鄧家勛

(成都建工路橋建設(shè)有限公司，四川成都610091)

隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，各種新的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和方法在橋梁等土木工程中得到廣泛應(yīng)用，在城市高架橋中，橋梁結(jié)構(gòu)布置的難點(diǎn)是曲線段上的橋梁結(jié)構(gòu)［1］，鋼橋由于其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、受力合理、施工方便以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在城市橋梁的建設(shè)中倍受青睞［2］。

目前，跨線橋梁建設(shè)越來(lái)越多，多采用下承式鋼桁梁，這樣可以有效降低整個(gè)跨線線路標(biāo)高，滿足橋下凈空，降低建設(shè)成本；采用小半徑曲線連續(xù)鋼桁梁能有效的解決城市或山區(qū)受地形、地貌、建筑物及公路、鐵路線路等條件的限制。而工廠標(biāo)準(zhǔn)化制造和大節(jié)段臨時(shí)支架安裝工法具有設(shè)備少、成本低、占用場(chǎng)地小、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，因此下承式鋼桁梁橋在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)作為橋梁建設(shè)的一種主要推薦技術(shù)方法。

隨著我國(guó)交通建設(shè)城市化和山區(qū)化的發(fā)展趨勢(shì)，大跨度下承式小半徑曲線連續(xù)鋼桁梁具有良好的適用性，但制造安裝技術(shù)尚有許多如亟待解決的難題，急需有針對(duì)性、系統(tǒng)化的研究，進(jìn)一步完善大跨度曲線連續(xù)鋼桁梁設(shè)計(jì)理論、施工工藝、施工監(jiān)控技術(shù)為主的成套制造安裝技術(shù)，不斷提高我國(guó)橋梁施工建造水平。

國(guó)內(nèi)小半徑曲線矮型變桁高雙層橋面全焊接連續(xù)鋼桁梁制造與安裝尚沒有類似橋梁的文獻(xiàn)記載和報(bào)道。仲照紅研究了小半徑曲線鋼梁橋在城市高架橋的匝道橋中的應(yīng)用［3］，曲線鋼桁梁在鐵路橋梁的采用，象京滬高速鐵路工程天津樞紐一城際聯(lián)絡(luò)線南倉(cāng)特大橋位于R=700m的小半徑圓曲線上。該橋跨越京山I線、京山Ⅱ線、南倉(cāng)至京山I線聯(lián)絡(luò)線和京山津浦上聯(lián)鐵路處采用了直線跨度為125 m的直梁外包正交異性橋面系簡(jiǎn)支鋼桁梁。鐵路曲線鋼桁梁只是橋上線路設(shè)計(jì)為曲線，而桁梁本身是按直線橋梁設(shè)計(jì)。只是在橋面線路設(shè)置時(shí)平分曲線矢高解決小半徑曲線要求的。為了滿足曲線限界和偏載受力的要求，鐵路曲線鋼桁梁橋一般采用加寬兩邊主桁中心距的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)曲線加載的問題，在幾何與物理意義上與真正將主桁架做成小半徑曲線是完全不同的概念。陳忠潮研究了曲線梁橋設(shè)計(jì)過(guò)程中的病害及其處置措施［4］，周勇等比較了直線梁和曲線梁在安裝和使用過(guò)程中的受力性能特點(diǎn)［5］，校飛燕等分析了小半徑曲線梁橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)［6］。

