洞庭湖铁路斜拉桥先箱后桁两步施工法研究

张晔芝，杨毅，易伦雄



洞庭湖铁路斜拉桥先箱后桁两步施工法研究

张晔芝1，杨毅1，易伦雄2

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075； 2. 中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050)

针对洞庭湖铁路斜拉桥的结构特点，提出先箱后桁两步拼装的新方法，并对该法提出2个施工方案并进行有限元模拟和对比分析，定量研究箱、桁由于施工不同步引起的变形不协调问题。根据计算结果推荐方案2，该方案能将箱、桁变形的不协调控制在螺栓与螺栓孔间隙的可调范围内，而且可以在桥面上多点分段拼装主桁杆件以加快施工进度。该方案已被成功应用于该桥的施工并取得了很好的效果。

三塔铁路斜拉桥；箱−桁组合结构；先箱后桁两步拼装法；箱、桁变形不协调；有限元

洞庭湖桥是国内外第一座特大跨度三塔双主跨铁路斜拉桥，主梁采用箱−桁组合结构[1−2]。针对该桥的结构特点，提出先箱后桁两步施工的新方法。这种拼装法以前未曾应用过。先箱后桁两步施工方案的基本思想是，先按节段拼装开口钢箱梁，再在钢箱梁上面拼装主桁杆件。这样，第1步钢箱梁节段拼装时，由于高度较低(2 m)、体积较小，运输安装都较容易；第2步拼装主桁杆件时，钢箱梁作为拼装平台，减少了高空作业和拼装难度。这种施工方案对港口、交通运输、吊装设备等都没有特殊要求。20世纪铁路钢桁梁桥钢梁的架设绝大多数采用单根杆件散拼法。这种方法的优点是运输、吊装重量轻，缺点是杆件数众多，现场拼接工作量大，而且是高空作业[3−5]。节段整体拼装是将一个节间的钢结构在工厂里拼装成一个整体，船运到工地整体悬臂拼装。这种整体吊装拼接法的优点是钢梁的焊接绝大部分在工厂完成，质量高，工地焊接量少；缺点是节段尺寸大、质量重，高空悬臂拼接时对点多、难度大，需要特殊的吊装运输机械、码头和大存梁场地。如天兴洲长江大桥的整体节段长、宽、高分别为14，30和15.2 m，最大节段重量达7 000 kN[6−7]。所以天兴洲桥以后的韩家沱长江大桥、安庆长江大桥等又采用杆件散拼的施工方法[8−9]。先箱后桁两步拼装法既能克服以往散拼法杆件多、现场拼接工作量大的缺点，也能解决节段整体拼装尺寸大、质量重、拼接对点多、难度大、吊装运输困难等问题。但是，当在钢箱梁上拼装主桁杆件时，钢箱梁在其自重和斜拉索索力的作用下已产生变形，所以有可能导致未受力的主桁杆件与钢箱梁的尺寸不协调，使主桁拼装发生困难。

1 施工方案和箱、桁变形不协调问题

1.1 结构简介

蒙华铁路洞庭湖三塔铁路斜拉桥(下称DRB)，孔跨布置为(98+140+406+406+140+98) m，全桥共92节间，见图1。主梁由一个正交异性板开口钢箱梁和2片三角形钢桁架组合而成。主桁内倾布置，上弦中心距12 m，下弦中心距14 m，桁高12 m，节间长14 m。主桁腹杆锚固在开口钢箱梁的2个大边箱(又称下弦箱)的内侧腹板，斜拉索锚箱锚固在下弦箱的外侧腹板。开口钢箱梁在节点处和每个节间内分别设置1道和3道横隔板，横隔板间距为3.5 m，节点和节间横隔板构造相同。主梁横截面见 图2。

