鋼板梁以直代曲的深化設(shè)計(jì)方法

王國(guó)慶，林彬

（浙江交工裝備工程有限公司，浙江舟山 316000）

1 引言

隨著交通建設(shè)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要中也明確提出統(tǒng)籌推進(jìn)傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施和新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，打造系統(tǒng)完備、高效實(shí)用、智能綠色、安全可靠的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系，加快交通、市政行業(yè)的傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化、智能化改造。作為基礎(chǔ)建設(shè)中的重要組成部分，大型橋梁，特別是大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁，在國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的浪潮之下迎來了一個(gè)全新的時(shí)代，其制造需要向智能化、自動(dòng)化、高效化方向邁進(jìn)。杭紹甬智慧高速項(xiàng)目作為國(guó)內(nèi)智慧化橋梁建設(shè)的先行軍，鋼梁的智能化制造是本項(xiàng)目高質(zhì)高效的亮點(diǎn)之一。由于全線范圍內(nèi)存在諸多形式的跨線跨河段鋼板梁，因此，如何快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行鋼板梁的深化設(shè)計(jì)和加工制造成為一個(gè)新的研究課題。

2 工程概況

本文以杭紹甬高速項(xiàng)目的曹娥江大橋引橋?yàn)槔?，分析鋼板梁以直代曲深化設(shè)計(jì)方法。曹娥江大橋引橋分為東西兩側(cè)各兩個(gè)聯(lián)次，橋梁結(jié)構(gòu)為鋼板組合梁連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為50.6 m×4+50.6 m×5+50.6 m×5+50.6 m×4，全橋平面分別位于半徑R 為7 500 m 的圓曲線（第一、二聯(lián)）和直線（第二、四、五聯(lián)）上，縱斷面位于半徑20 000 m 的豎曲線上，橋面橫坡為雙向2%。

橋梁分為左右兩幅，單幅為4 片主梁，共計(jì)8 片主梁。主梁跨徑線平行于道路設(shè)計(jì)線，圓曲線形式的跨徑線沿圓曲線半徑方向向外依次增加，因此，左幅主梁長(zhǎng)度大于右幅主梁長(zhǎng)度。在土建施工圖中，曲線梁的梁段長(zhǎng)度按照橋梁中心線長(zhǎng)度統(tǒng)一繪制，車間進(jìn)行梁段生產(chǎn)時(shí)，需參考曲梁參數(shù)表，進(jìn)行實(shí)際線形放樣確定曲線梁長(zhǎng)和橫梁連接位置，確保在全橋范圍內(nèi)能夠與鋼梁頂面預(yù)制混凝土橋面板適配，形成鋼板疊合梁體系。主梁平曲圖如圖1 所示，第二聯(lián)、第四聯(lián)、第五聯(lián)平曲圖與第一聯(lián)相似，此處不再展開描述。

圖1 第一聯(lián)主梁平曲圖（圓曲線）

3 深化設(shè)計(jì)方法

以曹娥江引橋第一聯(lián)為例（平曲位于半徑7 500 m、左偏的圓曲線上，縱曲線位于半徑20 000 m 的圓上）。

3.1 平曲線線形放樣

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖繪制原始的平曲線、跨徑線、栓接縫線及支座位置。在原始鋼梁的平曲線基礎(chǔ)上，根據(jù)橋梁路線的設(shè)計(jì)線用一段直線連接5#墩與4#墩支點(diǎn)并延伸到栓接縫線，以保證墩頂位置的連續(xù)。再以該直線與栓接縫的交點(diǎn)連接到3#墩支點(diǎn)并再延伸至下一條栓接縫。其他梁段按此步驟連續(xù)繪制，繼而得到整聯(lián)橋的以直代曲后的線形。鑒于橋梁設(shè)計(jì)路線為圓曲線，則以道路設(shè)計(jì)線為基準(zhǔn)，沿道路設(shè)計(jì)線圓曲線半徑方向，位于左幅的主梁長(zhǎng)度均大于道路設(shè)計(jì)線長(zhǎng)度，并依次增加，位于右幅的主梁長(zhǎng)度均小于道路設(shè)計(jì)線長(zhǎng)度，并依次減小。為方便鋼板梁自動(dòng)化生產(chǎn)線的梁段標(biāo)準(zhǔn)化制造和施工，深化設(shè)計(jì)階段將梁段設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為主，非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段進(jìn)行長(zhǎng)度調(diào)節(jié)的節(jié)段方案，將路線圓曲線內(nèi)外圓弧長(zhǎng)度變化引起的變化值放在每跨內(nèi)的一根非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段內(nèi)。以第一聯(lián)為例，左右幅一共有8 根主梁，縱向分為19 根節(jié)段，一共有152 根主梁節(jié)段。按此方法繪制，可得120 根標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度主梁節(jié)段和32 根非標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度主梁節(jié)段。

