李恩良

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

1 概述

客運(yùn)專線鐵路行車速度高,對橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的受力和線形的要求亦很高[1,2]。相對于一般拱橋而言,尼爾森體系提籃拱橋結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、縱橫向剛度更大、動力性能更好、造型更加美觀[3-5],但由于提籃拱橋拱肋向內(nèi)傾斜而增加了拱肋空間定位及施工的復(fù)雜性[6,7]。就國外客運(yùn)專線的建設(shè)情況而言,大跨度提籃拱橋在高速鐵路中的應(yīng)用很少,而我國將跨度大于100 m的提籃拱橋應(yīng)用于高速鐵路之中在全球尚屬先例[8,9]。提籃拱橋拱肋的空間定位是否準(zhǔn)確對整個結(jié)構(gòu)受力的影響較大,而拱肋空間坐標(biāo)的計算和施工控制都相當(dāng)復(fù)雜,影響因素也較多,比如系梁預(yù)應(yīng)力張拉引起的縱向壓縮的影響、拱肋豎向預(yù)拱度的影響[10]、線路縱坡的影響以及安裝溫度的影響等,因此要確保橋梁的結(jié)構(gòu)受力與原設(shè)計更加接近,就必須嚴(yán)格控制拱肋安裝時的坐標(biāo)定位。下面結(jié)合武廣客運(yùn)專線上一座尼爾森體系提籃拱橋的施工實踐來闡述提籃拱橋拱肋的安裝定位計算方法。

2 工程概況

武廣客運(yùn)專線某特大橋以1-112 m尼爾森體系鋼管混凝土提籃拱的形式跨越京珠高速公路,與公路軸線夾角為35.3°,橋上鋪設(shè)CRTSⅠ型無砟軌道,設(shè)計時速350 km。該提籃拱全長116 m,計算跨徑112m,系梁為單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,梁寬17.8 m,梁高2.5 m,混凝土強(qiáng)度等級為C50。

拱肋軸線線形為懸鏈線,拱軸線面內(nèi)方程為y0=f(ch kξ-1)/(m-1),m=1.347,ξ=2x/l0,k=ln(m+),坐標(biāo)原點為拱頂中心點。拱肋在橫橋向內(nèi)傾9°,形成提籃式,拱肋平面內(nèi)矢高為22.4 m,矢跨比為1/5。鋼管拱肋橫截面為啞鈴形,鋼管直徑1.2 m,截面高3.0 m,上、下管和腹腔內(nèi)均填充C55微膨脹混凝土。2個拱肋之間設(shè)5道橫撐,拱頂橫撐為X形,其余為K形,如圖1所示。

圖1 1-112 m提籃拱立面布置(單位:cm)

該提籃拱采用“先梁后拱”的施工方法施工。對拱部而言,首先在系梁上搭設(shè)拱肋臨時支架,然后逐段對稱吊裝拱肋,并安裝橫撐。拱肋、橫撐合龍焊接完成后依次澆筑下管、上管、腹腔內(nèi)的混凝土,待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后“從中間向兩邊”對稱拆除拱肋臨時支架,然后再進(jìn)行其他部分的施工。

3 拱肋定位測點的選取

拱肋施工采取的方案為:單片拱肋分7段在工廠預(yù)制,其中2段為拱腳預(yù)埋段,其余5段為現(xiàn)場拼接段。施工時采用150 t履帶吊車將每段拱肋吊放在支架上,并進(jìn)行測點坐標(biāo)調(diào)整、定位。由于現(xiàn)場條件比較復(fù)雜,根據(jù)大橋現(xiàn)場的地形條件和視野開闊條件,對拱腳預(yù)埋段和其余拼接段采取不同的定位測點。

3.1 拱腳預(yù)埋段定位測點的選取

拱腳預(yù)埋段的定位是整個拱肋定位的基礎(chǔ),直接關(guān)系到其他拱段的定位和精確合龍,在定位時每段拱腳預(yù)埋段上選取3個測點,從而能夠確定一個平面?？紤]到拱腳預(yù)埋段固定支架較多,且與之相鄰跨的簡支梁已經(jīng)架設(shè),調(diào)整測點坐標(biāo)時全站儀建立測站的位置非常有限,因此選擇測點如圖2所示。

圖2 拱腳預(yù)埋段測點布置(左)、現(xiàn)場照片(右)

3.2 現(xiàn)場拼接段定位測點的選取

現(xiàn)場拼接段吊放在臨時支架上后需要在接口位置進(jìn)行臨時支撐,并用千斤頂進(jìn)行調(diào)整,這樣,每段拱肋與前一段的接縫位置就有比較多的臨時設(shè)施障礙視線,這時如果參照拱腳預(yù)埋段選擇測點顯然不合適。再者,如果測點距離接縫位置太近,焊接時產(chǎn)生的高溫容易將測點破壞掉,影響成拱以后其他階段拱肋線形的測量工作,且拱段的下端口需要跟前一段拱肋對接,因此只需調(diào)整拱段上端的空間位置。綜合考慮以上因素及現(xiàn)場條件,選擇拱段上弦管和下弦管內(nèi)側(cè)管壁外緣的上端距離管口500 mm的位置作為測點,每個拱段選取2個測點,如圖3所示。

