陳 淮，栗金營(yíng)，李 杰，夏 偉

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州 450001)

1 工程概況及加勁梁施工方案

哪吒大橋是河南省對(duì)口援助四川省江油市地震災(zāi)后恢復(fù)重建的第三批實(shí)施項(xiàng)目，哪吒大橋設(shè)計(jì)為雙塔單跨懸索橋(圖1)，跨徑252 m。為了解決加勁梁在高山峽谷地區(qū)的長(zhǎng)途運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)拼裝問題，哪吒大橋的加勁梁采用半漂浮體系的鋼桁梁。鋼桁加勁梁由兩片主桁、上下弦平聯(lián)及橫聯(lián)組成，主桁間距7.2 m，主桁上下弦桿中心梁高2.2 m;鋼桁加勁梁吊點(diǎn)處設(shè)橫聯(lián)，縱向間距為4 m。全橋共有標(biāo)準(zhǔn)梁段60個(gè)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)4 m，非標(biāo)準(zhǔn)段2個(gè)，位于梁端，每個(gè)梁段長(zhǎng)4.78 m;鋼桁加勁梁各桿件間通過節(jié)點(diǎn)鋼板采用高強(qiáng)螺栓連接。全橋共62節(jié)鋼桁加勁梁，每一節(jié)段重約76 kN，施工時(shí)每一節(jié)段拼裝好后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。該橋位乾元山方向較平坦，北川方向地勢(shì)陡峭，起伏變化很大，河寬約200 m，深達(dá)70多m，橋面距常水位約30 m。哪吒大橋在懸索橋中雖然規(guī)模不算大，但施工現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜、架設(shè)設(shè)備有限、技術(shù)難度大，再加上施工工期較緊，合理選擇鋼桁加勁梁架設(shè)方案是該工程順利完成的關(guān)鍵。

圖1 哪吒大橋總體布置立面(單位:m)

結(jié)合哪吒大橋工程特點(diǎn)及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為了在有限的時(shí)間內(nèi)安全、經(jīng)濟(jì)地完成鋼桁加勁梁的架設(shè)，哪吒大橋鋼桁加勁梁的安裝方案采取了鋼索吊裝方案。該方案的順利實(shí)施與鋼桁加勁梁節(jié)段的連接方式有密切的關(guān)系，鋼桁加勁梁連接方式的不同會(huì)造成橋梁施工方案無法實(shí)施或施工難度很大;同時(shí)連接方式的選取對(duì)鋼桁加勁梁的合龍方式及成橋設(shè)計(jì)狀態(tài)有較大的影響［1～5］。因此，為了選取合理的鋼桁加勁梁連接方式，本文基于有限元軟件Midas/civil仿真模擬鋼桁加勁梁施工過程，對(duì)比分析了鋼桁加勁梁剛接施工、剛—鉸混合施工對(duì)橋梁施工階段鋼桁加勁梁及吊索的受力影響，其中剛—鉸混合施工分兩種連接方式:全橋設(shè)26對(duì)雙鉸和全橋設(shè)6對(duì)雙鉸。通過分析這3種施工方案對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響，得出了適合哪吒大橋鋼桁加勁梁施工的連接方式，以此指導(dǎo)哪吒大橋的施工和施工監(jiān)控。

2 鋼桁加勁梁三種連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

2.1 懸索橋鋼桁加勁梁三種連接方式

懸索橋鋼桁加勁梁連接方式的選擇需要考慮多方面的影響，比如:結(jié)構(gòu)受力、規(guī)模大小、鋼桁加勁梁吊裝方案、氣象條件等，不同懸索橋有各自合適的連接方式。一般來說，鋼桁加勁梁施工時(shí)各節(jié)段的連接方式主要有:

1)全鉸法［6］即鋼桁加勁梁各節(jié)段全部用鉸相連，在設(shè)鉸位置彎矩為零，各節(jié)段之間在豎向可以相互自由轉(zhuǎn)動(dòng)。該連接方式可以使鋼桁加勁梁在施工階段基本處于無應(yīng)力狀態(tài)，在施工時(shí)節(jié)段受力達(dá)到理想狀態(tài)，但豎向剛度較小，整體各節(jié)段變形較大，不穩(wěn)定，會(huì)給鋼桁加勁梁施工帶來較大的難題，同時(shí)鋼桁加勁梁線形不容易控制，很難達(dá)到理想的成橋設(shè)計(jì)狀態(tài)。

