拱肋轉(zhuǎn)體體外鉸的設(shè)計(jì)與定位精度控制

■孫全武

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴陽(yáng) 550001）

20 世紀(jì)末21 世紀(jì)初，由于受條件限制，在拱橋施工過(guò)程中，轉(zhuǎn)體施工得到廣泛應(yīng)用，具體典型橋梁如下：廣州丫髻沙大橋鋼桁拱（平轉(zhuǎn)+豎轉(zhuǎn)）[1]、滬通長(zhǎng)江大橋（有背索豎轉(zhuǎn)）[2]、務(wù)川珍珠大橋（負(fù)角度豎轉(zhuǎn)）[3-4]及東湖特大橋[5]等。鉸座主要為球鉸和體內(nèi)鉸，球鉸多用于重型轉(zhuǎn)體，對(duì)地形要求高，體內(nèi)鉸施工困難且對(duì)拱肋損傷大，盡管?chē)?guó)內(nèi)拱橋豎轉(zhuǎn)施工發(fā)展迅速，但如何避免拱肋損傷成為業(yè)者需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題，需要在今后的工作中不斷探索和總結(jié)。以貴陽(yáng)市中心人民大道筑城廣場(chǎng)大橋?yàn)橐劳校瑢?duì)大跨徑弱拱肋豎轉(zhuǎn)進(jìn)行研究，研發(fā)一種體外合頁(yè)鉸座及其定位精度控制措施，結(jié)合臨時(shí)塔架成功將柔性主拱圈豎向提轉(zhuǎn)70 m 高度；簡(jiǎn)化了鉸座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高效、準(zhǔn)確地完成鉸的定位安裝，降低施工成本，并有效減小了對(duì)拱肋結(jié)構(gòu)的影響，為今后大跨度鋼結(jié)構(gòu)拱肋豎轉(zhuǎn)提供參考，可作為同類(lèi)橋梁施工的依據(jù)。

1 工程概況

貴陽(yáng)市筑城廣場(chǎng)大橋是貴陽(yáng)人民大道南段的控制性工程，全長(zhǎng)236 m，采用拋物線(xiàn)輕型斜跨單拱肋結(jié)合雙層小半徑曲線(xiàn)（R=100 m）鋼桁梁結(jié)構(gòu)，大橋先后兩次跨越南明河；橋面分上、下層布置，上層寬27.2 m，下層寬22.2 m，桁架高7.0～7.2 m；小拱肋和大拱肋均為單拱，其跨徑為90 m 和162 m，矢高為59 m 和69 m，正方形拱箱截面由拱頂2 m×2 m漸變至拱腳2.5 m×2.5 m，小拱肋共17 個(gè)節(jié)段，大拱肋共25 個(gè)節(jié)段，見(jiàn)圖1。該橋施工場(chǎng)地十分狹小，四周均為高樓；兩次跨河，上跨已運(yùn)營(yíng)貴陽(yáng)地鐵1 號(hào)線(xiàn)（埋深8.7 m），河道兩岸及河底還有大斷面排污系統(tǒng)；加之施工工期十分緊張，拱肋高度高、截面小，拱肋變形控制難等因素，臨時(shí)措施構(gòu)建特別困難。

圖1 大橋總體構(gòu)造

2 總體技術(shù)思路

該橋處于貴陽(yáng)市中線(xiàn)，施工條件有限，可利用的空間較小，拱肋施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，傳統(tǒng)的施工方法無(wú)法滿(mǎn)足工期的要求，主要不利因素有：（1）采用支架搭設(shè)后拱肋逐段拼裝方法，支架高度較高，工程量較大，經(jīng)濟(jì)性不佳；（2）四周高樓林立，傳統(tǒng)的纜索吊裝不能滿(mǎn)足施工要求；（3）橋梁四周有大量的污水、供水管道；（4）工期十分緊張。

