張義強(qiáng) 梁顯偉 林繼勝 張麗麗

（中交一公局集團(tuán)有限公司，北京100024）

81m公鐵分離指的是跨度為81m公路與鐵路分離的交通運(yùn)輸方式，以其運(yùn)輸能力強(qiáng)以及安全性高的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。根據(jù)我國對跨度的標(biāo)準(zhǔn)劃分，81m公鐵分離屬于大跨度范圍內(nèi)。鋼桁梁作為81m公鐵分離橋梁工程中的重要組成部分，其施工的質(zhì)量能夠直接影響整個橋梁工程的施工質(zhì)量。因此，保證81m公鐵分離鋼桁梁施工質(zhì)量是橋梁工程施工中的重要環(huán)節(jié)。在我國，針對81m公鐵分離鋼桁梁施工技術(shù)研究中，普遍停留在理論層面，創(chuàng)新程度低，在實(shí)際應(yīng)用中無法達(dá)到預(yù)期的效果，證明研究仍然存在很大程度上的局限性[1]。在國外，針對81m公鐵分離鋼桁梁施工技術(shù)的研究起步較早，在實(shí)際投入設(shè)計中取得成功的案例并不少見，其中包括：俄亥俄州和肯塔基州之間跨越俄亥俄州河的Sciotoville 公鐵分離下承式連續(xù)鋼板梁橋，通過在鋼桁梁施工技術(shù)中加設(shè)加勁弦的桁架形式，使設(shè)計出的鋼桁梁具有更高的穩(wěn)定性以及承載力，對提升橋梁耐久性起到十分重要的作用，取得了較為突出的研究成果。但由于此種施工工藝較為復(fù)雜，需要由專業(yè)的施工人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)的初期設(shè)計，且施工建設(shè)周期較長。本文以此為研究依據(jù)，提出81m公鐵分離鋼桁梁施工技術(shù)研究，通過對81m公鐵分離鋼桁梁施工技術(shù)展開優(yōu)化設(shè)計，致力于提升橋梁整體穩(wěn)定性，為交通運(yùn)輸行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提出專業(yè)的技術(shù)指導(dǎo)。

1 81m 公鐵分離鋼桁梁施工技術(shù)

在本文設(shè)計的81m 公鐵分離鋼桁梁施工技術(shù)中，結(jié)合81m 公鐵分離鋼桁梁施工的具體環(huán)境，在傳統(tǒng)的施工技術(shù)上加以創(chuàng)新，通過數(shù)值模擬的方式進(jìn)行力學(xué)分析。本文針對設(shè)計的81m公鐵分離鋼桁梁施工技術(shù)中三步主要環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)闡述，具體研究內(nèi)容，如下文所示。

1.1 鋼桁梁施工數(shù)值模擬。在此次81m 公鐵分離鋼桁梁施工中，采用有限元法對施工數(shù)值進(jìn)行模擬[2]。有限元法將81m公鐵分離鋼桁梁施工數(shù)值模擬分成兩部分，一是對施工過程數(shù)據(jù)模擬，二是對鋼桁梁支護(hù)和加固數(shù)據(jù)模擬。對于施工過程中數(shù)值模擬主要是利用有限元軟件實(shí)現(xiàn)在膺架上荷載的施加和釋放的循環(huán)，每一次荷載循環(huán)代表一個施工步驟，所以在數(shù)值模擬過程中對于荷載施加不能一次完成。基于此，可采用階段式疊加方法，通過多個增量步對施工過程中每個施工步驟荷載進(jìn)行增加，荷載的釋放是采用相同方法[3]。應(yīng)用有限元方法對施工過程數(shù)值模擬分析的過程中荷載的釋放與施加是通過相關(guān)系數(shù)來控制的，其有限元分析表達(dá)式，如公式（1）所示：

