大跨度钢桁架管桥设计分析与施工方案探讨

2024-01-02杜洪亮

水电站设计 2023年4期

杜洪亮

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

1 前言

随着工程建设理念的发展和国家对环保、水保及涉河构筑物的要求日趋严格，跨河桥梁选择一跨跨河或跨过主河床已成为新的趋势。业内急需寻找一种跨越能力较强的结构。钢桁架是一种古老的结构型式，在铁路桥梁工程中的应用有着悠久的历史，近年在公路和市政桥梁中因钢桁架的独特优势应用也逐渐增多［1］，但大跨度钢桁架工程案例有限，对其计算分析和施工方法的研究可供参考的资料较少。

2 项目概况

某钢桁架管桥主桥设计跨径为90 m，为一跨跨越主河床，主墩墩高12 m，引桥为30 m小跨径钢桁架桥，桥宽6 m，主桁架高度为6.5 m。主桁为栓接的整体节点构造，节点外用高强度螺栓拼接。主桁构件、端斜杆采用Q355C钢材，构件最大板厚为26 mm。主桁杆件内宽均为380 mm。上下弦杆为H截面，上下弦杆件外高420 mm，板厚22～26 mm。腹杆采用H截面形式，为方便现场施工，腹杆与节点板对拼连接。桥面由纵、横梁及花纹钢板组成。行车系下平联为交叉型设置，全桥共设置多处桥门架。

3 结构计算分析

3.1 计算参数

桁架材料：Q355C；荷载：管道及水自重、检修荷载、二期荷载；温度作用：整体升温30℃，整体降温25℃。

3.2 结构建模

本桥采用桥梁空间分析软件Midas Civil 2021进行分析，各构件均采用空间梁单元模拟，其主桥整体计算模型如图1所示。

图1 钢桁架整体模型

3.3 结构计算结果

（1）上下弦杆。由图2可知，弦杆承载能力极限状态下的最大应力为179 MPa，小于材料的设计强度。

图2 上下弦杆应力（单位：MPa）

（2）腹杆。由图3可知，腹杆承载能力极限状态下的最大应力为130 MPa，小于材料的设计强度。

图3 腹杆应力（单位：MPa）

（3）横梁。由于横桥向荷载的影响，端横梁内力最大。从图4可以看出，横梁最大应力为195 MPa，小于材料的设计强度。

图4 横梁应力（单位：MPa）

（4）平联。由于本桥宽跨比较小，平联内力较常规钢桁架结构大，由图5可知，平联最大应力为73 MPa，小于材料的设计强度。

图5 平联应力（单位：MPa）

4 施工方案比选

钢桁架桥的常规施工方法包括支架安装、少支架安装、整体吊装、架桥机安装、提升架吊装及顶推安装等。根据本项目的结构特点及桥址地形、地貌、水文等情况开展施工方案比选［2］。

（1）起重机安装。该法适用于桥墩高度较低、场地坚实平坦、具有充足起吊净空空间和较大的钢桁架整体拼装场地的桥梁工程。本桥引桥非常适合采用该方法，但主跨跨越主河床，河道内枯水期水量仍然较大，采用起重机进行整体架设时需架设临时桥梁供起重机使用。

（2）提升架吊装。提升架设置于已拼装完成的钢桁架上，钢桁架节段或构件通过便道或起重船运至掉点正下方，再用提升架竖直提升就位。本桥位于非通航河道，采用此法需架设施工便桥。

（3）架桥机安装。本方法适用于桥下障碍物较多、起重机作业条件不便，且有构件整体拼装和存放场地的项目。本项目桥位的引桥处较平坦，可以使用架桥机，对于本桥主跨90 m的钢桁架，没有此跨度级别的架桥机成品，且架桥机自身架设也需要辅助墩等临时措施，因此本桥主桥不适用该方法，引桥可采用此方法。

（4）满堂支架拼装。本方法是在梁体正下方搭设支架，再在支架上拼装构件成桥［3］。该方法需要较长时间占用桥下净空，且支架搭设工作量较大，桥梁侧面需要修建临时便道或便桥作为材料运输通道。针对本桥引桥部分可以采用临时便道，主跨应采用跨河便桥。

（5）少支架拼装。本方法是在预拼场地将钢桁架构件拼装为若干节段，再在桁架正下方设置多个临时墩，之后在临时墩上架设桁架节段，最后将各个桁架节段拼装成整体，成桥后拆除临时墩。本法同样需要修建临时便桥。

（6）顶推施工。该方法是在桥头设置拼装平台，在跨内设置临时墩，利用顶推装置将拼装平台上拼装后的节段向主跨顶推，直至全部桁架顶推至设计位置。桥址的场地条件可以采用本方案实施。

（7）施工便桥方案探讨。根据既有成熟的施工方案情况，施工本桥需在桥位附近建设一座临时便桥。常规便桥型式主要有两类，第一类为需在河道内设置支撑的结构；另一类为浮式便桥。本桥位于城市内河上，业主及河道主管部门要求永久桥梁一跨跨越主河床，且要求最大限度降低施工期对河道的影响。搭设临时栈桥需要在水中设置桩基，由于施工周期长，桩基很难拆除，且施工污染水土环境；在水中设置墩子会影响水流流态，造成较大局部冲刷，后期不可修复。针对严格的环水保要求，浮桥式便桥是这种情况下的最优解决方案，但由于浮桥的桥面高程是由水位直接决定的，当水面与桥梁上部结构高差较大时，无法利用吊机等设备对上部结构进行安装施工。根据本桥的具体情况，推荐采用预应力浮桥支架结构辅助施工。

5 预应力浮桥支架系统设计

5.1 系统组成

方案包括浮桥结构、浮桥桥台、预应力钢束和张拉台座等。浮桥结构由若干个钢结构桁架首尾铰接，钢桁架底部设置若干浮箱，两岸的浮桥桥台与钢桁架铰接连接。2个张拉台座分设于两岸桥台后方，与张拉台座连接的预应力钢束设置于所有浮箱下方。浮桥结构由于浮箱的浮力而漂浮于水面。预应力浮便桥布置见图6。

图6 预应力浮便桥布置

5.2 实施步骤

根据桥位处的地形及水文条件确定浮桥的跨径及伸缩装置位置。按设计方案中桥台位置及张拉台座（或利用永久桥墩）对相应构筑物进行施工。在张拉台座之间铺设预应力钢束，在钢束上架设浮桥节段，浮桥节段间及浮桥节段与桥台间设置伸缩缝及铰链；张拉台座和浮桥桥台间设置轨道，轨道上设置钢构架，钢构架采用铰接与张拉台座和浮桥构件连接［4］。使用张拉设备对预应力钢束施加拉力，随着预应力的施加浮桥跨中缓慢向上隆起，直至全部浮桥部分形成向上的曲线，再在张拉预应力的同时控制与桥头刚构架连接的卷扬机，使得钢构架平稳沿着桥台与台座之间的轨道向桥台滑动；随后将钢构架与桥台进行铰接，形成施工拱架。在此架上继续拼接杆件，形成桁架拱，再在拱架顶设置拱上立柱，立柱上设置可滑移支座，作为顶推施工的辅助支撑。