非對(duì)稱(chēng)斜拉橋鋼箱梁制造線形施工控制技術(shù)研究

張思富

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)靖江重工有限公司，江蘇 靖江）

1 工程概述

李家沱長(zhǎng)江復(fù)線橋?yàn)橹貞c軌道交通18 號(hào)線的控制性工程，是國(guó)內(nèi)首座公軌同層非對(duì)稱(chēng)布置的大跨度鋼箱梁斜拉橋。主橋采用三跨不對(duì)稱(chēng)斜拉橋，跨徑布置為219.47（北跨）+454（中跨）+313.5（南跨）=986.97 m。全橋梁段劃分為94 個(gè)制造安裝梁段，梁段接口之間除頂板U 型肋采用栓接外，其余部位均為全焊連接。鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)采用Q345qD、Q420qD 鋼，工程量約2.3 萬(wàn)噸。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1。

圖1 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

2 制造線形的控制方法

2.1 概述

李家沱長(zhǎng)江復(fù)線橋共94 個(gè)制造安裝梁段，采用工廠分節(jié)段加工制造后按單節(jié)段整體運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)吊裝。廠內(nèi)制造線形控制的好壞直接影響安裝設(shè)計(jì)線形，同時(shí)使橋梁的受力狀態(tài)改變，降低橋梁承載力，影響工程質(zhì)量，因此廠內(nèi)的加工制造線形控制尤為重要。

鋼箱梁分節(jié)段加工制造線形控制就是根據(jù)監(jiān)控提供的制造線形，通過(guò)模擬各個(gè)施工工況及考慮成橋曲線來(lái)精確計(jì)算出制造應(yīng)施加的預(yù)拱度，從而計(jì)算胎架線形參數(shù)及鋼箱梁縱向構(gòu)件的下料參數(shù)。同時(shí)在鋼箱梁制造施工中嚴(yán)格按照批準(zhǔn)的工藝文件施工，制造完成后的鋼箱梁理論上就能達(dá)到理想的制造幾何線形。

主梁制造線形是指鋼箱梁段在拼裝場(chǎng)地胎架上無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的線形，制造線形的控制主要表現(xiàn)形式為相鄰梁段間轉(zhuǎn)角、梁段間接縫寬度及制造標(biāo)高的控制。

2.2 轉(zhuǎn)角控制

鋼箱梁橋位安裝線形通過(guò)梁段之間的轉(zhuǎn)角控制時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)頂?shù)装宓暮缚p寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是可調(diào)節(jié)量有限。本項(xiàng)目制造線形采用在保證環(huán)口間隙均勻一致的前提下，通過(guò)各節(jié)段頂板、底板、腹板長(zhǎng)度的不同形成轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)縱向制造線形。

根據(jù)梁的受力假定梁軸線在受力時(shí)既不伸長(zhǎng)也不縮短，長(zhǎng)度保持不變，故以梁軸線中心處為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算線形控制參數(shù)是準(zhǔn)確的。但是實(shí)際施工中由于受到場(chǎng)地、器材、視線等不良因素的制約，梁軸線的位置較難控制，所以施工過(guò)程中以底板中心上緣為控制點(diǎn)進(jìn)行控制。

以底板為控制點(diǎn)時(shí)，配切示意如圖2 所示。可以看出，如以底板控制點(diǎn)，梁軸線處梁長(zhǎng)會(huì)比設(shè)計(jì)梁長(zhǎng)增加Δ=Δt+Δa =X·tanαt+X·tanαa，其中，X 為梁軸線到底板的距離，αt 為塔側(cè)與前一梁段之間夾角的一半，αa 為岸側(cè)或江岸與后一梁段之間夾角的一半。

圖2 梁軸線節(jié)段拼裝示意

鋼箱梁總拼采用“以折代曲”的方式進(jìn)行,故兩個(gè)小節(jié)段之間會(huì)產(chǎn)生如圖3 所示的喇叭口間隙，故可根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算頂板的修正量，根據(jù)角平分原則補(bǔ)償，兩邊節(jié)段各補(bǔ)償一半，可得出真實(shí)的頂板下料長(zhǎng)度。

圖3 節(jié)段拼裝示意

鋼箱梁縱向預(yù)拱度保證環(huán)口間隙一致的情況下，通過(guò)各節(jié)段頂?shù)装迮淝虚L(zhǎng)度的不同實(shí)現(xiàn)縱向預(yù)拱度，保證全橋的縱向線形。在鋼箱梁節(jié)段制作時(shí)，將梁段之間的夾角全部放在一端，即塔側(cè)，塔下段在兩端。懸臂前端接縫面保持與節(jié)段軸線垂直，與前一梁段的焊接接縫面傾斜一定角度以適應(yīng)主梁坡度。即邊跨梁段在岸側(cè)，中跨梁段在江側(cè)，TA 梁段在兩端。

