無背索斜拉橋空間鋼-混組合塔建造線形控制技術

薛長利，李軍平，田景輝，田剛毅

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西 寶雞 721006)

隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快,交通壓力逐年加大,作為基建狂魔的中國,橋梁建設也取得了前所未有的發(fā)展。在國家宏觀政策[1]的影響下,鋼橋梁越來越受到橋梁建設者的青睞和廣泛應用。斜拉橋作為我國過江跨海橋梁中重要的結構體系之一,被廣泛應用,建造在城市中心可作為標志性建筑提升城市形象。我國已建斜拉橋基本都為雙索面斜拉橋,無背索斜拉橋梁在工程實踐應用很少,無背索鋼塔斜拉橋就少之更少了。對于無背索斜拉橋鋼塔,因其具有單向錨索受力的特點,體系轉(zhuǎn)化后鋼塔容易被拉偏位,線形很難達到設計狀態(tài),影響觀感,同時,橋梁受力發(fā)生變化,影響運營安全,所以鋼塔柱各階段線形控制至關重要。

1 無背索斜拉橋鋼塔柱結構設計

以咸陽高科一路渭河大橋鋼塔柱為例,橋塔采用鋼-混凝土組合式結構,橋塔呈倒V形,空間角度設計,所在平面與水平面的夾角為 62.2°;結構最高點與橋面的豎向高度約74.985 m。橋塔的單肢塔柱軸線長87.445 m,與水平面夾角約75.8°;東西兩肢塔柱通過長4.5 m的塔冠橫梁相連。咸陽高科一路渭河大橋建成效果見圖1。

橋塔采用鋼-混凝土組合結構,靠邊跨側艙室填充C60自密實無收縮混凝土,內(nèi)設置抗剪連接件。截面呈八邊形,自下而上分等截面段、非等截面段及塔冠橫梁。等截面段軸線長13.78 m,主軸方向尺寸為8.5 m×4.9 m,主軸方向尺寸從8.5 m×4.9 m變化到2.088 m×1.705 m,塔冠橫梁長2.4 m,梯形截面,外輪廓尺寸為2.7 m×2.141 m。索塔截面由外壁板與隔倉板組成,鋼塔柱標準橫斷面示意圖見圖2。

2 線形控制難點分析

無背索斜拉橋鋼塔具有單向索面受力的特點,加工、安裝過程有以下難點需要解決:

1)設計階段需通過計算確定鋼塔單面受拉后錨索區(qū)位移,反向預偏后作為加工制造階段、安裝階段線型控制依據(jù),確定拉鎖部位位移量是設計階段的難點。2)要保證鋼塔線形順暢美觀,需控制制造精度,設計合理的加工工藝是制造階段的難點。3)空間角度鋼-混組合塔采支架法安裝,確定合理的混凝土澆筑時間、方式是控制線型的關鍵。4)體系轉(zhuǎn)換是復雜的過程,更是保證鋼塔線形、錨索受力以及鋼梁線形的關鍵[2],如何處理好三者之間的關系是體系轉(zhuǎn)化的關鍵。

3 鋼塔線形的控制

為保證無背索鋼塔成橋后的線形符合設計要求,項目實施過程中需要從設計、加工制造、安裝以及體系轉(zhuǎn)換等四個階段[3]分別對鋼塔線形予以嚴格控制,四個階段環(huán)環(huán)相扣、缺一不可。

3.1 鋼塔安裝預偏量確定

設計階段的主要工作是理論計算,首先對鋼塔進行塊體劃分,其次是依據(jù)錨索設計載荷,通過計算機分析確定每個塊體受拉后的位移,反向預偏后重新建模,比對受拉后的鋼塔線形與設計線形重合情況,若重合說明塊體受力后位移分析合理,反向預偏后的線形將作為制造、安裝過程線形控制的依據(jù)。

1)分析:按照設計劃分,每個鋼塔柱共劃分23個吊裝塊體,橋面以下設2個吊裝塊體,橋面以上設21個吊裝塊體,第11個塊體以上屬于錨索區(qū)。應用計算機實橋狀態(tài)建模,根據(jù)錨索設計載荷值向錨索加載,采用MIDAS軟件受力分析,計算出每一個鋼塔每一塊體塔軸線與塔斷面交點位移A1,A2,A3,…,A20,以其中一個鋼塔柱為例,圖3為塔塊體受拉位移分析,表1為塔塊體受拉位移分析結果。

2)反向預偏并驗算:重新建模,按照第1)步計算結果,重新建模,設每一塊體鋼塔受拉端的反向位移A1,A2,A3,…,A20并重新建造模型,向錨索施加設計載荷,驗算受拉后鋼塔線形,若預偏后的線形正好與設計線形重合,說明計算準確,計算結果將成為塊體的工廠加工制造、橋位安裝的理論依據(jù)。若不能重合,重新計算且結果不能作為加工制造、安裝線形依據(jù)。

