斜拉橋異型鋼塔線形控制技術(shù)研究

郭飛 李沛洪 朱育才

(廣州市第二市政工程有限公司 510060)

引言

斜拉橋主塔是承受荷載的主要結(jié)構(gòu)， 主塔形狀復(fù)雜， 建造難度高。 斜拉橋塔一般由鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)組成， 可依據(jù)索面排布、 橋面長寬、 梁長跨度等因素來確定其構(gòu)造樣式[1-5]。 眾多學(xué)者對斜拉橋主塔進(jìn)行了研究。 劉小敏等對大弧度曲線型獨塔斜拉橋鋼塔制作拼裝進(jìn)行研究[6]， 謝學(xué)強(qiáng)等對大跨徑單索面組合梁斜拉橋鋼塔施工工程進(jìn)行研究[7]， 王石磊等對大型空間異形鋼塔斜拉橋施工過程進(jìn)行監(jiān)控[8]。 基于已有研究成果[9-14]， 本文針對斜拉橋異型鋼塔線形控制進(jìn)行研究， 指導(dǎo)斜拉橋施工過程的鋼塔形狀控制， 保證橋梁施工質(zhì)量。

1 工程概況

鴨嘴巖大橋主橋為獨塔雙索面斜拉橋， 跨度布置為(200 +74 +45) ＝319m， 橋面寬36m， 主塔采用鋼-砼組合橋塔， 縱、 橫橋向塔軸線均呈曲線， 主塔從承臺頂?shù)剿敻叨葹?00m， 其中鋼塔高度82m。 主塔橋面以上部分采用鋼塔， 鋼塔底節(jié)段通過剪力釘、 PBL 傳剪器及預(yù)應(yīng)力束以承壓方式與混凝土塔柱結(jié)合， 鋼塔柱采用單箱七室結(jié)構(gòu)的矩形截面， 大橋全貌如圖1 所示。

圖1 鴨嘴巖大橋Fig.1 Yazuiyan Bridge

2 鋼主塔線形控制技術(shù)

本工程鋼主塔呈空間曲線形狀， 控制鋼主塔形狀是難點。 針對鋼主塔曲線特性， 從兩個方面進(jìn)行鋼主塔曲線的控制， 其一是對斜拉橋鋼塔細(xì)化分段， 便于節(jié)段制作時保證異型鋼塔曲線狀態(tài)； 其二是提出運用實體化建模方法指導(dǎo)鋼塔塔身節(jié)段制作并對鋼塔節(jié)段進(jìn)行預(yù)拼裝， 保證斜拉橋施工質(zhì)量。

2.1 異型鋼塔細(xì)化分段

大橋原來設(shè)計方案是鋼塔分為T1—T11 的11個鋼塔節(jié)段， 其中下部T1—T3 節(jié)段制作和安裝精度決定了上部鋼塔的安裝精度， 若T1—T3 出現(xiàn)安裝誤差將造成塔頂偏位增大， 并且由于T1—T3 鋼塔節(jié)段尺寸和重量均較大， 造成鋼塔制作、 安裝、運輸困難， 為保證T1—T3 鋼塔制作精度以及安裝的簡便， 有必要對鋼塔節(jié)段進(jìn)行細(xì)化。

根據(jù)鋼塔尺寸對鋼塔進(jìn)行細(xì)分， T1、 T2、 T3細(xì)化為三個分段， T4—T10 細(xì)化為二個分段，T11 為一個分段， 對鋼塔進(jìn)行細(xì)化分段有利于保證鋼塔線形， 鋼塔分段如表1 所示。

表1 主塔鋼梁現(xiàn)場分段Tab.1 Segmentation of steel girder of main pylon

2.2 鋼塔節(jié)段制作過程

為保證鋼塔節(jié)段制作精度， 基于實體化建模技術(shù)提出將鋼塔節(jié)段進(jìn)行建模拼接， 在建模過程中掌握各部件的制作順序、 部件尺寸等數(shù)據(jù)， 依據(jù)實體化建模的流程指導(dǎo)鋼塔節(jié)段的生產(chǎn)， 從而控制鋼塔線形的精準(zhǔn)度。

根據(jù)鋼塔結(jié)構(gòu)特點， 考慮到鋼塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫密集， 熔透焊縫較多， 所產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力較大， 為控制結(jié)構(gòu)焊接變形， 保證節(jié)段整體質(zhì)量， 加快制造進(jìn)度， 鋼塔制造采用“零件→單元→整體→預(yù)拼裝”方式生產(chǎn)， 即將鋼塔節(jié)段分為內(nèi)、 外壁板單元、 側(cè)壁板單元、 平板、 隔板單元等。 接著按節(jié)段的尺寸制作成整塊， 兩端面采用小車精切余量并制好工地焊接坡口， 然后進(jìn)行預(yù)拼裝， 安裝臨時匹配件。 根據(jù)圖2 進(jìn)行鋼塔節(jié)段實體化建模制作， 鋼塔制作在工廠車間完成下料、 單元件組裝、 焊接， 在總拼胎架上完成鋼塔節(jié)段的整體組裝、 焊接、 修整、 劃線和精切。 在拼裝胎架上對鋼塔進(jìn)行分輪次預(yù)拼裝， 控制整體線形。 待涂裝作業(yè)完成后采用汽車運輸至安裝現(xiàn)場存梁場進(jìn)行存放， 主塔安裝施工時， 通過汽車經(jīng)施工便橋運輸至安裝位置進(jìn)行安裝。

