大跨度钢桁架管桥设计分析与施工方案探讨

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。

5.3 施工要点

（1）张拉台座后需设置卷扬机，浮桥桥台与张拉台座的间距需根据成桥支架的拱轴线参数确定。

（2）预应力钢束应连接于张拉台座与浮桥之间的钢构件的台座端，并设置张拉锚具。

（3）在浮桥的伸缩缝铰链处设置连接于浮桥钢架和预应力钢束间的张拉引导架，张拉引导架的规格分布按照预应力张拉过程中浮桥中部先突起，由中间向两岸依次突起的原则设置。

（4）在伸缩缝铰链处安装上下限位钢板，保证在张拉过程中各节段仅可向下限位钢板方向转角，且每个铰链处的转角均可达到设计角度。

6 顶推施工总体流程

（1）在主跨桥墩附近搭设主桁架拼装平台并安设顶推系统。

（2）搭设预应力浮桥支架系统。

（3）逐段顶推钢桁架。

（4）主跨合龙。

7 结论及建议

（1）本桥的总体应力水平较低，基本可以满足承载力需求。

（2）本文计算成果仅为对桥梁结构整体应力水平的宏观评价，构件及节点均应按现行规范进行详细验算。

（3）本技术也适用于山区跨越深沟山谷的场地条件。

（4）本方案提供一种顶推施工临时墩的新型实现方式，将临时墩的施工转变为分环分段的方式进行，可节省工程造价，保护周边环境，降低施工难度，减少施工风险。