高速鐵路下承式系桿拱橋拱肋安裝線形控制研究

馬 宏 杰

(中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 晉中 030600)

?

高速鐵路下承式系桿拱橋拱肋安裝線形控制研究

馬 宏 杰

(中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 晉中 030600)

結(jié)合濟(jì)青高鐵144 m系桿拱工程實(shí)踐，介紹了下承式系桿拱橋拱肋的安裝方法，并從工程測(cè)量方面入手，對(duì)拱肋軸線的空間坐標(biāo)計(jì)算方法進(jìn)行了研究，解決了拱肋線形控制的難題，有效地提高了拱肋拼裝精度。

高速鐵路，系桿拱橋，拱肋拼裝，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1 工程概況

新建濟(jì)南至青島高速鐵路鄒淄特大橋，在367號(hào)墩～368號(hào)墩通過144 m下承式無砟雙線系桿拱橋跨越青銀高速，為全線跨度最大的特殊孔跨，上部結(jié)構(gòu)采用梁拱組合體系，系梁全長(zhǎng)148 m，計(jì)算跨度144 m,拱肋矢跨比為f/L=1∶5，拱肋軸線立面投影矢高28.52 m，拱肋采用二次拋物線,在橫橋向內(nèi)傾8°呈提籃式,采用尼爾森吊桿體系。拱肋截面采用啞鈴型鋼管混凝土等截面，截面高度h=4 m，鋼管外徑為1.3 m，由20 mm鋼板卷制而成，拱肋內(nèi)灌注C55自密實(shí)混凝土。拱肋間設(shè)置6道K撐和1道一字撐，一字撐采用1.5 m的圓形鋼管組成，斜撐采用 0.9 m的鋼管組成，鋼管內(nèi)不填充混凝土。

該橋設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，線路曲線半徑8 000 m，軌道采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，線間距5 m，橋面縱坡坡度0.15%，該結(jié)構(gòu)物正常維護(hù)條件下設(shè)計(jì)年限為100年。采用先梁后拱、曲梁直做工藝，梁的平面位置以梁體中心線按平分中矢布置，梁體向左偏移f=17 cm，如圖1所示。

2 安裝方法

144 m下承式鋼管混凝土拱橋拱肋采用臨時(shí)支架法進(jìn)行安裝，將每側(cè)拱肋分成14個(gè)節(jié)段在鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)行制造、預(yù)拼裝，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝。拼裝前首先在張拉完成的系梁梁面上方對(duì)應(yīng)拱肋支點(diǎn)位置下方安裝支架，每側(cè)設(shè)置7榀臨時(shí)支架，前后對(duì)稱布置，支架頂部設(shè)有支撐梁和定位工裝，通過測(cè)量放樣。然后利用吊至橋面的2臺(tái)25 t汽車吊對(duì)稱拼裝拱肋構(gòu)件、6道K撐及1道一字撐。拱肋構(gòu)件出廠前，在拱肋上管和下管將控制拱肋線形的測(cè)點(diǎn)做好標(biāo)記，便于現(xiàn)場(chǎng)控制,如圖2所示。

3 拱肋坐標(biāo)計(jì)算

設(shè)計(jì)圖紙給出的坐標(biāo)無法利用全站儀直接測(cè)量放樣，為方便施工測(cè)量，拱肋安裝坐標(biāo)計(jì)算時(shí)需要在多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算過程需考慮線路縱坡，預(yù)拱度，梁體平分中矢等影響因素。

3.1 拱肋坐標(biāo)系統(tǒng)定義

拱肋軸面獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)(x0，y0，z0):原點(diǎn)為拱肋中心線與支座中心線交點(diǎn)，即x0軸——順橋向(大里程為正)，y0軸——豎向(沿拱肋中心面，向上為正，內(nèi)傾8°)，z0軸——面向大里程右手側(cè)(垂直于x0y0平面)。

拱肋獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)(x，y，z):x軸同x0軸，y軸——豎向(垂直梁面，向上為正)，z軸——面向大里程右側(cè)(垂直于xy平面)。

拱肋平面坐標(biāo)系統(tǒng)(X,Y,Z)：同設(shè)計(jì)單位提供的測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)相同。

拱肋坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

3.2 拱肋坐標(biāo)計(jì)算

a=arctan(y′+i)=arctan(0.8-0.011x0+0.001 5)

(1)

取拱肋軸線任意一點(diǎn)m作為研究對(duì)象，m點(diǎn)坐標(biāo)(xm,ym,zm)，則拱管上下緣m1,m2在拱軸平面的坐標(biāo)(x0m,y0m,z0m)為：

(2)

將拱肋軸線坐標(biāo)軸繞x軸旋轉(zhuǎn)8°，則拱管上下緣m1，m2的拱肋獨(dú)立坐標(biāo)(x,y,z)為：

(3)

