劉玉娟，郭銳

（1.山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 太原 030031；2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030012）

1 引言

我國現(xiàn)有裝配式公路鋼橋的最大架設(shè)跨度為69m，實(shí)際應(yīng)用中架設(shè)最大跨度僅為60m。隨著我國大跨徑橋梁的增多，現(xiàn)有的裝配式結(jié)構(gòu)已無法滿足交通運(yùn)輸、抗震救災(zāi)、水毀等橋梁的應(yīng)急搶修需求[1]。在此背景下，結(jié)合交通運(yùn)輸部企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資助項(xiàng)目《軍民兩用新型大跨裝配式公路鋼橋》（2013315490060），提出了一種新型的裝配式管桁架公路鋼橋，該方案是在英國艾克羅裝拆式橋產(chǎn)品的基礎(chǔ)上提出來的，將桿件改為強(qiáng)度和剛度更高的矩形鋼管，通過節(jié)點(diǎn)箱用銷栓進(jìn)行連接，以加快拼裝速度。

裝配式橋梁的拼裝架設(shè)方法有滿堂支架法、設(shè)臨時(shí)墩法、懸臂推出法、整孔吊裝法和轉(zhuǎn)體法，其中，滿堂支架法適用于跨越干涸或水深較淺、凈空不高的河道，設(shè)臨時(shí)墩法適用于跨越干涸或水深較淺的河道或山谷，懸臂推出法適用于不能架設(shè)支架或臨時(shí)墩的溝谷，整孔吊裝法適用于交通便利或大型設(shè)備可以進(jìn)入的場地或通航河道，轉(zhuǎn)體法適用于順橋向預(yù)制場地狹窄或兩岸山體強(qiáng)度較高的情形。蔣曙萍[2]分析了ZB-450型大跨度裝配式公路鋼橋的鋼橋拼裝、架設(shè)的要點(diǎn)及難點(diǎn)，該橋采用懸臂推出法架設(shè)橋梁。昌燈明等[3]以洪塘大橋西側(cè)引橋段的施工為例，對(duì)全橋的懸臂推出法進(jìn)行了有限元分析和靜載試驗(yàn)。楚玉川等[4]利用ANSYS對(duì)裝配式鋼橋的“跨騎式”和“懸掛式”兩種架設(shè)方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了比較分析。研究發(fā)現(xiàn)，懸臂推出法的適用性較高，技術(shù)也較為成熟，故本文采用兩種不同的導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)對(duì)裝配式管桁架公路鋼橋進(jìn)行懸臂推出法的有限元模擬分析，重點(diǎn)分析研究施工過程中結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力和穩(wěn)定性問題，為該新型裝配式管桁架公路鋼橋的推廣應(yīng)用提供參考。

2 裝配式管桁架公路鋼橋構(gòu)造

2.1 桁架組成

裝配式管桁架公路鋼橋的組成包括主桁架、支撐體系和橋面系。上下弦桿、斜腹桿、豎腹桿及節(jié)點(diǎn)箱構(gòu)成主桁架部分；支撐體系包括上平聯(lián)和下平聯(lián)，其中上平聯(lián)由橋門架、中橫聯(lián)、拉桿組成，下平聯(lián)由連接橫梁之間的拉桿組成；橫梁、縱梁和U型鋼橋面板組成橋面系。具體組成如圖1所示。

2.2 桁架單元

如圖2 所示，上下弦桿是采用長度為9000mm 矩形鋼管，截面尺寸為250mm×250mm×24mm；豎腹桿和斜腹桿均采用截面尺寸為250mm×250mm×10mm 的矩形鋼管，長度分別為5710mm和6683mm；橋門架和中橫聯(lián)采用定制長度的管桁架單元；上平聯(lián)中的拉桿采用d30的圓鋼，下平聯(lián)中的拉桿采用70mm×70mm×8mm的角鋼；橫梁采用40 號(hào)工字鋼，縱梁采用100mm×100mm×6mm的矩形鋼管，橋面板采用U型鋼橋面板。

