大跨度連續(xù)鋼桁梁橋無支墩頂推施工可行性分析

周洪順

（中鐵十四局集團有限公司，山東濟南250014）

大跨度連續(xù)鋼桁梁橋無支墩頂推施工可行性分析

周洪順

（中鐵十四局集團有限公司，山東濟南250014）

無支墩頂推施工技術具有不影響通航、工期短和施工成本低等優(yōu)點，廣泛應用于鋼橋與預應力混凝土橋梁施工。國內外橋梁頂推施工，最大懸臂長超過160m的頂推施工案例較少，對大跨度橋梁無支墩頂推施工的研究有所不足。以東營黃河鐵路特大橋為工程背景，采用有限元方法，計算分析大跨度連續(xù)鋼桁梁橋無支墩頂推施工方法的可行性。研究結果表明，設置80m長導梁，不能滿足結構強度要求；設置100m或120m長導梁，可滿足施工過程中強度和穩(wěn)定性要求，故該橋采用頂推施工方案具有較大可行性。

頂推施工；大跨度橋梁；導梁；強度；穩(wěn)定性

大跨度連續(xù)鋼桁梁橋常用的施工方法有懸臂拼裝法、纜索吊機施工法、浮運施工法、頂推施工法等［1－3］。頂推法施工技術，由于其施工成本低、工期短且不影響通航的優(yōu)點而得到推廣，廣泛應用于鋼橋與預應力混凝土橋梁的施工［4－6］。至今，頂推施工技術應用已較為成熟。

2004年，竣工通車的法國米約大橋（全長2 460 m，為204m＋6×342m＋204 m的7塔鋼斜拉橋），將頂推施工的最大懸臂長度提高到171 m，最大跨徑提高到了342 m［7］。米約大橋的頂推施工成功，代表著世界上頂推技術的先進水平。

國內，從1978年陜西狄家河鐵路橋（4 m×40 m）首次采用頂推施工技術 ，到2010年我國建成的鄭州黃河公鐵兩用大橋（120 m＋5×168 m＋120 m），將頂推過程中最大懸臂長度提高到168 m［8］，代表著國內頂推施工技術日趨成熟與完善。然而，目前國內大跨度橋梁，特別是懸臂長度在160m以上的，采用頂推施工的實際案例很少；懸臂長度170 m以上的橋梁采用頂推施工法的更是沒有。

本文以黃大鐵路東營黃河特大橋（主橋120 m＋4×180m＋120 m）為工程背景，通過有限元計算來分析懸臂長度180m的連續(xù)鋼桁梁橋采用頂推施工的可行性。

1 東營黃河特大橋工程簡介

黃大鐵路東營黃河特大橋全長1 183m，跨河主橋為一聯120m＋4×180m＋120m連續(xù)鋼桁梁橋，兩岸引橋是跨越黃河大堤的兩孔108m鋼桁梁及河灘地的預應力混凝土簡支箱梁橋。主橋采用下承式明橋面連續(xù)鋼桁梁，有兩片主桁，桁架形式為有豎桿的三角形桁架，桁高18.0m，節(jié)間長度10.0m，主桁中心距11.0m。引橋108m鋼桁梁采用下承式明橋面簡支鋼桁梁，桁架形式為無豎桿三角形桁式，桁高13.6m，節(jié)間長度12m，主桁中心距11.0m。主橋結構及主桁架立面典型布置形式如圖1和圖2所示。