小半徑曲線矮型變桁高雙層橋面全焊連續(xù)鋼桁梁的因斜腹桿上下連接點(diǎn)不在同一截面，起始點(diǎn)的切線斜率不同，上、下連接點(diǎn)位于不同的平面上，上、下弦桿連接需要變位(扭曲)才能實(shí)現(xiàn)連接。矮型鋼桁梁三角形斜腹桿較短，剛性大，斜腹桿扭曲不容易實(shí)現(xiàn)；矮型變桁高雙層橋面整體節(jié)點(diǎn)，凈空受到限制，上下弦桿件截面尺寸較小，制造、安裝、拼裝施焊、檢測(cè)空間狹窄，操作困難；因桿單元外形細(xì)長(zhǎng)，焊后容易扭曲變形；連續(xù)鋼桁梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，當(dāng)晝夜溫差較大時(shí)，其鋼桁梁長(zhǎng)度隨溫度變化而變化，直接影響架設(shè)時(shí)的精度；連續(xù)鋼桁梁一般采取從兩端往中間對(duì)稱安裝，跨中合龍，當(dāng)受橋位施工環(huán)境限制，安裝只能從橋的一端依次往另外一端順序架設(shè)，與常規(guī)架設(shè)方式不同。因此，對(duì)小半徑曲線矮型變桁高雙層橋面全焊接連續(xù)鋼桁梁制造與安裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，具有非常重要的理論和意義。

1 小半徑曲線矮型變桁高雙層橋面全焊接連續(xù)鋼桁梁制造與安裝

1.1 依托項(xiàng)目及其特點(diǎn)

昆侖橋新建工程為西寧市“暢通西寧”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。位于西寧市中心城的中部，處于南川河北段，介于黃河路和長(zhǎng)江路之間，是西寧市的主干路。該項(xiàng)目總投資2.8億元，是連接中心城區(qū)東西向交通的重要橋梁。項(xiàng)目西起黃河路、東至長(zhǎng)江路，道路全長(zhǎng)約381 m，它是在既有昆侖橋基礎(chǔ)上在兩側(cè)新增南、北橋，南北對(duì)稱布置。其中南線長(zhǎng)376.868 m(橋梁長(zhǎng)350 m)，北線長(zhǎng)381.109 m(橋梁長(zhǎng)350 m)。兩條路線均設(shè)置3處半徑為R=300m的圓曲線，南北兩線以既有橋梁心線對(duì)稱。橋梁跨徑組合為30m+75m+80m+75m+60m+30m=350m，設(shè)計(jì)時(shí)速30 km/h，汽車荷載城市-A級(jí)。上層橋面為機(jī)動(dòng)車道，南北橋縱坡均為1.73%，單幅橋面寬9.0 m，下層橋面為非機(jī)動(dòng)車道，單幅橋面寬4.5 m。鋼桁梁橋面寬9 m，主跨跨中桁高5 m，中支點(diǎn)位置高7.5 m，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間標(biāo)準(zhǔn)間距為7.5 m(圖1、圖2)。該橋?qū)儆谛“霃角€矮型變桁高雙層橋面全焊連續(xù)鋼桁梁橋。

圖1 昆侖橋新建工程立面效果

圖2 昆侖橋橫截面示意(單位：mm)

橋梁下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體Y橋墩，U型橋臺(tái)，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。兩側(cè)橋梁均設(shè)置3處半徑為300 m的S型圓曲線，南北兩線以既昆侖橋梁中心線對(duì)稱。

昆侖橋新建工程集中了目前鋼桁梁橋梁中小半徑曲線、雙層橋面、矮型變截面、全焊結(jié)構(gòu)、整體節(jié)點(diǎn)、連續(xù)鋼桁梁所有的特點(diǎn)和難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)小半徑曲線橋梁、通用零件較少，零件數(shù)量大，零件套料、下料及零件管理是一大難題。

(2)橋梁平面位置處在S曲線上，曲線半徑小(R=300 m)，主桁采用三角形桁架結(jié)構(gòu)，在曲線位置斜腹桿上端部與下端部所處曲線處的切線斜率不同，斜腹桿無(wú)法與上下弦桿整體節(jié)點(diǎn)位于同一立面上，因此斜腹桿需要扭曲變位才能實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

(3)上下弦桿采用小箱型截面(1.00 m×1.20 m)，加之箱內(nèi)縱肋及隔板的設(shè)置，箱內(nèi)的操作空間十分狹窄，施焊極其困難，勞動(dòng)效率極低。

(4)西寧地區(qū)無(wú)大型橋梁專業(yè)化加工企業(yè)，均為輕鋼加工企業(yè)，配備的起重能力極其有限，無(wú)法進(jìn)行大節(jié)段整體組(預(yù))拼。