3.3 梁體中線坐標(biāo)計(jì)算

鄒淄特大橋144 m簡(jiǎn)支拱系梁采用曲梁直做工藝，梁體和拱肋軸線均按直線段坐標(biāo)處理，取線路中線與梁端線左移17 cm后交梁端于a,b兩點(diǎn)為平分中矢后的梁體新軸線，αab為梁體中心線起點(diǎn)坐標(biāo)方位角，該角度值可通過圖形法或梁體中軸線起終點(diǎn)坐標(biāo)差反算求出。Xa,Ya為梁體中線與梁端交點(diǎn)a處的平面坐標(biāo)，此坐標(biāo)系統(tǒng)與設(shè)計(jì)給出的系統(tǒng)相同，梁體中線上任意一點(diǎn)處的坐標(biāo)(Xz,Yz)為：

(4)

3.4 拱肋平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

為方便現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員利用全站儀進(jìn)行放樣，需將拱肋獨(dú)立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成與設(shè)計(jì)線路相同的坐標(biāo)系，根據(jù)圖紙可知拱腳原點(diǎn)距梁體中線的距離為8.45 m,則拱肋上下緣m1,m2位置對(duì)應(yīng)中線的橫距為H(1,2)=8.45-z(1,2),則拱肋平面坐標(biāo)為：

(5)

3.5 拱肋高程計(jì)算

受拱肋自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力及混凝土收縮徐變產(chǎn)生的累計(jì)撓度影響，拱肋安裝時(shí)需要設(shè)置向上的預(yù)拱度，全橋拱肋預(yù)拱度按二次拋物線設(shè)置，其中拱頂最大預(yù)拱度為42.3 mm。則考慮橋面標(biāo)高h(yuǎn)及預(yù)拱度δi后的拱肋上下緣高程為：

Z=h+δi+y1,2

(6)

通過式(1)～式(6)，先確定拱肋支點(diǎn)距拱肋原點(diǎn)的水平投影距離x,代入式(1)中求出拱肋軸線切線與梁面的夾角a，將x代入拱肋軸線拋物線方程求得ym，將ym代入式(2)，求出拱軸線上下緣距ym距離y0m12，將y0m12代入式(3)求出拱管上下緣在xy坐標(biāo)系中的位置(x,y,z)，將該坐標(biāo)代入式(4)～式(6)便可求出同設(shè)計(jì)坐標(biāo)系相同的拱肋定位坐標(biāo)。同時(shí)利用該方法可求出其他需要測(cè)量位置的坐標(biāo)。

4 測(cè)量放樣

拱肋在車間制造時(shí)提前將現(xiàn)場(chǎng)控制拱管的測(cè)點(diǎn)標(biāo)記在上下拱管上。吊裝就位過程中，利用已定向的全站儀和架設(shè)在測(cè)點(diǎn)上的前視反射棱鏡，將計(jì)算出的線型坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入全站儀，通過吊車配合，不斷調(diào)整拱肋構(gòu)件及棱鏡的位置。最終將拱管位置調(diào)整至符合規(guī)范要求的位置，用型材焊接固定。拱肋各節(jié)段高程通過全站儀進(jìn)行測(cè)量控制。

5 節(jié)段拼裝質(zhì)量要求

拱肋拼裝過程中及成拱后需要通過全站儀對(duì)拱肋安裝的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢查驗(yàn)收，具體檢測(cè)項(xiàng)目及允許偏差如表1所示。

表1 檢測(cè)項(xiàng)目及允許偏差表 mm

6 結(jié)語

鋼管混凝土作為組合結(jié)構(gòu)的一種，廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁工程，此類結(jié)構(gòu)借助拱管管壁對(duì)混凝土的套箍作用，提高了混凝土的延性和抗壓強(qiáng)度，將鋼管和混凝土這兩種材料有機(jī)的結(jié)合，解決了拱橋材料的高強(qiáng)化和拱橋材料的輕型化的問題。通過拱肋安裝階段對(duì)鋼管平面位置及標(biāo)高的精確計(jì)算和控制，使拱肋的幾何線形最大限度地達(dá)到設(shè)計(jì)值，充分發(fā)揮組合結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，是實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土拱橋質(zhì)量目標(biāo)的關(guān)鍵。

[1] 李恩良.客運(yùn)專線大跨度提籃拱橋拱肋定位坐標(biāo)計(jì)算方法[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2012(1)：118-120.

[2] JGJ/T D65—06—2015，公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] TB 10752—2010,高速鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] 胡伍生,潘慶林,黃 騰,等.土木工程施工測(cè)量手冊(cè)[M].第2版.北京：人民交通出版社，2011.

Study on linear installation control of bottom tied-arch bridge arch-rib of the express railway

Ma Hongjie

(ChinaRailway3rdBureauGroup5thEngineeringCo.,Ltd,Jinzhong030600,China)

Combining with Ji-Qing express railway 144 m tied-arch bridge engineering practice, the paper introduces bottom tied-arch bridge arch-rib installation methods. Starting from the aspect of engineering measurement, it studies the spatial coordinate calculation methods of the arch-rib axis. As a result, it solves the arch-rib linear control difficulties and effectively improves the arch-rib assembling accuracy.

express railway, tied-arch bridge, arch-rib assemble, coordinate transformation

1009-6825(2017)07-0174-03

2016-12-28

馬宏杰(1983- )，男，工程師

U448.225

A