圖2 鋼塔節(jié)段實體化建模制作Fig.2 Section solid modeling of steel pylon

2.3 鋼塔節(jié)段預(yù)拼裝

將基于實體化建模的鋼塔節(jié)段進(jìn)行預(yù)拼裝。預(yù)拼裝按以鋼塔下端為基準(zhǔn)往上拼裝的順序進(jìn)行， 鋼塔節(jié)段預(yù)拼裝流程如下: (1)將底部鋼塔節(jié)段置于預(yù)拼裝專用胎架上， 用水平儀測量并調(diào)整頂面標(biāo)高， 使用經(jīng)緯儀監(jiān)測立面中心線， 各部位尺寸調(diào)整后將鋼錨箱固定在胎架上； (2)將與之相連的鋼塔吊裝在前一節(jié)段上， 此時應(yīng)特別注意鋼塔的方向。 用水平儀測量并調(diào)整頂面標(biāo)高，用經(jīng)緯儀監(jiān)測立面中心線， 檢查接口匹配狀況，對連接面重新進(jìn)行加工， 各部尺寸調(diào)整合格后用卡具將兩節(jié)段鋼塔固定； (3)重復(fù)以上過程， 依次將其他待拼裝節(jié)段的鋼塔吊裝到位， 檢查整體尺寸及偏差趨勢， 做好記錄， 作為下一輪次預(yù)拼裝的依據(jù)； (4)留下最上面一個節(jié)段的鋼錨箱作為下一輪次預(yù)拼裝的母梁。 鋼塔節(jié)段預(yù)拼裝如圖3 所示。

圖3 鋼塔預(yù)拼裝Fig.3 Pre-assembly of steel pylon

3 橋墩及鋼塔偏位監(jiān)測

3.1 鋼塔成型

基于上述鋼塔細(xì)化分段并進(jìn)行鋼塔節(jié)段制作及預(yù)拼裝的方法， 鋼塔雙側(cè)共48 個節(jié)段需要整體吊裝， T1-1～T4-2 采用履帶吊安裝， T5-1～T11 采用塔吊安裝。 鋼塔吊裝至設(shè)計位置后， 用碼板將節(jié)段間定位固定并進(jìn)行焊接。 節(jié)段安裝及焊接設(shè)置安全防護(hù)平臺及防風(fēng)板， 確保施工安全及焊接質(zhì)量。 鋼塔完工成型后狀態(tài)如圖4 所示。同時， 為保證鋼塔施工質(zhì)量以及驗證鋼塔是否滿足線形要求， 進(jìn)行橋墩及鋼塔偏位監(jiān)測。

圖4 鋼塔完工成型后狀態(tài)Fig.4 State of steel pylon after forming

3.2 橋墩及鋼塔測點布置

每個主墩、 邊墩承臺各設(shè)4 個沉降觀測點，鋼塔對稱設(shè)置6 個水平變位觀測點， 如圖5 所示。 由于壁板厚度較薄給棱鏡的架設(shè)帶來難度，采用在節(jié)段焊縫與橫隔梁頂和塔壁板外側(cè)中線的虛交點上的中線處貼反射板作為觀測點。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)

從拉索張拉完成和全橋完工后兩個階段進(jìn)行鋼塔偏位值分析。 從主塔安裝完成、 張拉完成以及全橋完工后三個階段進(jìn)行橋墩偏位值分析。 經(jīng)監(jiān)測， 鋼塔各測點位置偏位值及承臺各測點位置下沉值結(jié)果見表2 和表3。

從表2 鋼塔各測點位置偏位值可知， 鋼塔偏位值均較小， 滿足小于橋塔高度1/2000的偏位范圍， 橋塔的偏位是向跨度200m 的主跨方向偏移， 隨著鋼塔的升高， 偏位值上升。 從表3 承臺各測點位置下沉值可知， 橋梁施工完工后， 承臺下沉較小， 表明承臺位移較小， 能保證整個主塔的穩(wěn)定。

圖5 橋墩及鋼塔測點布置Fig.5 Layout of bridge piers and steel pylon

表2 鋼塔各測點位置偏位值(單位：mm)Tab.2 Offset values of measurement points of steel pylon at various locations(unit:mm)

表3 承臺各測點位置下沉值(單位：mm)Tab.3 Settlement values of measured points of pile caps at various locations(unit:mm)

4 結(jié)語

采用鋼塔細(xì)化分段特別是對鋼塔下部進(jìn)行分段， 對保證后續(xù)鋼塔上部節(jié)段線形具有基礎(chǔ)性意義。 通過運用實體化建模技術(shù)建立鋼塔節(jié)段從零件到單元再到整體的拼接流程， 指導(dǎo)鋼塔節(jié)段的生產(chǎn)， 并對鋼塔節(jié)段進(jìn)行預(yù)拼裝， 可有效地保證鋼塔線形。 監(jiān)測結(jié)果表明， 鋼塔各個測點位置偏位值較小， 承臺各個測點位置下沉值較少， 鋼塔線形保持良好。