(5)施工區(qū)域位于既有昆侖橋兩側(cè)，樹木繁密茂盛，加之兩側(cè)既有重要建筑物及高壓電纜、通訊光纜密集，尤其通訊光纜，自來(lái)水管及污水排水管道位于橋位處，可用的施工空間極其有限，鋼桁梁同向順序架設(shè)，與常規(guī)架設(shè)順序不一致。

據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市既有青壯年期的橋梁通行能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足交通發(fā)展的需要，急需要提升通行能力，改擴(kuò)建勢(shì)在必行。該橋是在城市擴(kuò)能改造中的設(shè)計(jì)使用，可豐富城市既有橋梁擴(kuò)能改造的突破，具有極好的社會(huì)意義。

目前正值交通建設(shè)的黃金時(shí)期，橋梁建設(shè)不但數(shù)量多，城市化趨勢(shì)明顯，跨越既有公路、鐵路、城區(qū)河流、及避讓各種障礙物的小半徑曲線連續(xù)梁橋越來(lái)越多，采用常規(guī)的直線、大截面、簡(jiǎn)支梁散拼安裝，已不能滿足特定環(huán)境施工的需要。因此，對(duì)小半徑曲線矮型變桁高雙層橋面全焊接連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工工藝進(jìn)行研究，有利于解決社會(huì)和市場(chǎng)發(fā)展面臨的難題，最大限度減少施工對(duì)環(huán)境的破壞、確保交通、減少拆遷等，社會(huì)效益明顯。

以昆侖橋新建工程為契機(jī)，針對(duì)小半徑曲線矮型變桁高雙層橋面全焊連續(xù)鋼桁梁制造與安裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步完善施工工藝。

1.2 自動(dòng)化、智能化套料排版技術(shù)

將CAD施工圖紙中的板材零件自動(dòng)讀入到套料軟件中用于自動(dòng)套料。軟件可以按零件的板厚與材質(zhì)分別套到不同的板材上。將套料的結(jié)果生成切割機(jī)可以識(shí)別的切割代碼供數(shù)控切割機(jī)加工使用。

軟件的套料模塊選用國(guó)際最先進(jìn)的模塊，在兼顧套料效率的同時(shí)保證板材的最大利用率。軟件可以采用多種國(guó)際領(lǐng)先的自動(dòng)套料算法排料，從多種結(jié)果中選出最佳的結(jié)果。保證鋼板利用率相較與以前能相應(yīng)提高。同時(shí)能大幅降低套料時(shí)間，縮短施工周期。

開發(fā)一個(gè)軟件接口，直接從Tekla、CAD軟件中提取板材零件的外形尺寸信息。同時(shí)也將零件的厚度、材質(zhì)、重量、重心、零件名、安裝部位號(hào)等與套料有關(guān)的信息提取出來(lái)，采用批量提取的方式，以提高零件提取的效率，將提取的零件按不同的材質(zhì)、板厚進(jìn)行分類保存。

在零件提取出來(lái)后采用預(yù)套料的辦法先確定所需材料的規(guī)格與數(shù)量，便于采購(gòu)鋼板。套料可以采用用戶指定幾種鋼板規(guī)格，軟件自動(dòng)選出一種或幾種最合適的鋼板規(guī)格，按套料結(jié)果與合理的余量確定訂購(gòu)的鋼板數(shù)量。

按生成的訂單將采購(gòu)好鋼板材料后，將實(shí)際采購(gòu)到的鋼板信息輸入到軟件鋼板列表中去，然后進(jìn)行自動(dòng)排料，軟件會(huì)生成每張鋼板的自動(dòng)排料圖，并將自動(dòng)排料圖存到數(shù)據(jù)庫(kù)中去供以后調(diào)用；可以瀏覽每張鋼板的套料結(jié)果并進(jìn)行相應(yīng)的手動(dòng)修改。

軟件可以將套好的每張鋼板的零件進(jìn)行全自動(dòng)排序和生成切割代碼，并可以按用戶需求生成不同的切割代碼類型，生成的切割代碼可以傳遞到數(shù)控切割機(jī)上供自動(dòng)下料，可以滿足多臺(tái)、多種類切割機(jī)的下料需求。