表1 塔塊體受拉位移分析結果 mm

3.2 制造精度控制

鋼塔塊體板單元、塊體輪廓幾何精度控制也是保證鋼塔線形的關鍵,重點是從板單元、塊體制造和預拼裝三個工序進行精度控制。

1)板單元加工。鋼塔塊體由壁板、隔倉板、隔板單元組成。鋼塔塊體高度由壁板、隔倉板長度尺寸控制,鋼塔塊體斷面尺寸決定于隔板輪廓尺寸。

保證鋼塔塊體高度幾何尺寸精度,重點是要保證壁板下料長度尺寸以及單元加工的焊接變形,具體做法如下:采用數(shù)控焰切下料,縱橫向應預留焊接收縮量,在平臺上劃壁板縱橫基準線、豎向肋位置線、隔板位置線,在反變形胎形上完成豎向肋的焊接,板肋采用小車氣體保護焊施焊,焊接作業(yè)應采用分中、對稱等原則盡量減少焊接變形。

提高隔板下料、加工精度是保證鋼塔塊體斷面尺寸精度重要舉措,一般隔板都偏薄,主要是控制下料輪廓尺寸和加工過程焊接變形,其控制措施如下:數(shù)控火焰切割機上精密切割下料(坡口邊加二次切割量)后保證隔板平整,若有下料變形需修整,檢查隔板輪廓尺寸,有工藝量要求的按照要求留量,劃線組裝隔板加勁,采用線能量較小的氣體保護焊對稱焊接隔板與加勁焊縫后焊接加勁之間連接焊縫,修整焊接變形,選取一塊壁板單元和隔板,表2為檢測數(shù)值。

表2 壁板單元、隔板單元檢測數(shù)值

2)塊體制造和試拼裝。塊體制造精度是控制鋼塔線形的關鍵,是確保鋼塔建成后觀感優(yōu)良之關鍵,首先控制塊體輪廓加工精度,其次是要保證兩相鄰箱口之間的匹配,最后還要以預偏線形為基準通過兩個以上鋼塔試拼裝控制多節(jié)段的整體線形。

控制塊體輪廓加工精度主要是控制塊體高度精度和斷截面精度。鋼塔高度受壁板單元長度影響,必須在板單元加工階段嚴格控制,塊體制造階段無法調(diào)整。鋼塔塊體斷截面為無規(guī)則八邊形設計,截面加工精度控制非常困難,加工精度受隔板精度、塊體組裝精度和壁板間熔透焊縫收縮量影響,這三個因素也是塊體加工階段控制的重中之重。為了保證塊體箱口組裝精度,塊體組裝在專用胎架上進行,胎架按照塊體立式姿態(tài)設計,依次拼裝壁板、隔板、隔艙板和壁板,塊體拼裝精度控制要求如表3所示。

表3 塊體拼裝精度控制要求

試拼裝是解決相鄰箱口難以匹配、保證鋼塔整體線形最佳手段。咸陽高科一路渭河大橋鋼塔柱在專用胎架上采用“立式1+1” 模式完成試拼裝,圖4為鋼塔試拼裝過程。

鋼塔試拼裝是以整體監(jiān)控線形為依據(jù),按照分塊方案在整體監(jiān)控線形上截取,下層鋼塔塊體擺放在專用胎架或平臺上作為上層鋼塔塊體檢測基準,預拼裝線形主要是采用坐標法予以控制。本項目是將下層鋼塔塊體下口塔軸線與塔斷截面交點設為基準坐標,采用計算機建模,通過模形計算上層鋼塔塊體上口塔軸線與斷截面交點坐標(控制點)以及壁板拐角鋼板外側交點坐標(控制點),中間環(huán)口僅進行箱口匹配,保證連接而已。經(jīng)過實踐,“立式1+1模式”計算機建模輔助計算控制點坐標,且通過施工現(xiàn)場嚴格控制,鋼塔整體線形得到保證,圖5為建模計算鋼塔測量控制點坐標。

3.3 鋼塔安裝線形控制

咸陽高科一路渭河大橋4個鋼塔柱位于濕地公園內(nèi),不涉及涉水作業(yè),安裝時采用支架配合履帶吊安裝方案,鋼塔整體安裝后,在拉鎖側道路中心線側壁板上開灌漿孔,澆筑C60自密實混凝土。

1)支架設計。設計支架時,根據(jù)預偏線形確定各高度的預偏量,同時根據(jù)鋼塔整體安裝工況,采用MIDAS軟件受力分析支架各部位所承受載荷,選取合理的支架材料。支架設計時必須滿足兩個基本條件:其一是滿足安裝線形要求,其二是支架的剛度滿足承受載荷的要求。圖6為支架設計圖及實施過程。

