異形鋼結(jié)構(gòu)“飄帶”景觀橋關(guān)鍵施工技術(shù)

孔德法

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300450)

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異形鋼結(jié)構(gòu)“飄帶”景觀橋關(guān)鍵施工技術(shù)

孔德法

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300450)

摘要：天津生態(tài)城中部片區(qū)經(jīng)六路上跨薊運(yùn)河故道橋梁工程為拱結(jié)構(gòu)支撐的鋼連續(xù)箱梁景觀橋，以“飄帶”為理念設(shè)計(jì)，造型新穎、獨(dú)特，施工難度大。通過(guò)方案優(yōu)化和仿真模擬，解決了淤泥河道內(nèi)臨時(shí)支架體系布置，不規(guī)則梁體節(jié)段劃分、制作、拼裝，異形鋼箱梁體系轉(zhuǎn)換、三維空間扭曲體“飄帶”施工等難題，具有較高的推廣意義。

關(guān)鍵詞：公路橋；鋼連續(xù)箱梁；景觀橋；異形鋼結(jié)構(gòu)；支架體系

1 工程概況

天津生態(tài)城中部片區(qū)經(jīng)六路上跨薊運(yùn)河故道橋梁工程是生態(tài)城內(nèi)跨薊運(yùn)河故道的重要節(jié)點(diǎn)之一，全長(zhǎng)959.47 m。主橋長(zhǎng)270 m，跨徑布置為35 m+4×50 m+35 m，橋面寬度為14 m，雙向四車道。為實(shí)現(xiàn)橋梁景觀效果，以“飄帶”為理念設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)輕盈、造型飄逸(效果圖見(jiàn)圖1)。

主橋鋼箱梁為單箱雙室截面，上箱梁(主梁)順橋向?yàn)樽兘孛?，其中底板保持橫向水平，頂板設(shè)置1.5%的橫坡，中心線處的高度為1.11 m；下箱梁(主拱)標(biāo)準(zhǔn)段為等截面鋼箱梁，頂?shù)装逅讲贾?，梁?.115 m，順橋向?yàn)椴灰?guī)則曲線；主梁和主拱在跨中范圍合為梁拱結(jié)合段，橋墩處、跨中處橫斷面見(jiàn)圖2。

圖1 主橋效果圖

圖2 主橋橋墩處、跨中處橫斷面圖(單位：cm)

2 施工重、難點(diǎn)分析

2.1 不規(guī)則梁體節(jié)段劃分、制作、拼裝

為實(shí)現(xiàn)橋梁整體景觀效果，梁體采用不規(guī)則曲線，且在跨中處與主拱合為梁拱結(jié)合段(見(jiàn)圖1、圖2)；為滿足運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝要求，梁體需分段制作、安裝，采用合理的梁體節(jié)段劃分方案、控制梁段制作精度，是保證梁段拼裝順利和安裝后梁體線形滿足要求的關(guān)鍵。

2.2 淤泥河道內(nèi)臨時(shí)支架體系布置

本工程橋梁位于薊運(yùn)河故道內(nèi)，河道內(nèi)淤泥深度較大(局部達(dá)8 m)，必須采用合理的支架體系形式，確保鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)安裝和支架拆除過(guò)程中，支架體系承載力、沉降量滿足要求。

2.3 異形鋼箱梁體系轉(zhuǎn)換

每一步支架拆除，剩余支架體系受力(含小立柱)、梁體應(yīng)力和變形都會(huì)發(fā)生變化，為選擇最優(yōu)支架拆除方案，從而確保梁段體系轉(zhuǎn)換過(guò)程安全，需對(duì)支架拆除(體系轉(zhuǎn)換)過(guò)程進(jìn)行仿真分析；分析結(jié)果同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)，便于進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比。

2.4 三維空間扭曲體“飄帶”施工

橋梁外側(cè)焊接的“飄帶”為一空間扭曲體，其在縱向隨著鋼箱梁下箱室的線形變化而變化，在橫向也為一個(gè)不斷變化的空間三維體，線形復(fù)雜、施工難度大。

