公軌兩用大跨長聯(lián)剛性懸索加勁鋼桁梁橋施工技術*

羅程巍，鐘振華，朱勇駿，姜 旭

(1.上海大學力學與工程科學學院，上海 200444； 2.杭州市交通規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 杭州 310006；3.同濟大學土木工程學院，上海 200092)

0 引言

為保證施工安全，需對懸臂拼裝法及頂推施工法進行模擬分析[5-6]。滬杭甬抬升改造工程中，錢塘江新建大橋采用的公軌兩用大跨長聯(lián)剛性懸索加勁鋼桁梁是新型結構，有效解決多種交通工具過江的通道資源問題，有效節(jié)約建設用地，大幅度降低工程造價，對城市綜合交通橋梁建設具有借鑒意義。錢塘江新建大橋為上下雙層布置，上層為8車道一級公路，下層為雙線機場快線軌道交通，主橋跨徑布置為(72+122+4×240+122+72)m，如圖1所示。本橋剛性懸索加勁鋼桁梁結構由華倫式鋼桁梁和變截面箱型上加勁弦組成，上加勁弦在結構總體受力中發(fā)揮重要作用，有利于改善主桁受力，如圖2所示。為驗證設計計算理論的正確性，保證經(jīng)濟性和安全性，有必要對錢塘江大橋關鍵施工技術及合龍方案進行研究。

圖1 錢塘江新建大橋總體布置(單位：m)

圖2 剛性懸索加勁鋼桁梁結構

1 施工工法研究

1.1 施工工法簡述

本橋施工擬采用懸臂拼裝法或頂推施工法，由于該公軌兩用大跨長聯(lián)剛性懸索加勁鋼桁梁結構受力復雜，空間效應突出，難以判定使用不同施工工法及成橋后的受力情況，因此需模擬分析2種不同施工工法。

1.2 懸臂拼裝法

1)模型建立

采用梁單元建立主橋結構，懸臂按10,12m節(jié)段進行拼裝，全過程共18個施工節(jié)段，以各主塔處為起始，0號塊同時向兩邊，按照安裝主橋節(jié)段→移動掛籃→安裝下一節(jié)段的順序循環(huán)拼裝，直至所有主橋節(jié)段懸臂拼裝完畢，全橋模型如圖3所示。

圖3 全橋模型

2)模擬分析結果

在懸臂拼裝模擬全過程中，隨主橋節(jié)段不斷安裝，結構內(nèi)力也不斷增加，安裝邊跨第6節(jié)段(DZ-17號塊)時，最大應力值出現(xiàn)在主橋下橋面與下弦桿連接處，達364.3MPa，結構應力如圖4所示。最大豎向位移出現(xiàn)在主橋上橋面處，最大位移為-661.0mm。

從試評價結果的分析看，一是選用的8項評價指標還值得進一步斟酌和優(yōu)化。因為我國幅員遼闊，各省區(qū)的自然地理條件，生態(tài)環(huán)境差異較大，有的指標可能對一些省區(qū)欠公平。二是對子系統(tǒng)（A）、（B）、（C）應賦予合適的權重，弱化子系統(tǒng)（A）得分對區(qū)域水資源綜合評價得分的影響。

圖4 懸臂拼裝法結構應力(單位：MPa)

懸臂拼裝施工模擬結果與成橋模型受力情況差別較大，在懸臂拼裝過程中，結構內(nèi)力不斷積累，難以消除。同時大跨長聯(lián)的特點導致采用懸臂拼裝法施工時所需設備量大，難以平衡經(jīng)濟性與施工效率。綜合考慮以上因素，懸臂拼裝法施工不具有優(yōu)勢，不推薦采用該方法。

1.3 頂推施工法

1)模型建立

采用梁單元建立主橋結構，考慮對稱施工僅取一半模型進行頂推施工模擬，臨時墩跨徑取120m，鋼導梁長度取0.6倍臨時墩跨徑，無加勁弦頂推。頂推結構包括鋼導梁、主橋結構等，主要施工步驟為頂推主橋結構→拼裝下一節(jié)段→頂推主橋結構交替循環(huán)，直至所有主橋節(jié)段頂推到位。頂推模型如圖5所示。

圖5 頂推模型(帶加勁弦頂推時)

2)模擬分析結果

在頂推施工模擬全過程中，各最大懸臂狀態(tài)結構受力最不利，在第2次最大懸臂工況時，最大應力值出現(xiàn)在最前端支點附近，達904.7MPa。在第1次最大懸臂工況時，最大豎向位移值出現(xiàn)在鋼導梁前端，最大位移為-967.6mm。

通過頂推法施工，局部結構受力較大，其他部位受力較小,頂推施工所需設備量較小，可兼顧經(jīng)濟性與施工效率。該方法施工最大應力值及最大豎向位移值雖過大，但可通過減小臨時墩跨徑、比選有無加勁弦頂推及增設墩旁托架等易操作的方式優(yōu)化頂推施工方法。

