大跨度钢桁梁顶推用钢导梁

摘要

本发明公开了一种大跨度钢桁梁顶推用钢导梁，包括导梁主体，导梁主体包括两片桁片单元，桁片单元包括上弦杆、下弦杆和若干个斜杆，若干个斜杆在上弦杆、下弦杆之间呈“W”形设置，所述导梁主体包括前端的第一导梁段、后端的第二导梁段，第一导梁段与第二导梁段之间通过变截面的第三导梁段连接一起，所述第一导梁段、第二导梁段均由若干个节段组成，节段之间的距离形成节间长度，所述第一导梁段的导梁高度与节间长度之比等于第二导梁段的导梁高度与节间长度之比，且第一导梁段的导梁高度小于第二导梁段的导梁高度。本发明可以设计导梁120m实现最大净悬臂160m，最大跨度180m的过墩。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢桁梁顶推用钢导梁，尤其是一种大跨度钢桁梁顶推用钢导梁，适用于 顶推桥梁施工，确保桥梁在顶进过程中顺利上墩及过墩，提高结构的安全性。

背景技术

目前，钢桁梁越来越多的应用于桥梁结构，世界上已建成多座大跨度钢桁梁桥等，目前 国外顶推法实现最大跨度为171m，郑州黄河公铁两用桥以最大跨度顶推为168m为国内成功 案例之最。无支墩顶推施工的跨度直接决定了最大悬臂长度，随着悬臂长度的增加施工设计 难度将成几何级数的增加，结构受力与悬臂长度成平方关系，挠度与悬臂长度更是四次方关 系，因此制作大跨度钢桁梁顶推用钢导梁存在技术难度。

发明内容

为克服以上缺点，实现大跨度(导梁120m，利用主桥钢桁梁40m，实现最大净悬臂160m， 最大跨度180m的过墩)，本发明提出一种大跨度钢桁梁顶推用钢导梁。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大跨度钢桁梁顶推用钢导梁，包括导梁主体，导梁主体包括两片桁片单元，桁片单 元包括上弦杆、下弦杆和若干个斜杆，若干个斜杆在上弦杆、下弦杆之间呈“W”形设置，所 述导梁主体包括前端的第一导梁段、后端的第二导梁段，第一导梁段与第二导梁段之间通过 第三导梁段连接一起，所述第三导梁段为高度渐变段，所述第一导梁段、第二导梁段均由若 干个节段组成，节段之间的距离形成节间长度，所述第一导梁段的导梁高度与节间长度之比 等于第二导梁段的导梁高度与节间长度之比，且第一导梁段的导梁高度小于第二导梁段的导 梁高度。

导梁前端刚度相对较小，统一高度的选择导致前段结构高，而杆件截面偏弱，容易引起 失稳及结构振动，需要适当降低节间整体尺寸。本发明的大跨度钢桁梁顶推用钢导梁设置第 一导梁段的高度及节间长度小于第二导梁段，并将二者导梁高度与间节长度之比相同，可获 得较大的净悬臂，实现大跨度过墩。

本发明制备了180m的大跨度钢桁梁顶推用钢导梁，但技术方案中“大跨度”指相对大 跨度，即采用本申请的技术方案相对于常规技术能够实现相对大跨度。

另外，根据本发明实施例的大跨度钢桁梁顶推用钢导梁还可以具有以下附加技术特征：

优选的，所述导梁高度与节间长度之比为9:5。

优选的，所述第一导梁段的导梁高度为第二导梁段的导梁高度的1/2。

优选的，所述第一导梁段和第二导梁段的上下平联处的杆件连接结构相同。

优选的，所述上下平联处由两个平联杆件按照十字交叉法连接。

优选的，所述第三导梁段具有两个节段。

优选的，还包括若干个剪力撑，所述剪力撑设置在所述两桁片单元的相对应的斜杆之间， 且桁片单元上倾斜方向相同的斜杆间隔设置所述剪力撑。

优选的，所述导梁本体下弦杆长度为120m，上弦杆总长度为125m，导梁本体宽度为11m； 第一导梁段的长度为40m，导梁高度为9m，节间长度为10m，第二导梁段的长度为60m， 导梁高度为18m，节间长度为20m，第三导梁段下弦长度为20m，第三导梁段上弦长度25m；