单位：m

1.2 施工方法

该桥开口钢箱梁本身具有较大的刚度，斜拉索又锚固在下弦箱上，为先箱后桁两步拼装法创造了条件。

DRB先箱后桁两步施工法主要分成2步。

第1步：钢箱梁的拼装：根据地理条件采用边跨顶推，中跨悬臂拼装方法。

单位：mm

3号和5号墩在托架上边拼装钢箱梁边向边跨侧顶推钢箱梁，直至1号和7号墩。然后向主跨侧按阶段悬臂拼装钢箱梁，并在墩身两侧对称的挂索，初张拉。4号墩先在托架上架设3个节间钢箱梁，然后向两侧悬臂拼装钢箱梁并挂索、初张拉，直至在2个主跨跨中合拢。

第2步：在钢箱梁上拼装主桁杆件。根据主桁杆件上桥的时间分为2种方案。

方案1：主桁杆件的拼装比钢箱梁落后若干节间，比如5个节间，该方案的本意是想缩短工期，但在主桁杆件拼装时，桥上荷载和线形一直在 变化。

方案2：开口钢箱梁全部拼装合拢后，再拼装主桁杆件，主桁杆件的拼装可以分段同时进行。

1.3 关键问题

钢箱梁高度、宽度都不大，拼装是没有困难的。只要调整合拢口的长度即可，其他节段都为标准长度。这种方法与公路斜拉桥钢箱梁的拼装类似，是很常规的。

但是第2步在钢箱梁上拼装主桁时，钢箱梁已经受力发生了变形，而主桁杆件却没有，有可能造成两者尺寸不协调。主桁杆件拼装时，可以先将相邻2个腹杆拼成三角形，然后再拼装上弦杆，如图3所示，无论钢箱梁怎么变形，把2个主桁腹杆在钢箱梁上拼成一个三角形都毫无问题，但2个上弦节点和之间的实际距离′，由于钢箱梁的变形而与标准上弦杆长度有所不同。采用这种拼装法只要关注上弦杆尺寸的不协调问题即可。为便于论述，记：为上弦杆的设计标准长度；′为钢箱梁拼装完成产生变形后为上弦杆预留的节间长度。

理论上只要调整上弦杆的长度，或者调整索力，或者在相邻上弦节点之间加上一对力来调整′，就可以完成主桁上弦杆的拼装。但为了保证制作质量，钢箱梁和主桁杆件都是在工厂中流水线生产的标准件，螺栓孔的直径只比螺栓大3 mm，的调节余地有限。而频繁调整索力或用其他方法施加外力等方法来调整′也是不可取的，不仅需要增加人力、物力、耽误工期，而且频繁调索有可能损坏锚头等设施。

所以先箱后桁关键问题是能否使绝大部分节间′与之间的差距小于3 mm的可调范围，使主桁杆件的拼装能顺利完成。否则，先箱后桁两步拼装法的优势不再存在。

图3 主桁杆件拼装示意图

1.4 主桁上弦杆长度的修正量

设钢箱梁上相邻2个节间的中点为和，与和相对应的上弦节点为和。即直线和分别为钢箱梁和截面变形之前的法线,见图4。钢箱梁变形前和是等长的，是标准的节间无应力长度，当钢箱梁安装完毕并已受力变形后，之间距离的改变为：

(2)

式中：Δ为钢箱梁节段受力变形引起的主桁上弦对应节点和间距的改变；Δ1为钢箱梁的的轴向变形引起的和间距的改变；Δ2为钢箱梁和截面相对转动引起的和间距的改变；u和u为钢箱梁和顺桥向的水平位移；沿轴正方向为正；和为钢箱梁和截面的转角(以弧度计)，以矢量指向轴正方为正；为主桁桁高，本桥为12 m。

