广州东平水道主桥连续钢桁拱悬拼架设分析

严定国

(铁道第四勘察设计院 桥梁处， 湖北 武汉 430063)

1 工程概况

广州东平水道特大桥主跨结构为(99+242+99) m的连续钢桁拱，是武广客运专线跨度最大的四线桥梁[1]，也是我国首座铁路四线三桁单跨钢桁拱桥，设计行车速度为200 km/h，设计荷载为ZK活载。

结构采用三片主桁，桁中心距为14 m，节间长度11 m，边跨平行弦桁高14 m，拱顶桁高9 m，加劲弦高20 m，拱肋采用二次抛物线，下拱圈矢跨比1/4，最大吊杆长度40.5 m，见图1。

图1 全桥立面布置/m

桥面采用正交异性板与主桁下弦杆焊接共同受力的板桁结构[2]，钢桥面顶板上有150 mm的现浇混凝土道碴槽，用焊钉与钢桥面板结合；桥面四线线间距为(5.0+9.2+4.6)m，武广客运专线道碴槽内宽9.4 m，广茂线道碴槽内宽9.0 m，人行道宽1.3 m，桥面布置图见图2。

图2 桥面布置/m

2 本桥施工架设特点

本桥为曲弦的刚性拱和柔性系杆体系，其施工具有下列特点：

(1)本桥址航运繁忙，临时支墩不宜占用航道，必须辅以吊索塔架进行钢梁悬臂安装。

(2)悬臂中跨跨度长达121 m，为保证结构有足够的抗倾覆稳定性，边跨必须压重。

(3)合龙点多，每片钢桁拱合龙有四根弦杆、两根斜杆及两根系杆，共有8个点，需“多点零误差合龙”[3]。

(4)桁拱合龙后欲合龙系杆，还需释放临时固定支座并通过调整前后支点的标高等措施来实现，体系转换过程比较复杂。

(5)由于本结构施工架设具有如上特点，为保证合龙口杆件无应力安装[4]，结构顺利合龙，必须进行详细的施工阶段分析。

3 总体施工架设流程

施工主桥基础、墩身及边跨临时支墩时，在边墩承台及桥墩埋置压重索，边墩设置顶落梁，边中墩设置纵横向移梁等措施保证合龙口位移可调整；利用提升站安装边跨钢梁两个节间，利用架梁吊机借助临时墩架设其余边跨节间；悬臂架设中跨钢桁梁时，张拉边墩临时压重索，并对边跨前六个节间施工压重，保证结构具有一定抗倾覆稳定性[5]；悬拼钢桁梁至中跨第8个节间时，施工塔吊，挂索，并张拉边跨扣索，辅以吊索塔架，武汉侧悬拼钢桁梁至中跨第11个节间，新广州侧悬拼钢桁梁至中跨第10个节间，微调索力、落梁量及吊机位置使合龙口位移偏差达到合龙要求,依次合龙桁拱下弦杆、桁拱斜杆、桁拱上弦杆，再连接平横联杆件，并解除新广州侧中墩临时支座纵向水平位移；调整两侧边支座起顶量，微调索力、起顶量使合龙口位移偏差达到合龙要求,合龙系杆，安装至武汉侧中跨第11个节间及中跨合龙段钢桥面；拆除边跨压重、压重索、扣索及塔架，整体纵向水平移动钢梁[6]，将武汉侧中支座移至设计位置，安装永久支座，拆除临时支座，安装桥面道碴槽板，浇注结合砼，安装全桥附属结构，铺设道碴及轨道系统，完成全桥施工。

4 施工架设关键技术分析

4.1 压重及边支点锚索索力确定方法

由于钢桁拱上拱弦中心线为曲线，且截面变化，确定压重及边支点锚索索力必须采用灵活方式。根据边跨受力结果确定前6个节间设置120 kN/m压重，边支点设置后锚索。悬拼架设过程中，中跨伸臂较长，其纵向倾覆稳定系数不小于1.3，需满足如下公式：

T×99+G×66×66/2+G1×L1=1.3×G2×L2

(1)

可将上式变换为：

T×99+G×66×66/2=1.3×(G2×l2-G1×L1)+0.3×G1×L1

(2)

式中，G1为边跨总重(包括钢桥面重)；L1为G1重心离中支点的距离；G2为中跨最大悬臂总重(包括吊机重，钢桥面重)；L2为G2重心离中支点的距离；G为设计压重；T为边跨后锚索设计索力。

