复杂曲线钢混组合梁线形控制关键技术*

贾晓军，冯仁东，刘治国，来枭雄

(1.陕西交通建设集团公司，陕西 西安 710075； 2.中铁宝桥集团有限公司，陕西 宝鸡 721006)

0 引言

随着我国综合国力的提升、经济的快速发展以及“一带一路”倡议深入实施，桥梁形式呈现出多样化的发展趋势。钢-混凝土组合梁桥(见图1)是继钢结构桥梁与混凝土桥梁之后兴起的一种新型结构，它通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连接在一起，使二者形成组合作用共同受力，充分发挥钢材抗拉性能和混凝土抗压性能，同时具有比混凝土结构自重小、比钢结构刚度大、稳定性强、维护方便的优势，避免了钢桥面铺装的疲劳问题。正是由于这些优点，钢-混凝土结合梁在公路、市政、轨道交通和铁路桥梁领域应用日益广泛。

图1 曲线钢板-混凝土组合梁桥

以大断面工型杆件为代表的钢板-混凝土组合梁(以下简称“钢混组合梁”)，作为钢混组合梁的一种类型，具有结构简单、线形复杂、组合形式多样、制造精度要求高的特点，相较于钢桁桥、钢箱梁，钢板梁杆件自重小，满足各种复杂条件运输条件，适用于我国广袤山区地形及城市复杂环境，是非常具有竞争力的钢桥类型。

钢混组合梁桥在我国的应用实践尚处于起步阶段，主要是在中小跨度桥梁中，多见于引桥和跨线桥结构，仍缺乏相关的设计和建造经验。对复杂曲线耐候钢板组合梁桥制造线形控制的进一步深入研究，有利于掌握、运用及广泛推广此项施工技术，以便为今后类似项目施工提供指导参考。

1 钢混组合梁桥结构

钢混组合梁(见图2)可用于双向4车道、双向6车道等多种宽度桥梁，常用跨径20～100m，经济跨径在60～100m，连续钢混组合梁可由两跨、三跨、四跨、五跨、六跨等组合形成。

图2 钢混组合梁桥断面

某钢混组合梁桥左线采用38m+5×45m连续钢混组合梁,右线采用41.5m+38m+45m+38m连续钢混组合梁，采用顶推方案架设。行车道板宽12.5m，主梁间距6.7m，主梁高2.4m，混凝土行车道板和钢板梁采用集束式焊钉连接；钢板梁主要由纵梁、小横梁、端横梁、中横梁及剪力钉组成。纵梁间采用焊接横梁加强横向联系，支座位置采用中横梁连接，跨内采用小横梁连接，小横梁纵向间距9m，纵梁、横梁均采取焊接连接。

2 施工方案及线形控制难点

2.1 施工方案

钢混组合梁一般采用“钢板→部件(单片钢板梁、横梁等)→现场拼装(吊装节段)→桥位连接”的生产组织模式。即工厂生产零件及杆件，在桥位拼装现场进行吊装梁段制作，桥位进行焊接连接的方案。工厂按施工图纸及工艺文件进行零件的下料、矫正、加工，并完成部件的组装、焊接、焊缝检测、修整等工作。在组装胎架上完成单元或杆件的组焊，在试装胎架上进行总体试装，然后将杆件运至桥位施工现场，在桥位完成钢板梁吊装节段制作。钢板梁吊装节段制作完成后采用顶推施工方案安装，顶推就位后精确测量安装位置，最后完成接口连接、桥面板安装、湿接缝施工等工作。