圖2 桁架單元（mm）

2.3 桁架連接構(gòu)造

裝配式管桁架公路鋼橋的連接構(gòu)造擬采用節(jié)點(diǎn)箱銷接連接體系，各桿件的長度在有限元計(jì)算分析時(shí)，選取的是結(jié)構(gòu)的節(jié)間長度，未考慮節(jié)點(diǎn)箱部分的尺寸，上下弦桿的端部通過釋放梁端約束的方式進(jìn)行銷接連接的模擬。

3 懸臂推出法架橋程序

3.1 架橋程序

裝配式公路鋼橋采用懸臂推出法進(jìn)行施工，一般的步驟為：

①對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，并選擇合適的橋位中線，以確定橋梁的合適跨徑。

②提出擬建處的基礎(chǔ)處理方案，計(jì)算填挖數(shù)量，確定基礎(chǔ)標(biāo)高。

③搖滾和平滾安裝好后，拼好橋梁，采用機(jī)械牽引，推出橋梁[5]。

④推出過程中應(yīng)保持橋梁平衡，橋梁的重心在整個(gè)推出過程中應(yīng)在推出的岸上。

⑤橋梁落座前，拆除導(dǎo)梁，千斤頂所承受的力應(yīng)均勻傳至結(jié)構(gòu)，確保一次落座。

3.2 推出穩(wěn)定校核

公路鋼橋采用懸臂推出架設(shè)時(shí)，為保證推出過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[6，7]，需對(duì)下述問題進(jìn)行驗(yàn)算：

①平衡狀態(tài)的滾軸承載力校核。

當(dāng)推出至搖滾前后處于平衡狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的推出重量均由搖滾承受，因此需對(duì)所有搖滾的承載力進(jìn)行校核。

②正橋尚未搭上搖滾的滾軸承載力校核。

臂架推進(jìn)對(duì)岸搖滾，正橋并沒有搭上搖滾，這一階段就會(huì)出現(xiàn)對(duì)岸搖滾最大負(fù)荷，此時(shí)只有兩個(gè)搖滾支持著橋架（正橋搭上后才有四個(gè)搖滾支撐），需對(duì)所有滾軸的承載力進(jìn)行校核。

③推出時(shí)橋梁的穩(wěn)定性驗(yàn)算。

橋梁推出過程中，搖滾穩(wěn)定力矩要比傾覆力矩大。

3.3 下弦接頭的應(yīng)用

橋梁在推出時(shí)，由于自身重量使導(dǎo)梁下垂，以及對(duì)岸標(biāo)高高于推出岸，使導(dǎo)梁前段低于對(duì)岸搖滾標(biāo)高而無法搭上，須在導(dǎo)梁下弦相鄰的兩節(jié)桁架之間安裝下弦接頭[8]，用銷子連接起來，使導(dǎo)梁前端翹起，以便獲得一定的抬高度。抬高度必須大于兩岸高差與導(dǎo)梁前端下垂度之和，從而使橋梁順利到達(dá)并通過對(duì)岸搖滾[9，10]。

下弦接頭在導(dǎo)梁各種位置的鼻端抬高高度見表1。

表1 接頭位置和導(dǎo)梁端抬高度

4 施工階段模型建立

懸臂推出法需要在鋼梁前端設(shè)置導(dǎo)梁，根據(jù)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)不同分為兩種方案：一是采用裝配式管桁架拼裝單元作導(dǎo)梁，二是用貝雷片作導(dǎo)梁。

4.1 裝配式管桁架拼裝單元作導(dǎo)梁

采用裝配式管桁架拼裝單元在橋的前端或后部組裝一個(gè)臨時(shí)的導(dǎo)梁或尾部壓重梁，導(dǎo)梁與主梁之間通過特殊的連接桿件進(jìn)行連接，如圖3所示。這種牽引方法適用于裝配式管桁架拼裝單元己經(jīng)成為常備構(gòu)件的情況，前提條件是備用構(gòu)件較多且在最大荷載下下弦桿能夠承受所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。