优选的，所述导梁本体靠近待安装的钢桁梁的至少一节上弦杆长度减短，从而实现导梁 本体前段(第一导梁段前段)预抬高。优选的，采用三节上弦杆(m9m10、m10m11、m11m12) 长度减短30mm，实现导梁前端预抬高500mm。

所述第二导梁段的两桁片的杆件箱型截面，其余杆件为工字型截面；

导梁本体杆件均采用Q370qD钢材制作。

本发明专利针对最大净悬臂160m，跨度180m的顶推施工，在国内外尚属首次。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显， 或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和 容易理解，其中：

图1为本发明大跨度钢桁梁顶推用钢导梁的整体结构图；

图2为图1的导梁上平联整体图；

图3为图1的导梁下平联整体图；

图4为导梁各节段剪力值；

图5为导梁各节段弯矩值；

图6为第一剪力撑结构图；

图7为第二剪力撑结构图。

附图标记说明：

上弦杆g1；下弦杆g2；斜杆g3；第一导梁段d1；第二导梁段d2；第三导梁段d3；钢桁 梁h。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件 或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释 本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、 “下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位 置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指 示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解 为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者 隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含 地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个， 三个等，除非另有明确具体的限定。

下面参照附图来描述根据本发明实施例的大跨度钢桁梁顶推用钢导梁。图1-图3具体显 示了本实施例的大跨度钢桁梁顶推用钢导梁，它包括导梁主体，导梁主体包括两片桁片单元， 桁片单元包括上弦杆g1、下弦杆g2和若干个斜杆，若干个斜杆在上弦杆g1、下弦杆g2之间 呈“W”形设置。导梁主体包括前端的第一导梁段d1、后端的第二导梁段d2，第一导梁段d1 与第二导梁段d2之间通过变截面的第三导梁段d3连接一起，第三导梁段d3为高度渐变段， 由两个节段组成。第一导梁段d1、第二导梁段d2均由若干个节段组成，节段之间的距离形 成节间长度。第一导梁段d1和第二导梁段d2的上下平联处的杆件连接结构相同。第一导梁 段d1的导梁高度与节间长度之比等于第二导梁段d2的导梁高度与节间长度之比，均为9:5， 且第一导梁段d1的导梁高度为第二导梁段d2的导梁高度的1/2。

其具体结构特点如下：

设计要求：利用主桥钢桁梁h40m，设计导梁120m实现最大净悬臂160m，最大跨度180m 的过墩。

结构特点：

1、钢桁梁h的前端设计钢导梁，根据钢桁梁h的宽度，按照中心线间距11m设计钢导 梁。钢导梁设计长度为120m，减小前端导梁的自重，高度变化一次，前端40m导梁高度为 9m，节间长度为10m；40—60m节间为导梁高度渐变段，后端60m导梁高度为18m，节间 长度为20m，导梁主桁采用接近等边三角形桁架。导梁的横向连接采用工字形截面，按照十 字交叉法连接。抗扭采用若干环向剪刀撑，与设置在与两桁片单元的相对应的斜杆同一平面， 且桁片单元上倾斜方向相同的斜杆间隔设置所述剪力撑。

高度9m的前端导梁主桁及变截面中间处的两根斜杆和上下平联均为工字型截面，其余 均为箱型截面。

具体而言，导梁的主体结构尺寸为：导梁本体下弦长度为120m，上弦总长度为125m， 导梁本体宽度为11m；第一导梁段d1的长度为40m，导梁高度为9m，节间长度为10m，第 二导梁段d2的长度为60m，导梁高度为18m，节间长度为20m，第三导梁段d3下弦长度为 20m，第三导梁段d3上弦长度25m。

导梁采用三段上弦杆g1长度减短30mm，实现导梁前端预抬高500mm。

如图1-3所示，图中编号1～49为导梁杆件，50为钢桁梁上弦杆g1，51为钢桁梁下弦杆 g2，52为钢桁梁斜杆，54为钢桁梁竖杆。图中编号M1～M12为导梁上弦杆节点编号，N1～N12 为导梁下弦杆节点编号，A1～A3为主钢桁梁上弦杆节点编号，E0～E3为主钢桁梁下弦杆节点 编号。