基于以上情況，經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及方案論證，擬對(duì)拱肋進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工。 在拱肋鋼混結(jié)合段接縫處增設(shè)體外合頁(yè)鉸，在拱肋中心處設(shè)立提升塔架，利用大功率卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)拱肋進(jìn)行提升，拱肋在合頁(yè)鉸處隨著高度提升進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，最終完成整個(gè)轉(zhuǎn)體。而拱肋鉸座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與定位精度控制， 是拱肋轉(zhuǎn)體是否成功的關(guān)鍵措施之一。 鑒于筑城廣場(chǎng)大橋建設(shè)條件相當(dāng)復(fù)雜， 很難保障提升門(mén)架纜風(fēng)繩設(shè)置的最佳利用率，故在轉(zhuǎn)體模擬中不考慮纜風(fēng)繩抵抗水平推力作用，通過(guò)計(jì)算，要使塔偏控制在規(guī)范要求范圍（10 cm）內(nèi)，需要將吊索與塔架夾角控制在5°內(nèi)，即在轉(zhuǎn)體過(guò)程涉及6 次轉(zhuǎn)換吊點(diǎn)，見(jiàn)圖2、3。

圖2 提升豎轉(zhuǎn)階段流程

圖3 提升橫梁大樣圖

3 施工特點(diǎn)

該方案具有以下施工特點(diǎn)：（1）首次在拱腳起步段頂面設(shè)置體外豎向轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，最大程度減少了對(duì)拱結(jié)構(gòu)的影響，確保了拱肋的質(zhì)量；（2）研發(fā)采用自升降塔架實(shí)現(xiàn)60 m 高度無(wú)扣錨索、無(wú)附著起吊；實(shí)現(xiàn)起吊設(shè)備高空自行安裝、拆除；（3）通過(guò)采用多吊點(diǎn)換鉤豎直提升轉(zhuǎn)體，確保過(guò)程安全可靠。

4 體外荷頁(yè)鉸轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

（1）構(gòu)造原理

針對(duì)轉(zhuǎn)體施工的鉸座設(shè)計(jì)進(jìn)行了改良，研發(fā)出一種體外鉸裝置，以保障原設(shè)計(jì)拱肋結(jié)構(gòu)的完整性。先采用鋼箱附著于拱肋（鉸箱采用t=20 mm 的普通Q235 鋼板加工），配合鉸軸的設(shè)計(jì)方案；分陰頭、陽(yáng)頭設(shè)置，內(nèi)箱設(shè)置橫隔板，確保拱肋在轉(zhuǎn)體過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形更加可控。鉸軸采用D=140 mm 的40Cr 材質(zhì)鋼棒加工；鉸孔內(nèi)外圓公差控制在0.5 mm 以?xún)?nèi)（加工按照0.2 mm 控制）， 確保轉(zhuǎn)體過(guò)程中的拱肋軸線(xiàn)平面精度，如圖4、5 所示。

圖4 轉(zhuǎn)體鉸設(shè)計(jì)圖

圖5 轉(zhuǎn)體鉸實(shí)物圖

（2）鋼箱及轉(zhuǎn)動(dòng)軸設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

鉸座鋼箱及鉸軸根據(jù)拱肋的斷面尺寸、拱肋轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的每個(gè)荷載工況，以最不利荷載工況進(jìn)行計(jì)算并考慮安全系數(shù)，還須對(duì)鋼箱、鉸軸的材質(zhì)、加工精度、焊接等作出相應(yīng)的要求。

（3）體外鉸的安裝流程

鋼混段（起步段）拱肋的安裝→鋼混段混凝土的澆筑→下鉸座鋼箱的定位、安裝、焊接→鉸軸的定位、安裝、焊接→拱肋第2 節(jié)段的安裝定位→上鉸座鋼箱的定位、安裝、焊接→拱肋第2 節(jié)段的試轉(zhuǎn)。

（4）安裝精度控制要點(diǎn)

體外鉸需要設(shè)置在起步段的頂口接縫處；鉸是全橋轉(zhuǎn)體的重要結(jié)構(gòu)，其加工及安裝精度需要嚴(yán)格控制：①控制措施一：采用“穿線(xiàn)撥角法”+“軸線(xiàn)平移法”相結(jié)合確保鉸的安裝精度；②控制措施二：鋼混結(jié)合段與相鄰節(jié)段采用原設(shè)計(jì)位置定位后 （立拼）再焊接鉸軸軸套；復(fù)核相鄰節(jié)段的4 個(gè)角點(diǎn)，確保符合設(shè)計(jì)控制坐標(biāo)后再施焊，施焊后的鉸可確保轉(zhuǎn)體到位后的節(jié)段位置準(zhǔn)確；來(lái)回3 次試轉(zhuǎn)，可進(jìn)一步確保其施工精度；精確計(jì)算鉸各點(diǎn)控制坐標(biāo)及高程（二維計(jì)算、三維復(fù)核）。 二維計(jì)算：根據(jù)設(shè)計(jì)單位給出的設(shè)計(jì)立面圖，在橋型布置圖立面圖中準(zhǔn)確放出鉸的安裝位置，利用鉸各控制角點(diǎn)投影至其相應(yīng)平面位置， 在平面位置中標(biāo)注出具體坐標(biāo)即可。三維復(fù)核： 在三維設(shè)計(jì)圖中準(zhǔn)確安裝放樣鉸的位置，可直接查詢(xún)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)和高程。 此步驟僅用于復(fù)核二維計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，若不一致，則重新核實(shí)計(jì)算（雙控）。