3)減小臨時墩跨徑

將頂推臨時墩跨徑減小為80m，無加勁弦頂推。在頂推施工模擬全過程中，各最大懸臂狀態(tài)結構受力最不利，在第5次最大懸臂工況時，最大應力值出現(xiàn)在2號輔助墩支點附近，達568.7MPa，結構應力如圖6a所示；在第5次最大懸臂工況之后最大豎向位移值出現(xiàn)在上橋面處，最大位移為-531.0mm，豎向位移如圖6b所示。

圖6 減小臨時墩跨徑模擬結果

由以上分析可知，減小臨時墩跨徑能有效降低最大應力值及最大豎向位移值，但增加措施成本。結合現(xiàn)場條件，取80m頂推臨時墩跨徑較合適。

4)有無加勁弦頂推比選

頂推臨時墩跨徑80m，帶加勁弦頂推。在頂推施工模擬全過程中，各最大懸臂狀態(tài)結構受力最不利，在第4次最大懸臂工況時，最大應力值出現(xiàn)在前端第2支點附近，達661.9MPa，結構應力如圖7a所示。在第4次最大懸臂工況時，最大豎向位移值出現(xiàn)在上橋面處，最大位移為-533.6mm，豎向位移如圖7b所示。

圖7 帶加勁弦頂推模擬結果

由以上分析可知，帶加勁弦頂推導致最大應力值及最大豎向位移值有所增大，不利于結構受力，因此頂推時無加勁弦頂推較合適。

5)增設墩旁托架

頂推臨時墩跨徑保持為80m，無加勁弦頂推并增設墩旁托架。在頂推施工模擬全過程中，各最大懸臂狀態(tài)結構受力最不利，在第5次最大懸臂工況時，最大應力值出現(xiàn)在3號輔助墩支點附近，達262.8MPa，結構應力如圖8a所示。在第5次最大懸臂工況時，最大豎向位移值出現(xiàn)在上橋面，最大位移為-530.3mm，豎向位移如圖8b所示。

圖8 增設墩旁托架模擬結果

由此可知，增設墩旁托架能有效降低最大應力值及最大豎向位移值，因此頂推時宜增設墩旁托架。

為在同一條件下比選不同施工工法，上述計算應力值均為點約束邊界條件下的結果。在實際工程中，支點與結構間的接觸面積更大，且支點附近結構有所補強，因此該處實際應力應小于計算值。

2 合龍方案研究

2.1 合龍方案簡述

由于該橋自身結構復雜，合龍時所需控制點位較多，合龍難度大，因此有必要對合龍方案進行模擬分析。主要考慮加勁弦與鋼桁梁合龍先后順序、對中合龍與非對中合龍比較等因素。采用梁單元建立主橋結構，頂推法施工并增設墩旁托架，臨時墩跨徑取80m。

2.2 加勁弦與鋼桁梁的合龍先后順序

采用對中合龍方式，對加勁弦與鋼桁梁的合龍先后順序進行對比模擬分析。先合龍加勁弦后合龍鋼桁梁的結構應力與豎向位移結果如圖9所示，最大應力值達248.3MPa，最大豎向位移為-125.9mm；先合龍鋼桁梁后合龍加勁弦的結構應力與豎向位移結果如圖10所示，最大應力達到188.0MPa，最大豎向位移為-129.5mm。

圖9 先合龍加勁弦后合龍鋼桁梁

圖10 先合龍鋼桁梁后合龍加勁弦

由以上分析可知，先合龍鋼桁梁后合龍加勁弦的最大應力值小于先合龍加勁弦后合龍鋼桁梁，結構受力更有利。另外，2種合龍順序的最大豎向位移值差別不大，因此在合龍時宜先合龍鋼桁梁后合龍加勁弦。

2.3 對中合龍與非對中合龍比較

采用先合龍鋼桁梁后合龍加勁弦的順序，模擬分析比較對中合龍與非對中合龍。對中合龍的結構應力與豎向位移結果如圖11所示，最大應力值達188.0MPa，最大豎向位移為-129.5mm。非對中合龍結構應力與豎向位移結果如圖12所示，最大應力值達394.7MPa，最大豎向位移為-129.5mm。

圖11 對中合龍模擬結果

圖12 非對中合龍模擬結果

由以上分析可知，對中合龍最大應力值小于非對中合龍，結構受力更有利。另外，2種合龍順序的最大豎向位移值沒有差別，因此宜采用對中合龍的方式。

3 結語

本文以滬杭甬抬升改造工程錢塘江新建大橋為背景，對公軌兩用大跨長聯(lián)剛性懸索加勁鋼桁梁橋的施工工法及合龍方案進行研究，得到以下結論。

1)公軌兩用大跨長聯(lián)剛性懸索加勁鋼桁梁橋中的懸臂拼裝法施工不具有優(yōu)勢，不推薦采用該方法施工。

2)結合模擬分析結果與現(xiàn)場條件，采用頂推法施工時，取80m臨時墩跨徑較合適，宜采用無加勁弦頂推方式，并增設墩旁托架。

3)合龍時，宜采用對中合龍的方式，并先合龍鋼桁梁、后合龍加勁弦。