圖1 主橋結構形式（單位：m）

圖2 主桁架立面典型布置形式（單位：m）

2 導梁設計

頂推施工的主要臨時結構是懸臂前端設置導梁。依據頂推施工經驗，導梁長度范圍一般取0.5～0.7倍的最大懸臂跨度［9－10］。本次研究中，分別選擇導梁長度為L＝120m、100m、80m。導梁結構尺寸考慮與主桁架的連接，選用變高度的鋼桁架梁。懸臂前端桁架梁高度為9m，節(jié)間距10m，長60m，為無豎桿的三角形桁架。后端桁架梁，考慮與主橋桁架的連接，取高度18m，節(jié)間距10m，長度為依次為20m、40m、60m，為帶豎桿的三角形桁架。導梁橫向布置為2片桁架，桁架垂直布置，主桁間距為11.0m，與主橋桁架等寬。導梁主桁架橫向連接設置上平縱聯和下平縱聯。導梁各桿件截面尺寸取相應主桁桿件截面的1／4（保持鋼板厚度與主桁截面相同）。圖3以120m導梁為例，給出了其立面布置形式。

圖3 導梁立面結構圖（單位：mm）

3 頂推施工可行性計算分析

3.1 最不利計算工況

無支墩頂推施工時，最危險的狀態(tài)有兩種：一種是最大懸臂狀態(tài)，即導梁與部分主梁懸臂180m，此時懸臂主梁固定端承受了所有懸臂結構重量，其部分桿件應力可能會超限；另一種是導梁前端頂升到橋墩的狀態(tài)，此時導梁端部由于承受較大的支承反力，其部分桿件應力可能會超限，甚至發(fā)生屈曲失穩(wěn)。故必須通過計算來分析兩種狀態(tài)下橋梁桿件的強度和穩(wěn)定性，以判斷該橋采用無支墩頂推施工法是否可行。

3.2 計算荷載

本文計算中，考慮如下三種荷載：

（1）鋼結構重度取78 kN／m3。根據工程經驗，節(jié)點板和其他加固構件占鋼桁橋重量的30%左右，而其在MIDAS空間模型中較難建立，故對自重乘以1.3的系數。

（2）施工臨時荷載：考慮施工需要，根據工程經驗，取施工臨時荷載為5 kN／m。

（3）風荷載：參照《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》［11］（TB10002.1－2005），其風壓計算公式：

式中：K1為結構風載體形系數，取1.3；K2為風壓高度變化系數，本橋距地面平均高度23 m，故該值取1.05；K3為地形、地理條件系數，取1.0；W0為基本風壓，取700 Pa。則：

W＝1.3×1.05×1.0×700＝955.5 Pa

計算風荷載時，取該風壓值與鋼桁梁輪廓面積的填充系數（取0.4）之乘積，橫向加載于單片主桁架節(jié)點上。

3.3 材料特性取值

本橋主要采用Q370q與Q345q兩種鋼材，其主要物理參數特性取值：

鋼材彈性模量 Eg＝2.1×105MPa，剪切模量 Ev＝0.81×105MPa，泊松比υ＝0.3。

鋼材的應力限值，參照《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》［12］容許應力法，采用1.7的系數對橋梁桿件應力進行驗算，確保桿件強度滿足要求；并通過特征值屈曲分析驗算結構的穩(wěn)定性。表1為兩種鋼材的容許應力［12－14］。

表1 鋼材容許應力表 單位：MPa

3.4 有限元計算模型

鋼桁梁橋的桿件，實際上不完全是桁架單元或梁單元，而是介于兩者之間，每根桿件采用何種單元模擬，與節(jié)點剛度及其周圍桿件的相對剛度有關，而本橋桿件與節(jié)點眾多，準確模擬存在較大困難。計算分析時，采用桁架單元＋梁單元的計算模型：主要受力桿件采用桁架單元，其他桿件采用空間梁單元，形成橫向框架，提供2片桁架的橫向剛度。全部有限元模型共有節(jié)點1 145個，單元2 829（其中桁架單元712個，梁單元2 117個）。圖4為主梁標準節(jié)段的有限元模型圖，圖5導梁有限元模型圖。

