双曲面空间扭拱吊装定位方法

□文/苏涛

双曲面空间扭拱吊装定位方法

□文/苏涛

结合实际工程中双曲面拱肋的特点，通过多种技术手段进行钢拱肋的吊装及定位，将双曲面拱肋安装方法进行总结。

双曲面；钢拱肋；吊装；空间定位

对于拱桥来讲，拱肋是桥梁传递受力的最主要构件之一，上承式拱桥首先安装的是拱肋，拱肋的精确定位是后续立柱、桥面系安装的基础，因此控制钢拱肋的安装精度是关系桥梁整体的关键施工步序。对于双曲面拱肋来讲吊装及定位的难度更大，首先截面不规则，定位点选择困难；其次拱肋倾斜吊装过程中对位困难，临时加固及微调难度大。本文结合工程实际，总结出对双曲面倾斜钢拱肋安装的关键点。

1　工程概况

北京北关大道跨北运河桥主桥为五跨拱桥，横断面上布置7根拱肋，共计35根拱肋，均为钢结构。拱肋均为矩形断面，为形成桥梁空间整体变断面效果，设置成面外弯曲空间拱。为满足受力要求，优化拱，保证与横梁、立柱的连接，同时降低梁高，将竖向拱进行横向弯曲形成空间拱，并非进行水平推倒（刚体转动）形成的推倒拱，见图1。

图1　桥梁拱肋结构

2　钢拱肋安装方案选择

现场河水较浅，但河道要求不断流，填土围堰及船舶吊装均无法实施，采用拱肋钢管支撑体系结合钢管栈桥上布置跨墩龙门吊机安装的方案。该方案的突出特点是减少对河道水面的占用，方便多制作段钢拱肋水平、垂直运输，整体经济效益会更好。龙门吊安装过程中对拱肋定位调整来讲更方便、快捷、安全，可以节省工期和人工的消耗。

3　龙门吊机选择及钢拱肋临时支撑体系

3.1龙门吊机选择

龙门吊选型需要考虑的因素很多，跨径与吊装能力成反比，选型时要综合考虑二者的关系。桥梁最宽68 m，如果选择全断面跨径吊装，制作段增加，影响桥梁耐久性，同时也增加焊接工作量。首先分析桥梁横断面形式，龙门吊安装拱肋、拱上立柱、横梁及桥面钢箱梁，外侧人行坡道及梯道待桥面系成型后在桥面上采用汽车吊进行吊装，选择DCS35t-50 m/12 m龙门吊机，2台共同作业。

龙门吊轨道铺设在钢管栈桥上，钢栈桥要满足自身安装履带吊、混凝土运输车行走，栈桥桥面宽度为设计为6 m，混凝土基础宽度为8 m。为满足混凝土运输车行走需要，龙门吊轨道设置在距离栈桥内侧边缘1.25 m位置。轨道顶面标高根据西岸现状路面标高确定为24.35 m，由于2#～3#跨拱肋最宽为50.47 m，考虑钢拱肋部分位于栈桥标高以下，确定龙门吊轨道间距为49.5 m即可满足吊装空间要求。

3.2钢拱肋临时支撑体系

吊装到位后将拱肋安装在拱肋临时支墩上，拱肋临时支墩采用直径530 mm、壁厚14 mm的钢管及36b工字钢作为支撑体系，在支撑体系上搭设砂箱及操作平台。

拱肋根部采用4根钢管组成临时支墩搭设单独的施工平台。拱肋跨中支墩搭设整体施工平台，施工平台与龙门吊栈桥之间均搭设临时通道，见图2。

图2　拱肋临时支撑

4　钢拱肋吊装方案

4.1钢拱肋分段

龙门吊选定与拱肋分段紧密结合，综合考虑2点，即吊装能力及行走距离，确保2台龙门吊机协同作业。35 t龙门吊机双机作业最大吊装重量为二者之和的80%，2台龙门吊协同作业最小间距≮10 m，通过以上条件限定，分段形式基本确定，分段形式需经过设计同意方可实施。

