0 引言

　　钢结构桥梁以优良的材料性能、较高的工业化程度、快捷便利的安装施工、良好的可靠性及抗震性等优点，在桥梁中占据重要角色^[1]。大跨度钢桥中，钢箱梁、钢桁梁及钢混组合结构成为主要的主梁形式，其中，钢桁梁主要优势如下:(1)钢桁梁有更大的截面高度及刚度，适应于进一步增加的挠度和跨径要求;(2)主要由主桁、连接系、支撑体系及桥面系等组成，各构件间受力相对明确;(3)工业化程度高，结构可化整为零，对各类运输、安装、施工条件均有良好的适应性，当跨越深谷山区桥梁施工或吊装能力有限时，钢桁梁的结构形式有明显优势^[2]。目前钢桁拱、钢桁梁在拱桥及缆索承重体系桥梁中应用普遍，在梁桥、简支桥或连续下承式钢桁梁桥中成为主要结构形式。连续钢桁梁桥相比简支体系跨越能力有明显提高，在各类铁路及轻轨线路上有大量实践。

　　桥梁需根据结构特点、桥位地形、桥渡通航情况或桥下交通状况、地质、水文等确定施工方法，同时需考虑现有施工设备及技术水平、工期、施工安全等因素^[3]。连续钢桁梁桥架设方法种类繁多，主要包括整体吊装施工、缆索吊装施工、拖拉施工、顶推施工、悬臂拼装施工等^[4]。悬臂拼装施工对桥下正常交通或航道影响小，施工不受水文条件、墩高及季节限制;连续钢桁梁桥的悬臂施工过程中，结构受力状态与成桥受力状态类似，因而更具合理性，能适应更大跨径的钢桁梁桥^[5]。

　　钢桁梁悬臂拼装往往依靠可移动的桥上吊机，一边拼装，一边向前行进，钢梁在桥位不采用临时支架支撑，悬臂长度逐渐增长，直至拼装至下个墩台或合龙^[6]。跨径不大的连续钢桁梁桥悬臂拼装施工，可优先完成主桁及部分连接系的拼装工作，利用桁上吊机提前进行下个节段的吊运安装，桥面系待主桁体系完成后再连接，从而节省工期成本^[7]。随着悬臂长度不断增大，悬臂端挠度及悬臂根部杆件应力明显增加，桥面系后连的施工工序将削弱钢桁梁截面抗弯能力及刚度，影响施工安全性。因此，钢桁梁悬臂拼装施工中，桥面系的连接时机成为平衡施工安全性与经济性的问题之一，本文将以在建宁波三官堂大桥为背景，对比分析桥面系连接时机对悬臂施工钢桁梁应力及挠度的影响。

　　1 工程概况

　　该桥位于宁波市东部城区，建成后将成为目前世界上最大跨度的连续钢桁梁桥，跨径布置785m(160m+465m+160m)，是连接高新区院士路与镇海区明海大道的跨越甬江通道。钢桁梁采用变高桁，N形桁式，跨中桁高14.5m，边墩顶桁高15.0m，中墩顶桁高42.0m;设置双向8车道，两榀主桁中心间距33.7m，中跨桥面宽度45.9m;桁架基本节间距15.0m，中墩顶附近18.75m，主墩处桥面下设置V形撑^[8]。主桥总体及横断面布置分别如图1,2所示。

　　图1 总体布置(单位:m) 

　　图2 钢桁梁横断面布置(单位:m) 

　　主桁采用变截面钢箱桁架，腹板尺寸从跨中12mm、三角区桁架末端45mm变化到主墩附近16mm，底板及加劲肋尺寸在部分关键节点局部加强。桥面系主体为多根小纵梁支承的U肋加劲正交异形桥面板，横联包括设置在下弦杆节点对应位置的横梁和节段内部的多道横隔板处。行车道桥面板厚16mm，主墩三角区部分加厚至20mm，悬挑部分人行道桥面板厚12mm;U肋为300mm(宽)×280mm(高)×8mm(厚)，间距500～600mm;共6道腹板厚14mm的小纵梁，2道腹板厚16mm与下弦杆等高的小纵梁;横隔梁与下弦杆等高，腹板厚14～16mm，间距与桁架节间距一致，主墩三角区末端横隔梁局部加强;节段内横隔板厚12mm，间距3.45m。

　　主梁施工边跨及三角区钢桁梁采用全支架拼装，此后分别以两边跨为锚固跨，利用桁上吊机悬臂拼装至跨中合龙，中跨悬臂拼装节段共21个，包括合龙段及两侧各10个钢桁梁节段(Z5～Z14)^[9]。主桥施工流程如图3所示。中跨钢桁梁悬臂拼装具体流程如下:三角区及边跨钢桁梁安装完毕，Z5节段待吊装→吊装Z5节段，完成后桁上吊机行进→循环以上节段拼装、吊机行进过程，直至合龙→调整两侧标高后，对称吊装合龙段并连接。