Δ为实际上就是上述所说的′与之间的差距，即：

2 先箱后桁两步施工法方案1的可行性研究

2.1 有限元模拟方法

对于3号和5号边墩主桁杆件上桥时，边跨侧钢箱梁已全部拼装完成并顶推到位，只需向主跨侧悬臂拼装钢箱梁并落后5个节间向两侧同时拼装主桁杆件。对于4号墩则两边对称拼装钢箱梁并落后5个节间拼装主桁杆件。图5为钢箱梁已拼装完7个节间，正在拼装第2个节间的主桁杆件，图中粗实线为已经拼装完的钢箱梁和主桁杆件，细实线为正在拼装的主桁杆件。注意：钢箱梁分段在节间中点附近，与主桁下弦节点差了约半个节间，而斜拉索锚固在主桁下弦节点处，所以最前端斜拉索外约伸出了半个节间钢箱梁。

图5 主桁杆件比钢箱梁落后5个节间施工工法示意图

有限元分析中作如下假定：

1) 每一节间主桁杆件拼装时，钢箱梁已比主桁多拼完了5个节间。比如拼装第1节间的主桁杆件时，钢箱梁已经拼装完第6节间；

2) 每一节段钢箱梁拼装时，只张拉最前端的斜拉索，使最前端钢箱梁斜拉索的锚固点(节点处)的竖向位移为0，其他斜拉索的索力为被动变化。

3) 主桁杆件为无应力拼装。

采用Ansys通用软件对施工过程中每一个节段的拼装建立一个空间板梁有限元模型。主桁和上、下联结系各杆件、桥面系纵、横梁、加劲肋、桥塔等都采用空间梁单元，各杆件相互刚结；钢桥面板采用空间壳单元，考虑了钢桥面板、主桁下弦杆、纵、横梁、纵肋等之间的偏心连接。斜拉索采用LINK10单元模拟。实际的斜拉索只能受拉而不能受压，但施工过程中每一个步骤都是分别模拟，再将各个步骤的位移、应力等累加得到当前的总量。为了模拟某些步骤中的某些斜拉索有可能出现总索力减少的情况，斜拉索采用拉压均可的单 元[10−15]。

每一个模型中，已拼装完成的钢箱梁和主桁杆件具有刚度，但无重量，正在拼装的节段只计重量、不计刚度。某一时刻钢箱梁或主桁杆件的变形为以前所有施工步骤引起的变形的总和。比如2号节间上弦杆拼装时，相邻2个上弦节点间距离的改变为1~7号段钢箱梁拼装引起的变形的总和。

2.2 计算结果分析

图6是中塔(4号墩)由塔的中心线向两侧拼装钢箱梁和主桁杆件5~10个节间拼装时的挠曲线(每一条挠曲线中最前端5个节间只拼了钢箱梁，主桁杆件未拼，图中用较浅的线表示，后端的节间钢箱梁和主桁都已拼完，图中用较深的线表示)，表1是与之对应的主桁上弦节间距离的变化量Δ。由于从第2节间的主桁拼装开始，Δ都已超过了3 mm的调整范围，再往下计算已无意义，所以施工方案1只列出了前10个节间的Δ。

图6 中塔悬臂拼装各阶段挠曲线

由图6可见，由于拼装钢箱梁时，只张拉最前端的斜拉索，尽管钢箱梁前端锚固点挠度为0，但当主桁杆件上桥时，先拼部分的钢箱梁明显下挠。

由于对称表1只列出了左半边。表1中第1行为钢箱梁拼装完前5个节间主桁未拼装时的上弦节间距离累计变化量。第2行开始拼装钢箱梁和主桁杆件。每一行最左边的数据为当前刚拼完的钢箱梁节间所对应的上弦节间间距变化量，最右边的数据为当前正要拼装主桁的上弦节间距离的变化量Δ。而已经拼装完上弦杆的节间变化量我们并不关心，所以表中没有列出。

每一行中有2个数据，上一个为节间距离的总变化量，即式(1)中的Δ，下一个为由截面相对转动引起的节间距离变化量，即式(1)中Δ2。从这些数据可以看到，Δ与Δ2相当接近，即上弦节间距离的变化主要由钢箱梁节间两端截面相对转动引起，轴向变形引起的Δ1很小。