4.2支撑结构设计

拱肋为空间双曲面，支撑体系选择也相当重要，拱肋底板为双曲面板，临时支墩设置时要考虑双向倾斜的问题，支墩制作精度要精确控制，对拱肋定位有非常重要的帮助，微调量减少。

支墩制作采用CAD三维空间剖切，临时支撑的钢管及工字钢安装完成后必然存在误差，为保证支墩的安装高度及位置准确，现场实测安装完成后的工字钢表面三维坐标，根据实测数据与拱肋之间的关系设计支墩，高度及坡口严格按照三维图尺寸加工。支墩安装位置根据测量放样确定，吊装前在拱肋底板上反算出支墩定位点，吊装到位后根据控制点坐标调整，偏出基本在10 mm内，微调工作量非常小，见图3。

图3　临时支撑

4.3吊点设计

由于钢拱肋不仅为扭拱而且空间倾斜，定位难度大，为保证定位精度，同时减少安装及微调时间，拱肋吊点的设计必须精确，保证其实际位置就是吊装时的空间位置。吊点的设计通过建立拱肋三维实体选择其重心，将龙门吊吊点设置在通过构件重心的一条线上，同时还要考虑龙门吊最小间距及2台龙门吊的吊装重量均匀，避免安装角度不同每台承担的吊装重量也不同，过度偏载可能会发生安全事故，见图4。

图4　拱肋吊装吊点设计平面

5　钢拱肋定位方案

5.1定位方法

拱肋为空间拱轴线，曲面的拱肋形式更增加了测量定位难度。测量定位方式的选择、控制点的坐标计算和预偏值计算等至关重要。采用CAD三维建模的方式辅助测量坐标计算，通过控制分段位置4个角点坐标及高程进行定位。通过运用midas计算软件辅助计算拱肋施工各工况下的受力状态，确定合理的预高、预偏值，以保证拱肋最终安装精度和成桥线形，见图5。

图5　钢拱肋空间定位坐标选择

5.2厂内配切

拱肋与基础连接处为钢套箱，钢套箱随钢混组合拱脚同时施工，钢拱肋后期安装与钢套箱焊接。这种结构形式决定厂内配切的重要性。

拱肋长度为定值，拱肋分段间不预留配切量，合龙段预留配切量可以完成拱肋的最终成型。拱脚出配切量要结合现场钢套箱的安装确定，这是施工现场与厂内预制要紧密结合的关键工序。

厂内配切工作全部来自现场实测，将现场安装完成后的钢套箱顶面对应拱肋接口位置进行三维坐标实测，绘制到三维图内，用实测近似平面切割理论拱肋，确定拱脚位置配切量，见图6。这样就排除了钢套箱安装误差对钢拱肋安装的影响，保证焊口的间隙的前提下避免误差累计，同时保证横梁位置准确及降低合龙段配切量超出范围。

图6　拱脚配切截面关系

5.3拱脚定位点选择

钢套箱安装的误差在配切时排除，定位选择也发生了变化，图6中原来拱肋理论长度的角点（蓝色截面角点）已经不存在，实际定位点是配切后角点（绿色截面角点），测量放样时不单单是XY坐标，Z坐标也同时要控制，找到配切后控制点的三维坐标。

6　外界环境影响

钢结构受温度影响较大，夏季安装时，精确定位时要充分考虑温度对钢拱肋的影响，将温度对拱肋长度、迎光面与背光面偏差综合考虑，通过计算确定一个合理的安装时间及预偏、预高值。

对于多根拱肋之间有横梁连接的拱肋形式还要考虑焊接变形对拱肋坐标的影响，适当设置预偏值。

7　结语

对于空间双曲面钢拱肋安装来讲，理论计算必不可少，计算机软件辅助是提高安装精度及速度的一个重要环节，整个吊装及定位都是通过实际测量结合三维空间模拟确定，准备工作量大，但实际操作会节约大量的人工和机械费用，对结构自身耐久性更有保障。

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.014

□课题项目：天津市建委课题（2015-14）

□U448.22

□C

□1008-3197（2016）05-41-03

□2016-08-08

□苏涛/男，1982年出生，工程师，天津城建集团有限公司，从事工程技术管理工作。