2、各杆件之间的角度优化选择。上、下弦杆g1、g2主要承受弯矩，斜杆主要承受剪力， 斜杆与弦杆之间的角度大小直接决定了剪力传递效率，角度越大传递剪力的效率越高，同时 杆件的密度越大，数量越多，重量越大；角度越小，剪力传递效率越低，杆件密度越低，重 量越轻。同时钢导梁采用Q370qD钢材，利用高强度材料减轻导梁结构自重。

导梁工况复杂，尤其是节点板处，反复的拉压力集中于节点板，节点板失稳是导梁破坏 的主要的形式，是整个导梁的最薄软部位。斜杆角度设置是否合理，决定了杆件深入节点板 内的长度和整体节点板大小，直接决定了节点板面外刚度。杆件端头距节点板中心距离越小， 越能保证节点板平面外的刚度，保证节点板稳定性。根据本申请人的研究发现，节点板两根 斜杆与上、下弦杆g1、g2布置最合理角度θ为arctan9/5＝60.9°≈61°，可选范围为60°-62°，近 似于等于三角形。斜杆深入节点板的相互干扰最小，斜杆端头最接近节点板中心。因此，钢 桁梁顶推施工导梁斜杆最合理倾角为61°。

采用近期等边三角形既保证结构重量不大幅增加，又使杆件剪力高效传递，同时节点板 设计最合理紧凑。兼顾结构尺寸及后续施工便利，实际选取斜杆与弦杆夹角为61°。

根据下表1、2(图4、图5)的弯矩包络表，在0m～120m处受过墩控制，120m～160m 处受悬臂状态控制，即导梁受过墩控制，主梁受最大悬臂控制。并且0～60m弯矩约是160m 处弯矩的四分之一，梁的抗弯截面系数w与梁高的平方成正比，因此前60m导梁的高度设为 主梁高的一半，即可满足要求。

因为斜杆最优倾角为61°，并且要求导梁的步距一致，全桥范围内能够同时起顶倒滑块， 实现各点倒滑块的协调一致，导梁变截面后的节间长度应为主梁节间长度的二分之一、三分 之一，其相应高度也为主梁的二分之一、三分之一，根据包络图确定导梁变截面的高度为原 高度的二分之一最为合理。

申请人经过实践证明，第一导梁段d1的导梁高度与节间长度之比为9；5，而等于第二导 梁段d2的导梁高度与节间长度之比为9:10、9；8和9:4，其它参数相同分别加工120m三组导 梁，均不能实现最大净悬臂160m及最大跨度180m过墩。斜杆倾角为55°和65°，其它参数 相同分别加工120m两组导梁，也均不能实现最大净悬臂160m及最大跨度180m过墩。另外， 第一导梁段d1的导梁高度为第二导梁段d2的导梁高度的1/3和2/3，其它参数相同分别加工 120m两组导梁，同样均不能实现最大净悬臂160m及最大跨度180m过墩。

3、各杆件截面选择。

根据导梁总体受力，悬臂状态结构弯矩包络图为三角形，过墩期间各截面受弯包络图为 梯形，综合导梁各工况，最终选择受弯包络图为梯形，导梁刚度按近似梯形变化。

表1弯矩剪力汇总表

为便于对比导梁及前端主梁受力，以导梁受力以10位置过墩为基数1，各位置受力与之 对比，受力随导梁长度变化而呈增加趋势。各比值如下表2所列：

表2弯矩弯力倍率关系表

4、钢导梁整体刚度的平缓过渡。导梁前端刚度相对较小，统一高度的选择导致前端结构 高，而杆件截面偏弱，容易引起失稳及结构振动。适当降低节间整体尺寸是不二选择，为调 整整体协调性，将高度及节间长度缩小至后端一半，即后端高度18m，节间长度20m，变化 为桁高9m，节点长度10m，两段之间导梁若采用10m进行变化，则各杆件截面变化快，刚 度突变较大，容易引起应力集中，对整体结构不利，导梁上弦桁高变化段长25m。整体结构 刚度EI，E为钢材的弹性模量，惯性矩I≈AR²，与杆件中性轴距离成平方关系，单个杆件截 面成正比。

5、导梁横向刚度的选择。钢桁梁h及导梁主要受自重影响，桁架竖向刚度为主要控制， 但同时沿海地区风力较大，瞬时风力达12级，这样要求导梁的横向刚度很大，在即满足横向 稳定性，又合理的利用主桁截面抵抗侧弯，横向高宽比选择为黄金分割点，导梁宽度即为 18m×0.618＝11.124m，取整宽度选用11m。