3 梁段劃分與多節(jié)段匹配制作

綜合設(shè)計(jì)、運(yùn)輸及吊裝等方面考慮，單幅橋主梁共劃分22個(gè)制造梁段，主拱共劃分25個(gè)制造梁段，其中主拱有10個(gè)節(jié)段與主梁連接在一起制作，劃分節(jié)段共37個(gè)。主梁最重為31#梁段，長(zhǎng)度17.6 m，自重50.4 t；主拱最重為20#梁段，長(zhǎng)8.0 m，自重53.6 t；梁拱結(jié)合段最重為36#梁段，長(zhǎng)12.4 m，自重97.2 t。梁體節(jié)段劃分見(jiàn)圖3。

圖3 梁體節(jié)段劃分圖(單位：m)

為了保證如此多的節(jié)段制作完成運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝后全橋線形符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)多方案比選，最終采用“多節(jié)段匹配制作、立體預(yù)拼裝”[1]的施工工藝進(jìn)行全橋梁段制作。

在主梁制造中，按照“頂板→中間腹板→兩側(cè)橫隔板→兩側(cè)腹板→底板→挑梁塊體”的順序進(jìn)行逐段組裝與焊接；在主拱制造中，按照“底板→中間腹板→兩側(cè)橫隔板→兩側(cè)腹板→頂板”的順序進(jìn)行逐段組裝與焊接，實(shí)現(xiàn)立體階梯形推進(jìn)方式。

組裝時(shí)，以胎架為外胎，以橫隔板、中間腹板為內(nèi)胎，重點(diǎn)控制橋梁的線形、鋼箱梁幾何形狀和尺寸精度、相鄰接口的精確匹配等[2]。

4 淤泥河道內(nèi)支架體系構(gòu)造和設(shè)計(jì)

4.1 淤泥河道內(nèi)支架體系基礎(chǔ)施工

河道內(nèi)支架體系基礎(chǔ)采用“戧灰處理、混凝土條形基礎(chǔ)”。淤泥采用戧灰的方式處理，處理深度不小于2 m，并壓實(shí)，確保地基承載力在0.3 MPa以上；然后再澆筑C30鋼筋混凝土基礎(chǔ)，獨(dú)立基礎(chǔ)長(zhǎng)3.5 m(順橋向)×寬1.5 m×高0.3 m，內(nèi)配雙向?10 mm@100 mm鋼筋，滿足上部荷載的需要。支架體系基礎(chǔ)見(jiàn)圖4。

圖4 支架體系基礎(chǔ)布置圖

地基戧灰完成后，采用堆載實(shí)驗(yàn)方式對(duì)地基承載力進(jìn)行檢測(cè)(按1.2倍荷載值)。支架體系預(yù)壓采用已施工完成支架基礎(chǔ)混凝土塊體，為減小預(yù)壓荷載與地面之間的接觸面積，從而減小上部堆載重量，采用兩根I40b工字鋼作底胎，上部橫、縱向交錯(cuò)布置混凝土塊體進(jìn)行支架基礎(chǔ)地基堆載試驗(yàn)。

4.2 支架體系構(gòu)造和設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼箱梁自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，支架體系共分為3部分(見(jiàn)圖5)。

4.2.1 主拱與地基之間臨時(shí)支架體系

主拱與地基之間的支架體系支撐在混凝土條形基礎(chǔ)上，采用鋼管格構(gòu)型鋼組合支架，每組支架為4根?600 mm×12 mm鋼管；格構(gòu)立柱之間用[16槽鋼作為水平支撐和剪刀撐聯(lián)結(jié)，使其共同支撐上部鋼箱梁的重量；在支架立柱鋼管頂部設(shè)置雙根I32工字鋼橫梁，作為鋼箱梁的小立柱支撐擱置點(diǎn)；橫梁同時(shí)也是連接立柱成為整體的主要構(gòu)件。支架的支撐點(diǎn)順橋向布置在梁段環(huán)縫兩側(cè)橫隔板處，橫向布置在橫隔板加勁肋處。