在公式（1）中，K 指的是當(dāng)前模擬的施工階段中周圍巖體和結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣；H 指的是此次施工步驟總數(shù)；L 指的是膺架主桁頂面結(jié)構(gòu)初始總剛度矩陣；G指的是施工過程中，當(dāng)前模擬的施工階段的巖體和結(jié)構(gòu)剛度的增量和減量；D指的是當(dāng)前模擬的施工階段開挖邊界上的釋放荷載的等效結(jié)點(diǎn)力；S指的是當(dāng)前模擬的施工階段新增自重的等效結(jié)點(diǎn)力；R 指的是當(dāng)前模擬的施工階段增量荷載的等效結(jié)點(diǎn)力；Q指的是當(dāng)前模擬的施工階段結(jié)點(diǎn)位移增量。根據(jù)公式（1），推導(dǎo)出每個施工階段中荷載增量加載過程的有限元分析表達(dá)式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，A 指的是當(dāng)前模擬的施工階段中施加荷載增量步時的剛度矩陣；α 指的是各個施工步增量加載的次數(shù)；δ 指的是當(dāng)前模擬的施工階段荷載增量步相應(yīng)的開挖邊界荷載釋放系數(shù)；κ指的是荷載增量步新增單元自重等的等效結(jié)點(diǎn)力；指的是荷載增量步的節(jié)點(diǎn)位移增量；p 指的是荷載增量步增量荷載的等效結(jié)點(diǎn)力。通過有限元分析公式（1）、（2）對施工過程數(shù)值模擬分析。對于鋼桁梁支護(hù)和加固數(shù)值模擬需要結(jié)合具體施工情況，以此來確定所要采取的模擬措施。目前，81m公鐵分離鋼桁梁施工過程中采用的支護(hù)和加固措施有管棚注漿、小導(dǎo)管注漿等方法，所應(yīng)用到的支護(hù)體為臨時支墩，臨時支墩的特點(diǎn)在于能夠有效提高鋼桁梁支護(hù)剛度，對于鋼桁梁施工過程中周圍巖體變形具有一定的抑制作用[4]。對于臨時支墩力學(xué)模擬主要考慮等效替換，將混凝土與臨時支墩進(jìn)行強(qiáng)度等效替換，從而使臨時支墩力學(xué)模擬轉(zhuǎn)換為等抗壓強(qiáng)度的混凝土力學(xué)模擬，降低數(shù)值模擬難度，其有限元分析表達(dá)式，如公式（3）所示。

在公式（3）中，E 指的是折算后的是混凝土彈性模量；g 指的是原混凝土彈性模量；s 指的是臨時支墩橫截面積；q 指的是鋼材彈性模量；v指的是混凝土橫截面積。利用公式（3）對鋼桁梁支護(hù)和加固數(shù)值模擬，以此實(shí)現(xiàn)了對81m公鐵分離鋼桁梁施工數(shù)值模擬部分，為鋼桁梁施工提供理論數(shù)據(jù)。

1.2 鋼桁梁施工沉降計算。通過鋼桁梁施工數(shù)值模擬分析可知，在鋼桁梁施工過程中，由于每個施工步驟荷載的不斷增加，必然會出現(xiàn)鋼桁梁與橋面接觸處沉降的現(xiàn)象，對連接部分結(jié)構(gòu)帶來較為不利的影響，降低連接施工的穩(wěn)定性[5]。在鋼桁梁施工沉降計算中，首先，應(yīng)確定鋼桁梁施工中的基礎(chǔ)沉降范圍，依照其沉降規(guī)律，計算鋼桁梁沉降位移。設(shè)鋼桁梁沉降位移為S，則其計算公式，如公式（4）所示。

圖1 鋼桁梁施工沉降

表1 鋼桁梁施工穩(wěn)定承載力對比結(jié)果

在公式（4）中：i 指的是沉降位移取值范圍，通常以1 個單位為標(biāo)準(zhǔn)；n 指的是鋼桁梁沉降范圍中的分層數(shù)量；h 指的是施工中鋼桁梁的豎向剛度；e 指的是施工中鋼桁梁的軸向剛度。結(jié)合上述計算公式，可得出鋼桁梁沉降的基礎(chǔ)位移[6]。由于鋼桁梁沉降需要時間，因此在距離連接施工過程中，可使用有限單元遞增法，計算每一段假定時間內(nèi)的沉降位移，記錄位移發(fā)生時刻，探索其發(fā)生的沉降規(guī)律，將沉降范圍控制在允許范圍內(nèi)。引入施工簡化模式計算鋼桁梁施工中可承載的極限荷載力，分擔(dān)沉降產(chǎn)生的部分作用力。若施工中未考慮到沉降位移差，會造成鋼桁梁連接部分出現(xiàn)下沉偏移。鋼桁梁施工沉降示意圖，如圖1 所示。如上述圖1 所示，應(yīng)在施工技術(shù)應(yīng)用中考慮鋼桁梁連接部分壓縮形變的絕對大小，獲取沉降絕對數(shù)值，繪制沉降位移與沉降時間的直接關(guān)系，擬合曲線方程，得出拓寬連接部分發(fā)生沉降時自身的附加力，為后續(xù)連接施工架設(shè)提供數(shù)據(jù)。