2.3 橫向預(yù)拱度

鋼箱梁橋面橫坡設(shè)計(jì)為2%，為滿足鋼箱梁橫坡坡度在規(guī)范規(guī)定的允許偏差內(nèi)，制造工藝需要預(yù)設(shè)橫向預(yù)拱度。結(jié)合鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及板單元?jiǎng)澐郑M向頂板單元13 塊、底板單元13 塊），鋼箱梁橫向預(yù)拱度參數(shù)設(shè)置：以中間底板單元與相鄰底板單元交點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)鋼箱梁整體旋轉(zhuǎn)，吊耳板與頂板的交點(diǎn)向下18 mm、外斜5 mm；錨點(diǎn)向外傾斜6 mm；底板平斜交點(diǎn)向下15 mm。

2.4 拼裝胎架

李家沱鋼箱梁總拼裝分為6 個(gè)輪次進(jìn)行，最長(zhǎng)拼裝輪次長(zhǎng)度196 m。根據(jù)鋼箱梁整體總拼以胎架為外胎，橫隔板為內(nèi)胎的工藝原則，橫向沿箱梁橫斷面外輪廓設(shè)置水平橫梁、斜撐，結(jié)合底板結(jié)構(gòu)形式在水平橫梁、斜撐上按一定間距布置牙板；水平橫梁、斜撐下部按一定間距設(shè)置立柱支撐，對(duì)應(yīng)立柱位置設(shè)置主縱梁；箱梁斜底板位置斜撐與豎支撐、角撐形成框架結(jié)構(gòu)。為了保證鋼箱梁底板因剛度不足而產(chǎn)生局部變形，所有的支撐橫梁必須布置在鋼箱梁的橫隔板位置，橫隔板與板單元端頭距離超過(guò)800 mm 的端口處增設(shè)支撐橫梁。

胎架基礎(chǔ)必須具有足夠的承載力，確保在使用過(guò)程中不發(fā)生沉降。胎架還要有足夠的剛度，避免在使用過(guò)程中出現(xiàn)變形。采用通用有限元軟件midas civil建模分析，模擬施工狀態(tài)下，對(duì)總拼胎架進(jìn)行了受力分析計(jì)算，確保總拼胎架受力及變形均滿足施工要求。施工中每輪次總拼結(jié)束，下一輪次總拼開(kāi)始前，對(duì)胎架頂面標(biāo)高及沉降值進(jìn)行量測(cè)。

橫梁上的支撐牙板除了起到支撐作用外，還起到通過(guò)控制牙板的高度調(diào)整線形的作用。

胎架縱向各點(diǎn)標(biāo)高按橋梁合攏時(shí)的線形設(shè)計(jì)，牙板采用上下兩塊搭接的形式，便于牙板標(biāo)高的調(diào)整和控制。

2.5 測(cè)量控制網(wǎng)

鋼箱梁的線形控制包括縱向和橫向，為了有效的控制這兩個(gè)項(xiàng)點(diǎn)，在總拼胎架的四周要布置合理的測(cè)量控制網(wǎng)，包括高程控制測(cè)量網(wǎng)和直線度控制測(cè)量網(wǎng)。高程控制網(wǎng)是用水平儀進(jìn)行測(cè)量監(jiān)控，直線度和橫向尺寸是用經(jīng)緯儀進(jìn)行測(cè)量控制的。G1～G10 為高程測(cè)量控制網(wǎng)，Z1～Z3 為直線度和鋼箱梁橫向尺寸的控制網(wǎng)，是由設(shè)置在胎架端頭地面上的地樣和返到對(duì)應(yīng)位置的標(biāo)志塔上的標(biāo)記構(gòu)成的。

2.6 施工過(guò)程中梁段的坡口間隙及標(biāo)高的控制

梁段間接縫寬度必須嚴(yán)格控制，過(guò)大的焊接間隙會(huì)增大焊接收縮量；而間隙過(guò)小，則容易造成焊縫熔不透。為此采用間隙定位工藝板，確保間隙尺寸控制在6 mm，其允許偏差范圍為-2～+6 mm。

鋼箱梁總拼過(guò)程中制造標(biāo)高是一個(gè)相對(duì)概念，制造標(biāo)高差表示各梁段斷面上相同位置處的高程。由于本橋采用梁段整體組焊和預(yù)拼裝并行完成的工藝方案，其相鄰接口的變形趨勢(shì)是相同的，端口偏差較小。因此梁段間端口連接應(yīng)重點(diǎn)檢查中腹板、外腹板及橋中心線處梁高。

