芜湖长江公铁大桥强箱弱桁组合结构钢主梁悬臂架设技术

2022-05-19李旭刘爱林

中国铁路 2022年3期

李旭，刘爱林

（1.中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉 430050；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉 430034）

0 引言

随着跨越长江的桥位资源稀缺程度增加，上下分层的钢主梁斜拉桥因其2层均能通行的优势，越来越受到桥梁设计者青睐，成为首选方案。在钢主梁斜拉桥中，不设竖杆的钢主梁结构具有杆件数量及拼接节点少、通透性好、景观效果突出等特点，成为一种合理的斜拉桥钢主梁结构。

常规钢主梁采用散拼法［1］、桁片法［2］、整节间法［3］等悬臂架设技术进行安装。既有钢主梁借助全回转架梁吊机安装，采用散件悬臂架设技术［1］。既有方法不仅存在钢主梁单元件接头数量多、现场组拼工程量大、多次起吊、效率低造成施工周期长等不利因素，还存在全回转架梁吊机参数需求高、经济性差等缺点。

因此，关于斜拉桥钢主梁的安装，虽然目前理论与实证成果较丰富，但适用于强箱弱桁组合结构的钢主梁悬臂安装成果仍较少，如何在不影响施工速度的前提下，在钢主梁的施工效率和施工成本之间找到最佳平衡点，是目前强箱弱桁组合结构钢主梁亟待解决的问题。

1 概述

新建商合杭高铁芜湖长江公铁大桥是已建商丘—合肥—杭州高铁及芜湖城市跨江交通骨干网的重要组成部分，大桥主桥为（99.3+238.0+588.0+224.0+85.3）m钢箱板桁组合梁高低矮塔斜拉桥［4］，为世界首座高低矮塔公铁两用斜拉桥，全长1 234.6 m。芜湖长江公铁大桥主桥总体布置见图1。

图1 芜湖长江公铁大桥主桥总体布置

大桥钢主梁由上层公路梁+下层铁路梁组成，桁高15.0 m，节点间距14.0 m，横向设置2片主桁（中间仅为单独竖杆）。上层公路梁为板桁组合，由箱型截面弦杆+正交异性板桥面组成；下层铁路梁为整钢箱梁，是由两侧边钢箱梁弦杆及横隔板、顶底板组成的桥面系整钢箱结构。腹杆有箱型和H型2种截面形式［4］。芜湖长江公铁大桥主桥钢主梁横断面见图2。

图2 芜湖长江公铁大桥主桥钢主梁横断面

腹杆与上下弦杆间采用焊接整体节点，节点之外用高强度螺栓拼接。弦杆、桥面采用栓接+焊接连接形式。各杆件间连接示意见图3。

图3 各杆件间连接示意图

2 钢主梁架设总体方案

2.1 钢主梁安装难点

结合钢主梁安装外部条件、影响因素及钢主梁结构，芜湖长江公铁大桥钢主梁安装难点如下：

（1）主桥钢主梁总质量8.4万t，铁路梁共计90个节段（含合龙段），公路梁共计94个节段（含合龙段），节段数量多。

（2）除边墩墩顶、主墩墩顶、合龙段外，铁路梁、公路梁纵向分段长度均为14.0 m，下层铁路梁横向宽度为42.5 m，上层公路梁横向宽度为35.2 m，节段梁几何尺寸大；常水位为+3.0 m，上层公路梁安装高程为+64.0 m，节段梁吊装高度需求大。因此，钢主梁安装设备应满足较大的吊距、较高的吊装高度。

（3）铁路梁最大节段质量达817.8 t，公路梁最大节段质量达344.5 t，整节段的铁路梁、公路梁合计质量达1 186.5 t，起吊质量大，安装要求高。

2.2 钢主梁结构特点

查阅既有工程实例［5-6］，在大跨度矮塔斜拉桥结构中，主梁受力特点为：小倾角的拉索向主梁提供较大的轴向压力，受力以梁为主、索为辅，梁体高度与跨度之比较大，轴向压力大约是同等跨径梁式桥的1/2或斜拉桥的2倍，需要主梁提供的刚度较大。除常规矮塔斜拉桥的结构特点外，芜湖长江公铁大桥跨度更大（主跨588.0 m）、铁路重载线路更多（4线）、桥塔更矮（低塔仅高133.5 m）、索更平（跨中尾索倾角仅14.6°）等因素导致主梁轴力更大，主梁受力要求更高，因此该桥主梁设计为钢箱与钢主梁的组合结构，几何尺寸刚度大、整体性好。相较于常规的钢主梁节段，该桥钢主梁在结构上有如下特点：