2.2 钢混组合梁线形控制难点

桥梁线形是衡量桥梁整体建设质量的主要指标之一，线形好坏直接影响桥梁的受力性能和运营安全性。

1)钢混组合梁桥施工过程复杂、施工工况变化多。

2)需综合考虑成桥线形、混凝土桥面板自重、焊接变形的影响。

3)整桥线形均由钢板梁控制，钢板梁制造时需考虑小半径S渐变曲线、竖曲线及主梁横坡高差、连接隧道处转角。

4)通用类型多，组合形式多样，相同长度钢板梁在边跨、次中跨、中跨等位置时预拱度不同。

钢板梁整体线形复杂，对组合梁制造线形控制提出更高的制造要求。

3 钢混组合梁成桥线形控制技术

以往平曲线较大的钢混组合梁采用“以直代曲”方案，而对于曲线半径较小的钢板梁则需采用“曲梁曲做”方案；某项目通过BIM软件，对钢板梁纵梁制造精度、吊装节段线形、吊装施工工况分析、吊装过程线形监控、桥面板吊装顺序调整等方面进行控制，以实现钢板梁工厂制造、现场拼装、桥位安装等全过程线形控制，确保钢混组合梁的成桥线形达到《公路桥涵施工技术规范》要求的-3～10mm。

3.1 竖曲线线形控制技术

钢混组合梁桥的线形包括平面线形和竖向线形，线形控制时需考虑成桥线形、混凝土桥面板自重、制造过程受力工况、焊接变形等因素的影响，其中竖向线形复杂、受自身荷载和支撑状态影响大，且控制精度较高，是桥梁线形控制的关键之一。

3.1.1钢板梁制造竖曲线线形

钢混组合梁理论线形计算时，需考虑施工方法、预制桥面板自重、施工荷载、成桥线形等因素，某大桥钢主梁的理论预拱度采用余弦曲线法计算，其理论预拱度为：Y=0.5A[1-cos(X/L×2π)]，其中A为跨中预拱度幅值(恒载+1/2活载)，X为到支座距离，L为跨径。以某钢板-混凝土组合梁为例，由于部分桥梁位于半径R=1 350m竖曲线上，为了保证桥梁各联间顺畅连接，通过计算，圆弧竖曲线对梁段线形的最大影响值约为25mm。为使钢混组合梁安装后的线形与成桥线形更接近，故钢板梁制造竖曲线线形(见图3)应为“理论预拱度+成桥竖曲线”的叠加线形。

图3 钢板梁制造曲线示意

3.1.2施工工况有限元仿真分析

3.1.2.1有限元模型建立

为精确计算桥梁竖曲线线形，采用MIDAS/Civil软件对钢板-混凝土组合梁建立桥梁上部结构有限元整体计算模型，对其在恒载及活载作用下的挠度值进行计算分析，从而计算出准确的跨中预拱度幅值。

3.1.2.2施工工况分析

由于某大桥施工总体分为2步，先是采用步履式顶推方式将钢板梁部分顶推到位，然后在钢板梁上安装上部预制行车道板。因而成桥后主梁产生的变形主要分为3个工况：①第1工况 钢板梁自重及行车道板自重荷载作用下产生的竖向变形；②第2工况 行车道板安装完，湿接缝浇筑完成后，叠合梁形成整体后承受二期恒载产生的变形；③第3工况 后期活载产生的变形。针对不同施工工况应分别建立相应的模型进行挠度分析。

计算第1工况挠度时应建立单独的钢板梁模型，由于顶推工艺的特殊性，桥梁整体始终处于连续状态，只需建立一次成桥模型(见图4)，进行恒载作用下的静力分析，第2，3工况挠度计算时应建立钢混组合梁整体在成桥状态下的模型进行分析。

图4 某大桥钢板梁整体模型

对某大桥钢混组合梁跨中最大挠度进行统计，并按(恒载挠度+0.5×活载挠度)计算其跨中挠度幅值(见表1)。

表1 挠度幅值计算结果 mm

由计算结果可看出，某大桥主梁各跨跨中预拱度幅值计算值整体与设计值相符，但个别跨存在较大差异，主要是由于设计过程中考虑的荷载值及施工工艺与实际施工存在一定的差异造成，故实际施工过程中应按现场实际参数计算出的结果考虑竖曲线的预拱度值。