由表1可见，第1个节间上弦杆拼装时，上弦杆节间距离的变化量为缩短0.28 mm，小于螺栓与螺栓孔间隙3 mm，可以自由安装。而从第2个节间起上弦节间的变化量都已超过3 mm，有的甚至超过了6 mm，所以只张拉最前端斜拉索的索力不能顺利安装主桁杆件。

3号墩的基本情况与4号墩类似，表2是上弦节间距离的变化量，由于3号墩两边施工的不对称，所以表中的数据也不对称。从第二个节间拼装上弦杆时Δ超过5 mm，当拼装第5个节间钢箱梁时，Δ已超过了7 mm。5号墩与3号墩完全相同，不赘述。由此可见，方案1各墩悬臂拼装过程中只张拉最前端斜拉索的索力不能顺利安装主桁杆件。

表1 4号墩工法1悬臂拼装时的Δu和Δu2 (左半边，mm)

表2 3号墩按工法1悬臂拼装时的Δu和Δu2 (mm)

3 先箱后桁两步施工法方案2的可行性研究

3.1 有限元模拟方法

施工方案2的基本步骤如下：

1) 边墩3号、5号边拼装钢箱梁边向边跨顶推到位；

2) 边墩3号、5号向主跨侧、4号墩向两侧悬臂拼装钢箱梁，并对称挂索，初张拉；

3) 在2个主跨最大悬臂状态下，调索使钢箱梁达到平直状态，合拢钢箱梁；

4) 将主桁杆件在钢箱梁上就位，调整索力，使钢箱梁处于平直状态；

5) 在桥面上拼装主桁杆件，拼装时先将一个节间2个腹杆拼装成三角形，再连接上弦杆。

有限元分析中作如下假定：

1) 第3、4步都通过调整索力将钢箱梁拉至绝对平直状态，所以钢箱梁只有轴向变形而没有挠曲变形；

2) 钢箱梁合拢时调整合拢段节间的长度，实现无应力合拢，即合拢时没有增加内力和变形；

3) 在桥面上拼装主桁杆件时，不计入主桁杆件在节间内的变位引起的荷载位置的变化；

4) 第5步拼装主桁杆件时都为无应力拼装，所以不产生内力和变形；

根据上述施工步骤和基本假定，有限元分析需建立2个有限元模型：

有限元模型1：边跨钢箱梁已合拢，主跨钢箱梁处于最大悬臂状态；钢箱梁、索、塔都有抗力，荷载为钢箱梁自重，将合拢段钢箱梁的自重加在两侧悬臂端，每端一半。反复调整索力将钢箱梁拉至平直。由此算出钢箱梁的累计变形为施工步骤1~3的累计变形。

有限元模型2：开口钢箱梁已全部合拢，有抗力无重量。荷载为主桁杆件重量。调整索力使主跨钢箱梁处于平直状态，由此算出施工步骤4的变形。

上述2个模型算出的变形总和就是主桁拼装时和拼装完成后的钢箱梁的总变形，有限元模型的建立与2.1类似。

表3 主桁杆件安装时的Δu (左半桥，mm)

注：“32*”为合拢口上弦杆号

3.2 计算结果分析

表3列出了由上述2个模型计算得到的上弦杆的变化量的总和，由于对称，只列出了左半桥。表中上弦杆编号从左至右逐步增加，1号位于1号墩的右侧，17号位于3号墩墩顶，32号位于合拢口，46号位于4号墩墩顶。

从表中可以看出，除了主跨跨中钢箱梁合拢段上弦杆需增加32.63 mm，其他节间的上弦杆节间距离都缩短了，且缩短量都小于螺栓孔间隙3 mm，可以顺利实现无应力安装。理论上该方案是可 行的。