（1）下层铁路梁为两侧边钢箱梁及铁路桥面组成的整钢箱结构，截面尺寸大、刚度大、质量大。

（2）上层公路梁为两侧边钢箱梁及中间正交异性板桥面组成的结构，截面尺寸小、质量小。

（3）三角式主桁上层梁段拼接口较下层梁段拼接口沿拼装方向多伸出6.2 m，即安装时上层节段吊距较下层节段大。

上述强箱弱桁组合结构钢主梁的结构特点为主梁悬臂架设提供了较有利条件：下层铁路梁质量大、吊距小；上层公路梁质量小、吊距大。如果采用上下分层安装的方案，则需求的起重力矩基本一致，如此可最大程度地减小悬臂架设所需力矩。

2.3 钢主梁安装总体方案

芜湖长江公铁大桥钢主梁安装尽可能多的节段采用悬臂架设，可简化架梁工序，减少临时结构用量，降低浮吊使用需求。因此钢主梁安装总体方案［7-8］为：除墩顶节段采用浮吊架设（或辅助架设）外，主跨、辅助跨、边跨其余节段均采用架梁吊机悬臂架设。合龙口仅在主跨跨中设置1处，待其余节段悬臂架设完成后，按先下层铁路梁后上层公路梁的顺序合龙钢主梁。钢主梁架设总体方案见图4。

图4 钢主梁架设总体方案

3 分层变幅悬臂架设技术

分析既有强箱弱桁组合结构钢主梁悬臂架设实例，常规悬臂架设采用的方案为：整节段悬臂安装［9-11］；先安装下层钢箱梁，钢箱梁合龙后，在其顶面分组安装钢主梁［12］。整节段悬臂安装方案架梁吊机支点反力大，对钢主梁杆件要求高，适用于节段尺寸大而质量较轻的钢主梁悬臂架设；先安装下层钢箱梁，钢箱梁合龙后，在其顶面分组安装上层桁梁的悬臂架设方案，因桁梁及腹杆滞后安装，调整拼接难度相对较大、对钢主梁线形控制影响较大、且工期较长，适用于带加劲桁的箱型主梁结构。

结合上述2种架设方案的优点，芜湖长江公铁大桥拟采用分层变幅悬臂架设，即变幅式架梁吊机站位于上层公路梁弦杆节点，先下层铁路梁后上层公路梁的分层安装方案。架梁吊机变幅幅度5～22 m，最大起升高度85 m。架梁吊机吊装示意见图5。

图5 架梁吊机吊装示意图

悬臂架设节段梁安装步骤为：

步骤1：架梁吊机走行至第n节段上方，前点支起、后点锚固，起吊第n+1节段的铁路梁节段（含斜杆及中竖杆）。第n节段斜拉索上桥，同步进行塔端安装、展索。步骤1铁路梁起吊示意见图6。

图6 步骤1铁路梁起吊示意图

步骤2：对位第n、n+1节段下弦杆，并上冲钉、高栓，第n+1节段后斜杆上对位并上冲钉、高栓，架梁吊机松钩，同步进行第n节段斜拉索软牵引。

步骤3：吊机向前变幅，起吊第n+1公路梁节段，避开已装铁路梁及前斜杆后吊机收幅到位，对位第n+1节段上弦杆，并上冲钉、高栓。同步进行第n节段斜拉索软牵引。步骤3公路梁吊装示意见图7。

图7 步骤3公路梁吊装示意图

步骤4：第n+1节段前斜杆对位，上冲钉、高栓临时连接，架梁吊机松钩。同步继续进行第n节段斜拉索软、硬牵引。

步骤5：节段上、下弦杆间连接处冲钉换高栓，初拧、终拧；斜杆及中竖杆高栓施拧；节段上、下弦杆间连接处采用焊缝连接；铁路、公路桥面栓接及焊接施工。节段间连接施工完成后进行第n节段斜拉索张拉。

