异形钢结构“飘带”景观桥关键施工技术

孔德法

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)



异形钢结构“飘带”景观桥关键施工技术

孔德法

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

摘要：天津生态城中部片区经六路上跨蓟运河故道桥梁工程为拱结构支撑的钢连续箱梁景观桥，以“飘带”为理念设计，造型新颖、独特，施工难度大。通过方案优化和仿真模拟，解决了淤泥河道内临时支架体系布置，不规则梁体节段划分、制作、拼装，异形钢箱梁体系转换、三维空间扭曲体“飘带”施工等难题，具有较高的推广意义。

关键词：公路桥；钢连续箱梁；景观桥；异形钢结构；支架体系

1 工程概况

天津生态城中部片区经六路上跨蓟运河故道桥梁工程是生态城内跨蓟运河故道的重要节点之一，全长959.47 m。主桥长270 m，跨径布置为35 m+4×50 m+35 m，桥面宽度为14 m，双向四车道。为实现桥梁景观效果，以“飘带”为理念设计，结构轻盈、造型飘逸(效果图见图1)。

主桥钢箱梁为单箱双室截面，上箱梁(主梁)顺桥向为变截面，其中底板保持横向水平，顶板设置1.5%的横坡，中心线处的高度为1.11 m；下箱梁(主拱)标准段为等截面钢箱梁，顶底板水平布置，梁高1.115 m，顺桥向为不规则曲线；主梁和主拱在跨中范围合为梁拱结合段，桥墩处、跨中处横断面见图2。

图1 主桥效果图

图2 主桥桥墩处、跨中处横断面图(单位：cm)

2 施工重、难点分析

2.1 不规则梁体节段划分、制作、拼装

为实现桥梁整体景观效果，梁体采用不规则曲线，且在跨中处与主拱合为梁拱结合段(见图1、图2)；为满足运输和现场安装要求，梁体需分段制作、安装，采用合理的梁体节段划分方案、控制梁段制作精度，是保证梁段拼装顺利和安装后梁体线形满足要求的关键。

2.2 淤泥河道内临时支架体系布置

本工程桥梁位于蓟运河故道内，河道内淤泥深度较大(局部达8 m)，必须采用合理的支架体系形式，确保钢箱梁现场安装和支架拆除过程中，支架体系承载力、沉降量满足要求。

2.3 异形钢箱梁体系转换

每一步支架拆除，剩余支架体系受力(含小立柱)、梁体应力和变形都会发生变化，为选择最优支架拆除方案，从而确保梁段体系转换过程安全，需对支架拆除(体系转换)过程进行仿真分析；分析结果同时为现场施工监测提供理论依据，便于进行实测数据与理论数据对比。

2.4 三维空间扭曲体“飘带”施工

桥梁外侧焊接的“飘带”为一空间扭曲体，其在纵向随着钢箱梁下箱室的线形变化而变化，在横向也为一个不断变化的空间三维体，线形复杂、施工难度大。

3 梁段划分与多节段匹配制作

综合设计、运输及吊装等方面考虑，单幅桥主梁共划分22个制造梁段，主拱共划分25个制造梁段，其中主拱有10个节段与主梁连接在一起制作，划分节段共37个。主梁最重为31#梁段，长度17.6 m，自重50.4 t；主拱最重为20#梁段，长8.0 m，自重53.6 t；梁拱结合段最重为36#梁段，长12.4 m，自重97.2 t。梁体节段划分见图3。

图3 梁体节段划分图(单位：m)

为了保证如此多的节段制作完成运输至现场安装后全桥线形符合设计标准，经过多方案比选，最终采用“多节段匹配制作、立体预拼装”[1]的施工工艺进行全桥梁段制作。

在主梁制造中，按照“顶板→中间腹板→两侧横隔板→两侧腹板→底板→挑梁块体”的顺序进行逐段组装与焊接；在主拱制造中，按照“底板→中间腹板→两侧横隔板→两侧腹板→顶板”的顺序进行逐段组装与焊接，实现立体阶梯形推进方式。

组装时，以胎架为外胎，以横隔板、中间腹板为内胎，重点控制桥梁的线形、钢箱梁几何形状和尺寸精度、相邻接口的精确匹配等[2]。

4 淤泥河道内支架体系构造和设计

4.1 淤泥河道内支架体系基础施工

河道内支架体系基础采用“戗灰处理、混凝土条形基础”。淤泥采用戗灰的方式处理，处理深度不小于2 m，并压实，确保地基承载力在0.3 MPa以上；然后再浇筑C30钢筋混凝土基础，独立基础长3.5 m(顺桥向)×宽1.5 m×高0.3 m，内配双向∅10 mm@100 mm钢筋，满足上部荷载的需要。支架体系基础见图4。