圖4 主梁標準節(jié)段有限元模型圖

圖5 導梁的空間有限元模型圖

3.5 80m導梁計算分析

圖6給出了鋼結構自重＋施工臨時荷載作用下，采用80m長度導梁頂推至最大懸臂狀態(tài)時的應力云圖，由圖6可知主桁下弦桿最大壓應力232 MPa，上弦桿最大拉應力201MPa，由于上下弦桿均采用Q370鋼，對照表1可知下弦桿壓應力超過容許應力，故采用80m導梁不可行。

圖6 80m導梁最大懸臂狀態(tài)應力

3.6 100m導梁計算分析

圖7給出了鋼結構自重＋施工臨時荷載＋風荷載（各荷載分項系數為1）組合作用下，采用100m長度導梁頂推至最大懸臂狀態(tài)時的應力云圖。

由圖7可知，最大懸臂狀態(tài)時，在鋼結構自重＋施工臨時荷載＋風荷載組合作用下：（1）桁架單元壓應力最大218 MPa，拉應力最大189 MPa，均處于安全狀態(tài)。（2）梁單元壓應力最大252MPa，拉應力最大318 MPa，強度條件不滿足?？紤]該最大應力只發(fā)生于局部桿件，可以對不滿足的局部桿件加強，使其強度滿足要求。

圖8給出了采用100m長度導梁頂推至最大懸臂狀態(tài)時，橋梁在自重荷載（分項系數為1）作用下的一階屈曲模態(tài)及臨界荷載系數。

圖7 100m 導梁最大懸臂狀態(tài)應力

圖8 100m導梁最大懸臂狀態(tài)一階屈曲模態(tài)

由圖8可知，最大懸臂狀態(tài)時：在自重荷載可變情況下（施工臨時荷載與風荷載設定為不變），懸臂結構發(fā)生一階屈曲的臨界荷載系數為4.914，表明自重作用下結構具有足夠的特征值屈曲穩(wěn)定性。

圖9給出了鋼結構自重＋施工臨時荷載＋風荷載（各荷載分項系數為1）組合作用下，100m長度導梁前端頂升到橋墩頂部時（即導梁前端受到支承）的應力云圖。

由圖9可見，導梁前端受到支承時，在鋼結構自重＋施工臨時荷載＋風荷載組合作用下：（1）桁架單元壓應力最大118 MPa，拉應力最大132 MPa，均處于安全狀態(tài)。（2）梁單元壓應力最大121MPa，拉應力最大149MPa，均處于安全狀態(tài)。（3）導梁前端頂升發(fā)生強迫位移，支承于橋墩后，相比最大懸臂狀態(tài)，桿件的應力有所減小。

圖10給出了100 m長度導梁前端頂升到橋墩支座位置時，結構在自重作用下的一階屈曲模態(tài)及臨界荷載系數。

由圖10可見，導梁前端受到支承時，在自重荷載可變情況下（施工臨時荷載與風荷載設定為不變），橋梁結構發(fā)生一階屈曲的臨界荷載系數為2.664，略大于施工階段要求的安全系數2，穩(wěn)定性安全度不高。

圖9 100m 導梁前端支承狀態(tài)應力

圖10 100m導梁前端支承狀態(tài)一階屈曲模態(tài)

3.7 120m導梁計算分析

相比于100m長度導梁，采用120 m導梁計算求得的主桁桿件應力是偏小的，圖11給出了鋼結構自重＋施工臨時荷載＋風荷載（各荷載分項系數為1）組合作用下，采用120 m長度導梁頂推至最大懸臂狀態(tài)時的應力云圖。

圖11 120m導梁最大懸臂狀態(tài)梁單元應力

由圖11可知，采用120 m導梁，在最大懸臂狀態(tài)時，梁單元壓應力最大234 MPa，拉應力最大246 MPa，均小于100m導梁在同樣情況下求出的結果。從強度條件分析而言，導梁長度采用120m相比100 m是偏安全的。

圖12給出了120m導梁最大懸臂狀態(tài)下，橋梁自重荷載可變時的一階屈曲模態(tài)及臨界荷載系數。

圖12 自重下120m導梁最大懸臂狀態(tài)一階屈曲模態(tài)