　　图3 总体施工方案及中跨钢桁梁悬臂拼装流程 

　　在中跨钢桁梁拼装施工过程中，已吊装节段完成全部连接工作后，再进行后续节段施工，此时悬臂体系具有较大刚度，应力相对较低，但工期明显较长;若仅连接全部弦杆及腹杆，桥面系暂不连接或只连接节段内部桥面系，不连接桥面系嵌补段，能明显节省工期成本，但削弱相应悬臂体系刚度，应力和挠度均较大。三官堂大桥中跨>400m，单边最大悬臂达150m，桥面系连接时机对主梁的影响不可忽视。

　　2 有限元建模

　　利用ABAQUS建立2个主要模型比较3种不同施工次序，模型1以梁单元模拟全部杆件，对应已吊装节段不进行桥面系连接的1号施工次序，该过程中，桥面系未完成连接，模型中仅考虑横梁作用，桥面系自重转化成荷载，施加到相应下弦杆上。

　　模型2对应已吊装节段进行桥面系连接的2,3号施工次序，该过程中，桥面系通过约束节段间的不同位置分别连接完成部分和全部(2号施工次序对应模型仅约束节段间腹杆及弦杆部分，3号施工次序对应模型增加节段间桥面系的约束)，节段内桥面系与下弦杆整体共同工作。由于节段间桥面系与下弦杆形成共同工作整体，因此使用壳单元模拟桥面系及下弦杆，上弦杆、腹杆及除横梁外的全部连接系均用梁单元进行模拟，因此涉及梁单元与壳单元的连接。实际钢桁梁体系中，连接部位即桁架节点，但在整体计算中，很难模拟节点连接的局部应力。因此该模型将下弦杆节点附近区域视为刚体，与梁单元体系的对应节点耦合，由圣维南原理可知，距节点区域一定范围外的应力均可视为实际值。由于所选耦合区域在纵桥向的尺寸较小，对悬臂体系挠度影响相对较弱，模型计算的挠度虽相对实际值偏小，但偏差在可接受范围内。

　　选取边墩及中墩支座处节点为边界条件，进行全固结约束，荷载包括结构自重、各工况吊装主梁质量及2×325t桁上吊机自重、边跨混凝土压重。吊装主梁质量与桁上吊机自重以前后支点集中力的形式作用于主梁，分3阶段浇筑，共38 349kN，以面力形式施加在相应节段底板上:(1)工序1不连接桥面系即进行后续节段吊装;(2)工序2连接节段内部桥面系再进行后续节段吊装;(3)工序3完成全部桥面系连接后吊装后续节段。

　　由3种不同工序的最大悬臂状态(合龙段吊装阶段)应力及挠度计算结果可知，桥面系不连接、部分连接和全连接的Mises折算应力最值分别为390,345,261MPa;挠度最值分别为3 130,2 049,1 762mm。应力最值中，桥面系不连接和部分连接模型的最大应力均出现在悬臂根部下弦杆节点附近，且在桥面系部分连接模型中出现明显的应力集中，但在桥面系全连接模型中，最大应力为中跨上弦杆应力。挠度最值中，桥面系不连接模型的最大挠度即下弦杆悬臂端，而在桥面系部分连接与全连接模型中，实际悬臂端附近桥面系的挠度为全桥最大。

　　3 结果汇总及分析

　　将3种工序各11个工况的最大Mises折算应力与下弦杆悬臂端挠度进行汇总，如表1所示。

　　中跨钢桁梁吊装过程中，仅连接全部弦杆及腹杆，桥面系暂不形成统一整体，可节约工期。由于桥面系简化为自重荷载，不参与受力，悬臂下弦杆应力值大幅度超标，材料屈服甚至破坏。此外，该工序悬臂端挠度达3 109mm，即施工设计时对线形做预抛高及角度处理后，挠度值也难以得到补偿。

　　若节段内部桥面系部分连接，节段间嵌补段不连接，在合龙段吊装的最不利工况下，下弦杆远离桁架节点区域的应力值处于安全范围内，但多个节点附近应力值超出设计强度。该工况中悬臂端挠度(2 040mm)较桥面系不参与受力的体系大大减小，依据挠度值之比，可近似认为该工序下的悬臂体系截面抗弯刚度是对应不连接工序的1.52倍。

　　若选择桥面系全连接施工，即完成已吊装部分全部桥面系连接工作后，再进行后续节段吊装，悬臂体系的抗弯刚度达到最大，应力(下弦杆应力最值<200MPa，上弦杆应力最值261MPa)及挠度(1 746mm)均大为降低，依据挠度值之比，可近似认为该工序下的悬臂体系截面抗弯刚度是对应不连接工序的1.78倍。

