦节间接头安装时，前端仅为2根斜杆组成的三角形和一根上弦杆件，若在上弦间对顶100 kN/桁的水平力引起的变形见表2。

表2 组间上弦对顶100 kN/桁水平力引起的变形

3.5 误差累积影响分析

经计算可知：

1)如果5个节间设一个预留调整口，即使每个节间均误差+2 mm，则预留调整口的调整内力可控制在 1 000 kN/桁以内，此为极端情况。

2)如果4个节间误差+2 mm，1个节间误差为0，则预留口调整内力可控制在700 kN/桁以内，此也是较为极端情况。

3)如果3个节间误差+2 mm，2个节间误差为0，则预留口调整内力可控制在400 kN/桁以内，此为较有可能出现的情况。

根据以上计算与分析，拟5个上弦节间设一个预留调整口，全桥共设18个钢桁梁组，17个预留口。

3.6 下弦节点间转角差对上弦安装影响分析

经计算两相邻下弦节点间的转角差为10-4rad，则对应的上弦节点间距改变量为1.2 mm,见表3。

表3 单位竖向荷载引起的下弦节点转角

4 结论

1)节间内斜杆、上弦杆与平联变形均不大，加上下弦钢箱制造安装误差、桁梁制造误差与安装累积误差的影响也可控，运用普通手段即可进行安装。

2)在最不利工况下，顶拉力与节间变形均在机具能力范围内，不用另行制造大型安装设备，从而使得在已合龙箱梁上安装钢桁梁变得简便易行。

3)在理论计算与实际工况有误差的情况下，可以采用调整索力，从而改变下弦节点间转角差来调整合龙口的变形，使得所需顶拉力在可控范围内。

4)现场的实际操作证明了理论数据与现场实测值吻合较好，验证了计算理论的可靠性，对钢梁架设先箱后桁法施工进行了有益探索。

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