江漢七橋三跨連續(xù)鋼箱系桿拱施工定位關(guān)鍵技術(shù)

杜操 竇雪飛 李施展

摘 要：武漢江漢七橋主橋為三跨連續(xù)鋼桁系桿拱，采用先拱后梁法施工，邊跨鋼梁在支架上散拼定位，中跨采用斜拉扣掛懸臂法施工，利用拱上吊機單桿件散拼吊裝定位。主拱在廠內(nèi)預(yù)拼時測量節(jié)點坐標(biāo)，進行線形驗收測量及桁高、桁寬、預(yù)拼總長結(jié)構(gòu)尺寸驗收測量等;橋位處進行散拼吊裝時采用一種鋼箱桁架拱橋安裝定位及監(jiān)測一體化的測量方法，結(jié)合一種可以測量出節(jié)點坐標(biāo)的微型磁力棱鏡，進行施工定位及施工監(jiān)測，通過精準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在BIM模型上分析，為主拱弦桿的安裝提供準(zhǔn)確的安裝指令，主拱合龍后的拱肋線形完全滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：鋼桁拱橋;節(jié)點定位;主拱線形;施工測量;施工監(jiān)測

中圖分類號：U445.4? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）02-0149-05

1工程概況

武漢江漢七橋主橋為132m+408m+132m三跨連續(xù)鋼桁系桿拱橋，全長672m，主跨矢高90m，全橋共56個節(jié)間，邊跨各11個節(jié)間，中跨34個節(jié)間。主拱采用N形桁，拱肋線形為拋物線[1]，橫向兩片桁拱，桁間標(biāo)準(zhǔn)桁寬為34m，漢口側(cè)鋼梁有98m為曲線變寬段，其桁寬為滿足道路線形的需要逐漸增加為39.5m。中跨跨中桁高10m，支點桁高39m，節(jié)間長度12m。

大橋采用先拱后梁法施工，邊跨鋼梁在支架上散拼定位，中跨采用斜拉扣掛懸臂法施工，三對吊索分級張拉，結(jié)合邊跨配重三級加載，利用拱上吊機單桿件散拼吊裝定位。主拱采用位移補償+頂落梁法進行線形控制，中跨合龍采取預(yù)偏的方式補償合龍口位移[2]，最終完成主拱的精確合龍。江漢七橋施工方案立面布置如圖1所示。

2主拱施工定位測量難點

（1）主拱在廠內(nèi)采用“5+1”輾轉(zhuǎn)臥拼法，測量特征點位于外側(cè)節(jié)點處，臥拼時，節(jié)點方向朝向地面，測量空間小，精準(zhǔn)測量節(jié)點三維坐標(biāo)的難度大。

（2）懸臂端散拼時，高空定位難度大，環(huán)口測量精度低，定位數(shù)據(jù)需要進行轉(zhuǎn)換至節(jié)點位置的三維坐標(biāo)，測量及轉(zhuǎn)換精度低。

（3）主拱弦桿在溫度、日照、風(fēng)速等環(huán)境影響下，數(shù)據(jù)變化不規(guī)律，并且容易受到栓焊施工、拱上吊機前移、加載等因素下產(chǎn)生變形，需要選擇合適的方法進行定位測量。

（4）采用常規(guī)測量方法，人員在鋼桁拱上立棱鏡桿進行測量，高空作業(yè)安全風(fēng)險高。

3廠內(nèi)預(yù)拼裝測量

主拱在廠內(nèi)單桿件加工完成以后，在預(yù)拼廠進行試拼裝，采用“5+1”輾轉(zhuǎn)臥拼法，每個節(jié)間拼裝桿件有上弦桿、下弦桿、豎桿、斜腹桿，每根桿件上布設(shè)驗收測點，在環(huán)扣10cm處和節(jié)點處分別做樣沖眼，深度不小于2mm，拼裝前先在廠內(nèi)布設(shè)局部控制網(wǎng)，采用平面三等、高程三等的要求進行局部控制網(wǎng)建立;測量臥拼時每個節(jié)間的外側(cè)腹板節(jié)點三維坐標(biāo)，檢查桁長、桁高、軸線、扭轉(zhuǎn)、預(yù)拼總長等，通過采用檢定鋼尺多測回進行量距、高精度全站儀加以復(fù)核的方法[3]進行驗收，待線形驗收合格后，安裝陰陽耳板定位匹配件以及箱口內(nèi)承壓定位匹配件，完成設(shè)計要求的主拱制造線形。

