3×96m下承式简支钢桁梁架设方案分析

丁雁飞

摘要：曲江大桥墩高，桥址沟窄谷深，施工场地狭小。针对该桥的特点和实际情况，介绍几种主要的钢桁梁架设方案，结合经济性、安全性、优缺点等多方面的要求，通过对不同方案的比选和对选定方案施工过程及采用的辅助设施受力计算，介绍了多跨简支钢桁粱在高墩情况下的不同施工方法及特点，综合分析了曲江大桥的架设方案。

Abstract： The piers of Qujiang Bridge are high and there are narrow and deep cleughs on the bridge site. The construction site is narrow. According to the characteristics of the bridge and the actual situation， several main methods of steel truss beam erection are introduced. Combined with the requirements in economy， safety， advantages and disadvantages， through comparison of different methods and stress calculation of the construction process and auxiliary facilities of the selected method， different construction methods of multi-span simply supported steel truss beam in condition of high pier are introduced and the erection methods of Qujiang Bridge are analyzed comprehensively.

关键词： 铁路桥梁；高墩；大跨度下承式简支钢桁梁；架设方案

Key words： railway bridges；high pier；long-span through type simply supported steel truss beam；erection method

中图分类号：U441+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）06-0235-04

0 引言

近年来，随着我国经济的迅猛发展，用钢材建造的桥梁越来越多，钢桁梁又是铁路钢桥中使用最多的一种形式。钢桁梁的架设方法种类较多，如浮运安装法、拖拉法和悬臂拼装法等。根据不同的桥梁特点适合采用的架设方法将会有所不同，本文将针对曲江大桥的特点，对本桥钢桁梁的架设方案比选分析，为今后类似工程施工提供参考。

1 工程概况

曲江大桥是新建玉溪至蒙自铁路的一座重点桥梁（图1），桥址位于红河哈尼族、彝族自治州建水县曲江镇北东部曲江峡谷区，桥位处地质条件复杂，属低中山剥蚀、溶蚀地貌，地面高程为1308～1480m，相对高差约180m，自然横坡变化大。全桥孔跨布置采用3×32m简支T梁+3×96m下承式简支钢桁梁+（1×32+2×24）m简支T梁。3×96m下承式简支钢桁梁采用无竖杆平行弦三角形桁架，主体结构钢材材质采用Q345qD，桁高12.8m，节间长12m，主桁中心距为7.5m，预拼后最重杆件93kN，主桁杆件截面除端斜杆采用矩形截面外，其余均采用H形截面，钢梁总重20310kN。该桥钢桁梁架设由于墩高、跨度大，施工难度较大及风险性较高。

2 钢桁梁架设方案初选

根据以往的钢桁梁架设经验大致可分为浮运安装法、拖拉法和悬臂拼装法。本桥虽然跨越曲江，但桥址处水位低，不具备浮运条件，故不考虑浮运安装法；而拖拉法也常用于中小跨度及自重较小的钢桁梁，且在施工过程中需设置滑道和临时墩，因受到地形限制，不具备设置临时墩的条件；若采用加长、加大导梁的设置，则滑道只能布置在主墩上，对主桥受力不利，长导梁不但会使钢桁梁桥面系超荷过多，也会加大钢桁梁端部荷载，通过仿真模型验算后，发现主桥杆件也难以承受施工中的荷载。根据以上初步比选结果，应重点分析悬臂拼装法。

3 悬臂拼装方案

由于悬臂拼装法不采用临时支架，而是将钢梁杆件逐根依次拼装在一起，施工操作受地形影响较小，因此在钢桁梁架设中应用广泛，尤其是对桥墩高、跨度和自重大、跨越河流且不能浮运、不能采用满堂支架、主桥结构为连续钢桁梁或多孔简支钢桁梁时，悬臂拼装法有着不可替代的优势。

而曲江大桥所处的地形、跨度及多孔布置正适合采用悬臂拼装法施工。根据本桥投资及工期的要求，综合考虑施工方案的经济性、安全性、结构设计等因素，对本桥进行了两种悬臂拼装方案研究：

