长联大跨连续钢桁梁悬臂拼装全过程仿真研究

赵汗青,任为东,高静青,金 令,王海彬

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055； 2.中铁大桥局集团第一工程有限公司,郑州 450053)

引言

钢桁梁桥因具有承载能力强、跨越能力大、自重轻和施工速度快等优点而被广泛运用到公路和铁路桥梁工程中[1-3]。而在钢桁梁架设过程中，为了得到较好的经济效益和施工效率，需要根据施工现场实际情况，选择最适合的钢桁梁架设施工方法。目前，国内应用在连续钢桁梁桥中比较常见的施工方法有：悬臂拼装法、顶推施工法和浮运架设法[4-8]。

在悬臂拼装法方面，赵前进等[9]对玉磨铁路元江双线特大桥的施工场地布置和临时墩布置进行了较为详细的介绍，并系统分析了上承式连续钢桁梁的悬臂拼装方法和合龙方法。王玲等[10]采用Midas Civil软件模拟钢桁梁主桥的施工阶段，研究半悬臂拼装过程的线形控制方法。陈涛[11]针对沪苏通长江公铁大桥，介绍了大节段钢梁双悬臂架设的施工工艺。郑光[12]对采用分阶段悬臂安装的连续钢桁梁桥进行线形监控和应力监控。

在顶推施工法方面，胡军等[13]针对蒙华铁路洞庭湖特大桥主桥，分析了钢梁顶推法架设的施工难点及关键技术。李兆峰等[14]、田亮等[15]和娄松等[16]对顶推施工中钢桁梁桥关键节点进行力学分析，并对大型钢桁梁顶推施工进行可行性分析和安全性分析。王金良等[17]分析了钢桁梁顶推施工时轴线偏移对杆件应力的影响。舒彬等[18]以利津县黄河铁路特大桥连续钢桁梁为例，研究连续钢桁梁多点同步顶推施工的关键技术。张奉春[19]以黄大铁路黄河特大桥的(120+4×180+120) m连续钢桁梁为例，分别介绍了钢桁梁的顶推施工技术和施工过程中的监控技术及措施。

在浮运架设法方面，段贤昌[20]和李晓东[21]介绍了采用浮运转体法架设钢桁梁的关键施工技术。陈海[22]以新长铁路大运河特大桥的钢桁梁为例，着重介绍了在浮运平台上拼装并架设钢桁梁的关键施工方法。

1 工程概况

郑济高铁郑州黄河特大桥于郑州市东北部跨越黄河，航道等级为规划Ⅳ级，净空要求为8 m。桥址位于黄河冲积平原区，地形平坦，地势开阔。沿线所经过的地质条件较为复杂，主要包括：第四系全新统人工堆积层(Q4ml)填土，第四系全新统冲积层(Q4al)粉土、粉细砂、中砂、粉质黏土，第四系上更新统冲积层(Q3al)粉土、粉细砂、中砂、粉质黏土。

郑州黄河特大桥主桥全长2 016 m，其中连续钢桁梁结构的跨径为(112+6×168+112) m。钢桁梁为三主桁结构、双层桥面布置，上层为双向六车道公路桥面，下层为郑济双线铁路和市域双线铁路共四线铁路桥面[23]。主桥效果图如图1所示。

1.1 主桁

主桥为三主桁下弦加劲钢桁梁，平行弦部分的边桁桁高15.0 m，中桁桁高15.24 m，中支点桁高加高15.0 m(图2、图3)，通过调整加劲弦杆竖板形状使得桥梁立面呈现拱形构造。

图2 标准横断面(单位：m)

图3 中支点横断面(单位：m)

主桁弦杆均采用箱形截面，板件根据需要设板式加劲肋。腹杆大部分采用箱形截面，部分竖杆采用H形截面。

1.2 桥面系

公路混凝土桥面板的宽度为32.5 m，支承在钢梁上弦，并通过剪力钉与钢桁梁上弦连接起来，从而实现共同受力的目标。

铁路桥面系采用正交异性钢桥面板，钢桥面板上的防护墙内侧铺设15 cm厚的混凝土桥面板，桥面板与无砟轨道底座板连接，桥面两侧防护墙外设置通信、信号、电力电缆槽。

2 施工方案简介

2.1 总体施工布置

郑济高铁郑州黄河特大桥主桥采用悬臂拼装法架设。主桥共设置2处合龙口(南合龙口和北合龙口)，分为3个主要施工部分。分别以382号墩和两个交界墩378号墩、386号墩为架梁起点，利用龙门吊架设拼装钢桁梁杆件。在跨径范围内设置若干临时墩作为临时支撑点。连续钢桁梁施工布置立面如图4所示。

图4 (112+6×168+112)m连续钢桁梁施工布置立面 (单位：m)

2.2 施工步骤

郑济高铁郑州黄河特大桥主桥(112+6×168+112) m连续钢桁梁分3部分，采用悬臂拼装施工，主要施工步骤如下。

(1)步骤1：在382号墩搭设墩旁托架，利用龙门吊拼装起始节间钢桁梁。在378号墩～379号墩之间和385号墩～386号墩之间分别搭设北岸边跨拼装支架和南岸边跨拼装支架，并利用龙门吊在拼装支架上拼装钢桁梁，如图5(a)所示。

