鋼橋梁傾斜雙曲面鋼拱肋安裝合龍工藝研究

□文/王延萍

隨著我國公路交通事業(yè)和城市建設(shè)的迅速發(fā)展，城市景觀橋梁的修建日益增多，近年來許多城市陸續(xù)出現(xiàn)各種形態(tài)各異的拱橋。拱橋造型優(yōu)美、變化多樣，不僅為城市環(huán)境建設(shè)增添色彩，而且往往成為地標(biāo)性建筑。北京通州北關(guān)大道跨北運河橋梁工程為上承式空間曲面連拱橋，橋梁寓意為“千荷瀉露”，其鋼拱肋雙向傾斜并且空間扭轉(zhuǎn)，在國內(nèi)極為罕見。要想使雙曲鋼拱肋完美合龍就需要從下部結(jié)構(gòu)開始嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力筋、鋼拱腳套箱及分段鋼拱肋的精準(zhǔn)定位，施工難度大、技術(shù)含量高、工藝復(fù)雜，對類似橋梁施工工藝的研究頗具意義。

1 工程概況

北關(guān)大道跨北運河橋梁位于北京通州運河核心區(qū)，是一個設(shè)計方案為“千荷瀉露”的梁拱組合景觀橋，全長360 m，其中主橋長210 m，為五跨上承式雙曲連拱鋼結(jié)構(gòu)；引橋長150 m，為預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)。橋梁橫斷面形式復(fù)雜，人行步道寬度及流水平臺沿著橋梁縱向由42.6～68 m 不斷變化，在步道及流水平臺變寬的過程中，各層步道高程逐漸分開，形成三層不同高度的人行步道。見圖1。

圖1 橋梁整體效果

2 雙曲鋼拱肋結(jié)構(gòu)形式

主橋采用五跨梁拱組合方案。根據(jù)橋梁縱向的拱形特點，主橋上部結(jié)構(gòu)采用與拱形吻合的鋼拱肋作為橋梁主受力構(gòu)件，將上部結(jié)構(gòu)荷載傳至拱座及承臺。根據(jù)橋梁寬度，設(shè)置七片拱肋，拱肋尺寸為1.6 m×1.25 m、1.6 m×2.5 m。為適應(yīng)橋梁變寬及橋下造型的需要，內(nèi)側(cè)拱肋外傾，外側(cè)拱肋內(nèi)傾，形成了空間的拱軸線。鋼拱肋的拱軸線大部分不在豎直面內(nèi)且有圓形、倒置懸鏈線形、多次拋物線形等，空間形狀復(fù)雜。為提高傾倒后拱肋的橫向穩(wěn)定，在拱肋間設(shè)置較為強大的拱間橫梁，橫梁上設(shè)置立柱，用于支承橋面系，橫梁同時伸入最外側(cè)拱肋作為各層步道的支承體系。橫梁間距為10 m，尺寸為1 m×0.85 m、1.6 m×0.85 m。主橋鋼結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 主橋鋼結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)

3 預(yù)應(yīng)力筋線形的定位

預(yù)應(yīng)力筋由承臺貫穿拱座、拱腳直至進入鋼拱肋，在鋼拱肋內(nèi)部進行張拉錨固；要達到鋼拱肋預(yù)應(yīng)力的既定效果必須對預(yù)應(yīng)力筋的位置進行精確定位。預(yù)應(yīng)力筋線形復(fù)雜且本身柔軟，定位難度大，控制斷面不夠會造成線形不平順，影響受力。在固定端錨墊板、承臺頂面、拱座內(nèi)、拱座斜面、拱腳混凝土段、鋼套箱下口、鋼套箱上口等幾個位置設(shè)置U 型筋定位框精確定位，保證預(yù)應(yīng)力筋線形的平順；輔以預(yù)應(yīng)力筋CAD三維圖來確定位置及高程，保證施工精度，從而充分保證預(yù)應(yīng)力筋的線形控制。

以拱座為例，在拱座內(nèi)部既定位置各截取一個斷面，四個角投影到承臺頂面，量取四條線的長度即相對位置高程，現(xiàn)場支架立筋，把每束預(yù)應(yīng)力筋的波紋管用U型筋固定在既定位置。同時在穿出拱座的斜面放樣出鋼絞線穿出拱座的精確位置，與拱腳結(jié)合的四個角點線框進行二次定位。見圖3-圖6。