2)塊體吊裝。鋼塔塊體采用履帶吊吊裝,預偏線形作為鋼塔塊體安裝依據(jù),并結合鋼塔柱分段分塊方案,計算出控制塊體姿態(tài)特征點的空間坐標,每個塊體上口側布置9個測控點,分別為塊體壁板上口箱外側拐點設8處,塔軸線與塊體上端口交點設1處,采用全站儀坐標定位法測量,下口只需完成匹配,上口進行鋼塔塊體的精確定位,同時要完成前一段塊體定位偏差的糾偏工作,考慮到環(huán)境溫度變化帶來的影響,測量時間定在早晨7點—9點,每個特征點除過標高偏差控制在10 mm以內(nèi),偏距、里程控制在15 mm以內(nèi)。圖7為鋼塔塊體姿態(tài)控制特征點測量。

鋼塔安裝前MIDAS軟件分析鋼塔澆筑混凝土前后線型變化,計算理論變化數(shù)值,提前做好反向預偏,確?；炷翝仓蟮陌惭b線形。

3.4 體系轉(zhuǎn)化過程的線形控制

體系轉(zhuǎn)換過程為:主橋鋼梁、鋼塔所承受支架的支撐荷載轉(zhuǎn)換為鋼梁、鋼塔所承受斜拉索的受拉荷載,也就是說將施工過程橋梁所承受的外部荷載通過體系轉(zhuǎn)換為橋梁的鋼梁、鋼塔以及斜拉索內(nèi)部荷載,形成橋梁內(nèi)部各構件受力的平衡體。體系轉(zhuǎn)化過程是很復雜的過程,是將鋼梁、鋼塔線形和斜拉索承受荷載尋找平衡點,一定程度上影響鋼梁、鋼塔的線形。

咸陽高科一路渭河大橋每個鋼塔柱設8根單面斜拉索,各斜拉索承受拉荷載均不相同,鋼塔安裝時,依據(jù)預偏線形安裝完成后,理論上鋼塔塔軸線為曲線,經(jīng)過體系轉(zhuǎn)化后,塔軸線由曲線轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€。但是由于制造、安裝的偏差,體系轉(zhuǎn)換過程中僅通過斜拉索的多次反復張拉,很難實現(xiàn)預期的目標,比如,斜拉索按照設計值加載到位后,鋼梁、鋼塔線形還存在偏差,需進一步進行調(diào)整,這就要求從鋼梁、鋼塔線形和斜拉索承受荷載,三個控制項點中確定優(yōu)先級,例如可適當在標準規(guī)定公差范圍內(nèi)適當調(diào)整斜拉索拉力,同時還得確定優(yōu)先保證鋼塔線形還是鋼梁線形。咸陽高科一路渭河大橋鋼塔柱即承受橋梁拉載荷又承擔裝飾作用,因此鋼塔柱線形更重要,斜拉索所受拉力在標準規(guī)定公差范圍內(nèi),應優(yōu)先保證鋼塔線形,鋼梁的線形與目標線形存在偏差。

4 結語

無背索鋼塔斜拉橋空間角度鋼塔柱線形控制是一個極為復雜的過程,項目實施需從四個階段對線形進行控制,各個階段所需完成的任務為:

1)設計階段:分析鋼塔、鋼梁以及斜拉索受力體系,確定預偏線形也稱安裝線形,根據(jù)預偏線形確定鋼塔塊體、板單元的分塊方案。

2)鋼塔塊體加工階段:從下料工序、拼裝工序及焊接工序控制板單元、鋼塔塊體的加工精度,通過預拼工序裝檢驗制造偏差與預偏線形對比,需調(diào)整的按照要求調(diào)整,同時檢查塊體之間箱口匹配的情況。

3)安裝階段:按照預偏線形進行安裝,采用空間坐標法定位,反復進行本段塊體的精確定位和前一段塊體定位偏差的糾偏工作。

4)體系轉(zhuǎn)換階段:將鋼梁、鋼塔外部荷載轉(zhuǎn)換為鋼梁、鋼塔以及斜拉索內(nèi)部荷載,將預偏線形轉(zhuǎn)換為成橋線形,將斜拉索拉力、鋼塔線形、鋼梁線形在設計、規(guī)范范圍內(nèi)尋求優(yōu)先保證項點。

以咸陽高科一路跨渭河大橋為例的無背索鋼塔斜拉橋通過四個階段的嚴格控制,驗證了該線形控制方法的可行性,鋼塔線型、索力均滿足設計要求,為今后類似鋼塔建造提供參考。