由于漢口側(cè)有98m長曲線變寬段鋼梁，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為減小預(yù)拼豎向高度，采用臥拼之后，弦桿在胎架呈現(xiàn)“V”字型結(jié)構(gòu)，常規(guī)的平面線形測量方法，已經(jīng)無法滿足曲線段測量驗收精度的要求?；贐IM的施工場地布置[4]，利用BIM模型模擬場地預(yù)拼裝狀態(tài)，細化預(yù)拼裝二維CAD圖紙，進行試拼裝，采用Tekla鋼結(jié)構(gòu)軟件建模，取出Tekla模型中預(yù)拼的6個節(jié)間弦桿，進行三維旋轉(zhuǎn)，將預(yù)拼裝的上下弦桿保持軸線重合，以中間彎折處為支點，兩邊環(huán)口處于同一水平線上進行預(yù)拼，采用高精度全站儀TS30對節(jié)點三維坐標(biāo)進行采集，在CAD圖上進行三維匹配，選取預(yù)拼段的首尾和拐角三點與BIM模型提取的設(shè)計三維圖進行三維匹配。通過匹配得出預(yù)拼總長、節(jié)間長度、節(jié)間高度、V字型軸線的差值進行調(diào)整，直至線形滿足設(shè)計要求。

4施工控制網(wǎng)的優(yōu)化與加密

4.1首級控制網(wǎng)優(yōu)化

本項目平面坐標(biāo)系為北京54坐標(biāo)系，采用3°帶高斯投影，中央子午線為東經(jīng)114°，測區(qū)平均高程面為20m，高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn)。設(shè)計交樁的控制網(wǎng)等級為平面四等和高程四等，根據(jù)橋梁跨度，依據(jù)公路勘測規(guī)范，單跨超過300m橋梁應(yīng)按平面三等、高程三等測設(shè)[5]，首級控制網(wǎng)精度不滿足規(guī)范要求，為滿足大跨度連續(xù)梁施工精度及公路勘測規(guī)范，對設(shè)計交付的首級控制網(wǎng)進行優(yōu)化，采用“一點一方向”[6]對首級控制網(wǎng)進行優(yōu)化，即在測區(qū)控制網(wǎng)內(nèi)選取一個固定控制點坐標(biāo)作為工程控制網(wǎng)的起算點，以線路里程中線方向的方位角作為工程控制網(wǎng)的起算邊，從而建立相對獨立的施工坐標(biāo)系。

4.2主橋控制網(wǎng)加密

三跨連續(xù)鋼梁安裝定位之前，按照“先整體后局部，先控制后碎步”的原則[7]，進行平面控制網(wǎng)及高程控制網(wǎng)的復(fù)測和加密，首先對橋梁控制網(wǎng)進行復(fù)測，在橋梁控制網(wǎng)精度滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，在中跨江邊布設(shè)大地四邊形控制網(wǎng)，控制點采用強制對中墩，進行鋼梁范圍內(nèi)局部控制網(wǎng)加密。通過加密網(wǎng)進行0號墩至3號墩墩頂?shù)呢炌y量，貫通測量點分別與南北兩岸多個控制點通視，在進行墩頂布置時，分別以該墩頂加密點為測站[8]，可以精確放樣支座墊石設(shè)計軸線及安裝支座，確保鋼梁墩頂節(jié)點與支座位置保持一致。

5橋位弦桿安裝定位

5.1邊跨弦桿安裝定位

邊跨鋼梁在支架上散拼定位，鋼梁構(gòu)件安裝從邊墩開始向中跨逐節(jié)間匹配架設(shè)，主桁由下至上架設(shè)，兩側(cè)主桁同步推進，節(jié)間構(gòu)件安裝順序為橋面板→下弦桿→豎桿→斜桿，上平連、橫聯(lián)在節(jié)間主桁及車行道橋面板匹配完成后安裝，一個節(jié)間安裝完成后方可進行下一節(jié)間安裝。