3.2 豎曲線線形放樣

根據(jù)設(shè)計(jì)圖繪制沿道路設(shè)計(jì)線展開的橋梁縱曲線，并在此基礎(chǔ)上疊加預(yù)拱度，包括設(shè)計(jì)預(yù)拱度和制造預(yù)拱度，并按展開線的水平長(zhǎng)度確定梁段劃分線、栓接縫線及支座位置[1]。用直線連接每根梁段劃分線與豎曲線的交點(diǎn)，注意需要按照規(guī)范要求（-3 mm，+10 mm）控制梁段直線與疊加拱度豎曲線的高度差值，如果梁段上的任意一點(diǎn)與所連直線的差值不在上述區(qū)間內(nèi)，則對(duì)梁段兩端點(diǎn)進(jìn)行抬高或降低調(diào)整，抬高和降低的數(shù)值仍需保證在（-3 mm，+10 mm）的范圍內(nèi)，將調(diào)整后的兩端點(diǎn)再用直線相連，則為本段內(nèi)豎曲線上以直代曲的梁段劃分。若上述方案仍滿足不了預(yù)拱度的偏差要求，則說明梁段劃分的長(zhǎng)度過大，需在平曲線的節(jié)段劃分方案中重新調(diào)整節(jié)段劃分長(zhǎng)度，再重復(fù)上述步驟進(jìn)行縱曲線的以直代曲。其他部分按此步驟繼續(xù)繪制，繼而得到整聯(lián)橋的以直代曲后的線形。

另一方面，為減少鋼梁的節(jié)段數(shù)量以及相應(yīng)的連接縫（主要是指制造節(jié)段之間的焊接縫），節(jié)段長(zhǎng)度在能夠滿足車間鋼板梁自動(dòng)化組立、焊接和以直代曲線形的情況下取較大值。

3.3 繪制地標(biāo)和總拼胎架圖

地標(biāo)和總拼胎架數(shù)據(jù)是控制平曲、縱曲線形的重要數(shù)據(jù)。在以直代曲后的平面線形圖上確定出每段直線主梁兩端點(diǎn)的XY 值作為主梁節(jié)段的地標(biāo)點(diǎn)，為保證試拼裝階段鋼梁節(jié)段在胎架上的穩(wěn)固，在距離主梁接縫左右各1 m 處分別設(shè)置一個(gè)胎架并根據(jù)縱曲線以直代曲后的線形數(shù)據(jù)提供高度Z 值，則可以得到全聯(lián)的胎架地標(biāo)數(shù)據(jù)。注意應(yīng)在支點(diǎn)位置和監(jiān)控點(diǎn)位置增加地標(biāo)XY 值以及高度Z 值以控制其線形，且支座點(diǎn)和監(jiān)控點(diǎn)的胎架數(shù)值為主控點(diǎn)數(shù)據(jù)，應(yīng)保證其精確性，確保成橋后的設(shè)計(jì)標(biāo)高和整體線型滿足設(shè)計(jì)要求[2]。

由于曹娥江鋼板梁的橋梁縱坡較大，在橋梁縱曲線上，聯(lián)次末端的鋼梁胎架高度與聯(lián)次起端的鋼梁胎架高度差大約在3 000 mm，在全聯(lián)鋼梁節(jié)段整體總拼的情況下，會(huì)大大增加總拼的難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。為保證總拼的效率和安全，在深化設(shè)計(jì)階段的總拼胎架圖繪制中，可將鋼梁以此聯(lián)次鋼梁的起點(diǎn)的胎架為原點(diǎn)，將鋼梁整體向Z 坐標(biāo)的負(fù)向旋轉(zhuǎn)一角度θ，即可將胎架高度由原豎曲線的Z1值降為旋平后的Z2值。

4 設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 深化設(shè)計(jì)原則

1）根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙以及圖紙的技術(shù)交底文件，在維持鋼板梁結(jié)構(gòu)形式、截面以及連接節(jié)點(diǎn)（栓接或者焊接）原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)體放樣[3]，繪制全聯(lián)鋼梁的縱曲與平曲線形、端橫梁與中橫梁的結(jié)構(gòu)布置、墩頂與跨中位置的截面、節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)，并根據(jù)生產(chǎn)組織，對(duì)梁段分類編碼進(jìn)行細(xì)分，以方便原材料鋼板的規(guī)整與號(hào)料，方便鋼板梁的節(jié)段組拼，梁段預(yù)拼裝以及運(yùn)輸安裝[4]。