2)逐次剛接法［6］即鋼桁加勁梁各節(jié)段安裝時(shí)直接固結(jié)后再與吊索連接。這種連接方式可以大大提高加勁梁的剛度，穩(wěn)定性較好，但在施工中會(huì)由于自重引起較大的局部應(yīng)力和架設(shè)應(yīng)力，若該應(yīng)力值超限，需要采取必要的措施。

3)剛—鉸混合法［6～10］即在鋼桁加勁梁應(yīng)力過大的位置設(shè)置臨時(shí)施工鉸，其余節(jié)段均剛接的連接方式。該方法在實(shí)施中通常有兩種做法，①在節(jié)段施工中，當(dāng)設(shè)鉸位置的下弦桿開口量很小，或剛要相互抵觸時(shí)，把上弦桿所設(shè)的鉸打開并剛接，換做實(shí)際的剛性連接，即有鉸的逐次剛接法;②選擇在合龍前把全部鉸固定，然后再實(shí)施合龍。該連接方式介于鉸接及剛接之間，集中了兩種連接方式的優(yōu)點(diǎn)，是通常采用的一種連接方式。

4)半鉸法［10］該方法是將鋼桁加勁梁段起吊并安裝吊索后，各梁段間采用一種臨時(shí)連接方式進(jìn)行結(jié)合。該臨時(shí)連接不同于通常所說的鉸，其連接構(gòu)造具有一定豎向彎曲剛度，但彎曲剛度值較小，同時(shí)有較大的扭轉(zhuǎn)剛度，它可以克服鋼桁加勁梁的過應(yīng)力問題，而且具有較強(qiáng)的橫向穩(wěn)定性。它與上面所說的鉸僅在豎向剛度上有差異，一個(gè)是有較小的剛度，另一個(gè)則是完全無剛度。

結(jié)合哪吒大橋工程特點(diǎn)及上述4種鋼桁加勁梁節(jié)段的連接方式，以下選取3種連接方案進(jìn)行分析:①逐次剛接方案;②剛—鉸混合(全橋?qū)ΨQ設(shè)置26對(duì)雙鉸)，即在1/4跨以內(nèi)按每?jī)蓚€(gè)節(jié)段(8 m)設(shè)1個(gè)鉸，1/4至跨中按每3個(gè)節(jié)段(12 m)設(shè)1個(gè)鉸;③剛—鉸混合(全橋?qū)ΨQ設(shè)置6對(duì)雙鉸)，即在7與8、16與17、25與26節(jié)段之間設(shè)鉸，基本按等間距布置。

2.2 三種連接方式對(duì)鋼桁加勁梁結(jié)構(gòu)受力的影響

采用有限元軟件Midas/civil建立鋼桁加勁梁逐次剛接施工方案、剛—鉸混合連接施工方案(全橋?qū)ΨQ設(shè)置26對(duì)雙鉸)和剛—鉸混合連接施工方案(全橋?qū)ΨQ設(shè)置6對(duì)雙鉸)的有限元計(jì)算模型，計(jì)算得到的鋼桁加勁梁在吊裝施工過程中3種連接方式對(duì)鋼桁加勁梁上、下弦桿的影響，如圖2和圖3所示。

分析圖2和圖3計(jì)算結(jié)果可以看出:

1)采用全橋逐次剛接方案施工時(shí)，鋼桁加勁梁上、下弦桿最大組合應(yīng)力分別為 -130 MPa和116 MPa，出現(xiàn)在節(jié)段19和節(jié)段42位置，該位置在1/4～1/2跨之間，距1/4跨位置有4個(gè)節(jié)段。從鋼桁加勁梁半幅吊裝全過程來看，上、下弦桿應(yīng)力經(jīng)歷了由小變大再變小的過程，全橋鋼桁加勁梁各桿件應(yīng)力均不超限。

圖2 三種連接方式對(duì)應(yīng)的上弦桿理論應(yīng)力包絡(luò)圖

圖3 三種連接方式對(duì)應(yīng)的下弦桿理論應(yīng)力包絡(luò)圖

2)采用剛—鉸混合(全橋?qū)ΨQ設(shè)置26對(duì)雙鉸)連接方式時(shí)，鋼桁加勁梁在大部分節(jié)段上、下弦桿應(yīng)力接近于零，在第16和47節(jié)段附近出現(xiàn)波峰，但應(yīng)力不超過20 MPa，可以認(rèn)為鋼桁加勁梁在施工過程中基本處于無應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到了施工中的理想狀態(tài)，不存在施工應(yīng)力過大問題，更不會(huì)發(fā)生過應(yīng)力現(xiàn)象。但是由于設(shè)鉸數(shù)量過多，鋼桁加勁梁施工階段穩(wěn)定性不好，結(jié)構(gòu)相對(duì)太柔弱，存在施工不安全隱患;同時(shí)每個(gè)施工鉸位置在合龍時(shí)都是一個(gè)合龍口，合龍位置過多會(huì)增加鋼桁加勁梁合龍難度，強(qiáng)制合龍又會(huì)造成局部應(yīng)力問題，合龍位置處理不好會(huì)造成成橋線形無法滿足設(shè)計(jì)要求及線形不圓順問題。

