江漢七橋三跨連續鋼箱系桿拱施工定位關鍵技術

杜操 竇雪飛 李施展

摘 要：武漢江漢七橋主橋為三跨連續鋼桁系桿拱，采用先拱后梁法施工，邊跨鋼梁在支架上散拼定位，中跨采用斜拉扣掛懸臂法施工，利用拱上吊機單桿件散拼吊裝定位。主拱在廠內預拼時測量節點坐標，進行線形驗收測量及桁高、桁寬、預拼總長結構尺寸驗收測量等;橋位處進行散拼吊裝時采用一種鋼箱桁架拱橋安裝定位及監測一體化的測量方法，結合一種可以測量出節點坐標的微型磁力棱鏡，進行施工定位及施工監測，通過精準監測數據，在BIM模型上分析，為主拱弦桿的安裝提供準確的安裝指令，主拱合龍后的拱肋線形完全滿足設計要求。

關鍵詞：鋼桁拱橋;節點定位;主拱線形;施工測量;施工監測

中圖分類號：U445.4? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）02-0149-05

1工程概況

武漢江漢七橋主橋為132m+408m+132m三跨連續鋼桁系桿拱橋，全長672m，主跨矢高90m，全橋共56個節間，邊跨各11個節間，中跨34個節間。主拱采用N形桁，拱肋線形為拋物線[1]，橫向兩片桁拱，桁間標準桁寬為34m，漢口側鋼梁有98m為曲線變寬段，其桁寬為滿足道路線形的需要逐漸增加為39.5m。中跨跨中桁高10m，支點桁高39m，節間長度12m。

大橋采用先拱后梁法施工，邊跨鋼梁在支架上散拼定位，中跨采用斜拉扣掛懸臂法施工，三對吊索分級張拉，結合邊跨配重三級加載，利用拱上吊機單桿件散拼吊裝定位。主拱采用位移補償+頂落梁法進行線形控制，中跨合龍采取預偏的方式補償合龍口位移[2]，最終完成主拱的精確合龍。江漢七橋施工方案立面布置如圖1所示。

2主拱施工定位測量難點

（1）主拱在廠內采用“5+1”輾轉臥拼法，測量特征點位于外側節點處，臥拼時，節點方向朝向地面，測量空間小，精準測量節點三維坐標的難度大。

（2）懸臂端散拼時，高空定位難度大，環口測量精度低，定位數據需要進行轉換至節點位置的三維坐標，測量及轉換精度低。

（3）主拱弦桿在溫度、日照、風速等環境影響下，數據變化不規律，并且容易受到栓焊施工、拱上吊機前移、加載等因素下產生變形，需要選擇合適的方法進行定位測量。

（4）采用常規測量方法，人員在鋼桁拱上立棱鏡桿進行測量，高空作業安全風險高。

3廠內預拼裝測量

主拱在廠內單桿件加工完成以后，在預拼廠進行試拼裝，采用“5+1”輾轉臥拼法，每個節間拼裝桿件有上弦桿、下弦桿、豎桿、斜腹桿，每根桿件上布設驗收測點，在環扣10cm處和節點處分別做樣沖眼，深度不小于2mm，拼裝前先在廠內布設局部控制網，采用平面三等、高程三等的要求進行局部控制網建立;測量臥拼時每個節間的外側腹板節點三維坐標，檢查桁長、桁高、軸線、扭轉、預拼總長等，通過采用檢定鋼尺多測回進行量距、高精度全站儀加以復核的方法[3]進行驗收，待線形驗收合格后，安裝陰陽耳板定位匹配件以及箱口內承壓定位匹配件，完成設計要求的主拱制造線形。

由于漢口側有98m長曲線變寬段鋼梁，結構復雜，為減小預拼豎向高度，采用臥拼之后，弦桿在胎架呈現“V”字型結構，常規的平面線形測量方法，已經無法滿足曲線段測量驗收精度的要求?；贐IM的施工場地布置[4]，利用BIM模型模擬場地預拼裝狀態，細化預拼裝二維CAD圖紙，進行試拼裝，采用Tekla鋼結構軟件建模，取出Tekla模型中預拼的6個節間弦桿，進行三維旋轉，將預拼裝的上下弦桿保持軸線重合，以中間彎折處為支點，兩邊環口處于同一水平線上進行預拼，采用高精度全站儀TS30對節點三維坐標進行采集，在CAD圖上進行三維匹配，選取預拼段的首尾和拐角三點與BIM模型提取的設計三維圖進行三維匹配。通過匹配得出預拼總長、節間長度、節間高度、V字型軸線的差值進行調整，直至線形滿足設計要求。