①对称悬臂拼装方案；

②单端悬臂拼装方案。

3.1 对称悬臂拼装方案

对称悬臂拼装方案是在4#、5#主墩上搭设临时支架形成工作平台，然后通过空中缆索吊分别在两主墩上对称安装钢桁杆件，由于受力要求，在5#墩钢桁梁对称悬臂安装5个节间时，需通过吊索塔架调整杆件内力及位移，此时4#墩在墩顶工作平台上对称悬臂3个节间与5#墩的钢桁梁进行中间合龙。

4#～5#墩间的钢桁梁合龙后，利用5#墩的吊索塔架不断调整索力，继续安装5#～6#墩剩余杆件，直至到达6#墩顶。此后，在4#墩搭设吊索塔架，并在相应位置挂索，借助索力调整安装3#～4#墩钢梁杆件。杆件安装完毕后，拆除吊索塔架，此时形成了3×96m下承式连续钢桁梁结构，将临时杆件和4#、5#墩的临时支架拆除即形成简支结构，钢梁安装完成（图2）。

3.2 单端悬臂拼装方案

单端悬臂拼装方案由玉溪端开始，首先在1#～3#墩之间搭设2×32m六四式铁路军用梁作为拼梁膺架，利用缆索吊机在军用梁膺架上拼装钢桁梁约60m，再分别沿0#台和4#墩方向继续悬拼，最后将已经拼装完毕的0#台～3#墩间96m钢桁梁作为锚梁，在0#台顶处压重或锚定，在3#墩顶处安装两孔钢桁梁间的临时联结杆件。

然后在钢桁梁顶部蒙自端安装起吊能力为15t的拼梁桅杆吊机，由缆索吊机吊装移位（因受钢桁梁杆件存放场地限制），桅杆吊机悬拼，利用第一孔梁继续向4#墩方向悬臂拼装，一直悬拼至第6个节间，同时在4#墩搭设临时托架，在托架上对称悬拼四个节间，通过千斤顶调整相对位置后合龙第二孔梁，这样就形成了2×96m的连续梁。按照此方法继续架设完成4#～5#墩的96m钢桁梁。

在拼装第三孔钢桁梁的同时，将0#台的锚梁和0#台～3#墩间的钢桁梁拆除，拆除的钢桁梁将在5#～6#墩之间拼装，拼装前需在6#墩旁搭设临时支墩并在上面安装钢桁梁的两个节间，待5#～6#墩间拼装6个节间后再将这两个节间与之合龙，这样就形成了3×96m连续钢桁梁，待将钢桁梁拼装的安装设备和连接3×96m钢桁梁的临时杆件拆除后，就完成了曲江大桥3×96m下承式简支钢桁梁的安装（图3）。

3.3 对称悬拼和单端悬拼方案对比

对称悬拼方案可以在4#、5#主墩同时进行施工，架设工期短。在经济方面，由于需要在4#、5#墩顶搭设临时施工平台，平台在施工中要提供对称悬臂支反力，结构需要加强，临时结构用量较大，又加上需要2台吊索塔架和4台拼架吊机；在施工安全上，4#、5#施工平台是施工设计的重点，钢梁安装过程中，施工平台要提供5个对称节间的支反力，此反力通过平台的临时杆件传至墩身，这对墩身设计及平台设计都提出较高要求；另外，在施工难度上，钢桁梁在跨中合拢，精度要求较高，施工难度大。

单端悬臂拼装时钢桁梁端部承受由大悬臂引起的巨大内力，因不使用吊索塔架，又要满足施工要求，需加强悬臂端钢桁梁下弦杆件，保证杆件受压时不失稳，同时减小下弦杆件的计算长度，但增加了临时杆件的用量；从设备投入上来看，由于单向施工，仅需投入1台拼架吊机，大大减少了施工设备的用量；从工期考虑，此方案将带来多安装和拆卸一孔96m锚梁，工期较长。另外，此方案需要进行临时联结杆件的和最大悬臂施工状态下杆件受力的分析，以及钢桁梁的位移计算。