(2)步骤2：以382号墩、378号墩和386号墩为起点，利用龙门吊分别由中间向两侧、由两侧向中间悬臂架设钢桁梁，架设至临时墩时，将临时墩墩顶与钢桁梁底部抄垫紧密，形成临时支撑，如图5(b)所示。

(3)步骤3：继续架设钢桁梁，当钢桁梁架设至永久墩墩顶位置时，利用千斤顶将钢桁梁起顶至计算高程位置，安装墩顶临时抄垫块，然后利用千斤顶将钢桁梁缓缓回落，完成钢桁梁的上墩，如图5(c)所示。

(4)步骤4：按照以上步骤和顺序架设钢桁梁，直至合龙口位置，如图5(d)所示。图6为钢桁梁架设的现场照片。

图5 (112+6×168+112) m连续钢桁梁架设步骤

图6 钢桁梁架设现场

(5)步骤5：当全部临时墩和临时支架与钢桁梁之间脱空，调节合龙口坐标，安装合龙口临时锁定结构，完成合龙。

3 仿真模拟

为了研究(112+6×168+112) m连续钢桁梁在施工过程中的内力情况，保证其顺利架设，采用有限元计算软件Midas Civil建立分析模型，进行施工阶段分析。模型总节点数为18 479个，总单元数为32 836个，合龙后的整体模型如图7所示。

图7 空间有限元整体模型

其中，铁路钢桥面板采用板单元模拟，钢桁架和纵横梁简化为梁单元；公路混凝土预制桥面板简化为均布荷载；采用只受压节点弹性支承模拟临时墩和拼装支架；使用节点强制位移荷载模拟顶落梁施工过程。

3.1 材料

(112+6×168+112) m连续钢桁梁的钢结构材质主要为Q370qE钢，部分杆件采用Q420qE钢。由规范[24-26]可知，钢材主要力学性能如表1所示。

表1 钢材的主要力学性能

3.2 荷载

荷载主要考虑了钢桁架自重、铁路桥面板自重、公路桥面板自重、施工不平衡荷载、风荷载的影响。

3.2.1 结构自重及刚度

模型中单元的重力与实际钢梁的重力存在一定区别，为了保证计算结果的准确性，通过调整材料的容重进行修正，使得模型的自重与设计理论值保持一致。

因为模型中单元的刚度与实际钢梁的刚度存在一定区别，所以为了保证计算结果的准确性，通过调整材料的弹性模量来调整，使得模型预拱度计算值与设计理论值基本保持一致，如图8所示。

图8 预拱度模型计算值与设计理论值对比

3.2.2 施工不平衡荷载

在钢桁梁两侧双悬臂架设的施工阶段，可能会出现架设速度不对称的情况，产生不平衡荷载。本文假设双悬臂架设的一侧进度比另一侧快3根杆件，则不平衡荷载取1 500 kN，如图9所示。

图9 施工不平衡荷载

3.2.3 风荷载

根据郑州地区100年重现期的10 min平均最大风速可知，平坦空旷距常水位高度20 m的风荷载强度为0.5 kPa。钢桁梁横向受风面积按桥跨结构杆件中心线轮廓面积乘以0.4取值[26]。

3.3 重点施工阶段划分

结合理论分析与模型试算，进行(112+6×168+112) m连续钢桁梁的重点施工阶段划分，如表2所示。

表2 重点施工阶段划分

3.4 主要计算分析结果

3.4.1 结构应力

如果在最不利情况下，钢桁梁构件的梁单元应力满足规范要求，则认为钢桁梁架设施工过程是安全的。表3为重点施工工况中梁单元应力计算结果。

表3 重点施工工况中模型计算结果

由表3可知：

(1)在378号墩～北合龙口之间的悬臂架设过程中，钢桁梁的梁单元应力最大值为195 MPa，小于规范设计值210 MPa；

(2)在382号墩～南北合龙口之间的悬臂架设过程中，钢桁梁的梁单元应力最大值为194 MPa，小于规范设计值210 MPa；

(3)在386号墩～南合龙口之间的悬臂架设过程中，钢桁梁的梁单元应力最大值为195 MPa，小于规范设计值210 MPa。

3.4.2 横向抗倾覆验算

横向抗倾覆验算采用公式(1)计算[22]。

(1)

式中，kqf为横向抗倾覆稳定系数，取2.5；∑Sbk，i为稳定力矩之和；∑Ssk，i为倾覆力矩之和。

综上，郑济铁路郑州黄河特大桥主桥(112+6×168+112) m连续钢桁梁在悬臂架设施工过程中是安全的。

4 结语

郑济铁路郑州黄河特大桥主桥(112+6×168+112) m连续钢桁梁采用两侧分别向中间与中间向两侧同时进行的悬臂架设施工方法，大大缩短了施工工期。利用Midas Civil软件，建立大跨连续钢桁梁的有限元分析模型，研究各施工阶段钢桁梁构件的受力情况，找出最不利情况，并分析最不利情况下钢桁梁的受力情况以及进行横向抗倾覆验算。结果表明，在钢桁梁悬臂架设过程中构件应力最大值小于规范设计值，横向抗倾覆验算满足规范要求，验证了钢桁梁悬臂架设施工过程是安全的。目前，郑济铁路郑州黄河特大桥主桥已经顺利合龙，可为今后长联大跨连续钢桁梁桥的设计施工提供参考和借鉴。