网状系杆拱桥异形截面钢箱拱建造线形控制技术

巨 创

(中铁长安重工有限公司,陕西 西安 721006)

交通作为社会经济的一条重要纽带,能够有效的实现各地区间经济、物资的有机联系。桥梁是促进交通发展的核心组成部分,近年来在国家宏观政策[1]的影响下,我国桥梁建设取得了前所未有的发展。钢桥梁因其施工便捷、绿色环保,设计自身跨度大、造型独特优美,建造后可作为一个地方的地标性建筑,越来越受到桥梁设计者和建设者的青睐[2]。拱桥作为跨越江河的重要结构体系之一,在桥梁建设过程中得到广泛应用,可作为标志性建筑提升地区或城市形象。

钢拱桥按主拱圈截面形式可分为钢箱拱、钢管拱和桁架式拱。钢箱拱桥充分发挥了建筑美学,其外观富于变化,给人以力度感和建筑形式美的享受。网状吊杆系杆拱桥[3]由于吊杆网状布置,具有独特的景观效果、良好的受力性能及经济性能[4]。在我国京沪高铁以及沪宁城际高铁建设过程中,网状吊杆系杆拱桥得到了一定的应用[5],随着我国桥梁建设的进一步发展,这种结构体系在公路大桥也开始得到应用[6],例如济南齐鲁黄河大桥。

1 网状系杆拱桥异形截面钢箱拱结构设计

以济南齐鲁黄河大桥网状系杆拱桥为例,济南齐鲁大道北延工程南起齐鲁大道与济齐路交叉口,项目全长10 559.2 m,其中,跨黄河大桥主桥为网状吊杆拱桥,主桥全长1 170 m,跨径布置为(95+280+420+280+95) m,主桥420 m跨主拱水平投影矢高为69.5 m[7],拱轴线为二次抛物线,拱肋沿中轴线内倾3.0°。主拱包含拱肋、拱肋连接、横撑三部分,拱肋通过拱肋连接和横撑联结为整体。建成后的山东齐鲁黄河大桥见图1。

钢拱肋采用不规则五边形钢箱截面,420 m跨主拱箱形断面高度4.1 m,宽度3.5 m,280 m跨主拱箱形断面高度2.9 m,宽度3.0 m,主拱箱沿拱轴线保持等高等宽,标准节段钢箱拱示意图见图2。

2 线形控制难点分析

网状吊杆系杆拱桥钢箱拱具有单向网状系杆受力的特点,需保证拱(梁)的线形、受力以及观感,钢箱拱在施工过程有以下难点需要解决:

1)体系转换时钢箱拱单向受力,技术准备阶段需通过计算确定钢箱拱系杆锚拉索受拉载荷满足要求后钢箱拱各拉索部位的位移,加工制造及安装阶段根据这些部位的位移量反向预偏,准确的确定吊杆部位位移量是设计阶段的难点。

2)为了保证成桥后钢箱拱满足设计及规范要求,线形平滑美观,制定合理的加工工艺和试拼装方案是钢箱拱加工制造阶段的重点和难点。

3)本项目420 m跨主拱采用低位拼装,整体提升的安装方案,钢箱拱需要在位于桥面的临时支架上首先进行低位拼装,然后整体提升35 m达到设计标高,如何确保各加工节段拼焊至提升大节段的过程中的拱轴线精度,以及如何确保整体提升至设计标高合拢后的拱轴线精度,是桥位安装阶段的难点。

3 钢箱拱线形控制

为了确保钢箱拱线形平滑美观,符合设计和规范要求,项目在实施过程中需从技术准备、加工制造、厂内试拼装、桥位大节段拼焊以及整体提升等环节分别对钢箱拱线形进行严格控制[8]。

3.1 钢箱拱预偏量确定

在技术准备阶段,技术人员首先要根据运输条件和吊装条件对钢箱拱进行合理的节段划分,然后通过软件计算分析确定拱肋节段加载后的位移量,在设计线型的基础上反向预偏形成新的预偏线形,此反向预偏后的线形将作为后期制造、安装过程线形控制的依据。

1)分析:以主跨420 m为例,主跨280 m同理,420 m钢箱拱共划分为43个吊装单元,采用MIDAS软件建模后加载并进行受力分析,按照钢箱拱投影均等分为14段,均等30 m,计算出每一个点拱轴线与锚索交点位移A0,A1,A2,…,A7,…,A2,A1,A0,以其中一侧钢箱拱为例,图3为钢箱拱加载位移分析示意图,表1为位移分析结果。