4 2个施工方案的比较和采纳实施

方案1施工过程的有限元模拟结果表明，若要保证每一节间主桁杆件的顺利拼装，除了张拉最前端斜拉索索力外，还必须调整其他若干斜拉索的索力，调索工作量大，不仅费时费力，而且反复调索容易引起锚具、锚头等构件的损伤。施工过程中钢箱梁处于悬臂状态，稳定性较差，桥上荷载又随时都在改变，随机因素较多。在悬臂状态下调索、主桁杆件的运送、吊装等作业都会干扰前端钢箱梁的拼装，反之亦然。所以钢箱梁与主桁杆件的拼装难以同步进行，进度快不了，违背了缩短工期的初衷，而且还有安全风险。

方案2运送、拼装主桁杆件时，钢箱梁已经合拢，稳定性好，桥上荷载基本不变。可通过调索较容易地将上弦杆节间长度的变化量控制在3 mm以内，主桁杆件可以顺利拼装。实际施工中，主桁杆件的安装可以多点分段同时进行，各段交接处将上弦杆先留一个缺口，各段分别往前拼装，最后再补上这个缺口。当遇到上弦杆缺口长度调整量超过了可调范围时，可稍稍调整附近1~2根斜拉索的索力，降低缺口长度调整量，这是比较容易做到的。总体上方案2钢箱梁的拼装和主桁杆件的拼装都比较单纯，相互不干扰，进度快，安全性好。

方案2已被批准并应用于洞庭湖大桥主梁拼装，取得了很好的效果。该桥全部主桁杆件的拼装于2017−08−16完成，历时仅117 d，安装误差控制在2 mm以内，开创了国内外先箱后桁两步施工法的先例[16−17]。

5 结论

1) 采用方案1施工时，桥上荷载随时都在改变，不确定因素较多，箱、桁的变形不协调难以控制，给主桁上弦杆的拼装造成困难。

2) 采用方案2施工时，桥上荷载不变，桥面处于平直状态，能将箱、桁变形的不协调控制在3 mm的可调范围内，而且还可以多点分段同时拼装加快进度。

3) 方案2被推荐并应用于该桥的施工，取得了很好的效果，开创了国内外先箱后桁两步施工法的先例。

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(编辑 涂鹏)

Study of two step construction method of installing the box girder first and then installing the truss members of Dongting Lake railway cable-stayed bridge

ZHANG Yezhi1, YANG Yi1, YI Lunxiong2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China； 2. China Zhongtie Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co., Ltd, Wuhan 430050, China)

According to the structure characteristics of Dongting Lake railway cable-stayed bridge, a new method of two-step construction was proposed, in which the box girder was fabricated first and then the steel trusses were installed on the box girder deck. This method not only overcomes the shortages of separate installation, such as too many components and too heavy aerial work on the site, but also overcomes the shortcomings of segment installation such as large size and large weight of the segment, too many splice joints, and difficulties of installation, hoisting and transfer of the segment. Two plans of the new method were presented, and their construction processes were simulated. The nonconforming deformation of the box girder and the truss bars were studied quantitatively using finite element method. According to the results, plan 2 was recommended, which can control the nonconforming deformation of the box girder and the truss bars within the adjustable range of the gap between the bolt and the bolt hole. Furthermore, the installation of the truss bars upon the box girder can be divided into many parts along the length of the bridge. In these parts, the truss bars can be installed at the same time to speed up the construction process. Plan 2 has been recommended and successfully used in the construction of the bridge and obtained excellent results.

triple-tower railway cable-stayed bridge; box-truss composite structure; two step construction method of installing box girder first and then installing trusses; nonconforming deformation of box girder and steel truss; finite element

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.10.015

U448.36

A

1672 − 7029(2018)10 − 2557 − 08

2017−08−23

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G001-B)

张晔芝(1973−)，男，上海人，副教授，博士，从事桥梁工程研究；E−mail：zhangyz824@163.com