4施工控制網的優化與加密

4.1首級控制網優化

本項目平面坐標系為北京54坐標系，采用3°帶高斯投影，中央子午線為東經114°，測區平均高程面為20m，高程基準為1985國家高程基準。設計交樁的控制網等級為平面四等和高程四等，根據橋梁跨度，依據公路勘測規范，單跨超過300m橋梁應按平面三等、高程三等測設[5]，首級控制網精度不滿足規范要求，為滿足大跨度連續梁施工精度及公路勘測規范，對設計交付的首級控制網進行優化，采用“一點一方向”[6]對首級控制網進行優化，即在測區控制網內選取一個固定控制點坐標作為工程控制網的起算點，以線路里程中線方向的方位角作為工程控制網的起算邊，從而建立相對獨立的施工坐標系。

4.2主橋控制網加密

三跨連續鋼梁安裝定位之前，按照“先整體后局部，先控制后碎步”的原則[7]，進行平面控制網及高程控制網的復測和加密，首先對橋梁控制網進行復測，在橋梁控制網精度滿足規范要求的基礎上，在中跨江邊布設大地四邊形控制網，控制點采用強制對中墩，進行鋼梁范圍內局部控制網加密。通過加密網進行0號墩至3號墩墩頂的貫通測量，貫通測量點分別與南北兩岸多個控制點通視，在進行墩頂布置時，分別以該墩頂加密點為測站[8]，可以精確放樣支座墊石設計軸線及安裝支座，確保鋼梁墩頂節點與支座位置保持一致。

5橋位弦桿安裝定位

5.1邊跨弦桿安裝定位

邊跨鋼梁在支架上散拼定位，鋼梁構件安裝從邊墩開始向中跨逐節間匹配架設，主桁由下至上架設，兩側主桁同步推進，節間構件安裝順序為橋面板→下弦桿→豎桿→斜桿，上平連、橫聯在節間主桁及車行道橋面板匹配完成后安裝，一個節間安裝完成后方可進行下一節間安裝。

安裝之前先在支架上放樣出桿件底部標高，抄墊平整;在墊柱上放樣出待安裝桿件軸線位置及桿件梁端位置;桿件吊裝落位后進行初定位，采用一種架設主桁的焊接式下弦桿的定位方法[9]，將陽頭耳板穿入陰頭耳板，打入銷軸進行固定;隨后在箱室內加上墊座進行箱口底部固定。初定位完成以后，采用全站儀TS30測量桿件的兩端頂面，距離桿件拼接環口處10cm位置，測量其軸線偏位、高程、扭轉、梁端里程等，進行微調，精確定位完成以后，方可進行下一根桿件的安裝定位。

5.2中跨弦桿安裝定位

5.2.1弦桿安裝定位流程

中跨采用斜拉扣掛懸臂法施工，三對吊索分級張拉，結合邊跨配重三級加載，利用拱上吊機單桿件散拼吊裝定位。因為懸臂吊裝過程中，每一根桿件的安裝都會荷載，導致桿件線形發生變化，所以嚴格安裝拼裝順序進行，拱肋安裝順序為上游側下弦桿→下游側下弦桿→斜桿→豎桿→上游側上弦桿→下游側上弦桿→平聯。

利用結構BIM模型找到每根桿件重心，根據重心及吊耳位置，調節好鋼絲繩長度，使安裝時桿件能處于一個較好的安裝姿態（相對理論狀態前端略上傾）在起吊后，在桿件截面兩個腹板頂部設置陰、陽頭耳板，并采用銷軸式連接;在兩個腹板下的箱內設置以沿桿軸線受壓為主的承壓板結構，兩邊承壓板用螺栓縱向連接限位，完成初定位。采用全站儀TS30測量桿件空間三維坐標進行微調，精確定位后，繼續安裝下一根桿件。

5.2.2桿件定位測量及監測一體化

中跨拱肋上下弦曲線方程均為二次拋物線，拱肋上弦與邊跨主桁上弦采用R=500米的反圓曲線過渡，線形均由54個節點組成，每個節點之間用直線連接，以直代曲，組成的拋物線及圓曲線來構成主拱線形。從BIM模型中可以看出，利用有限元程序建立鋼桁拱橋的空間計算模型，也是基于節點做的受力分析，桿件拼接環口容易受到焊接及栓接施工產生的變形 ，而整體節點的構造均有足夠的抗疲勞強度[10]，所以直接定位節點空間三維坐標是控制主拱線形的核心。

整體節點結構一般為鋼橋的主要受力結構，同時也關系到全橋線形、合龍精度等關鍵點[11]，桿件安裝定位測量，以腹板外側節點作為定位點，采用定制研發設備的3D打印機，以三維數字模型為基礎，自制一款可以精準對中主拱弦桿節點中心，并且測量精度高的微型磁力棱鏡頭，一種可拆卸式全站儀棱鏡磁力轉接頭[12]。提前在待安裝桿件上，采用強力粘膠，將帶有強磁力的棱鏡安裝到桿件節點樣沖眼處作為永久觀測點，單根定位→節間竣工→線形監測→合龍測量→成橋線形監測均采用節點中心數據作為控制依據，形成一套鋼箱桁拱橋安裝定位及監測一體化的施工方法[13]。利用桿件匹配件初定位完成后，采用全站儀TS30，測量節點中心三維坐標與監控指令對比，并檢查桁高、桁寬、軸線偏位、里程、轉角等，進行微調，待滿足設計要求后進行下一根桿件的安裝定位。