经综合对比，单端悬臂拼装方案设备投入较少，施工难度较小，施工工期较长，因该桥不是控制性工程，故最终采用了该方案。下文将进行单端悬拼方案施工状态下的受力分析和计算。

3.4 单端悬臂拼装方案施工计算模型的建立和计算

3.4.1 一孔96m简支钢桁梁的建立

以单端悬臂拼装方案为出发点进行建模工作，共计考虑施工过程中的4个施工阶段。为校核模型的准确性，先单独建立一孔96m简支钢桁梁（图4），对其恒载部分与施工设计图纸提供的计算结果进行比较。

各杆件截面、截面方向和对应的材料特性严格按设计图纸给出的规格输入计算机软件。主桁立面在不考虑后期桥面、人行道等恒载作用主桁杆件自重作用下的位移最大值为38mm，发生在跨中截面。这与施工图纸提供的恒载作用下的跨中挠度50.1mm相比较偏小，说明其他恒载的作用效应将为12.1mm，两者并不矛盾，也间接反映模型的合理性。主桁杆件在自重作用下杆件的组合应力最大值都很小，拉为52.2MPa，压为43.3MPa。

3.4.2 施工阶段-I

该施工阶段是以1#～3#墩之间搭设2×32m六四式铁路军用梁作为拼梁膺架来实现的。拼梁膺架形式采用双层8片，即每侧4片，两侧之间中-中间距为7.5m，为保证墩身受力均匀及满足六四式军用梁中-中挑出尺寸的要求，在2#、3#墩顶布设I56工字钢梁做分配梁，然后拼组六四式军用梁。主桁体系的受力是在节间处通过横向垫木把荷载传递到拼梁膺架上。以此表述构造计算模型（图5）。

计算结果：

①最大位移发生在3#墩处，最大位移fmax=46.6mm（↓），比整片钢桁梁自重产生的跨中位移还大。结果的不一致，原因是施工阶段-I钢桁梁在0#台锚固或压重，另一端并未约束，只是中间部分支撑在军用梁膺架上，钢桁梁形式相同，约束不同导致结果不同。

②施工设计图中A2A3以及E2E3两根杆件具有最大的轴向应力，A2A3：σax=15.6MPa（压），E2E3：σax=14.7MPa（拉）。

③施工设计图中A2A3以及E3E4两根杆件具有最大的组合应力，A2A3：σcombined=25.1MPa（压），E3E4：σcombined=27.7MPa（应力拉）。

④军用梁最大轴力发生在2#～3#墩间拼梁膺架横向内、外侧的两片军用梁上，最大压杆轴力Nax=385kN（压），最大拉杆轴力Nax=407kN（拉）。

⑤军用梁最大位移发生在2～3#间拼梁膺架横向内外侧军用梁上，其值为fmax=26.4mm（↓）。

3.4.3 施工阶段-II

该施工阶段在阶段-I的基础上进一步向96m跨度方向扩展，此时务必采用膺架上已成的钢桁梁作为锚梁，两孔钢桁梁之间通过临时杆件的连接传力。当悬臂施工接近4#墩时为该施工阶段的最不利受力状态，考虑了部分人员和机具重量。以此为基础构建计算模型（图6）。

结论：

①最大位移发生在最大悬臂端，最大位移fmax=433mm （↓）。

②最大组合应力发生在临时杆件上，上弦杆件σcombined=223.7MPa（拉），下弦杆件σcombined=613.8MPa（压）。

③下弦杆件因弱化为只输入下弦杆件的截面特征，并未考虑到在这种在支座处较短杆件下局部连接的截面特性增大效应，因此应力结果为名义计算应力，如果相应增大截面特征会有效降低临时下弦杆件的计算应力。