選定測點位置后,告知鋼結(jié)構(gòu)加工方,在拱肋鋼管出廠前對拱肋測點進(jìn)行打點標(biāo)識,以便安裝時能夠準(zhǔn)確找到測點位置并粘貼反射片,并且要根據(jù)測點位置計算出精確的坐標(biāo),以便進(jìn)行精確定位。

圖3 拱肋拼接段測點布置(左)、現(xiàn)場照片(右)(單位:mm)

4 拱肋測點坐標(biāo)計算方法

影響拱肋空間定位的因素比較多,如系梁壓縮引起的縱向預(yù)偏量、拱肋豎向預(yù)拱度、線路縱坡的影響等,這些因素的影響均應(yīng)在坐標(biāo)計算中得到體現(xiàn)。

4.1 拱肋測點坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換

拱軸方程坐標(biāo)系原點一般為拱頂點,考慮到施工測量時的方便性,在進(jìn)行坐標(biāo)計算時將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為以小里程側(cè)兩片拱肋起拱點連線的中點為原點。這里首先闡述一下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中用到3個坐標(biāo)系及其之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,如圖4所示。

圖4 測點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(單位:m)

(1)拱軸方程坐標(biāo)系:該坐標(biāo)系以拱軸線的拱頂中心點為原點,以水平向左為x0向,以豎直向下為y0向,稱之為x0-y0平面坐標(biāo)系。

(2)拱平面計算坐標(biāo)系:該坐標(biāo)系以小里程側(cè)的起拱點為原點,以大里程方向為x向,以拱平面內(nèi)向上為y向,稱之為x-y平面計算坐標(biāo)系。

(3)全橋空間計算坐標(biāo)系,該坐標(biāo)系以小里程側(cè)兩片拱肋起拱點連線的中點為原點,以大里程側(cè)為X向,以豎直向上為Y向,以面向大里程的右手側(cè)為Z向,稱之為X-Y-Z空間計算坐標(biāo)系。

任取一段拱肋為研究對象,m為拱軸線上任意一點,設(shè)線路縱坡為i,與m點處對應(yīng)的系梁縱向預(yù)偏量為 Δx,拱肋豎向預(yù)拱度為 Δy,拱橋計算跨徑為 l,橫橋向兩片起拱點間的距離為B,m點處拱軸線的切線與水平線的夾角為 α,則m點在x0-y0平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

則m點在x-y平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

夾角

同樣,m點在X-Y-Z空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

4.2 不考慮影響因素的測點坐標(biāo)公式推導(dǎo)

首先撇開系梁縱向預(yù)偏、拱肋預(yù)拱度、線路縱坡等因素,根據(jù)圖4中各特征點的空間位置關(guān)系可推出上管中心m1點、下管中心m2點的坐標(biāo)為

則上管上緣測點s1、下管下緣測點s2的坐標(biāo)為

上管內(nèi)側(cè)測點n1、下管內(nèi)側(cè)測點n2的坐標(biāo)為

4.3 考慮影響因素的測點坐標(biāo)公式推導(dǎo)(圖5)

基于上面的推導(dǎo)過程,考慮系梁壓縮的縱向預(yù)偏量 Δx、拱肋的豎向預(yù)拱度 Δy后的測點坐標(biāo)為

圖5 線路縱坡對測點坐標(biāo)的影響示意

結(jié)合圖5,X-Y-Z坐標(biāo)系內(nèi),不考慮線路縱坡時m點坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1),考慮線路縱坡后m點坐標(biāo)為(X2,Y2,Z2),線路坡度為i,則這2個坐標(biāo)的關(guān)系為

也即考慮線路縱坡影響后的測點坐標(biāo)為

上述計算公式中,把式(2)代入式(11)即得到拱腳預(yù)埋段測點s1、s2的坐標(biāo)計算公式,把式(2)代入式(12)即得到現(xiàn)場拼接段測點n1、n2的坐標(biāo)計算公式。式子中的系梁預(yù)偏量 Δx、拱肋上任一點的豎向預(yù)拱度Δy可以通過結(jié)構(gòu)分析計算得到,線路縱坡i根據(jù)實際情況確定,x值根據(jù)拱肋出廠時的分段位置確定。

上述推導(dǎo)公式在該提籃拱的拱肋施工中得到了成功的應(yīng)用,確保了該1-112 m提籃拱的高精度合龍。

5 結(jié)語

提籃拱橋拱肋的空間位置和精確合龍對整個結(jié)構(gòu)的受力和線形的影響較大,鐵路客運(yùn)專線橋梁設(shè)計等級高,對結(jié)構(gòu)受力和線形的要求也比較嚴(yán)格,因此要保證拱肋的精確定位和合龍,就必須在拱段定位測點坐標(biāo)計算中考慮系梁預(yù)應(yīng)力張拉引起的預(yù)偏量、結(jié)構(gòu)豎向預(yù)拱度以及線路縱坡等因素的影響,以工程實例為背景,考慮了上述因素的影響,推導(dǎo)出了拱肋安裝時的測點定位坐標(biāo)的計算公式,為整座大橋的精確合龍奠定了堅實的基礎(chǔ),同時對同類橋梁的拱肋施工也具有一定的參考意義。

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