基于江漢七橋鋼桁拱溫度場的長期監測數據，利用均勻溫差分析方法對連續鋼桁拱的弦桿、吊索在溫差變化下主拱節點線形偏差進行了分析，揭示了連續鋼桁拱梁結構形式的線形變化與溫差的影響非常大。所以測量的時間選擇在凌晨1：00～5：00之間進行，白天安裝的桿件參照凌晨定位的前五個節間的趨勢進行調整。

施工定位線形測量如圖8所示，當安裝定位第三段時，根據桿件自重及拱上吊機自重的加載，前兩對吊索發生彈性變形，此時在B、C點的標高降低，當D點進行第三對吊索張拉時，此時在B、C點的標高上抬[14]，根據BIM模型模擬有限元分析出待架設桿件對已安裝桿件的影響，每次安裝完成一個節間必須進行后面五個節間的線形測量，每一次吊索張拉前后，都要進行全橋的節點線形測量，監測施工過程中鋼桁拱橋各節點高程、平面坐標變化情況[15]，與BIM模型進行匹配，為下一節間的監控指令提出更精準的數據支持。

5.3合龍施工測量

采用“縱移”的合龍方法：通過以漢陽側鋼梁的縱移，從而實現鋼梁合龍口桿件精確合龍。調整索力來改變鋼梁懸臂端合龍口的位移和轉角，以及在主墩頂布置大噸位千斤頂設備調整轉角等方案作為備選，主拱安裝定位精度高，無需改變轉角的情況下，采用縱移即可完成精確合龍。

敏感性分析：為了使主拱實現無應力合龍，需建立數值模型，對合龍口進行敏感性分析[16]。通過主拱合龍口變形連續測量，監測兩端線形變化情況，找出合龍口長度隨時間和溫度變化規律，通過連續72h的變形測量[17]，每2小時進行一次，通過數據進行溫度敏感性分析。繪制縱向位移—時間—溫度（合龍口尺寸）圖、橫向位移—時間—溫度（日照） 圖、豎向位移—時間—溫度（合龍前）圖、高程線形趨勢（合龍前）。

合龍時間：鋼梁中線偏位與日照方向有關，當太陽照在一側，鋼梁中線偏另一側，鋼梁的高程、里程變化與溫度有關，根據環境監測明確凌晨1：00～5：00進行合龍。

合龍口測量：在合龍口布設了微型磁力棱鏡，進行合龍全過程線形監測，合龍口分別采用4把鑒定鋼尺，以多次量距確定相對偏差為主，合龍口絕對偏差測量為輔。

測量時間：鋼梁中線偏位與日照方向有關，當太陽照在下游側，鋼梁中線偏上游，當太陽照在上游側，鋼梁中線偏下游;鋼梁的里程變化與溫度有關，當溫度升高時，鋼梁逐漸變長，當溫度降低時，鋼梁長度逐漸變短;鋼梁的高程與溫度有關，當溫度升高時，鋼梁逐漸下繞，當溫度降低時，鋼梁逐漸上拱，因此鋼梁線形測量時間選擇凌晨1：00～5：00進行。

合龍口實測偏差：在頂推合龍前，通過連續測量分析合龍口數據，測得合龍口誤差見表2。從表2中看出，合龍段無明顯轉角偏差，合龍口軸線、高差等相對偏差均控制在3公分以內，不需要強制合龍措施以及張拉吊索調整，直接進行頂推合龍。

6結語

武漢江漢七橋三跨連續鋼桁拱結構施工復雜，邊跨又屬于曲線漸寬段，體系轉換多，桿件能夠精準定位，主拱能夠順利合龍，其主要措施如下：

（1）采用檢定鋼尺多測回進行量距、高精度全站儀加以復核的方法進行驗收，確保主拱的無應力制造線形;

（2）優化首級控制網并建立主橋高精度局部控制網;

（3）橋位安裝定位時利用結構BIM模型找到每根桿件重心，調整姿態，用陰陽耳板及箱內定位匹配件在空中固定，完成初定位;

（4）國內首次使用一種鋼桁拱定位測量及監測一體化的施工方法，搭配一種微型磁力棱鏡，直接進行主拱節點測量，無需任何數據轉換，即可完成桿件的精確定位，并作為永久觀測點，為主拱線形及合龍測量提供精準數據;

（5）主拱合龍時采用人工量距為主，絕對測量為輔，完成主拱精確合龍。該關鍵技術融合了多項首創施工技術，為同類型鋼桁拱的安裝定位提供了寶貴的借鑒意義。

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