3.2 工厂钢板梁制造线形设计

为确保钢板梁制造线形的精度控制，施工前将钢板梁通用设计图纸与路线图纸结合，综合考虑钢板梁的组合形式、施工方案、平曲线、竖曲线、制造预拱度、横坡高差等因素，通过BIM软件对连续钢板组合梁进行放样，并与设计图参数进行相互校核，提前优化解决钢板梁构件的零件结构、吊装节段及钢板梁与桥面板的连接关系。

1)根据钢板梁路线图，将线路的平曲线按不同圆弧半径、缓和曲线参数方程、连接隧道转角等进行放样，同时结合设计图的结构形式、路线的起始里程、组合形式等，标注出道路设计线处的各桩号、钢板规格及连接细节等，设计出钢板梁桥的平面施工图。

2)根据现场顶推、架桥机架设等不同施工方案，结合连续钢混组合梁设计预拱度、跨径组合形式、跨径位置、成桥线形及制造预拱度，确定连续钢混组合梁的制造预拱度。

3)为适应现场快速施工需要，钢板梁及桥面板均提前预制完成，钢混组合梁线形基本由连续钢混组合梁完成。钢板梁杆件及吊装节段施工详图设计时，每隔一定距离设置纵梁上盖板高程变化的控制点(见图5)，通过渐变方式实现桥面横坡变化。

图5 钢板梁节段横坡变化示意

3.3 钢板梁制造线形控制技术

山区曲线钢板梁多位于圆弧曲线、缓和曲线上，且曲率半径R较小(R=580，850m，…)，无法采用“以直代曲”方案，因此只能按曲线线形制造钢主梁。

3.3.1钢板梁构件制造

在满足设计要求的前提下，综合考虑钢板梁制造、运输、架设方案等因素，本着尽可能减少现场和桥位作业量的前提下，将原通用设计图28，35，38，45m等吊装节段组合拆分为3段进行加工制造。制造前根据施工方案考虑加工工艺量，采用数控机床进行精密切割下料。

主梁构件组装时，将主梁腹板放置于组装胎架上，平面检测合格后组装盖板，控制下盖板与腹板的垂直度，然后组装上盖板，每隔一段距离通过机械调整装置顶紧上盖板，以实现上盖板与腹板的角度α控制，检测合格后焊接固定腹板与盖板；根据横梁连接位置及横坡变化，调整横梁连接水平加劲板，确保横向主梁构件与横梁连接的受力稳定性。焊接完成后，采用大型矫正设备对腹板进行矫正，复测主梁的曲线线形及几何精度尺寸，合格后焊接剪力钉；横梁构件制作时，考虑横梁与主梁的连接，包括盖板端头内外差值、腹板上下盖板侧及盖板长度差值等。

3.3.2钢板梁拼装胎架设计制作及地面基线设置

钢板梁现场施工条件各异，受钢板梁的节段划分、横坡、纵坡、长度等影响，每个吊装节段钢板梁胎架位置及胎架上的支撑高程均有所不同，一般固定胎架难以满足施工需要。结合项目的结构特点，制作满足刚度及稳定性的钢凳式组合胎架，采用地脚螺栓与地面固定，实现支撑位置及高程灵活调整及多施工场地转场需要。

以通用钢板梁类型为基准，基线宜设置在主梁、支座等位置，满足多种组合形式，综合考虑主梁中心距、支座位置、梁段端头位置等因素，以组合梁主梁中心距为基准设置2条纵向基线，以组合梁的支座位置、梁段长度位置为基准，设置4条横向基线。吊装节段主梁组拼时，调整测量控制点与基线偏差可实现平曲线控制，测量控制点高程可实现预拱度、横坡变化，实现钢板梁线形控制。

3.3.3钢板梁吊装节段平竖曲线控制技术

钢板梁现场吊装节段拼装是保证桥位顺利架设的关键工序，拼装的精度和质量直接影响桥位的安装质量。吊装节段制作工艺须合理、经济可行；吊装节段除本身满足规范要求的同时，还需考虑连续钢混组合梁累积公差，在预拼节段尽量消除；钢主梁构件制造线形已在工厂制造阶段得到控制，吊装节段制造时更侧重于吊装节段梁长、箱口尺寸、平竖曲线、横坡等关键控制点的控制。