安裝之前先在支架上放樣出桿件底部標(biāo)高，抄墊平整;在墊柱上放樣出待安裝桿件軸線位置及桿件梁端位置;桿件吊裝落位后進行初定位，采用一種架設(shè)主桁的焊接式下弦桿的定位方法[9]，將陽頭耳板穿入陰頭耳板，打入銷軸進行固定;隨后在箱室內(nèi)加上墊座進行箱口底部固定。初定位完成以后，采用全站儀TS30測量桿件的兩端頂面，距離桿件拼接環(huán)口處10cm位置，測量其軸線偏位、高程、扭轉(zhuǎn)、梁端里程等，進行微調(diào)，精確定位完成以后，方可進行下一根桿件的安裝定位。

5.2中跨弦桿安裝定位

5.2.1弦桿安裝定位流程

中跨采用斜拉扣掛懸臂法施工，三對吊索分級張拉，結(jié)合邊跨配重三級加載，利用拱上吊機單桿件散拼吊裝定位。因為懸臂吊裝過程中，每一根桿件的安裝都會荷載，導(dǎo)致桿件線形發(fā)生變化，所以嚴格安裝拼裝順序進行，拱肋安裝順序為上游側(cè)下弦桿→下游側(cè)下弦桿→斜桿→豎桿→上游側(cè)上弦桿→下游側(cè)上弦桿→平聯(lián)。

利用結(jié)構(gòu)BIM模型找到每根桿件重心，根據(jù)重心及吊耳位置，調(diào)節(jié)好鋼絲繩長度，使安裝時桿件能處于一個較好的安裝姿態(tài)（相對理論狀態(tài)前端略上傾）在起吊后，在桿件截面兩個腹板頂部設(shè)置陰、陽頭耳板，并采用銷軸式連接;在兩個腹板下的箱內(nèi)設(shè)置以沿桿軸線受壓為主的承壓板結(jié)構(gòu)，兩邊承壓板用螺栓縱向連接限位，完成初定位。采用全站儀TS30測量桿件空間三維坐標(biāo)進行微調(diào)，精確定位后，繼續(xù)安裝下一根桿件。

5.2.2桿件定位測量及監(jiān)測一體化

中跨拱肋上下弦曲線方程均為二次拋物線，拱肋上弦與邊跨主桁上弦采用R=500米的反圓曲線過渡，線形均由54個節(jié)點組成，每個節(jié)點之間用直線連接，以直代曲，組成的拋物線及圓曲線來構(gòu)成主拱線形。從BIM模型中可以看出，利用有限元程序建立鋼桁拱橋的空間計算模型，也是基于節(jié)點做的受力分析，桿件拼接環(huán)口容易受到焊接及栓接施工產(chǎn)生的變形 ，而整體節(jié)點的構(gòu)造均有足夠的抗疲勞強度[10]，所以直接定位節(jié)點空間三維坐標(biāo)是控制主拱線形的核心。

整體節(jié)點結(jié)構(gòu)一般為鋼橋的主要受力結(jié)構(gòu)，同時也關(guān)系到全橋線形、合龍精度等關(guān)鍵點[11]，桿件安裝定位測量，以腹板外側(cè)節(jié)點作為定位點，采用定制研發(fā)設(shè)備的3D打印機，以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，自制一款可以精準(zhǔn)對中主拱弦桿節(jié)點中心，并且測量精度高的微型磁力棱鏡頭，一種可拆卸式全站儀棱鏡磁力轉(zhuǎn)接頭[12]。提前在待安裝桿件上，采用強力粘膠，將帶有強磁力的棱鏡安裝到桿件節(jié)點樣沖眼處作為永久觀測點，單根定位→節(jié)間竣工→線形監(jiān)測→合龍測量→成橋線形監(jiān)測均采用節(jié)點中心數(shù)據(jù)作為控制依據(jù)，形成一套鋼箱桁拱橋安裝定位及監(jiān)測一體化的施工方法[13]。利用桿件匹配件初定位完成后，采用全站儀TS30，測量節(jié)點中心三維坐標(biāo)與監(jiān)控指令對比，并檢查桁高、桁寬、軸線偏位、里程、轉(zhuǎn)角等，進行微調(diào)，待滿足設(shè)計要求后進行下一根桿件的安裝定位。