利用全站儀平移拱軸線(xiàn)至橋面通視位置（距離以實(shí)際需要而定，保障通視的前提下還要控制后視點(diǎn)位于橋面上）。 在平移后的拱軸線(xiàn)上放出鉸軸線(xiàn)（或軸心）延長(zhǎng)線(xiàn)與該平移線(xiàn)上成90°夾角的交點(diǎn)；算出平移后虛擬拱軸線(xiàn)上的后視點(diǎn)（該后視點(diǎn)距離根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間情況而定，但后視點(diǎn)距離一定大于測(cè)站點(diǎn)至鉸軸的距離），交點(diǎn)與后視點(diǎn)必須落在橋面上，便于架設(shè)儀器及后視點(diǎn)進(jìn)行對(duì)點(diǎn)，平移后的拱軸線(xiàn)與原拱軸線(xiàn)平行，見(jiàn)圖6；在該垂投點(diǎn)上架設(shè)全站儀，以后視點(diǎn)為基準(zhǔn)，撥角90°（或270°）即可穿出鉸軸切面（或鉸軸中心線(xiàn)），鉸軸側(cè)方放樣示意圖見(jiàn)圖7。

圖6 平移后拱軸線(xiàn)

圖7 全站儀撥角90°

利用水準(zhǔn)儀在切面上可精準(zhǔn)找出鉸軸需要的線(xiàn)任何位置（坐標(biāo)及高程）；用角鋼設(shè)置成定位槽，將鉸軸放入已經(jīng)精準(zhǔn)定位好的定位槽完成軸線(xiàn)定位，見(jiàn)圖8；預(yù)熱、施焊、保溫，再次復(fù)核、來(lái)回3 次試轉(zhuǎn)即可。

圖8 鉸軸側(cè)定位示意圖

鋼混結(jié)合段與相鄰節(jié)段采用原設(shè)計(jì)位置定位后（立拼）再焊接軸套；復(fù)核相鄰節(jié)段的4 個(gè)角點(diǎn)，確保符合設(shè)計(jì)控制坐標(biāo)后再施焊，施焊后的鉸可確保轉(zhuǎn)體到位后的節(jié)段位置準(zhǔn)確，下鉸座及上鉸座安裝見(jiàn)圖9、10。 來(lái)回3 次試轉(zhuǎn)，可進(jìn)一步確保其施工精度。 該方法高效實(shí)用， 精度控制最為簡(jiǎn)單直接。大、小拱半拱轉(zhuǎn)體完成后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖11 所示。

圖9 下鉸座安裝

圖10 上鉸座安裝

圖11 循環(huán)換鉤豎轉(zhuǎn)實(shí)施過(guò)程

5 大橋線(xiàn)形監(jiān)測(cè)

橋梁成型后，對(duì)拱肋的平面及高程進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)圖12、13，合攏精度誤差為軸線(xiàn)為13 mm，相鄰節(jié)段誤差為2 mm，拱圈豎向最大變形為18 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

圖12 小拱理論線(xiàn)型與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖13 大拱理論線(xiàn)型與實(shí)測(cè)對(duì)比

在施工過(guò)程及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收集整理中，拱圈平面及高程均滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，線(xiàn)形合理，成橋狀態(tài)良好，處于可控狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

依托筑城廣場(chǎng)大橋拱肋提升豎轉(zhuǎn)施工過(guò)程體外合頁(yè)鉸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與定位精度控制措施得到成功應(yīng)用，大大節(jié)約了成本，縮短了工期，避免了質(zhì)量及安全事故的發(fā)生，可為今后建設(shè)同類(lèi)橋梁提供參考。