由圖12可知，120m導梁最大懸臂狀態(tài)時，在自重荷載可變情況下（施工臨時荷載與風荷載設定為不變），懸臂結構發(fā)生一階屈曲的臨界荷載系數為2.232，且為導梁個別桿件失穩(wěn)，小于100 m長度導梁的穩(wěn)定系數?？芍獜淖畲髴冶蹱顟B(tài)的穩(wěn)定性安全來說，導梁長度采用120m相比100m是偏不安全的，但仍可以保證此狀態(tài)下結構的特征值屈曲穩(wěn)定性。

圖13給出了120m導梁前端支承狀態(tài)下，橋梁自重荷載可變時的一階屈曲模態(tài)及臨界荷載系數。

圖13 自重下120m導梁前端支承狀態(tài)一階屈曲模態(tài)

由圖13可知，120m導梁前端支承狀態(tài)時，在自重荷載可變情況下（施工臨時荷載與風荷載設定為不變），橋梁結構發(fā)生一階屈曲的臨界荷載系數為2.269，且為導梁整體失穩(wěn)，大于100 m導梁的計算結果，特征值屈曲穩(wěn)定性滿足要求。

4 結 論

本文以黃大鐵路東營黃河特大橋為工程背景，研究了其采用不同長度導梁頂推施工過程中的強度和穩(wěn)定性，得出以下幾點結論：

（1）導梁長度采用80m時，最大懸臂狀態(tài)部分桿件壓應力會超限，不能滿足結構強度要求，故80 m導梁方案不可行。而導梁長度采用100m或120 m，強度和穩(wěn)定性基本滿足要求，但結構個別桿件（即應力超限的桿件）需進行加強，增大其截面尺寸或對其臨時加固。結構失穩(wěn)均為導梁失穩(wěn)，導梁需要進一步優(yōu)化。

（2）采用100m長導梁，前端支承于橋墩時，相比其最大懸臂狀態(tài)時，自重作用下的穩(wěn)定安全系數有較大降低，這一特點在導梁設計與頂推施工中應給予重視。

（3）最不利工況下的結構強度與特征值屈曲穩(wěn)定性分析表明，東營黃河大橋采用無支墩頂推施工方案，具有一定可行性，但仍需要進一步對導梁等施工措施進一步優(yōu)化。

不過，本文的穩(wěn)定性分析只是線彈性情況下的特征值屈曲分析，尚未計入鋼桁橋的幾何非線性和材料非線性，這一點在進一步研究工作中要充分考慮。

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The Feasibility Analysis of the Incremental Launching Construction of Long－span Continuous Steel Truss Bridge without Supporting Piers

ZHOU Hong－shun
（China Railway 14 th Construction Bureau Co.，Ltd.，Ji’nan，Shandong 250014，China）

With the advantage of no－effect to shipping，shorter construction time and lower cost，the incremental launching construction method without supporting piers is widely used in the construction of steel and prestressed concrete bridges.At home and aboard，the cases of incremental launching construction of long－span bridges whose cantilever length exceeds 160 m are rare，and the feasibility research on incremental launching constructionmethod in long－span bridges is insufficient.With the example of Dongying Yellow River Bridge，the feasibility of the incremental launching constructionmethod without supporting pierswas analysed by using finite elementmethod.The results indicate that，the strength of bridge can’tmeet the constructional requirementswhen the length of launching nose is 80m，and the strength and stability of bridge will bothmeet the requirementswhen the length of launching nose is 100m or 120 m.So the method of incremental launching construction is feasible.

incremental launching construction；long－span bridge；launching nose；strength；stability

U445.462

A

1672—1144（2014）04—0222—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.045

2014－03－05

2014－04－26

周洪順（1976—），男 ，山東金鄉(xiāng)人 ，高級工程師 ，主要從事橋梁結構施工技術工作。