圖5 支架體系橫斷面示意圖(單位：m)

4.2.2 主梁與主拱之間臨時(shí)支架體系

主梁與主拱之間支架體系支撐于主拱上，支架體系形式同上。

4.2.3 挑梁與地基之間臨時(shí)支架體系

橫橋向內(nèi)側(cè)通過(guò)在主梁上設(shè)置牛腿,外側(cè)在梁段環(huán)縫兩側(cè)搭設(shè)碗扣式腳手架作為支架體系；支架體系支撐在處理好的地基上。

5 梁段安裝精度的控制

5.1 測(cè)量控制點(diǎn)設(shè)置

鋼箱梁的測(cè)量控制點(diǎn)布置在箱梁兩端橫隔板位置的頂板上(橫隔板距離端頭超過(guò)2 m時(shí)布置在端頭500 mm處)，在工廠制作、預(yù)拼裝時(shí)給出測(cè)量控制點(diǎn)，并標(biāo)記。

測(cè)量控制點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)用全站儀和水準(zhǔn)儀等測(cè)量工具測(cè)設(shè)，測(cè)量的理論數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)給出的最終架設(shè)線形值。

5.2 鋼箱梁吊裝

在支架上用全站儀測(cè)放出該段橋梁中線，然后開始吊裝作業(yè)，讓其中線對(duì)準(zhǔn)支架上的橋梁中線，對(duì)位后可點(diǎn)動(dòng)龍門吊的起重小車，同時(shí)人工用鋼釬配合定位，對(duì)位準(zhǔn)確后支墊穩(wěn)定。

5.3 鋼箱梁微調(diào)

對(duì)于鋼箱梁的微調(diào)，在全站儀測(cè)控下進(jìn)行，即鋼箱梁的左右、前后、高程位置以及箱梁接口板片的微調(diào)、分段環(huán)縫焊接縫隙的微調(diào)等。微調(diào)量一般不大，在1～3 cm范圍以內(nèi)，先解開臨時(shí)固定碼板，用油壓千斤頂頂升一定的高度后，用絲杠千斤頂和鋼碼板進(jìn)行左右、前后的微調(diào)；上下高程的微調(diào)，可直接用油壓千斤頂和鋼碼板、鋼墊板進(jìn)行。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控測(cè)量，符合要求后，作最終的碼板固定和焊接。

節(jié)段安裝完成后，檢查鋼箱梁平整度、軸線偏位、焊縫尺寸、幾何尺寸等是否滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范及工藝要求，如不滿足調(diào)節(jié)至滿足為止。

5.4 合龍段安裝精度控制

由于鋼箱梁受日照、溫度影響，軸向伸縮變形較大，焊縫自身溫度降低也會(huì)引起收縮，因此需要準(zhǔn)確定位、確定合龍段空間的準(zhǔn)確精度及安排合龍時(shí)間，盡量選擇在氣溫低的時(shí)間段安裝合龍段，利用較大的溫差使合龍空間增大[3]。

在合龍段相鄰鋼梁上布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)以測(cè)量合龍段頂板與底板合龍間隙，測(cè)量點(diǎn)位于頂板及底板距接口200 mm處。確定在不同溫度下，合龍段的安裝長(zhǎng)度，充分掌握變形量與溫度的關(guān)系，并對(duì)合龍段接口進(jìn)行精密切割，保證安裝精度。合龍段吊裝見(jiàn)圖6。

圖6 合龍段現(xiàn)場(chǎng)吊裝

合龍段首先焊接腹板對(duì)接焊縫，然后焊接頂、底板對(duì)接焊縫，最后焊接箱梁內(nèi)部加勁結(jié)構(gòu)的對(duì)接焊縫；焊接采用雙數(shù)焊工對(duì)稱施焊，控制焊接變形。