2）根據(jù)制造車間的生產(chǎn)能力和運(yùn)輸能力確定深化設(shè)計(jì)的分段重量和長(zhǎng)度。因浙江交工裝備工程有限公司坐落于浙江舟山市，現(xiàn)場(chǎng)橋址位于浙江上虞區(qū)，陸路運(yùn)輸需分別經(jīng)過桃夭門大橋、西堠門大橋和金塘大橋等舟山跨海大橋，受跨海大橋車道寬度和承重能力限制，在深化設(shè)計(jì)階段，最大運(yùn)輸節(jié)段寬度為3.75 m，最大運(yùn)輸節(jié)段重量不得超過100 t（含運(yùn)輸車重）?？紤]到車間生產(chǎn)制造時(shí)，鋼板梁均是通過重型組立機(jī)實(shí)現(xiàn)鋼板梁的工形組立?？紤]到設(shè)備的生產(chǎn)能力，綜合車間內(nèi)的桁車起吊轉(zhuǎn)運(yùn)能力，車間內(nèi)鋼板梁的最大制造節(jié)段長(zhǎng)度為18 m。

3）在深化設(shè)計(jì)的放樣過程中，不僅要考慮結(jié)構(gòu)的豎曲變形，還要考慮疊加結(jié)構(gòu)預(yù)拱度、車間制造預(yù)拱度以及現(xiàn)場(chǎng)支架法安裝在形成連續(xù)梁體系之前的安裝預(yù)拱度。線形放樣在疊加預(yù)拱度之后，應(yīng)保證在總拼階段，橋梁的整體線形偏差在規(guī)范要求的（-3 mm，+10 mm）以內(nèi)[5]。

4.2 以直代曲深化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

按上述步驟進(jìn)行以直代曲線設(shè)計(jì)得到線形后，線形控制還需要滿足以下幾點(diǎn)要求。

1）根據(jù)浙江省交通運(yùn)輸廳 《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁制造指南》（ZJ/ZN2019-14）的要求，鋼板梁試裝時(shí)拱度與計(jì)算拱度相比的差值應(yīng)控制在-3～10 mm。考慮到制造時(shí)存在制造誤差，故在進(jìn)行放樣時(shí)，盡量按照+5～+10 mm 的正差值拱度制作，避免出現(xiàn)負(fù)差值拱度的情況，制造完成后還需對(duì)拱度進(jìn)行檢測(cè)，以保證后續(xù)成橋后線形可以控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

2）設(shè)計(jì)院在繪制鋼板梁拱度圖時(shí)，往往按支點(diǎn)向兩邊起拱設(shè)計(jì)，且為了保證鋼梁的受力性能，在中支點(diǎn)位置的主梁必須按連續(xù)制作，不可設(shè)置節(jié)段斷縫，這導(dǎo)致了在深化設(shè)計(jì)中，主梁在中支點(diǎn)處向前后兩側(cè)的線形都是向上起翹，該處的梁段如果按照直線制作，往往無法滿足規(guī)范拱度標(biāo)準(zhǔn)公差要求。故在中支點(diǎn)處的主梁節(jié)段必須按實(shí)際豎曲線形制作，但在支座墊板前后100 mm 范圍處的梁底線形應(yīng)按直線制作，使支座墊板可以按照同一個(gè)斜面進(jìn)行加工，確保支座墊板和頂升墊板能夠和鋼梁底面的線形貼合，進(jìn)而保證支座體系能夠直接將上部結(jié)構(gòu)的荷載有效傳遞至下部基礎(chǔ)。

3）理論上，在以直代曲的鋼梁上安裝預(yù)制橋面板，成橋后的橋面系應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖一致。所以在確定主梁直線段劃分時(shí)，還應(yīng)考慮將平曲折線的折角點(diǎn)避開主梁栓接縫。若折點(diǎn)設(shè)置在主梁栓接縫上可能會(huì)導(dǎo)致栓接板與主梁腹板無法密貼，適當(dāng)調(diào)整栓接縫的位置可以避免節(jié)段折角的間隙、線形不平順等問題。

4）如果橋面板采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制橋面板，則應(yīng)根據(jù)以直代曲后的線形對(duì)全橋的橋面板進(jìn)行放樣，在每一孔非標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度主梁處，應(yīng)將橋面板調(diào)整為非標(biāo)準(zhǔn)橋面板，并調(diào)整主梁上剪力釘?shù)陌惭b間距以適配非標(biāo)準(zhǔn)橋面板。若鋼梁以直代曲的整體矢高與原設(shè)計(jì)相差較小，剪力釘能夠與標(biāo)準(zhǔn)橋面板后澆位置適配，則可以通過微調(diào)標(biāo)準(zhǔn)橋面板之間的間距，即調(diào)整橫向濕接縫的間距來保證橋面系的整體線形[6]。

5 結(jié)語

綜上所述，以直代曲的深化設(shè)計(jì)方法在鋼板梁的加工制造中能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、高效出圖、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、節(jié)約成本的目的，特別是在大力推廣自動(dòng)化生產(chǎn)行業(yè)趨勢(shì)下，得到越來越廣泛的應(yīng)用。在以直代曲的線形能夠滿足施工的條件下，可結(jié)合三維建模技術(shù)和信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁整條制造產(chǎn)業(yè)鏈的高效運(yùn)行。