網狀系桿拱橋異形截面鋼箱拱建造線形控制技術

巨 創

(中鐵長安重工有限公司,陜西 西安 721006)

交通作為社會經濟的一條重要紐帶,能夠有效的實現各地區間經濟、物資的有機聯系。橋梁是促進交通發展的核心組成部分,近年來在國家宏觀政策[1]的影響下,我國橋梁建設取得了前所未有的發展。鋼橋梁因其施工便捷、綠色環保,設計自身跨度大、造型獨特優美,建造后可作為一個地方的地標性建筑,越來越受到橋梁設計者和建設者的青睞[2]。拱橋作為跨越江河的重要結構體系之一,在橋梁建設過程中得到廣泛應用,可作為標志性建筑提升地區或城市形象。

鋼拱橋按主拱圈截面形式可分為鋼箱拱、鋼管拱和桁架式拱。鋼箱拱橋充分發揮了建筑美學,其外觀富于變化,給人以力度感和建筑形式美的享受。網狀吊桿系桿拱橋[3]由于吊桿網狀布置,具有獨特的景觀效果、良好的受力性能及經濟性能[4]。在我國京滬高鐵以及滬寧城際高鐵建設過程中,網狀吊桿系桿拱橋得到了一定的應用[5],隨著我國橋梁建設的進一步發展,這種結構體系在公路大橋也開始得到應用[6],例如濟南齊魯黃河大橋。

1 網狀系桿拱橋異形截面鋼箱拱結構設計

以濟南齊魯黃河大橋網狀系桿拱橋為例,濟南齊魯大道北延工程南起齊魯大道與濟齊路交叉口,項目全長10 559.2 m,其中,跨黃河大橋主橋為網狀吊桿拱橋,主橋全長1 170 m,跨徑布置為(95+280+420+280+95) m,主橋420 m跨主拱水平投影矢高為69.5 m[7],拱軸線為二次拋物線,拱肋沿中軸線內傾3.0°。主拱包含拱肋、拱肋連接、橫撐三部分,拱肋通過拱肋連接和橫撐聯結為整體。建成后的山東齊魯黃河大橋見圖1。

鋼拱肋采用不規則五邊形鋼箱截面,420 m跨主拱箱形斷面高度4.1 m,寬度3.5 m,280 m跨主拱箱形斷面高度2.9 m,寬度3.0 m,主拱箱沿拱軸線保持等高等寬,標準節段鋼箱拱示意圖見圖2。

2 線形控制難點分析

網狀吊桿系桿拱橋鋼箱拱具有單向網狀系桿受力的特點,需保證拱(梁)的線形、受力以及觀感,鋼箱拱在施工過程有以下難點需要解決:

1)體系轉換時鋼箱拱單向受力,技術準備階段需通過計算確定鋼箱拱系桿錨拉索受拉載荷滿足要求后鋼箱拱各拉索部位的位移,加工制造及安裝階段根據這些部位的位移量反向預偏,準確的確定吊桿部位位移量是設計階段的難點。

2)為了保證成橋后鋼箱拱滿足設計及規范要求,線形平滑美觀,制定合理的加工工藝和試拼裝方案是鋼箱拱加工制造階段的重點和難點。

3)本項目420 m跨主拱采用低位拼裝,整體提升的安裝方案,鋼箱拱需要在位于橋面的臨時支架上首先進行低位拼裝,然后整體提升35 m達到設計標高,如何確保各加工節段拼焊至提升大節段的過程中的拱軸線精度,以及如何確保整體提升至設計標高合攏后的拱軸線精度,是橋位安裝階段的難點。

3 鋼箱拱線形控制

為了確保鋼箱拱線形平滑美觀,符合設計和規范要求,項目在實施過程中需從技術準備、加工制造、廠內試拼裝、橋位大節段拼焊以及整體提升等環節分別對鋼箱拱線形進行嚴格控制[8]。

3.1 鋼箱拱預偏量確定

在技術準備階段,技術人員首先要根據運輸條件和吊裝條件對鋼箱拱進行合理的節段劃分,然后通過軟件計算分析確定拱肋節段加載后的位移量,在設計線型的基礎上反向預偏形成新的預偏線形,此反向預偏后的線形將作為后期制造、安裝過程線形控制的依據。

1)分析:以主跨420 m為例,主跨280 m同理,420 m鋼箱拱共劃分為43個吊裝單元,采用MIDAS軟件建模后加載并進行受力分析,按照鋼箱拱投影均等分為14段,均等30 m,計算出每一個點拱軸線與錨索交點位移A0,A1,A2,…,A7,…,A2,A1,A0,以其中一側鋼箱拱為例,圖3為鋼箱拱加載位移分析示意圖,表1為位移分析結果。