1.3 鋼桁梁施工架設(shè)。通過對具體計算結(jié)果的分析，確定了鋼桁梁施工連接部位的一致性[7]。使用4 根主梁柱作為鋼桁梁支撐點(diǎn)，按照標(biāo)準(zhǔn)施工技術(shù)要求，設(shè)計81m公鐵分離鋼桁梁施工架設(shè)流程。第一步：使用校準(zhǔn)設(shè)備對待拼接的鋼桁梁實(shí)施校準(zhǔn)處理，做起頂支墩，采用萬能桿件沿橋軸線拼裝[8]。用130t 汽車吊機(jī)拼裝節(jié)間鋼梁，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)不滿足檢測要求的施工區(qū)域，應(yīng)在最快時間做出反應(yīng)，避免對后期施工造成連續(xù)影響。第二步，按拼裝吊機(jī)走行的要求，鋪裝厚度20～30cm 的混合碎石并平整壓實(shí)硬化處理以及建立排水系統(tǒng)[9]。使用2 輛或4 輛運(yùn)輸梁板平車以均勻速度移動鋼桁梁（將移動速度調(diào)整在7.5～9.5m/s 之間），當(dāng)前段運(yùn)輸車到達(dá)起重機(jī)端時，使用前吊車的鋼絲繩環(huán)調(diào)前梁端，等待鋼桁梁施工穩(wěn)定，此時后平車以4.55～4.65m/s 的速度勻速先前運(yùn)行，當(dāng)其達(dá)到起重機(jī)后端時，使用相同方法吊起鋼桁梁后端，反復(fù)循環(huán)上述操作，進(jìn)行精準(zhǔn)對位，直至連接施工架設(shè)完成。第三步：待鋼桁梁整體架設(shè)完成后，鋼梁實(shí)際預(yù)拱度與進(jìn)場道路及施工便道沿線橋涵構(gòu)造物的允許承載力需要調(diào)查核實(shí)，要求滿足130t 重型汽車及吊機(jī)通過的需要[10]。確保鋼桁梁連接部分可有效銜接，結(jié)合拓寬部分基礎(chǔ)沉降位移，設(shè)定7d與14d 養(yǎng)護(hù)時間，進(jìn)而降低拓寬鋼桁梁的沉降，保證了整體81m公鐵分離鋼桁梁施工工程的穩(wěn)定性，完成81m公鐵分離鋼桁梁技術(shù)的研究。

2 實(shí)例分析

2.1 實(shí)驗準(zhǔn)備。為構(gòu)建實(shí)驗，實(shí)驗對象選取某正在施工的81m公鐵分離鋼桁梁，并對整體鋼筋主體工程參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。其中包括：采用三角桁式，桁高11m，主桁中心距5.75m，節(jié)間長8m。施工區(qū)域巖層傾向156°-186°，傾角在56°-69°左右，線路沿線沒有斷層通過，巖體受應(yīng)力作用相對微弱，且?guī)r體層面層間結(jié)合較差，存在薄層狀泥化現(xiàn)象。分別使用傳統(tǒng)施工技術(shù)以及本文設(shè)計施工技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗，設(shè)置傳統(tǒng)的施工技術(shù)為實(shí)驗對照組。依照81m公鐵分離鋼桁梁施工要求，規(guī)范施工流程，先預(yù)制主梁柱。在保證不受到外部環(huán)境干擾的條件下，使用本文設(shè)計的施工技術(shù)對鋼桁梁進(jìn)行施工，設(shè)計10個監(jiān)測點(diǎn)。記錄監(jiān)測點(diǎn)的穩(wěn)定承載力，定義該組為實(shí)驗組。再使用傳統(tǒng)的施工技術(shù)進(jìn)行施工，記錄穩(wěn)定承載力，定義該組為對照組。將實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)而判斷兩種施工技術(shù)的施工質(zhì)量。

2.2 實(shí)驗結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計的實(shí)驗步驟，采集10 組實(shí)驗數(shù)據(jù)，將兩種施工技術(shù)下的鋼桁梁施工穩(wěn)定承載力進(jìn)行對比，鋼桁梁施工穩(wěn)定承載力對比結(jié)果，如表1 所示。通過表1 可得出如下的結(jié)論：本文設(shè)計的施工技術(shù)鋼桁梁施工穩(wěn)定承載力最高為887.514Mpa，實(shí)驗對照組為414.378Mpa。通過實(shí)驗結(jié)果證明，所設(shè)計的施工技術(shù)其各項功能均可以滿足施工總體要求，可以廣泛應(yīng)用于81m公鐵分離鋼桁梁施工方面。

結(jié)束語

通過本文提出的81m公鐵分離鋼桁梁施工技術(shù)可有效地提高鋼桁梁施工穩(wěn)定承載力，避免由于鋼桁梁移位造成施工安全問題，影響整體工程安全。通過以上研究，能夠取得一定的研究成果，證明此次研究是具有現(xiàn)實(shí)意義的。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大本文設(shè)計施工技術(shù)在81m公鐵分離鋼桁梁施工中的應(yīng)用。由于此次研究時間有限，雖然取得了一定的研究成果，但對于該技術(shù)研究還不足，今后還要對其進(jìn)行進(jìn)一步研究，為81m公鐵分離鋼桁梁施工的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考依據(jù)。本文設(shè)計的施工技術(shù)在保證施工安全方面中的具體優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)出來，有必要加大對其的研究力度。