鋼箱拱肋制作預(yù)拱度與制造線形控制

黃貝貝 崔楠楠 王衛(wèi)鋒

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510640)

1 工程概況

廣州市南沙開(kāi)發(fā)區(qū)鳳凰三橋?yàn)橹谐惺戒撓湎禇U拱橋，結(jié)構(gòu)體系為無(wú)推力系桿拱橋。全長(zhǎng)510 m，跨徑組合為40 m+61 m+308 m+61 m+40 m。主橋?yàn)樘峄@式鋼箱拱，主拱跨度308 m，矢跨比為1/4.5，拱軸線采用m=1.25的懸鏈線，主拱肋按1/5角度內(nèi)傾，如圖1所示。

圖1 鳳凰三橋立面圖

主橋拱肋采用整體提升法施工。提升段拱肋跨徑為231.5 m，根據(jù)施工工藝、吊裝重量、吊桿位置等因素，每幅拱肋在順橋向方向劃分為25個(gè)節(jié)段預(yù)制拼裝。

拱肋的主要施工過(guò)程為:

1)在預(yù)制場(chǎng)加工組拼焊接拱肋節(jié)段后，采用水運(yùn)方式運(yùn)至拱橋施工現(xiàn)場(chǎng)，在拼裝胎架上焊接成拱肋吊裝節(jié)段。

2)采用吊機(jī)將吊裝節(jié)段在拼拱胎架上逐段焊接組拼成拱。

3)安裝拱腳滑靴，張拉拱腳臨時(shí)鋼絞線使拱肋脫架，采用縱移千斤頂將拱肋頂推至運(yùn)輸駁船的位置。

4)拱肋上船后，運(yùn)輸至設(shè)計(jì)橋位吊裝。

5)安裝提升鋼絞線，采用同步液壓提升系統(tǒng)提升拱肋至設(shè)計(jì)標(biāo)高，安裝合龍段完成拱肋施工。

2 拱肋預(yù)拱度計(jì)算

鳳凰三橋主橋拱軸線形為懸鏈線。懸鏈線是我國(guó)中、大跨徑拱橋采用的最普遍的拱軸線形。合理的拱軸線形可以保證拱圈截面的彎矩盡量小，主拱圈在各種荷載因素作用下控制截面的應(yīng)力較為均勻，且能夠最大限度的減小截面拉應(yīng)力。考慮到橋梁的施工、受載、成橋運(yùn)營(yíng)對(duì)橋梁線形的影響，為了保證拱橋的成橋線形盡量與設(shè)計(jì)線形吻合，預(yù)拱度的設(shè)置是很有必要的。

預(yù)拱度是為了消除施工和成橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中各種荷載作用產(chǎn)生的撓度值，在橋梁施工時(shí)就預(yù)留的與撓度相反的校正量。預(yù)拱度的設(shè)置有兩種分配方式:1)先計(jì)算出拱頂預(yù)拱度值，再按照三角形分配、拱軸線縱坐標(biāo)比例分配、拱腳推力影響線比例分配等方式，將預(yù)拱度值分配到其他各點(diǎn)。2)直接模擬橋梁施工運(yùn)營(yíng)過(guò)程，得出各點(diǎn)的累積撓度值，反號(hào)添加即為各點(diǎn)的預(yù)拱度值。

本文采用第二種方式，通過(guò)Midas Civil有限元軟件對(duì)鳳凰三橋施工過(guò)程進(jìn)行正裝仿真分析計(jì)算，并考慮結(jié)構(gòu)十年收縮徐變得出拱肋各控制點(diǎn)的撓度變形量。然后將恒載和半個(gè)靜活載作用下的撓度值反號(hào)設(shè)置為預(yù)拱度。將計(jì)算得到的預(yù)拱度值與設(shè)計(jì)線形疊加就可以得到拱肋的制造線形。