　　将所得结果绘制为折线图(见图4,5)，随着中跨节段的拼装，悬臂长度增加，结构最大应力及挠度整体呈上升趋势，且斜率逐渐增大。桥面系不连接模型中，边跨部分的刚度比其他工序更小，当悬臂节段较少、边跨受力控制时，该工序出现较大的折算应力和较小悬臂端挠度。此后随悬臂长度增加，体系逐步由边跨受力控制向悬臂根部受力控制转化，应力极值位置从边跨三角区附近杆件向中跨移动。在桥面系部分连接和全连接工序中，同样存在应力极值位置移动现象，吊装Z11节段前，最大应力值均出现在边跨，因而两者在折线图中具有完全一致的最大应力变化路径，但从吊装Z12节段开始，应力极值出现在中跨悬臂部分，两者最大应力出现差异。Z8,Z12等节段拼装过程中，最大应力和悬臂端挠度增长速度明显变缓，原因在于分3阶段浇筑的压重混凝土，此外合龙段施工时的吊装质量相对单个节段较小，导致折线最后一段斜率减小。

　　表1 最大折算应力与下弦杆悬臂端挠度  

　　图4 最大折算应力 

　　图5 下弦杆悬臂端挠度 

　　从吊装Z12节段开始至合龙时，体系主要由中跨悬臂受力控制，桥面系不连接和部分连接工序的应力最值均出现在悬臂根部(主墩下三角桁架末端)的下弦杆节点附近，而桥面系全连接工序最大应力位于靠近悬臂根部的上弦杆，原因是桥面系不连接体系截面刚度最小，应力最大，且较小的下弦杆刚度使截面中和轴位于上部，使下弦杆应力值进一步增加;桥面系部分连接体系节段内部截面刚度与全连接相仿，因而整体挠度及远离下弦杆节点区域的应力值较不连接体系均明显减小，但未进行桥面嵌补段施工的体系，在下弦杆节点附近应力分布应与不连接体系几乎一致，由于有限元模型中单元选择和桁架节点模拟存在差异，计算应力值有所区别;桥面系全连接体系中，下弦杆与桥面系组成的整体共同受力，截面刚度增大，中和轴下移，下弦杆应力进一步减小，悬臂端挠度同样为最小值。若只考虑3种工序的上弦杆应力，随下弦杆与桥面系整体刚度增加，上弦杆应力水平总体相近，略有上升，最终反映为全连接体系中的应力极值。

　　4 结语

　　对三官堂大桥中跨钢桁梁各施工工况进行有限元建模分析，探讨钢桁梁悬臂拼装工法中桥面系连接时机对钢桁梁受力响应和施工安全性的影响，通过分析应力和挠度计算结果，得到以下结论。

　　1)钢桁梁悬臂拼装过程中，若仅连接主桁，滞后桥面系与下弦杆整体受力体系的形成，将明显削弱主梁截面刚度，在跨径进一步增加的桥梁结构中产生过大应力和变形，不利于安全施工。在此基础上，考虑先连接节段内部桥面系，暂不连接桥面系嵌补段的施工工序，远离桁架节点处桥面系与下弦杆能共同工作，该部分构件应力及整体挠度均有明显改善。但施工过程中桥面系在桁架节点处不连续，不能为该区域附近截面提供额外抗弯能力，应力极值更偏向于不连接体系。

　　2)待已拼装节段完成全部连接工作后，再进行下节段吊运拼装，此时下弦杆与桥面系组成整体共同受力，截面抗弯刚度明显增大，下弦杆应力及悬臂端挠度均为3种工序中最小值。该工序应力极值位于上弦杆，相比不连接和部分连接体系略上升，此后随合龙后边墩支点顶升和桥面铺装等二期荷载的实装，中跨负弯矩减小，仅需验算可能出现的跨中正弯矩控制情形。

　　3)桥面系全连接施工工序主梁刚度较大，应力及挠度改善明显，而桥面系不连接和部分连接的施工工序中，主梁均因应力过大难以满足施工要求，此外，被削弱的截面刚度突出主梁稳定性问题。随悬臂长度逐渐增长，在桥面系部分连接的施工工序中，主梁仅在最后几个节段的拼装过程出现应力超标状况，挠度值相对不连接工序减少约30%(相较于全连接工序的40%)。是否可能错开桥面嵌补段连接与新节段拼装时间(如仅滞后1～3个节段)，使吊拼后续节段时，悬臂根部下弦杆已与桥面系形成整体，从而减小应力水平满足施工要求。若采取此施工工序，主梁应力需由桥面系全连前的应力叠加形成整体后增加的荷载响应，且对钢桁梁节段的预抛高处理进行进一步考量。