3 鋼箱梁的整體拼裝

在鋼箱梁整體組裝胎架上，按照架梁順序，采用多節(jié)段連續(xù)匹配組裝、焊接和預(yù)拼裝同時(shí)完成的方法。鋼箱梁總拼組裝時(shí)以胎架為外胎、橫隔板為內(nèi)胎，重點(diǎn)控制橋梁的線型、鋼箱梁幾何形狀和尺寸精度、相鄰鋼箱梁接口匹配等。鋼箱梁制作按照“底板、斜底板→邊橫隔板→兩側(cè)中腹板→中隔板→外腹板→中頂板單元、風(fēng)嘴塊體→兩側(cè)頂板單元”的順序進(jìn)行逐段匹配組裝、焊接，按照立體階梯式推進(jìn)。

鋼箱梁連續(xù)匹配，重點(diǎn)控制鋼箱梁尺寸、相鄰吊點(diǎn)縱距、鋼箱梁中心線錯(cuò)位、縱肋直線度、橋面高低差、預(yù)拼鋼箱梁總長(zhǎng)及旁彎等，檢查合格后，根據(jù)技術(shù)部給定的鋼箱梁長(zhǎng)度及坡口尺寸、間隙，同時(shí)配切頂?shù)装宓钠驴凇上噜忎撓淞浩ヅ淝皩⒌装迮c胎架連接的碼板全部解開(kāi)（中心底板除外），在無(wú)約束狀態(tài)下進(jìn)行匹配對(duì)接。

4 制造數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

4.1 主要項(xiàng)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

胎架縱向各點(diǎn)標(biāo)高按橋監(jiān)控線形設(shè)計(jì)，胎架線型均通過(guò)調(diào)整牙板高差來(lái)實(shí)現(xiàn)。節(jié)段單元及總拼制造幾何精度等主要項(xiàng)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1、表2。

表1 梁段制造尺寸檢查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表2 節(jié)段總拼質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.2 主要項(xiàng)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)鋼箱梁總拼過(guò)程的實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)分析，鋼箱梁的半寬、標(biāo)高、橫坡、吊點(diǎn)縱距等主要項(xiàng)點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

（1）鋼箱梁吊點(diǎn)（外腹板）半寬理論數(shù)值為14 600 mm，允許偏差為±2 mm，共計(jì)測(cè)量了376 個(gè)半寬數(shù)據(jù)，測(cè)量位置在各梁段兩端橫隔板處，測(cè)量偏差主要集中在-2 mm、1 mm、0 mm 三個(gè)公差上，最大實(shí)測(cè)偏差為2 mm。

（2）對(duì)各梁段兩端口對(duì)應(yīng)的橋軸線、中腹板、外腹板的高程進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)量940 個(gè)高程數(shù)據(jù)，測(cè)量偏差主要集中在-1 mm、0 mm、1 mm 三個(gè)公差上，最大實(shí)測(cè)偏差為2 mm。

（3）對(duì)各梁段頂?shù)装宓拈L(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)量了940 個(gè)高程數(shù)據(jù)，頂?shù)装宸謩e計(jì)測(cè)量了188 個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，測(cè)量位置在各梁段外腹板處，測(cè)量偏差主要集中在2 mm、1 mm、-1 mm 三個(gè)公差上，最大實(shí)測(cè)偏差為2 mm。

（4）對(duì)各梁段吊點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)量了160個(gè)高程數(shù)據(jù)，測(cè)量偏差主要集中在3 mm、2 mm、1 mm 三個(gè)公差上，最大實(shí)測(cè)偏差為3 mm。

（5）在每輪次對(duì)相鄰梁段之間的吊點(diǎn)縱距進(jìn)行測(cè)量，兩相鄰吊點(diǎn)縱向長(zhǎng)度測(cè)量偏差及吊點(diǎn)距各兩端口的長(zhǎng)度測(cè)量偏差主要集中在2 mm、1 mm、0 mm 三個(gè)公差上，最大實(shí)測(cè)偏差為2 mm。

結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大跨徑的橋梁如何控制好鋼箱梁的拼裝制造線形和整體幾何尺寸，使鋼箱梁在架設(shè)后的實(shí)際線形與設(shè)計(jì)的橋梁線形偏差最小，減小因制造偏差而產(chǎn)生的安裝應(yīng)力，提高大橋的安全系數(shù)，是大跨度鋼箱梁制造的關(guān)鍵。

合理的施工工法對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快生產(chǎn)進(jìn)度具有十分重要的作用，通過(guò)本人在鋼箱梁制造和拼裝中施工工藝經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對(duì)非對(duì)稱(chēng)斜拉橋鋼箱梁制造過(guò)程中制造線形的控制工法進(jìn)行介紹，使先進(jìn)的工藝以及控制手段得到更加廣泛的應(yīng)用。