圖3 裝配式管桁架拼裝單元作導(dǎo)梁的懸臂推出法

導(dǎo)梁采用裝配式管桁架拼裝單元拼裝而成，最大程度利用已有構(gòu)件。導(dǎo)梁的結(jié)構(gòu)形式與主梁相似，上、下弦采用主梁結(jié)構(gòu)豎腹桿，斜腹桿采用主梁結(jié)構(gòu)豎腹桿和斜腹桿，橫向聯(lián)系采用原結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系，節(jié)點(diǎn)連接采用專門用于導(dǎo)梁的節(jié)點(diǎn)箱。90m跨徑推出方案的導(dǎo)梁全長57.07m，為主梁長度的0.634倍。導(dǎo)梁在前端第二、三節(jié)間的下弦處裝設(shè)有抬高節(jié)點(diǎn)箱，使前端翹起以抵消導(dǎo)梁的下?lián)隙龋缛杂邢聯(lián)系綄?duì)岸后將前端頂起，則導(dǎo)梁能到達(dá)對(duì)岸的搖滾上，以使橋梁順利就位，如圖4所示。

圖4 推進(jìn)鋼梁布置圖

考慮場地的限制，頂推過程中主桁架分為6段進(jìn)行拼裝，每段為兩節(jié)桁架，長18m，最后一段壓重梁段為3節(jié)桁架，長27m，如圖5所示。頂推前，需要對(duì)導(dǎo)梁進(jìn)行提前拼接，同時(shí)還需要提前拼接第1個(gè)主桁梁段。

圖5 主桁分段示意圖

為適應(yīng)較短的拼裝場地，懸臂推出分10次進(jìn)行，即導(dǎo)梁和第1個(gè)主桁梁段拼裝完后第一次推出懸臂，當(dāng)主桁架拼完梁段后進(jìn)行第二次推出，依次類推，待主桁架拼裝完后，進(jìn)行最后一次推出導(dǎo)梁至對(duì)岸。當(dāng)導(dǎo)梁到達(dá)對(duì)岸，結(jié)構(gòu)由懸臂體系轉(zhuǎn)換為簡支體系后，即可進(jìn)行邊牽引邊拆卸導(dǎo)梁直至主桁架到位。

4.2 貝雷片作導(dǎo)梁

采用貝雷片作導(dǎo)梁的懸臂推出法在傳統(tǒng)的“321”型和“200”型裝配式鋼橋上應(yīng)用較成熟。導(dǎo)梁的結(jié)構(gòu)形式是三排三層，如圖6所示。由于本橋主桁架與“321”型和“200”型裝配式鋼橋相比桁高較高，對(duì)于主桁架連接處導(dǎo)梁來講，其必須要保證是三層結(jié)構(gòu)。導(dǎo)梁在條件允許的情況下可以選擇三排或雙排結(jié)構(gòu)，最好不要采用單排桁架。

圖6 貝雷片作導(dǎo)梁的懸臂推出法

導(dǎo)梁是用貝雷片拼裝而成。導(dǎo)梁的結(jié)構(gòu)形式為變截面梁，即用貝雷片按三排三層、三排雙層、雙排雙層、雙排單層、單排單層并按每四節(jié)間變化的規(guī)則拼裝，在前端第二、三節(jié)間的下弦處裝有下弦接頭，使前端翹起以抵消導(dǎo)梁的下?lián)隙?，使?dǎo)梁能順利到達(dá)對(duì)岸的搖滾上，從而使橋梁順利就位。導(dǎo)梁尾部是采用貝雷連接桿豎向一側(cè)與裝配式管桁架單元的連接，背向一側(cè)的下端連接于主桁架端節(jié)點(diǎn)箱上，上端與斜連接桿的下端相連，而斜連接桿的上端被連于上弦桿端節(jié)點(diǎn)箱上，橫向連接是用“600”型桁架的專用長橫梁、支撐架和交叉桿等組拼成整體。導(dǎo)梁由21 節(jié)“321”標(biāo)準(zhǔn)貝雷片連接而成，總長63m。具體布置如圖7所示。