表1 钢箱拱加载位移分析结果 mm

2)反向预偏并验算:按照第1步计算结果,重新建模,叠加每一段钢箱拱的反向预偏,表1数据的反向向上位移A0,A1,A2,…,A7,…,A2,A1,A0并重新使用MIDAS软件计算加载后的钢箱拱线形,若加载后的线形与原设计线形重合,说明预偏量无误,叠加上预偏量的预偏线形将作为钢箱拱后期工厂加工制造、桥位拼装、安装的理论依据。

3.2 钢箱拱加工、制造精度控制

济南齐鲁黄河大桥钢箱拱拱截面为不规则的五边形,加工、制造阶段线形控制要以技术准备阶段预偏线形为依据,总体加工方案主要包括钢板下料、板单元加工、吊装节段加工,控制板单元和吊装节段的轮廓尺寸是确保钢箱拱线形的关键,厂内加工过程中主要从板单元加工、吊装节段加工及节段预拼装三个主要方面进行控制。

1)板单元加工。单个钢箱拱吊装节段由拱顶(底)板单元、拱腹板单元及隔板单元三部分构成。吊装节段长度取决于顶(底)板单元、腹板单元长度,截面轮廓尺寸取决于隔板单元的轮廓尺寸。

吊装节段的长度主要是通过控制顶(底)板和腹板的下料长度尺寸以及板单元加工过程中的焊接变形来实现,采用数控火焰切割机精切下料,顶(底)板、腹板纵横向预留焊接收缩量及加工余量。在板单元划线平台上,划顶(底)板、腹板纵横基准线,然后以纵横基准线为基准划纵肋安装位置线、隔板安装位置线,按线组装纵肋,在板单元反变形胎形上进行纵肋的焊接,为了减少焊接变形,焊接方法选择线能力较小的二氧化碳气体保护焊施焊[9],并采用两台焊接小车对称焊接,图4为拱顶板单元焊接。

隔板下料及拼焊精度是保证钢箱拱吊装节段断面尺寸精度的重要环节。首先在数控火焰切割机上精切下料,检查隔板轮廓尺寸,有加工工艺量要求的按照要求预留加工余量,下料后若隔板平整度超差应对其进行修整,其次按纵横基线拼装隔板单元加劲,并进行焊缝的焊接,为减小焊接变形,隔板加劲板的焊接均采用二氧化碳气体保护焊,最后在焊缝探伤合格后,修整焊接变形,并再次检测轮廓尺寸,有加工工艺量要求的按照要求进行加工,表2为板单元最大偏差检测数值[10]。

表2 板单元检测最大偏差数值表

2)吊装节段制造和试拼装。保证钢箱拱整体线形应首先确保单个吊装块体轮廓加工精度;其次要确保以预偏线形为依据,不少于4个相邻吊装节段组成的试拼装大节段的线形满足设计和规范要求,最后还要保证两个相邻吊装块体箱口之间的匹配精度满足要求,保证整体线形平滑美观。

控制单个吊装节段轮廓加工精度主要通过控制单个吊装节段长度、节段矢高、吊杆等重要位置坐标以及箱口截面精度来实现。单个吊装节段长度及矢高受顶(底)板单元和腹板单元加工精度影响较大,有必要时在板单元加工阶段适当加量,节段制造阶段方有调整余量。箱口截面为不规则五边形设计,加工精度主要受隔板精度影响,节段组装完成后截面轮廓尺寸也很难调整,必须在隔板单元加工阶段进行严格控制,顶(底)板、腹板之间的焊缝收缩、变形也是影响单个吊装节段轮廓精度、箱口截面精度的主要因素之一,为了减小主要棱角焊缝焊接变形,通过计算并与设计师沟通,仅箱口500 mm范围采用熔透焊缝,其余均改为部分熔透角焊缝。为了保证两相邻块体箱口间组装精度,节段组拼必须在专用胎架上进行,胎架刚度需满足要求,胎架设计按照节段卧式姿态布设,依次拼装内腹板单元、隔板单元、顶(底)单元、锚拉板单元和外腹板单元,吊装节段拼装精度控制要求见表3。

表3 吊装节段拼装精度控制要求

试拼装是解决相邻吊装节段箱口匹配、确保钢箱拱整体线形最有效的解决方案[11-12]。济南齐鲁黄河大桥钢箱拱在专用胎架上采用“卧式1+4” 模式进行拱肋节段试拼装,拱肋连接及横撑不参与试拼装,图5为吊装节段试拼装过程。

