81m 公铁分离钢桁梁施工技术研究

张义强 梁显伟 林继胜 张丽丽

（中交一公局集团有限公司，北京100024）

81m公铁分离指的是跨度为81m公路与铁路分离的交通运输方式，以其运输能力强以及安全性高的优点被广泛应用。根据我国对跨度的标准划分，81m公铁分离属于大跨度范围内。钢桁梁作为81m公铁分离桥梁工程中的重要组成部分，其施工的质量能够直接影响整个桥梁工程的施工质量。因此，保证81m公铁分离钢桁梁施工质量是桥梁工程施工中的重要环节。在我国，针对81m公铁分离钢桁梁施工技术研究中，普遍停留在理论层面，创新程度低，在实际应用中无法达到预期的效果，证明研究仍然存在很大程度上的局限性[1]。在国外，针对81m公铁分离钢桁梁施工技术的研究起步较早，在实际投入设计中取得成功的案例并不少见，其中包括：俄亥俄州和肯塔基州之间跨越俄亥俄州河的Sciotoville 公铁分离下承式连续钢板梁桥，通过在钢桁梁施工技术中加设加劲弦的桁架形式，使设计出的钢桁梁具有更高的稳定性以及承载力，对提升桥梁耐久性起到十分重要的作用，取得了较为突出的研究成果。但由于此种施工工艺较为复杂，需要由专业的施工人员进行结构的初期设计，且施工建设周期较长。本文以此为研究依据，提出81m公铁分离钢桁梁施工技术研究，通过对81m公铁分离钢桁梁施工技术展开优化设计，致力于提升桥梁整体稳定性，为交通运输行业的持续发展提出专业的技术指导。

1 81m 公铁分离钢桁梁施工技术

在本文设计的81m 公铁分离钢桁梁施工技术中，结合81m 公铁分离钢桁梁施工的具体环境，在传统的施工技术上加以创新，通过数值模拟的方式进行力学分析。本文针对设计的81m公铁分离钢桁梁施工技术中三步主要环节进行重点阐述，具体研究内容，如下文所示。

1.1 钢桁梁施工数值模拟。在此次81m 公铁分离钢桁梁施工中，采用有限元法对施工数值进行模拟[2]。有限元法将81m公铁分离钢桁梁施工数值模拟分成两部分，一是对施工过程数据模拟，二是对钢桁梁支护和加固数据模拟。对于施工过程中数值模拟主要是利用有限元软件实现在膺架上荷载的施加和释放的循环，每一次荷载循环代表一个施工步骤，所以在数值模拟过程中对于荷载施加不能一次完成。基于此，可采用阶段式叠加方法，通过多个增量步对施工过程中每个施工步骤荷载进行增加，荷载的释放是采用相同方法[3]。应用有限元方法对施工过程数值模拟分析的过程中荷载的释放与施加是通过相关系数来控制的，其有限元分析表达式，如公式（1）所示：

在公式（1）中，K 指的是当前模拟的施工阶段中周围岩体和结构的总刚度矩阵；H 指的是此次施工步骤总数；L 指的是膺架主桁顶面结构初始总刚度矩阵；G指的是施工过程中，当前模拟的施工阶段的岩体和结构刚度的增量和减量；D指的是当前模拟的施工阶段开挖边界上的释放荷载的等效结点力；S指的是当前模拟的施工阶段新增自重的等效结点力；R 指的是当前模拟的施工阶段增量荷载的等效结点力；Q指的是当前模拟的施工阶段结点位移增量。根据公式（1），推导出每个施工阶段中荷载增量加载过程的有限元分析表达式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，A 指的是当前模拟的施工阶段中施加荷载增量步时的刚度矩阵；α 指的是各个施工步增量加载的次数；δ 指的是当前模拟的施工阶段荷载增量步相应的开挖边界荷载释放系数；κ指的是荷载增量步新增单元自重等的等效结点力；指的是荷载增量步的节点位移增量；p 指的是荷载增量步增量荷载的等效结点力。通过有限元分析公式（1）、（2）对施工过程数值模拟分析。对于钢桁梁支护和加固数值模拟需要结合具体施工情况，以此来确定所要采取的模拟措施。目前，81m公铁分离钢桁梁施工过程中采用的支护和加固措施有管棚注浆、小导管注浆等方法，所应用到的支护体为临时支墩，临时支墩的特点在于能够有效提高钢桁梁支护刚度，对于钢桁梁施工过程中周围岩体变形具有一定的抑制作用[4]。对于临时支墩力学模拟主要考虑等效替换，将混凝土与临时支墩进行强度等效替换，从而使临时支墩力学模拟转换为等抗压强度的混凝土力学模拟，降低数值模拟难度，其有限元分析表达式，如公式（3）所示。

在公式（3）中，E 指的是折算后的是混凝土弹性模量；g 指的是原混凝土弹性模量；s 指的是临时支墩横截面积；q 指的是钢材弹性模量；v指的是混凝土横截面积。利用公式（3）对钢桁梁支护和加固数值模拟，以此实现了对81m公铁分离钢桁梁施工数值模拟部分，为钢桁梁施工提供理论数据。