圖7 推進(jìn)鋼梁布置圖

主桁分5段，如圖8所示。各段長度分別為13.5m、18m、18m、18m、22.5m，最后一段壓重梁段為3節(jié)桁架，長度為27m。

圖8 主桁分段示意圖

為適應(yīng)較短的拼裝場地，懸臂推出分10次進(jìn)行，即導(dǎo)梁和第1 個(gè)主桁梁段拼裝完后第一次推出，懸臂長18m，當(dāng)主桁架拼完梁段后進(jìn)行第二次推出，懸臂長36m，依次類推，每次推出18m。待主桁架拼裝完后，進(jìn)行最后一次推出導(dǎo)梁至對(duì)岸。當(dāng)導(dǎo)梁到達(dá)對(duì)岸，結(jié)構(gòu)由懸臂體系轉(zhuǎn)換為簡支體系后，即可進(jìn)行邊牽引邊拆卸導(dǎo)梁，直至主桁架到位。

5 結(jié)果分析

5.1 位移值

采用兩種形式的導(dǎo)梁進(jìn)行施工階段分析后得到各施工階段的位移值，見表2，其中在最大懸臂階段的位移等值線如圖9所示。

表2 施工階段位移值

圖9 最大懸臂階段位移圖

由表2和圖9可知，采用懸臂推出法在最大懸臂階段（CS5）導(dǎo)梁懸臂端的位移最大，當(dāng)采用裝配式管桁架拼裝單元作導(dǎo)梁時(shí)位移值為79.16cm，當(dāng)采用貝雷片作導(dǎo)梁時(shí)位移值為110.70cm，由表1可知，在安裝下弦接頭后可使得導(dǎo)梁前端翹起，以便獲得一定的抬高度，因此位移均在合理范圍之內(nèi)。

5.2 組合應(yīng)力

采用兩種形式的導(dǎo)梁進(jìn)行施工階段分析后，得到各施工階段的組合應(yīng)力值見表3，其中在各主要階段的應(yīng)力圖如圖10、圖11所示。

表3 施工階段組合應(yīng)力值

圖10 主要施工階段組合應(yīng)力圖-裝配式管桁架拼裝單元作導(dǎo)梁

圖11 主要施工階段組合應(yīng)力圖-貝雷片作導(dǎo)梁

由表3和圖10、圖11可知：

裝配式管桁架拼裝單元作導(dǎo)梁時(shí)，推出岸搖滾處導(dǎo)梁上下弦桿應(yīng)力最大，導(dǎo)梁和主桁架連接處由于桁架桿件尺寸相差不大，應(yīng)力不大。組合應(yīng)力最大值出現(xiàn)在最大懸臂階段，最大拉應(yīng)力為168MPa，最大壓應(yīng)力為174MPa，均未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度。其他施工階段的導(dǎo)梁和主桁架單元應(yīng)力均較小，滿足強(qiáng)度要求。

貝雷片作導(dǎo)梁時(shí)，推出岸搖滾處導(dǎo)梁上下弦桿、導(dǎo)梁和主桁架連接處桁架構(gòu)件以及導(dǎo)梁層數(shù)和排數(shù)變化處豎桿應(yīng)力較大，在實(shí)際中可合理設(shè)計(jì)連接處使其截面變化變緩。組合應(yīng)力最大值出現(xiàn)在最大懸臂階段，最大拉應(yīng)力為305MPa，最大壓應(yīng)力為333 MPa，均未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度。其他施工時(shí)期，導(dǎo)梁和主桁架單元有著相對(duì)較小的應(yīng)力。