6、导梁抗扭设计

顶推施工过程中，各支点高差及风力将对导梁带来扭曲，在导梁结构中，增设抗扭剪刀 撑，提高结构整体稳定性。导梁在斜杆n1m1、n3m3、n5m5、n7m7、n9m9的腹杆面内设置 抗扭剪刀撑，其中因桁高变化，为提高导梁不同结构部位的抗扭能力，对于变高度后的抗扭 门架做出调整，实际使用两道剪刀撑。如图6、7所示，结构形式n1m1、n3m3、n5m5即第 一导梁段d1内使用抗扭第一剪刀撑，n7m7、n9m9即第二导梁段d2内使用抗扭第二剪刀撑， 如图所示，第一剪力撑为一组X形杆连接在两桁片相对应的两斜杆与上、下弦杆g1、g2的 交叉点之间。第二剪力撑在同一斜杆位置处设置上下两个，分别连接在两相对应的斜杆中部 与上弦杆g1的交叉点之间及中部与下弦杆g2的交叉点之间。第二剪力撑处的两对应斜杆中 部连接有横撑。当风力较大时，由于第二导梁段d2受力状况复杂，且承受力较大。而第二剪 力撑设置在n7m7、n9m9处或间隔设置。原有结构的第二剪力撑刚度较大，抗扭作用较大， 当地风力较大时，第二导梁段d2上所承受的扭力会传递给未设置第二剪力撑的节段，未设置 第二剪力撑的节段承受较大的扭力，稳定性减弱。因此，作为本实施例的一个优选示例，上 端的第二剪力撑中部的交叉连接点位置靠近上弦杆g1，下端的第二剪力撑中部的交叉连接点 位置靠近下弦杆g2。试验证明，其抗扭作用减弱，增加了导梁整体的抗扭能力。

7、节点板加强。

导梁各杆件受力拉压交替变换，上、下弦杆g1、g2整体节点板受力相当复杂。在设计阶 段，上、下弦杆g1、g2各节点板均采用局部加厚措施，斜杆腹板与节点板隔板连接，同时考 虑施工操作问题，人孔设置在隔板中间，隔板两翼向下延伸至弦杆顶板，因导梁为临时构件， 高强螺栓施工中预紧力松弛可能性极小，不需要将人孔留下作为进行其他观测加固的孔道， 因此，可对已完成节点板的预留孔洞进行封闭，将已完成高强螺栓的隔板人孔进行贴钢板焊 堵，恢复其强度刚度，提高节点板的面外稳定性。还可以对节点板内部加强，在已完成节点 的节点板内侧焊接钢板；也可以在节点板的外侧没有螺栓布置的部位焊接钢板。通过以上方 法可以显著提高节点板的稳定性。

8、前端预拱度设置

利用导梁上弦杆g1m9m10、m10m11、m11m12三根杆件在加工时，加工长度减短30mm， 其余各杆件长度及拼接板不变，实现导梁最前端500mm的预拱度，达到顺利支撑到下一个 墩滑块上的效果。

本发明实施例所制备的钢导梁利用主桥钢桁梁h40m，设计导梁120m实现最大净悬臂 160m，最大跨度180m的过墩。通过优化各杆件之间的角度，利用近似等边三角形最优角度 解决结构自重要求轻，刚度要求大，截面刚度随不同部位受力状态变化的突出矛盾。

为解决自重需求与刚度要求之间的矛盾，利用Q370qE钢材高强度的特性降低结构自重， 利用整体截面变高和杆件截面尺寸的变化实现导梁刚度随结构受力大小变化，利用两个小节 间实现整体桁高变化，实现整体刚度平缓过渡。

本项目导梁设计对于桁高变化后杆件分布重新调整，节间长度适应桁高，充分利用了杆 件的抗剪和轴压综合能力。综合考虑梁的纵向刚度和横向稳定，高宽比选择为黄金分割点比 例。

利津为沿海地区，施工期间风力较大，结构施工高度达34m，最大瞬时风力达12级， 对横向结构刚度要求高。按照间隔节间设置抗扭剪刀撑，提高钢导梁整体稳定性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例；本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明 的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型；本发明的范围 由权利要求及其等同物限定。