图4 支架体系基础布置图

地基戗灰完成后，采用堆载实验方式对地基承载力进行检测(按1.2倍荷载值)。支架体系预压采用已施工完成支架基础混凝土块体，为减小预压荷载与地面之间的接触面积，从而减小上部堆载重量，采用两根I40b工字钢作底胎，上部横、纵向交错布置混凝土块体进行支架基础地基堆载试验。

4.2 支架体系构造和设计

根据钢箱梁自身结构特点，支架体系共分为3部分(见图5)。

4.2.1 主拱与地基之间临时支架体系

主拱与地基之间的支架体系支撑在混凝土条形基础上，采用钢管格构型钢组合支架，每组支架为4根∅600 mm×12 mm钢管；格构立柱之间用[16槽钢作为水平支撑和剪刀撑联结，使其共同支撑上部钢箱梁的重量；在支架立柱钢管顶部设置双根I32工字钢横梁，作为钢箱梁的小立柱支撑搁置点；横梁同时也是连接立柱成为整体的主要构件。支架的支撑点顺桥向布置在梁段环缝两侧横隔板处，横向布置在横隔板加劲肋处。

图5 支架体系横断面示意图(单位：m)

4.2.2 主梁与主拱之间临时支架体系

主梁与主拱之间支架体系支撑于主拱上，支架体系形式同上。

4.2.3 挑梁与地基之间临时支架体系

横桥向内侧通过在主梁上设置牛腿,外侧在梁段环缝两侧搭设碗扣式脚手架作为支架体系；支架体系支撑在处理好的地基上。

5 梁段安装精度的控制

5.1 测量控制点设置

钢箱梁的测量控制点布置在箱梁两端横隔板位置的顶板上(横隔板距离端头超过2 m时布置在端头500 mm处)，在工厂制作、预拼装时给出测量控制点，并标记。

测量控制点在现场用全站仪和水准仪等测量工具测设，测量的理论数据为设计给出的最终架设线形值。

5.2 钢箱梁吊装

在支架上用全站仪测放出该段桥梁中线，然后开始吊装作业，让其中线对准支架上的桥梁中线，对位后可点动龙门吊的起重小车，同时人工用钢钎配合定位，对位准确后支垫稳定。

5.3 钢箱梁微调

对于钢箱梁的微调，在全站仪测控下进行，即钢箱梁的左右、前后、高程位置以及箱梁接口板片的微调、分段环缝焊接缝隙的微调等。微调量一般不大，在1～3 cm范围以内，先解开临时固定码板，用油压千斤顶顶升一定的高度后，用丝杠千斤顶和钢码板进行左右、前后的微调；上下高程的微调，可直接用油压千斤顶和钢码板、钢垫板进行。经现场监控测量，符合要求后，作最终的码板固定和焊接。

节段安装完成后，检查钢箱梁平整度、轴线偏位、焊缝尺寸、几何尺寸等是否满足设计、规范及工艺要求，如不满足调节至满足为止。

5.4 合龙段安装精度控制

由于钢箱梁受日照、温度影响，轴向伸缩变形较大，焊缝自身温度降低也会引起收缩，因此需要准确定位、确定合龙段空间的准确精度及安排合龙时间，尽量选择在气温低的时间段安装合龙段，利用较大的温差使合龙空间增大[3]。

在合龙段相邻钢梁上布置6个测点以测量合龙段顶板与底板合龙间隙，测量点位于顶板及底板距接口200 mm处。确定在不同温度下，合龙段的安装长度，充分掌握变形量与温度的关系，并对合龙段接口进行精密切割，保证安装精度。合龙段吊装见图6。

图6 合龙段现场吊装

合龙段首先焊接腹板对接焊缝，然后焊接顶、底板对接焊缝，最后焊接箱梁内部加劲结构的对接焊缝；焊接采用双数焊工对称施焊，控制焊接变形。

6 异形钢箱梁体系转化

本工程支架体系分为“挑梁下支架体系”、“主拱和主梁之间支架体系”、“主拱下支架体系”三部分，每一步支架体系拆除，剩余支架体系受力(含小立柱)、梁体应力和变形都会发生变化，为选择最优支架体系拆除方案同时为现场施工监测提供理论依据，从而确保梁段体系转换过程安全、实时掌控施工监测数据与理论数据的对比，需对支撑拆除(体系转换过程)进行仿真分析；同时需核算该体系转换过程小立柱处集中荷载作用下梁段应力、变形和小立柱刚度是否满足要求。