模型中所查看的應(yīng)力均為組合應(yīng)力，考慮了軸力和彎矩的共同作用，在建模中節(jié)點(diǎn)處做共結(jié)點(diǎn)處理。實(shí)際應(yīng)用中，桁架單元受軸力作用且由于連接板的存在應(yīng)視為鉸接，導(dǎo)梁處局部應(yīng)力稍大也較為合理。

5.3 屈曲系數(shù)

橋梁在懸臂推出過程中，很有可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，因此很有必要對(duì)施工階段橋梁進(jìn)行屈曲分析。利用Midas Civil對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，從而對(duì)施工階段裝配式管桁架公路鋼橋的整體穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)。在進(jìn)行屈曲分析時(shí)，考慮的屈曲荷載=自重+K×（公路Ⅱ級(jí)荷載+橫橋向風(fēng)荷載）?？紤]到裝配式結(jié)構(gòu)的特殊性，施工周期很短，在進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速取15m/s（相當(dāng)于7級(jí)風(fēng)）。

各施工階段的屈曲系數(shù)K、最大懸臂階段（CS5）的一階屈曲模態(tài)如圖12所示。

圖12 施工階段屈曲系數(shù)

與貝雷片作導(dǎo)梁時(shí)相比，采用裝配式管桁架拼裝單元作導(dǎo)梁時(shí)的各施工階段的屈曲系數(shù)總體更大些，總體趨勢基本一致，均為先下降后回升。采用兩種不同導(dǎo)梁的施工階段屈曲系數(shù)最小值均出現(xiàn)在最大懸臂階段（CS5），分別為16.62和4.87，除此之外，其他各施工階段的屈曲系數(shù)均大于4，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

5.4 穩(wěn)定校核

通過對(duì)懸臂推出法的施工階段進(jìn)行分析，需要對(duì)以下三種情形進(jìn)行穩(wěn)定性校核計(jì)算，以保證在整個(gè)施工過程中安全，避免發(fā)生傾覆。

5.4.1 平衡點(diǎn)時(shí)滾軸的承載力校核

當(dāng)橋推出至平衡點(diǎn)時(shí)，搖滾承受著主桁架和導(dǎo)梁的全部重量。

當(dāng)采用裝配式管桁架拼裝單元作導(dǎo)梁時(shí)，正橋重1846.3kN，導(dǎo)梁重719.9kN，總重2566.2kN。搖滾承受荷載亦是如此，搖滾中每一滾軸的設(shè)計(jì)荷載之和應(yīng)大于2566.2kN，以保證推出過程中的安全。

當(dāng)采用貝雷片作導(dǎo)梁時(shí)，正橋重1846.3kN，導(dǎo)梁重704.0kN，總重2550.3kN。一對(duì)搖滾承受荷載亦是如此，搖滾中每一滾軸的設(shè)計(jì)荷載之和應(yīng)大于2550.3kN，以保證推出過程中的安全。

全部重量落于搖滾上，前端雖有下垂度，但因抬高量比較大，故出現(xiàn)除梁壓于搖滾上外，其余滾軸全部與梁脫開，前端有少量的上、下起伏的“點(diǎn)頭”現(xiàn)象，此時(shí)可用工人穩(wěn)定，同時(shí)可調(diào)整梁偏移到正確位置。

5.4.2 正橋尚未搭上搖滾時(shí)滾軸的承載力校核

導(dǎo)梁完全推過對(duì)岸搖滾，同時(shí)正橋并沒有搭上搖滾，這種情況下就會(huì)出現(xiàn)對(duì)岸搖滾最大負(fù)荷，一付搖滾對(duì)桁架支撐。