基于江漢七橋鋼桁拱溫度場的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用均勻溫差分析方法對連續(xù)鋼桁拱的弦桿、吊索在溫差變化下主拱節(jié)點線形偏差進行了分析，揭示了連續(xù)鋼桁拱梁結(jié)構(gòu)形式的線形變化與溫差的影響非常大。所以測量的時間選擇在凌晨1：00～5：00之間進行，白天安裝的桿件參照凌晨定位的前五個節(jié)間的趨勢進行調(diào)整。

施工定位線形測量如圖8所示，當(dāng)安裝定位第三段時，根據(jù)桿件自重及拱上吊機自重的加載，前兩對吊索發(fā)生彈性變形，此時在B、C點的標(biāo)高降低，當(dāng)D點進行第三對吊索張拉時，此時在B、C點的標(biāo)高上抬[14]，根據(jù)BIM模型模擬有限元分析出待架設(shè)桿件對已安裝桿件的影響，每次安裝完成一個節(jié)間必須進行后面五個節(jié)間的線形測量，每一次吊索張拉前后，都要進行全橋的節(jié)點線形測量，監(jiān)測施工過程中鋼桁拱橋各節(jié)點高程、平面坐標(biāo)變化情況[15]，與BIM模型進行匹配，為下一節(jié)間的監(jiān)控指令提出更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

5.3合龍施工測量

采用“縱移”的合龍方法：通過以漢陽側(cè)鋼梁的縱移，從而實現(xiàn)鋼梁合龍口桿件精確合龍。調(diào)整索力來改變鋼梁懸臂端合龍口的位移和轉(zhuǎn)角，以及在主墩頂布置大噸位千斤頂設(shè)備調(diào)整轉(zhuǎn)角等方案作為備選，主拱安裝定位精度高，無需改變轉(zhuǎn)角的情況下，采用縱移即可完成精確合龍。

敏感性分析：為了使主拱實現(xiàn)無應(yīng)力合龍，需建立數(shù)值模型，對合龍口進行敏感性分析[16]。通過主拱合龍口變形連續(xù)測量，監(jiān)測兩端線形變化情況，找出合龍口長度隨時間和溫度變化規(guī)律，通過連續(xù)72h的變形測量[17]，每2小時進行一次，通過數(shù)據(jù)進行溫度敏感性分析。繪制縱向位移—時間—溫度（合龍口尺寸）圖、橫向位移—時間—溫度（日照） 圖、豎向位移—時間—溫度（合龍前）圖、高程線形趨勢（合龍前）。

合龍時間：鋼梁中線偏位與日照方向有關(guān)，當(dāng)太陽照在一側(cè)，鋼梁中線偏另一側(cè)，鋼梁的高程、里程變化與溫度有關(guān)，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測明確凌晨1：00～5：00進行合龍。

合龍口測量：在合龍口布設(shè)了微型磁力棱鏡，進行合龍全過程線形監(jiān)測，合龍口分別采用4把鑒定鋼尺，以多次量距確定相對偏差為主，合龍口絕對偏差測量為輔。

測量時間：鋼梁中線偏位與日照方向有關(guān)，當(dāng)太陽照在下游側(cè)，鋼梁中線偏上游，當(dāng)太陽照在上游側(cè)，鋼梁中線偏下游;鋼梁的里程變化與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度升高時，鋼梁逐漸變長，當(dāng)溫度降低時，鋼梁長度逐漸變短;鋼梁的高程與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度升高時，鋼梁逐漸下繞，當(dāng)溫度降低時，鋼梁逐漸上拱，因此鋼梁線形測量時間選擇凌晨1：00～5：00進行。

合龍口實測偏差：在頂推合龍前，通過連續(xù)測量分析合龍口數(shù)據(jù)，測得合龍口誤差見表2。從表2中看出，合龍段無明顯轉(zhuǎn)角偏差，合龍口軸線、高差等相對偏差均控制在3公分以內(nèi)，不需要強制合龍措施以及張拉吊索調(diào)整，直接進行頂推合龍。

6結(jié)語

武漢江漢七橋三跨連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)施工復(fù)雜，邊跨又屬于曲線漸寬段，體系轉(zhuǎn)換多，桿件能夠精準(zhǔn)定位，主拱能夠順利合龍，其主要措施如下：