3)采用剛—鉸混合(全橋?qū)ΨQ設(shè)置26對(duì)雙鉸)連接方式時(shí)，與全橋逐次剛接方案相比，鋼桁加勁梁上、下弦桿在第1對(duì)鉸之后各階段應(yīng)力大幅度減小，各設(shè)鉸位置應(yīng)力略有波峰，節(jié)段19之后(半幅內(nèi))應(yīng)力逐漸減小至零點(diǎn)，最大壓、拉應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)段8附近，分別為-34 MPa和31 MPa。與前兩種鋼桁加勁梁施工方案相比，該方案在結(jié)構(gòu)受力上介于兩種連接方式之間，施工應(yīng)力安全可靠，同時(shí)由于設(shè)鉸數(shù)量較少，會(huì)減小鋼桁加勁梁合龍施工的難度。

由此可以得出:從鋼桁加勁梁結(jié)構(gòu)受力上講，3種方案均不會(huì)造成鋼桁加勁梁施工應(yīng)力超限問題，理論上均是可行的，但由于計(jì)算時(shí)沒有考慮施工時(shí)橋面臨時(shí)荷載及臨時(shí)運(yùn)載情況，及實(shí)際施工與理論存在偏差，可能造成鋼桁加勁梁局部受力過大，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，故從安全角度考慮，不宜采用全橋剛接施工方法;另外，剛—鉸混合施工時(shí)，設(shè)鉸過多不僅會(huì)使施工中結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性下降，同時(shí)會(huì)加大施工難度，給施工帶來潛在的安全隱患。經(jīng)對(duì)比綜合考慮，建議采用第3種施工連接方案，即全橋?qū)ΨQ設(shè)置6對(duì)雙鉸的連接方案。

2.3 三種連接方式對(duì)吊索受力的影響

在鋼桁加勁梁吊裝施工過程中，單根吊索的受力不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)也關(guān)系到節(jié)段鋼桁加勁梁與吊索栓接施工的難易程度。本文通過數(shù)值仿真模擬鋼桁加勁梁整體吊裝施工過程，得出了采用不同連接方式對(duì)應(yīng)的各施工階段吊索的受力情況，見圖4。

圖4 三種連接方案對(duì)應(yīng)的吊索受力

從圖4可以看出，逐次剛接方案施工時(shí)各施工節(jié)段對(duì)應(yīng)吊索的受力呈拋物線變化(半幅內(nèi))，在1/4跨位置達(dá)到峰值點(diǎn)，最大受力約為300 kN，其中受力超過150 kN的節(jié)段有20節(jié)左右，占吊裝節(jié)段的65%以上;采用剛—鉸混合連接(設(shè)26對(duì)鉸)時(shí)，整體吊裝施工時(shí)全部節(jié)段吊桿受力基本均勻，約在50 kN左右，上下波動(dòng)不超過20 kN，受力較穩(wěn)定，是較好的理想施工狀態(tài);采用剛——鉸混合連接(設(shè)6對(duì)鉸)時(shí)，吊桿受力在各設(shè)鉸位置出現(xiàn)折點(diǎn)，各轉(zhuǎn)折點(diǎn)受力值依次減小，最后趨于穩(wěn)定，從整體來看吊桿在第1個(gè)鉸位置以前各節(jié)段受力與剛接施工時(shí)完全一致，在第3個(gè)鉸之后各節(jié)段受力與設(shè)26對(duì)鉸時(shí)基本趨于一致，吊桿在第7節(jié)段受力最大約200 kN，其中超過150 kN的節(jié)段僅4個(gè)。

綜合以上數(shù)據(jù)可以得出:采用逐次剛接方案施工，吊桿受力最大，約300 kN(772 MPa)，安全系數(shù)約為2.3，小于規(guī)范要求的3.0，會(huì)給施工帶來一定的安全隱患，從結(jié)構(gòu)受力角度上看不可取;另外，在實(shí)際節(jié)段與吊索栓接的施工過程中，超過150 kN的力需要借助機(jī)械設(shè)備來完成，該方案的實(shí)施需增加機(jī)械牽拉設(shè)備，同時(shí)延長(zhǎng)了施工工期，會(huì)造成大部分節(jié)段施工困難，從施工經(jīng)濟(jì)性、安全性及施工工期上來考慮，該方案亦不可取。