最大悬臂阶段，边跨不加配重时，满足：

T1×99=(G2×L2-G1×L1)

(3)

式中，T1为边支点锚索索力。

由(2)、(3)式可变化如下：

T×99+G×66×66/2=1.3×T1×99+0.3×G1×L1

(4)

按实际截面建模后，可从程序中提取T1及G1×L1，代入(4)式后，根据边跨受力特点，指定压重120 kN/m，就可求出设计索力T为5345.9 kN。

4.2 扣索位置选择

(1)边跨后拉索在边跨扣点位置选择

后拉索与塔柱的倾角越大，相同的初张拉力水平力分配越大，较小的张拉力即可将悬臂构件张拉到安装位置，可将后拉索扣在边跨的端部。

(2)中跨前拉索在拱肋扣点选择

确定原则：在悬臂状态下任何杆件应力不能超过容许应力[7]；满足施工行走需要，即行走吊机必须有两个节间的行走空间。

经比较计算可知，施工完中跨七个节间后，将前拉索扣在A14节点处(如图3所示)，即A9A10杆件及A14A15杆件均能满足杆件应力要求，又能满足行走吊机的施工空间。

图3 扣索位置示意图

4.3 边支座处顶落梁量计算

拉索仅为控制杆件应力、微调合龙口的辅助合龙措施，边支座处顶落梁为本钢桥的主要合龙措施。合龙拱肋时，在边支座落梁；合龙系杆时，在边支座起梁，最后达到全桥合龙。

由于合龙前，必须保证两悬臂端间距为杆件设计尺寸，且悬臂端高程及转角均一致,计算分析时需多次试算边支座处顶落量，如果通过强迫位移在程序中模拟支座顶落，每次试算均需花一定时间。本次通过解析法[8]，推导边支座顶落量的几何关系。

图4 边支点下落Δ

根据图4有如下方程：

A=2×L1×sin(θ/2)

(5)

Δ=A×cos(90-θ/2-α)

(6)

根据(5)式及(6)式可反算出θ

θ=accos(cosα-Δ/L1)-α

(7)

式中，Δ为边支座下落量；θ为边支座下落Δ时，结构整体转动量；L1为边支点离中支点斜距；A为边支座下落时的斜距；α为边支点与中支点连线与竖直线的夹角。

根据计算θ，可知边支座下落Δ，悬臂端的水平位移X，竖向位移Y及转角。

B=2×L2×sin(θ/2)

(8)

X=B×sin(90+θ/2-β)

(9)

Y=B×cos(90+θ/2-β)

(10)

式中，θ为边支座下落Δ时，结构整体转动量；L2为中支点离悬臂端距离；B为悬臂转动距离；X为边支座下落Δ时，悬臂端的水平位移；Y为边支座下落Δ时，悬臂端的竖向位移；β为中支点与悬臂端连线与竖直线的夹角。

4.4 钢梁整体纵向预偏及纵向移动

由于本结构钢桁梁杆件在工厂按设计无应力尺寸制造和制孔，工地安装用高强度螺栓连接[9]，为保证合龙时，合龙口杆件能顺利安装，合龙口悬臂端距离必须维持原设计值。根据计算，可在安装边墩临时支座时，将两侧钢梁整体进行纵向预偏：武汉侧边墩临时支座向沿线路前进方向前移244 mm，新广州侧边墩临时支座沿线路前进方向后移208 mm；纵向钢梁合龙后为保证固定支座为原设计位置，全桥结构整体向武汉侧方向纵向移动240 mm。

4.5 中跨合龙方法

拱肋及系杆合龙时，必须满足拱肋及系杆悬臂端高程相等，转角一致[10]。

(1)在左右侧最大悬臂状态下，通过新广州侧边支座处落梁，让新广州侧最大悬臂端拱肋上下缘水平位移基本一致。

(2)通过武汉侧边支座处落梁，让武汉侧最大悬臂端拱肋上下缘竖向位移与新广州侧最大悬臂端拱肋上下缘竖向位移一致。

(3)通过纵移措施，将合龙节点的位移差调整到安装允许范围内。合龙跨中拱肋下弦及斜腹杆，再微调拉索或采用千斤顶等辅助措施，使得上弦节点栓孔对应，合龙跨中拱肋上弦。

(4)释放新广州侧中墩水平约束后，并在两侧边支座起梁，使得系杆节点栓孔对应，进行系杆合龙。

5 施工架设计算

5.1 计算假定

(1)选取中桁进行平面计算分析；(2)计算模型中塔架与主体结构完全铰结；(3)施工过程中考虑桥面板参与受力；(4)计算中新安装单元考虑其由于已安装单元引起的初始位移。