6.1 体系转化过程数值模拟

施工前，采用有限元软件建立桥梁结构和临时支架体系组成有限元模型(见图7)，对桥梁施工临时支撑拆除的过程进行数值模拟，得到临时支撑卸载过程中各施工步骤桥梁主要部位的受力和变形情况，以及临时支撑的轴力，判定桥梁临时支撑卸载施工方案的可行性和合理性；并进行临时支架体系中工字钢梁、支撑柱等的强度、稳定与变形计算；根据数值模拟计算结果提出合理的施工建议。

图7 中间跨桥段有限元计算模型

主梁与主拱箱梁的上下翼缘、腹板和横隔板采用SHELL63单元模拟，加劲肋采用BEAM188单元模拟，支撑柱采用BEAM188单元模拟。所有支撑柱对桥仅提供竖向约束，支撑点设置在箱梁纵、横加劲肋相交处。

桥墩处约束三向平动自由度(x向、y向、z向)。临时支撑轴向刚度65×105kN/m，偏安全未考虑其弹性，耦合主梁与主拱间临时支撑处竖向自由度(z向)。主拱下的临时支撑约束竖向自由度(z向)，计算模型施加自重荷载、端部压重。

6.2 施工过程桥梁监测

为了对成桥目标进行有效控制，修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响，确保成桥后主体结构内力和线形满足设计要求，对梁体标高、截面应力、支座位移等内容进行施工监测。

7 三维空间扭曲体“飘带”施工[1,4-5]

(1)运用三维实体模拟技术，通过采用三维Solidwork软件和CAD软件进行三维实体模拟，有效解决了“飘带”空间三维扭曲体平面展开和单元件下料的施工难题。

(2)研究制定了全封闭三维空间扭曲体组装、焊接工艺，满足了设计要求，保证了“飘带”外观质量。

(3)采用三维空间扭曲体测量控制技术，根据隔板处控制点数据进行控制，保证了施工精度。

8 结束语

施工过程中，通过运用全新的思维和创新的方法，解决了异形钢结构“飘带”景观桥的施工难题，高质量、高标准的修筑了国内首座“飘带”型景观桥，为类似桥梁的设计、施工提供一定的参考。

桥梁建成后，桥梁景观效果明显，进一步提升了桥梁所在区域的整体景观效果，成为生态城一道亮丽的风景线。

参考文献

[1]杨强.中新天津生态城故道桥拱结构钢连续箱梁线形控制[J].四川建材，2013(3)：154-156

[2]荆玉才，刘元良.青岛海湾大桥斜拉桥钢箱梁制作与加工关键技术[J].公路，2009(9)：73-76

[3]张洪.柳州双拥大桥主桥钢箱梁的制作与安装技术[J].铁道标准设计，2012(2)：49-53

[4]李忠锋，李宏祥.中新天津生态城经六路上跨蓟运河故道桥总体设计[J].中国市政工程，2012(S1)：40-41

[5]周兵.拱结构支撑钢连续箱梁桥“飘带”施工工艺[J].铁道建筑技术，2015(S1)：40-42

Key Construction Techniques for a Special-Shaped Steel Structure Landscape Bridge with "Ribbon"

Kong Defa

(The 5th Engineering Co. Ltd. of the 18th Bureau Group of China Railway,Tanggu 300450,China)

Abstract:Designed in the light of the notion of a "streamer",the bridge spanning the original course of the Ji Canal on the Jing Six Road in the mid-section of the ecological city of Tianjin is an arch-supported continuous steel box girder landscape bridge. It is novel and special in shape.However,it is rather difficult to build. By means of optimizing the various construction schemes and numerical simulation,the problems of arranging a temporary supporting system in the silt channel, the segment-dividing, making and assembling of the girder,the transition between different-shaped steel box girders and the construction of the twisted body of the "ribbon" ,etc. are all successfully solved.The project is of great importance in popularization.

Key words:highway bridge;continuous steel box girder;landscape bridge;special-shaped steel structure;supporting system

收稿日期：2016-03-04

作者简介：孔德法(1984—)，男，工程师，主要从事桥梁、地下工程施工工作308078035@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.017

中图分类号：U445.58

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)03-0062-04