預(yù)拱度計(jì)算考慮的影響因素很多，本文的仿真分析計(jì)算主要考慮了施工階段的結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、施工荷載、溫度影響、墩臺(tái)沉降、二期鋪裝荷載、十年混凝土收縮徐變以及汽車(chē)人群活載等。

采用Midas Civil 2010對(duì)鳳凰三橋建立三維有限元模型，如圖2所示。全橋共包括2 031個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 841個(gè)單元。按照橋梁的施工順序進(jìn)行分析計(jì)算，得出拱肋吊裝節(jié)段的控制節(jié)點(diǎn)的撓度值，疊加上設(shè)計(jì)坐標(biāo)后即可得到拱肋的制造線形。計(jì)算結(jié)果如表1所示，表中只列出了1/4拱肋的預(yù)拱度值，X向?yàn)轫槝蛳?，Y向?yàn)闄M橋向，Z向?yàn)樨Q向。

表1中可看出，拱肋豎向預(yù)拱度值拱頂處最大為18.8 cm;順橋向最大預(yù)拱度為1.2 cm，發(fā)生在S9節(jié)段;橫橋向最大預(yù)拱度為0.4 cm，發(fā)生在拱頂處。

3 制造線形控制

鋼箱拱肋節(jié)段離散為腹板、頂板、底板、隔板零件及板單元分別下料加工，在胎架上組裝焊接。采用正確的組裝順序和合理的焊接流程能夠控制好箱形的幾何精度。

圖2 結(jié)構(gòu)模型圖

表1 1/4拱肋節(jié)點(diǎn)預(yù)拱度值 cm

加工好的拱肋節(jié)段通過(guò)水路運(yùn)輸至拱肋拼裝場(chǎng)地，通過(guò)吊機(jī)從兩端到跨中對(duì)稱(chēng)組拼吊裝節(jié)段。為保證組拼質(zhì)量，拼裝要求從支架兩端開(kāi)始，在拱頂合龍。拼裝過(guò)程中，通過(guò)拱肋拼裝支架上的鞍座調(diào)節(jié)千斤頂來(lái)調(diào)整拱肋線形，使其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)線形要求。

焊接好的吊裝節(jié)段最后要在拼拱支架上完成拱肋的成拱拼裝。拼拱支架采用鋼管做支架，支架頂部設(shè)置雙層分配梁、拱肋線形調(diào)節(jié)鞍座、拱肋限位排架。鞍座采用鋼板焊接并與分配梁長(zhǎng)圓孔連接，拱肋線性調(diào)整通過(guò)側(cè)調(diào)和縱調(diào)千斤頂頂推鞍座調(diào)整。限位排架上設(shè)置了千斤頂可以微調(diào)鋼箱拱肋的轉(zhuǎn)角。

表2 拱肋制造線形與理論線形對(duì)比

4 實(shí)測(cè)線形與理論線形對(duì)比

拱肋拼裝完成后，對(duì)拱肋的制造線形采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，得出拱肋的實(shí)測(cè)坐標(biāo)值并與拱肋的理論坐標(biāo)值對(duì)比分析以校驗(yàn)拱肋線形的制造精度。結(jié)果如表2所示，表中只列出單幅拱肋測(cè)量結(jié)果。

由表2分析可知:拱肋制造線形與理論線形差值很小，最大差值僅為13 mm，拱肋的制造線形滿(mǎn)足精度要求。

［1］ 雷俊卿.大跨度橋梁結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2007.

［2］ 張顯明.鋼管混凝土拱橋拱肋整體豎轉(zhuǎn)吊裝線形控制［J］.公路，2011(11):61-64.

［3］ 蔡祿榮.大跨度鋼桁架拱橋預(yù)拱度設(shè)置及拼裝誤差理論研究［J］.華南理工大學(xué)，2012(10):25-26.

［4］ 趙義書(shū).鋼管混凝土拱橋拱肋線形的設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.武漢理工大學(xué)，2007(10):80-82.

［5］ 秦順全.分階段施工橋梁的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法［J］.橋梁建設(shè)，2008(1):8-14.