圖3 預(yù)應(yīng)力筋定位

圖4 固定預(yù)應(yīng)力筋支架側(cè)視

圖5 預(yù)應(yīng)力筋穿出拱座定位

圖6 預(yù)應(yīng)力筋定位現(xiàn)場施工

4 鋼套箱的定位

主橋1#～4#承臺，每個承臺上設(shè)置3個拱座，拱座東西兩側(cè)各承接2個拱腳。拱腳與鋼拱肋結(jié)合處設(shè)置鋼混結(jié)合段，頂部設(shè)置鋼套箱與鋼拱肋直接相連，以起到截面剛度銜接及內(nèi)力傳遞的作用，把橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載傳至下部結(jié)構(gòu)的重要組成部分。鋼混結(jié)合段上的鋼套箱雙向傾斜，內(nèi)部設(shè)置加勁肋、PBL 剪力鍵和剪力釘?shù)取９澳_內(nèi)部預(yù)埋件、鋼筋布置十分密集，鋼套箱的安裝精度直接影響后續(xù)鋼拱肋的安裝精度，所以對其安裝的質(zhì)量要求很高。見圖7。

圖7 下部結(jié)構(gòu)各相對位置

4.1 鋼套箱定位支撐體系

由于鋼套箱底面傾斜角度較大，尤其邊拱鋼套箱同時向兩個方向傾斜，采用常規(guī)的滿堂支架對鋼套箱進行測量安裝定位非常困難，也不易操作。因此采用530 mm 鋼管和36b 雙拼工字鋼相結(jié)合的支撐形式。見圖8。

圖8 鋼套箱支撐體系

4.2 支撐體系放樣

以傾斜角度大的邊拱鋼套箱為例說明支撐體系的定位放樣。首先把鋼套箱底面的四個角點投影到河底護砌上備用，同時放樣支撐鋼管的中點，待立管之后復(fù)測鋼管頂面高程，用以確定支墩工字鋼斜口的配切量，最后在鋼管頂面放樣工字鋼的理論位置。

4.3 工字鋼支墩的精確加工

支墩采用36b 雙拼工字鋼制作，提前在CAD 軟件中根據(jù)鋼套箱底面空間位置及形狀，利用剖切命令切割出工字鋼斜面，結(jié)合實測的鋼管頂面高程確定支墩坡口形式。見圖9。

圖9 工字鋼支墩

4.4 鋼套箱的吊裝方法及精確安裝定位

利用鋼套箱CAD 三維實體模型，用massprop 命令找出鋼套箱的重心位置，邊拱選擇重心豎直線與頂面交點作為吊點以保證鋼套箱起吊后角度與理論角度相吻合，對于較重的中拱鋼套箱，對稱設(shè)置兩個吊點。見圖10。

圖10 鋼套箱吊點位置的確定

通過三個支墩坡口中點對應(yīng)鋼套箱底面的位置定位。首先計算中點在圖中的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)現(xiàn)場在鋼套箱底部做好標(biāo)記，然后起吊，使標(biāo)記與支墩坡口中點相吻合，點焊卡板預(yù)定位并跟蹤實測頂面的三維坐標(biāo)，同時用線墜垂到底面角點坐標(biāo)在護砌上的投影位置，利用水準(zhǔn)儀復(fù)測鋼套箱的角點高程，最后再進行微調(diào)焊接定位。

5 鋼拱肋的分段定位安裝

主橋分為五跨，跨度分別為30、40、70、40、30 m。鋼拱肋雙向傾斜并且空間扭轉(zhuǎn)，分布形式為內(nèi)拱外傾和外拱內(nèi)傾。鋼拱肋截面尺寸：高1.8 m、中拱寬1.25 m、邊拱寬2.5 m。鋼拱肋安裝順序為由兩側(cè)連接拱腳拱肋段到跨中合龍段。預(yù)應(yīng)力筋及鋼套箱的精確定位安裝，目的是為保證鋼拱肋完美合龍打下堅實的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)打不好會直接影響鋼拱肋的安裝精度從而進一步影響整個橋梁的線形。同樣對于鋼拱肋的安裝定位來說測量方式的選擇、控制點坐標(biāo)的計算并結(jié)合監(jiān)控單位預(yù)偏、預(yù)高值的計算等至關(guān)重要，通過采用CAD 三維建模的方式輔助測量坐標(biāo)計算，控制分段位置四個角點坐標(biāo)及高程進行定位。結(jié)合運用midas 計算軟件輔助計算鋼拱肋施工各工況下的受力狀態(tài)，確定合理的預(yù)高、預(yù)偏值，以保證鋼拱肋的最終安裝精度和成橋線形。