若采用剛—鉸混合連接(設(shè)26對(duì)鉸)的連接方式，在受力上沒有問題，結(jié)構(gòu)有足夠的安全儲(chǔ)備，不足之處在于設(shè)鉸數(shù)量過多，結(jié)構(gòu)受力變形較大，會(huì)給施工帶來困難，同時(shí)存在鋼桁加勁梁合龍施工困難問題。

若采用剛—鉸混合連接(設(shè)6對(duì)鉸)的連接方式，吊索最大受力約200 kN(529 MPa)，有3.3倍的安全系數(shù)，滿足規(guī)范要求，該方案在吊索受力上是可取的;由于受力超過150 kN的吊索數(shù)量較少，這些節(jié)段與吊索栓接時(shí)可以臨時(shí)采用油壓千斤頂進(jìn)行提拉到位即可，現(xiàn)場(chǎng)滿足施工條件。該方案的實(shí)施僅需要人工借助倒鏈葫蘆即可完成，施工方便快捷，可以提高施工效率，同時(shí)節(jié)約施工成本，在經(jīng)濟(jì)及安全性上是可取的。

2.4 建議采用的鋼桁加勁梁連接方式

通過對(duì)比分析3種鋼桁加勁梁連接方式對(duì)施工中各節(jié)段結(jié)構(gòu)和吊索受力的影響，并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件及在實(shí)際施工中會(huì)遇到的問題，建議哪吒大橋鋼桁加勁梁架設(shè)施工采用第3種連接方式。

在實(shí)際架設(shè)過程中，針對(duì)該方案可能出現(xiàn)的問題建議:

1)由于設(shè)鉸位置結(jié)構(gòu)變形較大，會(huì)出現(xiàn)拐折點(diǎn)，為避免變形過大擠壓橋面板使其受損或破壞，在設(shè)鉸位置處的橋面板待鉸接換剛接后再進(jìn)行安裝;

2)在吊桿受力超過150 kN的節(jié)段施工時(shí)，若靠倒鏈葫蘆牽拉不能使節(jié)段與吊索栓接，或難度較大，可以采用油壓千斤頂配合牽拉到位;

3)在施工過程中，第1個(gè)鉸的設(shè)置位置可以提前一個(gè)節(jié)段，這樣就可以使吊桿受力最大位置變?yōu)榈?節(jié)段，同時(shí)可減小最大受力值，降低施工難度;

4)各設(shè)鉸位置的鉸待跨中合龍前一節(jié)段統(tǒng)一換做實(shí)際的剛性連接，該工作相對(duì)較容易，同時(shí)為跨中合龍?zhí)峁┓奖?

5)施工過程中密切觀察設(shè)鉸位置下弦桿開口量的變化，若出現(xiàn)兩節(jié)段下弦桿相互抵觸，應(yīng)暫停鋼桁加勁梁的安裝施工，待驗(yàn)算結(jié)構(gòu)受力安全無虞后再行施工。

3 結(jié)束語

通過對(duì)比分析3種鋼桁加勁梁連接方式對(duì)鋼桁加勁梁及吊索受力的影響，并綜合考慮哪吒大橋施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及施工條件，從施工方便快捷和安全可靠的角度出發(fā)，建議采用第3種鋼桁加勁梁連接方式，即設(shè)6對(duì)雙鉸的剛—鉸混合連接方法進(jìn)行施工。該方法減小了施工過程中鋼桁加勁梁的應(yīng)力，使鋼桁加勁梁的梁體在施工中處于安全狀態(tài);同時(shí)減少了設(shè)鉸數(shù)量，鋼桁加勁梁施工的難度及復(fù)雜性相對(duì)較小，節(jié)段施工穩(wěn)定性得到了提高。

哪吒大橋主體工程于2010年7月施工完畢，8月建成通車。哪吒大橋?qū)嶋H施工證明，采用這種連接方式取得了較好的施工效果，整個(gè)節(jié)段安裝只在第7節(jié)段(即第1個(gè)設(shè)鉸位置處)借助了油壓千斤頂牽拉施工，其余鋼桁加勁梁安裝均靠倒鏈葫蘆即可順利施工，極大地提高了施工效率。

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