5.2 计算参数

(1)几何参数

主桁杆件：主桁各杆件的尺寸采用一次成桥计算截面尺寸，节点坐标按考虑预拱度及不考虑预拱度分别建模。

塔架：塔高采用50 m，塔的计算截面采用双H形。

拉索：经计算拉索在施工过程中最大索力为12000 kN，拉索采用6×91φ7平行钢丝束，A=0.021022 m2，其破断载荷为35090 kN。

(2)材料参数

主桁及吊索塔架的弹性模量为210 GPa，吊索的初始弹性模量为195 GPa。

(3)荷载参数

主桁各杆件自重提高系数采用1.45，吊索塔架自重系数采用1.4，钢桥面重采用40 kN/m。吊机荷载采用节点荷载，按1000 kN考虑。

(4)其它计算参数按相应规范取值。

5.3 典型工况计算结果

(1)钢梁架设至拉索扣索前，其结果详见表1。

表1 钢梁架设至拉索扣索前相关控制结果

(2)张拉后拉索，其结果详见表2。

(3)武汉侧悬拼至中跨第11跨，新广州侧悬拼至中跨第10跨，调整合龙口，准备合龙，其结果详见表3。

(4)边支座下落，准备合龙系杆，其结果详见表4。

表2 张拉后锚索工况相关控制结果

表3 调整合龙口，准备合龙桁拱工况相关控制结果

注：从上表可知，合龙口处转角基本一致，纵横向位移基本一致，满足合龙要求。

表4 边支座下落，准备合龙系杆工况相关控制结果

注：从上表可知，合龙口处转角基本一致，纵横向位移基本一致，满足合龙要求。

6 结 语

本结构架设过程中，利用临时支墩及塔吊、拉索辅助架设，采用边跨压重、边支点后锚、边支座顶落梁及纵向预偏等合龙措施，几乎涵盖了钢梁架设中将碰到的所有技术问题。本文对架设过程中一些关键技术进行探讨，主要工作如下：

(1)提出拉索自锚于钢梁时边跨压重的算法，可将边跨支点拉索索力及边跨压重合理分配，保证结构抗倾覆稳定性系数大于1.3。

(2)推导边支座起顶及下落位移的解析算法，不需通过程序模拟强迫位移多次试算，可方便快捷调整合龙口的位移。

(3)对整个架设过程进行模拟计算，根据杆件受力特性，合理选择拉索锚固位置、合龙口杆件合龙顺序、纵向预偏位移量，保证施工阶段杆件的强度、稳定应力满足要求，并提出合理的架设方法及可行的合龙措施。

东平水道主桥于2008年8月28日顺利合龙，标志着我国连续钢桁拱结构桥梁建设技术迈入一个新的阶段。

[1] 何少英,马连威. 武广客运专线“第一跨”——东平水道钢桁拱合龙 [J]. 广东交通,2009,(2):2-3.

[2] 吴 冲,强士中. 现代钢桥(上册) [M]. 北京：人民交通出版社,2006.

[3] 刘承亮. 万州长江大桥钢桁拱架设创新技术分析[J]. 铁道工程学报,2008,(9):52-57.

[4] 宋伟俊,董广武. 南京大胜关长江大桥钢桁拱架设与合龙技术[J]. 桥梁建设,2009,(6):6-10.

[5] TB 10002.2-2005, 铁路桥梁钢结构设计规范[S].

[6] 钱冬生,夏建国. 铁路钢桥[M]. 成都：西南交通大学出版社,2006.

[7] 小西一郎[日]. 钢桥[M].朱立冬，应达之，许克宾等译.北京：人民铁道出版社,1980.

[8] 李廉锟. 结构力学(第4版)[M].北京：高等教育出版社,2004.

[9] 铁道部专业设计院. 钢桥[M]. 北京：中国铁道出版社,2003.

[10] 万明坤,王俭槐. 铁路钢桁梁桥计算[M]. 北京：中国铁道出版社,1998.