试拼装以技术准备阶段预偏线形为依据,按照钢箱拱分块在整体预偏线形上截取相应节段,为了提高预拼精度,取前一轮最后一节段作为后一轮的基准节段参与后一轮试拼,基准节段钢箱拱摆放在专用试拼胎架上作为检测基准,在基准节段上选取三个特征点,建立坐标系,基准节段摆放时检测其他节段拱轴线与箱口截面的交点坐标,满足要求时钢箱拱与胎架或平台点固,依次定位其他节段。一轮的所有试拼装节段摆放完成后,通过经纬仪和钢卷尺测量每个节段特征点的矢高,与预偏线形的理论矢高对比,验证试拼装线形的准确性。

试拼装线形验收合格后,检测箱口匹配性,箱口匹配性是保证轮廓线形的重点控制项点,外轮廓需顺滑,避免出现冷弯、局部突变现象,若出现此现象,需通过火焰矫正调整或修补的方式予以调整。

3.3 钢箱拱安装线形控制

济南齐鲁黄河大桥420 m跨主拱采用低位拼装,整体提升的方式进行钢箱拱的安装,将支架设在钢箱拱下方拱投影的位置,在支架上完成所有吊装节段的拼焊,将卧拼段采用专用设备提升到设计位置,完成与拱脚的焊接。

1)支架设计。支架设计时,根据钢箱拱预偏线形确定支架标高,根据分段方案确定支架钢箱拱环口操作平台位置,根据钢箱拱安装工况,采用MIDAS软件对支架加载后各部位受力及变形情况进行分析验算,选取合适的支架材料级别及规格尺寸。支架的设置必须满足钢箱拱安装线形要求和承受载荷要求。

2)钢箱拱整体节段组拼。吊装节段采用设置于桥面的龙门吊进行吊装,钢箱拱在厂内制造时,在每个节段布设3个测控点,控制点位于每个吊装节段上口顶板距离焊缝中心100 mm位置,中心点位于顶板纵基线上,两侧点横向距离中心点1 200 mm。安装前根据预偏线形,计算出控制点的空间坐标,吊装节段吊装就位后,测量人员使用全站仪对控制点坐标进行测量,节段下口不需进行重点测量,与前一节段完成匹配即可,上口进行钢箱拱块体的精确定位,考虑到温度变化对安装精度的影响,由于齐鲁黄河大桥420 m主拱在冬季施工,测量时间定在每天上午7点—9点,安装精度要求为:偏距、里程偏差不大于20 mm,标高偏差不大于10 mm。图6为钢箱拱节段拼接过程。

3)钢箱拱提升安装。钢箱拱节段在支架上拼焊完成、检测合格后,进入整体提升阶段,提升只是位置发生变化,空中姿态不得发生变化[13-14]。两端各布置一组提升设备,由于钢箱拱为对称设计,要求提升设备提升过程功率基本相同,提升速度一致,过程需严格监控,避免出现整体扭曲或者过程姿态改变。图7为建成后的济南齐鲁黄河大桥概貌。

4 结语

网状系杆拱桥异形截面钢箱拱建造线形控制不是一个简单的过程,影响因素较多,需从以下三个阶段进行严格控制:

1)技术准备阶段:根据钢箱拱加载后的受力情况及安装方法,通过采用MIDAS软件计算,确定钢箱拱的制造安装线形,根据预偏线形、现场运输道路、吊装设备等情况确定钢箱拱最终的分块方案。

2)加工阶段:分别从钢板下料工序、板单元组焊工序、吊装块体拼焊工序控制钢箱拱加工精度,通过吊装节段实体预拼装工序检查钢箱拱制造线形精度及箱口匹配度,若出现偏差,分析原因后应予以调整。

3)安装阶段:安装支架的搭设及钢箱拱拼焊以预偏线形为依据,节段安装过程中重点控制各节段控制点偏距、里程及标高偏差均处于允许偏差范围;整体提升过程中确保各提升点同步提升,避免发生扭曲,影响钢箱拱整体线形。

以济南齐鲁黄河大桥为例的网状系杆异形截面钢箱拱桥通过设计、加工、安装三个阶段的控制,大桥的建造取得了良好效果。通过研究与实践,大桥整体线形满足设计要求,全面验证了该线形控制方法的可行性,为今后类似工程建造提供参考。