4 悬臂架设结构受力分析

4.1 控制工况

分析上述施工步骤，节段梁悬臂架设控制工况及关注要点见表1。

表1 节段梁悬臂架设控制工况及关注要点

4.2 钢主梁杆件受力

4.2.1 杆件组合应力分析

悬臂架设各控制工况架梁吊机支反力、待架节段自质量荷载作用于已架节段上，各杆件组合应力最大值见表2。

表2数据显示，各工况下，钢主梁杆件应力水平合理，达到充分利用主体结构的目的。除吊机站位处外，不需对已架节段杆件进行额外加固。

表2 各杆件组合应力最大值 MPa

4.2.2 主桁腹杆稳定性分析

以施工阶段模拟计算，分析箱形、工字形截面2类腹杆受压最不利工况，并进行稳定性分析。其中工字形截面腹杆选取截面面积最小的腹杆、箱形截面腹杆选取吊质量最大处的腹杆。计算腹杆截面见图8。

图8 计算腹杆截面

经规范［10］计算，截面面积最小的工字形截面腹杆稳定性计算结果为117.2 MPa，吊质量最大处的箱形截面腹杆稳定性计算结果为49.3 MPa，悬臂架设阶段主桥杆件Q370qE（按最不利）容许应力146.2 MPa，满足规范要求。

4.3 杆件临时连接设计

悬臂架设时，杆件临时连接先采用45#钢φ32.8冲钉定位，再以初拧M30高栓替换先期打入的冲钉，最后将所有初拧高栓终拧。临时连接计算结果见表3。

表3 临时连接计算结果个/桁

表3计算仅为杆件受力所需最少冲钉（螺栓）个数，按规范要求，冲钉施工时应至少打入孔数的50%，高栓换冲钉过程中应至少占孔数的30%。因此按规范百分比施工冲钉、高栓满足受力要求，但在顶底板、腹板处的个数分布应确保最少所需的个数。

5 梁段安装线形控制及杆件拼接口位移调整措施

5.1 梁段安装线形控制措施

上述悬臂架设节段梁安装过程中，线形控制总体思路是：根据梁段制造、预拼装参数，桥面临时荷载布置及上一梁段的施工误差分析结果，修正调整计算模型，提出本阶段梁段安装线形要求，下发待架梁段的工厂内匹配调整文件，待架梁段经匹配调整运抵现场验收后借助架梁吊机进行分层变幅安装，随后进行高栓施拧及焊接施工。本阶段梁段安装完成后，进行几何、应力、温度、环境等参数测量，反馈结果，评价安装效果并进行误差分析，继续进行下一轮次安装。

5.2 杆件拼接口位移调整措施

分层变幅悬臂架设梁段过程中，涉及已架节段、待架节段杆件间对位拼接的有：工况2中已架节段梁与待架节段梁下弦杆间临时连接；工况3中已架节段梁上弦杆与待架节段梁后斜杆间对位；工况5已架节段梁与待架节段梁上弦杆间临时连接；工况6已架节段梁前斜杆与待架节段梁上弦杆间对位连接。采用措施前后钢主梁架设拼接口竖向相对偏差见表4。

表4 采用措施前后钢主梁架设拼接口竖向位移差 mm

工况2、工况5已架节段梁与待架节段梁下弦杆、上弦杆间临时连接时，无需措施，起吊后可直接对位连接。工况3已架节段梁上弦杆与待架节段梁后斜杆、工况6已架节段梁前斜杆与待架节段梁上弦杆因弦杆先期已完成连接，在无措施的情况下二者间竖向位移差较大，采取措施后可满足对位拼装要求。

拟采取的拼装措施为：铁路弦杆及桥面临时连接完成后，吊机松钩50%吊质量荷载，待架铁路梁及其上的后斜杆下挠，后斜杆与上弦杆间位移发生变化即可满足对位精度要求。公路梁弦杆、桥面临时连接完成后，吊机松钩35%吊质量荷载，待架公路梁下挠，上弦杆、前斜杆件位移发生变化即可满足对位精度要求。前后斜杆横桥向微小偏差通过倒链调整。桥面板高差通过码板调整。经采取吊机松钩等拼装调整措施后，拼接口两侧位移差不超过2 mm，满足冲钉安装条件即可进行节段间连接。前述对位调整措施简便有效，不需增加额外的大型设备和临时结构。