④Q345qD基本容许应力中：弯曲应力[σw]=1.05[σ]=210MPa，上弦临时杆件的应力已经超出弯曲容许应力6.5%，幅度不大，原施工图纸上提供的上下弦杆件可以采用。

⑤军用梁最大杆件轴力Nax=±54kN （拉或压）。

⑥军用梁最大位移发生在跨间跨中位置，其值较小，为fmax=3.6mm（↓）。

⑦因锚梁在0#台和3#墩都有约束，施工中悬臂荷载使得锚梁部分上翘，实际对拼梁膺架压力减小，所以拼梁膺架在本阶段受力和变形都较小。

3.4.4 施工阶段-III

延续施工阶段-II进一步向5#墩方向扩展，此时4#墩顶的临时杆件承担悬臂施工状态下的传力，0#台至4#墩已完成两片钢桁梁作为锚梁。当悬臂施工接近5#墩时的施工状态为该施工阶段最不利的受力状态，考虑了部分人员和机具重量，以此为基础构建计算模型（图7）。

结论：

①施工中最大位移发生在最大悬臂端，最大位移fmax=500mm （↓）。

②最大组合应力发生在4#墩处的临时杆件上，上弦杆件σcombined=216.5MPa（拉），下弦杆件σcombined =323.7MPa（压）。

③下弦杆件计算应力与施工阶段-II中相同。

④Q345qD基本容许应力中：弯曲应力[σw]=1.05[σ]=210MPa，上弦临时杆件的应力已经超出弯曲容许应力3.1%，幅度不大，原施工图纸上提供的上下弦杆件可以采用。

⑤军用梁最大位移发生在1#～2#墩跨间跨中位置，其值较小，为fmax=13.5mm（↓）。

⑥军用梁最大轴力发生在1#～2#墩间跨中位置杆件上，最大杆件轴力Nax=-169kN（压），Nax=185kN（拉）。

⑦因在0#台和4#墩区间两片锚梁都有独立支座，施工中实际对拼梁膺架压力减小，所以拼梁膺架在本阶段受力和变形都较小。

3.4.5 施工阶段-IV

延续施工阶段-III进一步向6#墩方向扩展，此时5#墩顶的临时杆件承担悬臂施工状态下的最大应力，3#墩至5#墩已完成两片钢桁梁作为锚梁。当悬臂施工接近6#墩时的施工状态为该施工阶段最不利的受力状态，考虑了部分人员和机具重量，以此为基础构建计算模型（图8）。

结论：

①施工中最大位移发生在最大悬臂端，最大位移fmax=510mm （↓）。

②最大组合应力发生在5#墩处的临时杆件上，上弦杆件σcombined=230.7MPa（拉），下弦杆件σcombined=327.7MPa （压）。

③下弦杆件计算应力与施工阶段-II中相同。

④Q345qD基本容许应力中：弯曲应力[σw]=1.05[σ]=210MPa，上弦临时杆件的应力已经超出弯曲容许应力9.8%。考虑到施工状态和杆件的临时使用等特点，原施工图纸上提供的上下弦杆件可以采用，但加强后使用更为合适。

4 结语

首先，从两个详细比选施工方案来看，对称悬拼方案工期最短，适合工期紧张的工程采用，但该方案临时设备和临时钢材用量较大，且施工难度较大；单端悬臂拼装方案除架梁吊机外，基本不采用吊索塔架这样的大型设备就能完成，降低了施工难度，但工期要相对长一些。其次，通过对单端悬臂拼装方案施工计算模型的建立和计算，提供了可靠的技术保障。

本文对玉溪至蒙自铁路曲江大桥初步选定的两种钢桁梁架设方案进行了比选，并对最终选定的方案进行了计算分析，希望能为同类型桥梁的架设提供参考。

参考文献：

[1]TB 10002.2-2005，铁路桥梁钢结构设计规范Es3[S].

[2]铁道专业设计院.钢桥[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[3]铁道部第三工程局.铁路工程施工技术手册——桥涵[M] 北京：中国铁道出版社，1994.