表1 鋼箱拱加載位移分析結果 mm

2)反向預偏并驗算:按照第1步計算結果,重新建模,疊加每一段鋼箱拱的反向預偏,表1數據的反向向上位移A0,A1,A2,…,A7,…,A2,A1,A0并重新使用MIDAS軟件計算加載后的鋼箱拱線形,若加載后的線形與原設計線形重合,說明預偏量無誤,疊加上預偏量的預偏線形將作為鋼箱拱后期工廠加工制造、橋位拼裝、安裝的理論依據。

3.2 鋼箱拱加工、制造精度控制

濟南齊魯黃河大橋鋼箱拱拱截面為不規則的五邊形,加工、制造階段線形控制要以技術準備階段預偏線形為依據,總體加工方案主要包括鋼板下料、板單元加工、吊裝節段加工,控制板單元和吊裝節段的輪廓尺寸是確保鋼箱拱線形的關鍵,廠內加工過程中主要從板單元加工、吊裝節段加工及節段預拼裝三個主要方面進行控制。

1)板單元加工。單個鋼箱拱吊裝節段由拱頂(底)板單元、拱腹板單元及隔板單元三部分構成。吊裝節段長度取決于頂(底)板單元、腹板單元長度,截面輪廓尺寸取決于隔板單元的輪廓尺寸。

吊裝節段的長度主要是通過控制頂(底)板和腹板的下料長度尺寸以及板單元加工過程中的焊接變形來實現,采用數控火焰切割機精切下料,頂(底)板、腹板縱橫向預留焊接收縮量及加工余量。在板單元劃線平臺上,劃頂(底)板、腹板縱橫基準線,然后以縱橫基準線為基準劃縱肋安裝位置線、隔板安裝位置線,按線組裝縱肋,在板單元反變形胎形上進行縱肋的焊接,為了減少焊接變形,焊接方法選擇線能力較小的二氧化碳氣體保護焊施焊[9],并采用兩臺焊接小車對稱焊接,圖4為拱頂板單元焊接。

隔板下料及拼焊精度是保證鋼箱拱吊裝節段斷面尺寸精度的重要環節。首先在數控火焰切割機上精切下料,檢查隔板輪廓尺寸,有加工工藝量要求的按照要求預留加工余量,下料后若隔板平整度超差應對其進行修整,其次按縱橫基線拼裝隔板單元加勁,并進行焊縫的焊接,為減小焊接變形,隔板加勁板的焊接均采用二氧化碳氣體保護焊,最后在焊縫探傷合格后,修整焊接變形,并再次檢測輪廓尺寸,有加工工藝量要求的按照要求進行加工,表2為板單元最大偏差檢測數值[10]。

表2 板單元檢測最大偏差數值表

2)吊裝節段制造和試拼裝。保證鋼箱拱整體線形應首先確保單個吊裝塊體輪廓加工精度;其次要確保以預偏線形為依據,不少于4個相鄰吊裝節段組成的試拼裝大節段的線形滿足設計和規范要求,最后還要保證兩個相鄰吊裝塊體箱口之間的匹配精度滿足要求,保證整體線形平滑美觀。

控制單個吊裝節段輪廓加工精度主要通過控制單個吊裝節段長度、節段矢高、吊桿等重要位置坐標以及箱口截面精度來實現。單個吊裝節段長度及矢高受頂(底)板單元和腹板單元加工精度影響較大,有必要時在板單元加工階段適當加量,節段制造階段方有調整余量。箱口截面為不規則五邊形設計,加工精度主要受隔板精度影響,節段組裝完成后截面輪廓尺寸也很難調整,必須在隔板單元加工階段進行嚴格控制,頂(底)板、腹板之間的焊縫收縮、變形也是影響單個吊裝節段輪廓精度、箱口截面精度的主要因素之一,為了減小主要棱角焊縫焊接變形,通過計算并與設計師溝通,僅箱口500 mm范圍采用熔透焊縫,其余均改為部分熔透角焊縫。為了保證兩相鄰塊體箱口間組裝精度,節段組拼必須在專用胎架上進行,胎架剛度需滿足要求,胎架設計按照節段臥式姿態布設,依次拼裝內腹板單元、隔板單元、頂(底)單元、錨拉板單元和外腹板單元,吊裝節段拼裝精度控制要求見表3。

表3 吊裝節段拼裝精度控制要求

試拼裝是解決相鄰吊裝節段箱口匹配、確保鋼箱拱整體線形最有效的解決方案[11-12]。濟南齊魯黃河大橋鋼箱拱在專用胎架上采用“臥式1+4” 模式進行拱肋節段試拼裝,拱肋連接及橫撐不參與試拼裝,圖5為吊裝節段試拼裝過程。