（1）采用檢定鋼尺多測回進行量距、高精度全站儀加以復(fù)核的方法進行驗收，確保主拱的無應(yīng)力制造線形;

（2）優(yōu)化首級控制網(wǎng)并建立主橋高精度局部控制網(wǎng);

（3）橋位安裝定位時利用結(jié)構(gòu)BIM模型找到每根桿件重心，調(diào)整姿態(tài)，用陰陽耳板及箱內(nèi)定位匹配件在空中固定，完成初定位;

（4）國內(nèi)首次使用一種鋼桁拱定位測量及監(jiān)測一體化的施工方法，搭配一種微型磁力棱鏡，直接進行主拱節(jié)點測量，無需任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即可完成桿件的精確定位，并作為永久觀測點，為主拱線形及合龍測量提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù);

（5）主拱合龍時采用人工量距為主，絕對測量為輔，完成主拱精確合龍。該關(guān)鍵技術(shù)融合了多項首創(chuàng)施工技術(shù)，為同類型鋼桁拱的安裝定位提供了寶貴的借鑒意義。

參考文獻：

[1]徐偉，王恒，李少駿.常泰長江大橋?qū)Ｓ煤降罉蛟O(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2020，50（06）：85-90.

[2]孫玉祥，汪存書，蔡新民.預(yù)偏補償懸臂端位移在鋼桁架拱橋跨中無應(yīng)力合攏施工中的應(yīng)用[J].水運工程，2010，（01）：117-121.

[3]林世發(fā)，楊學(xué)軍.武漢天興洲公鐵兩用長江大橋鋼梁散拼節(jié)段與整節(jié)段匹配測量技術(shù)[J].橋梁建設(shè)，2008，（02）：1-4.

[4]張海華，劉宏剛，甘一鳴.基于BIM技術(shù)的橋梁可視化施工應(yīng)用研究[J].公路，2016，61（09）：155-161.

[5]JTG C10-2007，公路勘測規(guī)范[S].

[6]龔率，劉曉華，黃志偉，楊君祥.基于GPS網(wǎng)“一點一方向”平差的變形監(jiān)測建網(wǎng)研究[J].工程勘察，2015，43（01）：89-92.

[7]程效軍，鮑峰，顧孝烈.測量學(xué)[M].上海：同濟大學(xué)出版社， 2015.

[8]崔巍，楊濤.南京大勝關(guān)長江大橋六跨連續(xù)鋼桁拱梁施工控制測量[J].橋梁建設(shè)，2010，（01）：5-7+16.

[9]劉生奇.一種架設(shè)主桁的焊接式下弦桿的定位方法[P]. 中國專利：CN112176868A，2020-09-04.

[10]王天亮，王邦楣，潘東發(fā).蕪湖長江大橋鋼梁整體節(jié)點疲勞試驗研究[J].中國鐵道科學(xué)，2001（05）：96-100.

[11]劉洋.鋼桁梁橋焊接整體節(jié)點桿件制造技術(shù)探究與實踐[A].《工業(yè)建筑》2016年增刊Ⅱ[C].工業(yè)建筑雜志社，2016：4.

[12]李施展.一種可拆卸式全站儀棱鏡磁力轉(zhuǎn)接頭[P]. 中國專利：ZL201921572708.9，2019-09-20.

[13]竇雪飛.一種鋼箱桁拱橋安裝定位及監(jiān)測一體化的施工方法[P].中國專利：CN112525091A，2020-11-04.

[14]駱中林.斜拉扣掛鋼箱拱橋施工控制及吊裝精度影響因素分析[D].長沙理工大學(xué)，2008.

[15]張春新，張家什，劉承亮.三岸邕江特大橋施工監(jiān)控研究[J].世界橋梁，2015，43（06）：37-41.

[16]芶潔，周仁忠.超大跨徑鋼桁架系桿拱橋合龍施工控制技術(shù)[J].中國港灣建設(shè)，2010（02）：65-69.

[17]肖根旺，朱順生，王翔千米超大跨徑斜拉橋施工測量關(guān)鍵技術(shù)研究[J].橋梁建設(shè)，2018，48（1）：13-18.