5.1 鋼拱肋下部環(huán)口定位

由于現(xiàn)場條件所限且處于汛期，河道不能圍堰節(jié)流，不能正常搭設(shè)平臺和支架，同時由于鋼套箱斜面傾斜角度過大無法正常的支設(shè)棱鏡，無法滿足常規(guī)的測量需要。故采用后方交會的測量方式和紅外線免棱鏡的測量方法，輔以小棱鏡支設(shè)進行校核。在待測鋼套箱正前方5#墩柱頂面加密布設(shè)3個控制點，相鄰兩點間距6 m，按常規(guī)的后視定向會出現(xiàn)短邊定長邊的測量缺陷且前后視距相差3 倍以上，所以采用后方交會測量方式，從而滿足測量精度的要求。加密的中間控制點測3#、4#、5#拱肋環(huán)口，兩側(cè)控制點分別測1#、2#和6#、7#拱肋環(huán)口，目的是確保紅外線垂直打向鋼套箱斜面進行初始定位且不會出現(xiàn)虛影，而后再配以徠卡小棱鏡復(fù)測。在鋼套箱斜面放樣出四個角點之后，用傳統(tǒng)的方法——盒尺丈量邊長是否達到圖紙的尺寸要求，而后將所測值反饋給拱肋加工廠進行鋼拱肋的廠內(nèi)配切。見圖11。

圖11 鋼拱肋下部環(huán)口放樣

5.2 鋼拱肋的支撐體系

鋼拱肋上部環(huán)口的支撐形式與鋼套箱的支撐形式類似，采用530 mm 鋼管+鋼板支墩的形式來支撐定位。以河底護砌作為基礎(chǔ)，設(shè)置支架套筒。支架之間設(shè)置槽鋼橫向支撐和X 形斜撐，支架頂設(shè)施雙拼36b工字鋼橫向和縱向聯(lián)系，工字鋼上設(shè)2 cm 厚鋼板支墩。支架受力采用鋼拱肋施工過程中的最大受力狀態(tài)，穩(wěn)定性為140 MPa，滿足要求。鋼拱肋支架施工完成后，復(fù)測支架頂橫向雙拼工字鋼軸線數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)反饋到CAD 三維圖中，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容，對應(yīng)鋼拱肋位置確定鋼板支墩的具體尺寸和空間位置。支撐鋼板厚度2 cm，兩側(cè)設(shè)置三角加勁板，這樣既能滿足鋼拱肋的豎向受力要求，又能減小支墩與鋼拱肋接觸面積。由于鋼板支墩能直接影響鋼拱肋的安裝精度，所以鋼板尺寸必須十分精確，現(xiàn)場加工誤差≯2 mm。見圖12。

圖12 鋼拱肋支撐

5.3 鋼拱肋上部環(huán)口定位

鋼拱肋雙向傾斜并且空間扭轉(zhuǎn)，軸線不在豎直平面內(nèi)，給測量數(shù)據(jù)計算帶來很大難度。因此采用CAD三維建模的方式輔助測量坐標(biāo)計算。根據(jù)鋼拱肋圖紙的數(shù)據(jù)，畫出三維模型，通過midas和三維CAD相結(jié)合的方式對鋼拱肋四個環(huán)口角點來測量定位。在拱肋環(huán)口的定位中，同時要控制拱肋之間連接橫梁的高程及坐標(biāo)的X值，以保證在后續(xù)橫梁的吊裝中不會出現(xiàn)錯臺和扭曲的現(xiàn)象。見圖13-圖15。

圖13 鋼拱肋上部環(huán)口測量定位

圖14 midas軟件輔助計算

圖15 鋼拱肋連接橫梁中心點

5.4 鋼拱肋合龍段的安裝

通過現(xiàn)場對合龍段進行實際測量，建立任意局部坐標(biāo)系，實測出兩側(cè)的環(huán)口坐標(biāo)以及連接橫梁的中心點三維坐標(biāo)，將實測值導(dǎo)入CAD 繪制出外形，與已安裝完成后的兩側(cè)拱肋環(huán)口坐標(biāo)對比，以實際橫梁中線為基準(zhǔn)，反復(fù)調(diào)整合龍段位置，使兩側(cè)焊縫間隙都達到數(shù)值要求，為了保證焊縫完全熔透和避免超寬焊縫，要求兩側(cè)環(huán)口對接間距控制在4～8 mm；為了避免鋼拱肋線形突變，拱肋環(huán)口兩側(cè)相對高差控制在≤6 mm。最終確定鋼拱肋合龍段兩側(cè)配切量，實現(xiàn)鋼拱肋的完美合龍。見圖16。

圖16 合龍段三維配切

6 結(jié)論

本工程鋼拱肋的安裝已經(jīng)順利完成，通過詳細(xì)的分析以及計算機軟件輔助模擬，綜合考慮各方面的因素，從橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的精確定位開始，在保證一定安全系數(shù)的前提下，計算出精確的三維控制點坐標(biāo)，結(jié)合監(jiān)控單位計算的預(yù)高和預(yù)偏值，從理論上控制好定位問題。現(xiàn)場實際測量放樣時，還要綜合考慮溫度、變形的影響，制定科學(xué)合理的測量方案并制定準(zhǔn)確有效的加工定位方案，最終保證雙曲面鋼拱肋的準(zhǔn)確合龍。