1.2 钢桁梁施工沉降计算。通过钢桁梁施工数值模拟分析可知，在钢桁梁施工过程中，由于每个施工步骤荷载的不断增加，必然会出现钢桁梁与桥面接触处沉降的现象，对连接部分结构带来较为不利的影响，降低连接施工的稳定性[5]。在钢桁梁施工沉降计算中，首先，应确定钢桁梁施工中的基础沉降范围，依照其沉降规律，计算钢桁梁沉降位移。设钢桁梁沉降位移为S，则其计算公式，如公式（4）所示。

图1 钢桁梁施工沉降

表1 钢桁梁施工稳定承载力对比结果

在公式（4）中：i 指的是沉降位移取值范围，通常以1 个单位为标准；n 指的是钢桁梁沉降范围中的分层数量；h 指的是施工中钢桁梁的竖向刚度；e 指的是施工中钢桁梁的轴向刚度。结合上述计算公式，可得出钢桁梁沉降的基础位移[6]。由于钢桁梁沉降需要时间，因此在距离连接施工过程中，可使用有限单元递增法，计算每一段假定时间内的沉降位移，记录位移发生时刻，探索其发生的沉降规律，将沉降范围控制在允许范围内。引入施工简化模式计算钢桁梁施工中可承载的极限荷载力，分担沉降产生的部分作用力。若施工中未考虑到沉降位移差，会造成钢桁梁连接部分出现下沉偏移。钢桁梁施工沉降示意图，如图1 所示。如上述图1 所示，应在施工技术应用中考虑钢桁梁连接部分压缩形变的绝对大小，获取沉降绝对数值，绘制沉降位移与沉降时间的直接关系，拟合曲线方程，得出拓宽连接部分发生沉降时自身的附加力，为后续连接施工架设提供数据。

1.3 钢桁梁施工架设。通过对具体计算结果的分析，确定了钢桁梁施工连接部位的一致性[7]。使用4 根主梁柱作为钢桁梁支撑点，按照标准施工技术要求，设计81m公铁分离钢桁梁施工架设流程。第一步：使用校准设备对待拼接的钢桁梁实施校准处理，做起顶支墩，采用万能杆件沿桥轴线拼装[8]。用130t 汽车吊机拼装节间钢梁，一经发现不满足检测要求的施工区域，应在最快时间做出反应，避免对后期施工造成连续影响。第二步，按拼装吊机走行的要求，铺装厚度20～30cm 的混合碎石并平整压实硬化处理以及建立排水系统[9]。使用2 辆或4 辆运输梁板平车以均匀速度移动钢桁梁（将移动速度调整在7.5～9.5m/s 之间），当前段运输车到达起重机端时，使用前吊车的钢丝绳环调前梁端，等待钢桁梁施工稳定，此时后平车以4.55～4.65m/s 的速度匀速先前运行，当其达到起重机后端时，使用相同方法吊起钢桁梁后端，反复循环上述操作，进行精准对位，直至连接施工架设完成。第三步：待钢桁梁整体架设完成后，钢梁实际预拱度与进场道路及施工便道沿线桥涵构造物的允许承载力需要调查核实，要求满足130t 重型汽车及吊机通过的需要[10]。确保钢桁梁连接部分可有效衔接，结合拓宽部分基础沉降位移，设定7d与14d 养护时间，进而降低拓宽钢桁梁的沉降，保证了整体81m公铁分离钢桁梁施工工程的稳定性，完成81m公铁分离钢桁梁技术的研究。

2 实例分析

2.1 实验准备。为构建实验，实验对象选取某正在施工的81m公铁分离钢桁梁，并对整体钢筋主体工程参数进行设计。其中包括：采用三角桁式，桁高11m，主桁中心距5.75m，节间长8m。施工区域岩层倾向156°-186°，倾角在56°-69°左右，线路沿线没有断层通过，岩体受应力作用相对微弱，且岩体层面层间结合较差，存在薄层状泥化现象。分别使用传统施工技术以及本文设计施工技术进行实验，设置传统的施工技术为实验对照组。依照81m公铁分离钢桁梁施工要求，规范施工流程，先预制主梁柱。在保证不受到外部环境干扰的条件下，使用本文设计的施工技术对钢桁梁进行施工，设计10个监测点。记录监测点的稳定承载力，定义该组为实验组。再使用传统的施工技术进行施工，记录稳定承载力，定义该组为对照组。将实验数据进行对比，进而判断两种施工技术的施工质量。

2.2 实验结果分析与结论

根据上述设计的实验步骤，采集10 组实验数据，将两种施工技术下的钢桁梁施工稳定承载力进行对比，钢桁梁施工稳定承载力对比结果，如表1 所示。通过表1 可得出如下的结论：本文设计的施工技术钢桁梁施工稳定承载力最高为887.514Mpa，实验对照组为414.378Mpa。通过实验结果证明，所设计的施工技术其各项功能均可以满足施工总体要求，可以广泛应用于81m公铁分离钢桁梁施工方面。

结束语

通过本文提出的81m公铁分离钢桁梁施工技术可有效地提高钢桁梁施工稳定承载力，避免由于钢桁梁移位造成施工安全问题，影响整体工程安全。通过以上研究，能够取得一定的研究成果，证明此次研究是具有现实意义的。在后期的发展中，应加大本文设计施工技术在81m公铁分离钢桁梁施工中的应用。由于此次研究时间有限，虽然取得了一定的研究成果，但对于该技术研究还不足，今后还要对其进行进一步研究，为81m公铁分离钢桁梁施工的进一步优化提供参考依据。本文设计的施工技术在保证施工安全方面中的具体优势已经显现出来，有必要加大对其的研究力度。