G計(jì)算如下：

式中，為正橋跨徑，m；為導(dǎo)梁跨徑，m；為正橋重力，kN；為導(dǎo)梁重力，kN。

當(dāng)采用裝配式管桁架拼裝單元作導(dǎo)梁時(shí)，G 為935.5kN；當(dāng)采用貝雷片作導(dǎo)梁時(shí)，G 為973.6 kN。未超過平衡點(diǎn)時(shí)滾軸的設(shè)計(jì)荷載，故滿足要求。

5.4.3 推出時(shí)橋架的穩(wěn)定性驗(yàn)算

最不利的施工階段是最大懸臂階段，故對(duì)該階段進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

①當(dāng)采用裝配式管桁架拼裝單元作導(dǎo)梁時(shí)，懸臂段導(dǎo)梁重力W1=440.7kN；懸臂段正橋重力W2=493.47kN；搖滾之后正橋段重力W3=741.4kN。則有：

傾覆力矩M1=64.5W1+18W2=37308 kN·m

穩(wěn)定力矩M2=27W3=20018 kN·m

因此，該階段傾覆力矩M1＞穩(wěn)定力矩M2，考慮在正橋末端配置三節(jié)段主桁架（W4=360.5 kN）進(jìn)行壓重，壓重后穩(wěn)定力矩M2'=M2+67.5W4=44352kN·m，壓重后該階段的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.19（M2'/M1）。

②當(dāng)采用貝雷片作導(dǎo)梁時(shí)，懸臂段導(dǎo)梁分為三排三層、三排雙層、雙排雙層、雙排單層、單排單層多種布置，需分段計(jì)算傾覆力矩。重量分別為W11=222 kN、W12=134 kN、W13=99 kN、W14=59 kN、W15=46 kN。懸臂段正橋W2=426.2 kN；搖滾之后正橋段重力W3=948.9 kN。則有：

傾覆力矩M1=33W11+45W12+57W13+69W14+81W15+13.5W2=32561 kN·m

穩(wěn)定力矩M2=31.5W3=29862 kN·m

因此，該階段傾覆力矩M1＞穩(wěn)定力矩M2，考慮在正橋末端配置一段主桁架（W4=137kN）進(jìn)行壓重，壓重后穩(wěn)定力矩M2'=M2+76.5W4=43042 kN·m，壓重后該階段的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.32（M2'/M1）。

6 結(jié)語

①位移值最大值均出現(xiàn)在最大懸臂階段，采用貝雷片作導(dǎo)梁時(shí)的位移值大于采用“600”型管桁架構(gòu)件作導(dǎo)梁時(shí)的位移值，但均可通過安裝下弦接頭以使導(dǎo)梁前端翹起，因此各施工階段的位移均滿足要求。

②組合應(yīng)力最大拉壓應(yīng)力值均出現(xiàn)在最大懸臂階段，其中“600”型管桁架構(gòu)件作導(dǎo)梁時(shí)，最大拉壓應(yīng)力未超過材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度；貝雷片作導(dǎo)梁時(shí)，最大拉壓應(yīng)力超過材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度但未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度；其他施工階段的導(dǎo)梁和主桁架單元應(yīng)力均較小，滿足強(qiáng)度要求。

③兩種導(dǎo)梁方案下各施工階段的屈曲系數(shù)總體趨勢基本一致，屈曲系數(shù)最小值均出現(xiàn)在最大懸臂階段，各施工階段的屈曲系數(shù)均大于4，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

④通過對(duì)導(dǎo)梁在平衡點(diǎn)以及正橋尚未搭上搖滾時(shí)的滾軸的承載力進(jìn)行校核，只需搖滾的設(shè)計(jì)承載力達(dá)到計(jì)算值，即可保證結(jié)構(gòu)安全，最大懸臂推出階段的穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果表明，兩種導(dǎo)梁方案在該階段均需配置一定數(shù)量的梁段進(jìn)行壓重，以避免推出時(shí)發(fā)生傾覆。