6 異形鋼箱梁體系轉(zhuǎn)化

本工程支架體系分為“挑梁下支架體系”、“主拱和主梁之間支架體系”、“主拱下支架體系”三部分，每一步支架體系拆除，剩余支架體系受力(含小立柱)、梁體應(yīng)力和變形都會(huì)發(fā)生變化，為選擇最優(yōu)支架體系拆除方案同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)，從而確保梁段體系轉(zhuǎn)換過(guò)程安全、實(shí)時(shí)掌控施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對(duì)比，需對(duì)支撐拆除(體系轉(zhuǎn)換過(guò)程)進(jìn)行仿真分析；同時(shí)需核算該體系轉(zhuǎn)換過(guò)程小立柱處集中荷載作用下梁段應(yīng)力、變形和小立柱剛度是否滿足要求。

6.1 體系轉(zhuǎn)化過(guò)程數(shù)值模擬

施工前，采用有限元軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支架體系組成有限元模型(見(jiàn)圖7)，對(duì)橋梁施工臨時(shí)支撐拆除的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到臨時(shí)支撐卸載過(guò)程中各施工步驟橋梁主要部位的受力和變形情況，以及臨時(shí)支撐的軸力，判定橋梁臨時(shí)支撐卸載施工方案的可行性和合理性；并進(jìn)行臨時(shí)支架體系中工字鋼梁、支撐柱等的強(qiáng)度、穩(wěn)定與變形計(jì)算；根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果提出合理的施工建議。

圖7 中間跨橋段有限元計(jì)算模型

主梁與主拱箱梁的上下翼緣、腹板和橫隔板采用SHELL63單元模擬，加勁肋采用BEAM188單元模擬，支撐柱采用BEAM188單元模擬。所有支撐柱對(duì)橋僅提供豎向約束，支撐點(diǎn)設(shè)置在箱梁縱、橫加勁肋相交處。

橋墩處約束三向平動(dòng)自由度(x向、y向、z向)。臨時(shí)支撐軸向剛度65×105kN/m，偏安全未考慮其彈性，耦合主梁與主拱間臨時(shí)支撐處豎向自由度(z向)。主拱下的臨時(shí)支撐約束豎向自由度(z向)，計(jì)算模型施加自重荷載、端部壓重。

6.2 施工過(guò)程橋梁監(jiān)測(cè)

為了對(duì)成橋目標(biāo)進(jìn)行有效控制，修正在施工過(guò)程中各種影響成橋目標(biāo)的參數(shù)誤差對(duì)成橋目標(biāo)的影響，確保成橋后主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)梁體標(biāo)高、截面應(yīng)力、支座位移等內(nèi)容進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)。

7 三維空間扭曲體“飄帶”施工[1,4-5]

(1)運(yùn)用三維實(shí)體模擬技術(shù)，通過(guò)采用三維Solidwork軟件和CAD軟件進(jìn)行三維實(shí)體模擬，有效解決了“飄帶”空間三維扭曲體平面展開和單元件下料的施工難題。

(2)研究制定了全封閉三維空間扭曲體組裝、焊接工藝，滿足了設(shè)計(jì)要求，保證了“飄帶”外觀質(zhì)量。

(3)采用三維空間扭曲體測(cè)量控制技術(shù)，根據(jù)隔板處控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，保證了施工精度。

8 結(jié)束語(yǔ)

施工過(guò)程中，通過(guò)運(yùn)用全新的思維和創(chuàng)新的方法，解決了異形鋼結(jié)構(gòu)“飄帶”景觀橋的施工難題，高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的修筑了國(guó)內(nèi)首座“飄帶”型景觀橋，為類似橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供一定的參考。

橋梁建成后，橋梁景觀效果明顯，進(jìn)一步提升了橋梁所在區(qū)域的整體景觀效果，成為生態(tài)城一道亮麗的風(fēng)景線。

參考文獻(xiàn)

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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

作者簡(jiǎn)介：孔德法(1984—)，男，工程師，主要從事橋梁、地下工程施工工作308078035@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.017

中圖分類號(hào)：U445.58

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-3953(2016)03-0062-04