1)对吊装节段进行模拟预拼装，综合设计尺寸、累积偏差、温度影响等因素，将拟建桥梁空间测量点分解，将空间坐标测量定位简化为二维平面定位测量，将45m大跨度测量转换为基线偏差测量，拱度、横坡转换为高程测量，测量作业强度、测量技能要求大幅度降低，同时测量精度有效提升。

2)按钢板梁吊装节段结构及组合形式，现场调节布设拼装胎架平面位置及高程。

3)主梁摆放时，以基线为基准，调整主梁构件两端测量控制点与地面基线的距离，使各控制点满足平面曲线偏差及匀顺性要求。检测合格后定位纵梁节段，依次组装剩余纵梁节段及横梁构件。

4)定位后同理依次初步定位其余纵梁杆件及横梁。注意控制组装间隙、焊接错台量，将摆放好的钢梁用倒链进行安全支护防止倾倒。

5)测量吊装节段整体长度、主梁间距、平曲线偏移、箱口尺寸等测量控制尺寸，检测合格后，采用水准仪测量控制点高程，保证吊装节段横坡、预拱度值合格(考虑焊接变形，预拱度可考虑一定工艺量)，各项指标合格后对吊装节段进行精确定位。

6)将主梁节段焊接成整体，复核主梁预拱度及横坡，如出现超过允许误差现象则需进行相应调整；调整合格后完成横梁焊接相关工序。

7)全面检测钢板梁吊装节段的平面线形和预拱度精度，测量记录吊装节段箱口尺寸、支座距离、支座错位偏差等检测指标，分析吊装节段施工前后变化，并合理进行优化。

3.4 钢板梁安装线形控制

由于山区地形条件复杂，对于难以采用架桥机或履带式起重机架设的钢板梁桥，可采用顶推法架设，因此开发了钢板梁同步联动顶推系统，该系统在计算机控制下可实现钢板梁的水平顶推、顶升、水平横移，同时也能实现竖向自动调节，适应梁体竖向线形和平整度偏差，在钢板梁安装线形控制方面发挥了重要作用。

1)钢混组合梁顶推作业前，在每跨主梁节段侧面的1/2，1/4及支点处设置测量反射片，作为钢板梁顶推过程中线形控制的目标。

2)顶推施工过程中，对钢板梁的挠度、纵向位移、顶推力大小、临时支架竖向和横向位移等进行监测，当横向或竖向位移偏差值≥10mm时进行顶推纠偏。

3)在钢板梁顶推就位后，落梁时需确保各墩支点处竖向顶升千斤顶的同步性，避免钢混组合梁局部应力集中，导致钢板梁发生扭曲或变形。

4)当钢板梁降落至设计高程时，精确复核钢板梁支点高程及各跨预拱度(见图6)，预拱度≥15mm时，可对支点处高程进行调整，以确保桥面铺装层厚度。

图6 钢板梁顶推过程及成桥线形

4 结语

在对山区钢混组合梁结构特点分析的基础上，通过有限元分析计算、钢板梁工厂制造线形控制、吊装节段线形控制、顶推施工预拱度有效控制，使钢混组合梁架设成桥后的平曲线、竖曲线线形达到设计要求，得出以下结论。

1)施工过程中的结构形式与设计成型状态有较大差别，施工顺序与施工方式对复杂结构的建造过程及最终成型的竣工状态都有很大影响，需在结构设计与施工中加以考虑。

2)钢板梁构件工厂平曲线、竖曲线控制精度和吊装节段现场拼装精度是确保成桥线形的关键。

3)采用施工仿真、BIM建模对钢混组合梁制造线形设置、施工图设计会产生较大影响，通过仿真分析施工过程中的不确定因素，对钢混组合梁施工工况进行综合计算分析，可有效保证钢混组合梁线形精度控制及制造质量。