試拼裝以技術準備階段預偏線形為依據,按照鋼箱拱分塊在整體預偏線形上截取相應節段,為了提高預拼精度,取前一輪最后一節段作為后一輪的基準節段參與后一輪試拼,基準節段鋼箱拱擺放在專用試拼胎架上作為檢測基準,在基準節段上選取三個特征點,建立坐標系,基準節段擺放時檢測其他節段拱軸線與箱口截面的交點坐標,滿足要求時鋼箱拱與胎架或平臺點固,依次定位其他節段。一輪的所有試拼裝節段擺放完成后,通過經緯儀和鋼卷尺測量每個節段特征點的矢高,與預偏線形的理論矢高對比,驗證試拼裝線形的準確性。

試拼裝線形驗收合格后,檢測箱口匹配性,箱口匹配性是保證輪廓線形的重點控制項點,外輪廓需順滑,避免出現冷彎、局部突變現象,若出現此現象,需通過火焰矯正調整或修補的方式予以調整。

3.3 鋼箱拱安裝線形控制

濟南齊魯黃河大橋420 m跨主拱采用低位拼裝,整體提升的方式進行鋼箱拱的安裝,將支架設在鋼箱拱下方拱投影的位置,在支架上完成所有吊裝節段的拼焊,將臥拼段采用專用設備提升到設計位置,完成與拱腳的焊接。

1)支架設計。支架設計時,根據鋼箱拱預偏線形確定支架標高,根據分段方案確定支架鋼箱拱環口操作平臺位置,根據鋼箱拱安裝工況,采用MIDAS軟件對支架加載后各部位受力及變形情況進行分析驗算,選取合適的支架材料級別及規格尺寸。支架的設置必須滿足鋼箱拱安裝線形要求和承受載荷要求。

2)鋼箱拱整體節段組拼。吊裝節段采用設置于橋面的龍門吊進行吊裝,鋼箱拱在廠內制造時,在每個節段布設3個測控點,控制點位于每個吊裝節段上口頂板距離焊縫中心100 mm位置,中心點位于頂板縱基線上,兩側點橫向距離中心點1 200 mm。安裝前根據預偏線形,計算出控制點的空間坐標,吊裝節段吊裝就位后,測量人員使用全站儀對控制點坐標進行測量,節段下口不需進行重點測量,與前一節段完成匹配即可,上口進行鋼箱拱塊體的精確定位,考慮到溫度變化對安裝精度的影響,由于齊魯黃河大橋420 m主拱在冬季施工,測量時間定在每天上午7點—9點,安裝精度要求為:偏距、里程偏差不大于20 mm,標高偏差不大于10 mm。圖6為鋼箱拱節段拼接過程。

3)鋼箱拱提升安裝。鋼箱拱節段在支架上拼焊完成、檢測合格后,進入整體提升階段,提升只是位置發生變化,空中姿態不得發生變化[13-14]。兩端各布置一組提升設備,由于鋼箱拱為對稱設計,要求提升設備提升過程功率基本相同,提升速度一致,過程需嚴格監控,避免出現整體扭曲或者過程姿態改變。圖7為建成后的濟南齊魯黃河大橋概貌。

4 結語

網狀系桿拱橋異形截面鋼箱拱建造線形控制不是一個簡單的過程,影響因素較多,需從以下三個階段進行嚴格控制:

1)技術準備階段:根據鋼箱拱加載后的受力情況及安裝方法,通過采用MIDAS軟件計算,確定鋼箱拱的制造安裝線形,根據預偏線形、現場運輸道路、吊裝設備等情況確定鋼箱拱最終的分塊方案。

2)加工階段:分別從鋼板下料工序、板單元組焊工序、吊裝塊體拼焊工序控制鋼箱拱加工精度,通過吊裝節段實體預拼裝工序檢查鋼箱拱制造線形精度及箱口匹配度,若出現偏差,分析原因后應予以調整。

3)安裝階段:安裝支架的搭設及鋼箱拱拼焊以預偏線形為依據,節段安裝過程中重點控制各節段控制點偏距、里程及標高偏差均處于允許偏差范圍;整體提升過程中確保各提升點同步提升,避免發生扭曲,影響鋼箱拱整體線形。

以濟南齊魯黃河大橋為例的網狀系桿異形截面鋼箱拱橋通過設計、加工、安裝三個階段的控制,大橋的建造取得了良好效果。通過研究與實踐,大橋整體線形滿足設計要求,全面驗證了該線形控制方法的可行性,為今后類似工程建造提供參考。