數(shù)控下料人員在下好一張鋼板后，將這張鋼板的爐批號(hào)、材質(zhì)、厚度等信息寫到圖上去，然后返饋給套料人員。套料人員將其寫到數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣軟件可以自動(dòng)將每個(gè)零件的爐批號(hào)讀出來(lái)。如果某個(gè)爐批號(hào)的鋼板出了問題，軟件可以將出問題的所有零件讀出來(lái)進(jìn)行批量替換?？梢酝ㄟ^(guò)這些返饋信息知道哪個(gè)零件加工了，哪個(gè)零件還沒有加工。以便于編排生產(chǎn)計(jì)劃。

自動(dòng)化智能化排料排版技術(shù)，保證了材料利用率相較與傳統(tǒng)下料方法相應(yīng)提高，材料利用率提高5%。切割效率提高10%，產(chǎn)品成本降低5%，制造周期縮短10%。同時(shí)能大幅降低套料時(shí)間，縮短鋼板采購(gòu)時(shí)間，確保在生產(chǎn)周期內(nèi)更快更好的完成產(chǎn)品的生產(chǎn)。

1.3 反變形胎架與模塊化虛擬預(yù)拼技術(shù)

焊接反變形技術(shù)在橋梁制造板單元構(gòu)件中廣泛使用，反變形工藝可以大量節(jié)約單元因焊接變形矯正的成本，提高單元成品效率；空間定位技術(shù)近幾年開始在大型橋梁鋼結(jié)構(gòu)使用，通過(guò)三維定位，精確控制桿件或部件與之相關(guān)聯(lián)的形體尺寸，免去大型構(gòu)件的工廠實(shí)體預(yù)拼，減少實(shí)體預(yù)拼中對(duì)場(chǎng)地、起重能力等的苛刻要求。

根據(jù)實(shí)測(cè)焊接后的變形量，確定橋面板單元反變形參數(shù)，并設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易變位胎架結(jié)構(gòu)；采用全站儀進(jìn)行實(shí)體外形數(shù)據(jù)采集，并采用三維軟件進(jìn)行建模，將不同的塊體單元模型進(jìn)行預(yù)拼，檢查塊體單元之間的匹配情況，達(dá)到預(yù)拼檢查的目的。本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中采用工藝設(shè)計(jì)調(diào)研、理論分析、電腦模擬等方法，做到各結(jié)構(gòu)件的定位精度、操作便利、可靠性和安全性等方面得到保證。

根據(jù)西寧地區(qū)加工企業(yè)資源配置情況，結(jié)合西寧市昆侖橋新建工程鋼桁梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋼桁梁在原設(shè)計(jì)分段基礎(chǔ)上進(jìn)行二合一，橫向分為左、右弦桿塊體單元、上橋面系、下橋面系四大部(圖3～圖5)。

圖3 左右弦桿塊單元

圖4 上層橋面系結(jié)構(gòu)示意

圖5 下層橋面系結(jié)構(gòu)示意

工程塊體制作單元主要包括：上橋面系、下橋面系單元，懸臂梁、弦桿單元等，上、下橋面系面板單元結(jié)構(gòu)規(guī)則，主要包括2 350 mm、1 750 mm兩種寬度。寬度為W=2 350mm面板單元預(yù)設(shè)65 mm反變形量，寬度W=1 750mm的面板單元預(yù)設(shè)35 mm反變形量，焊后面板單元平整度安全滿足《鐵路鋼橋制造規(guī)范》規(guī)定的1.5 mm以內(nèi)。弦桿腹板單元為K形結(jié)構(gòu)，外形極其不規(guī)則，通過(guò)實(shí)際測(cè)量在無(wú)約束狀態(tài)下焊接變形量，寬度為W=1 000～1 200mm范圍內(nèi)的板變形范圍為23～27 mm。根據(jù)實(shí)際試制，最終確定反變形量為25 mm。

預(yù)拼是為了驗(yàn)證鋼桁梁制作工藝的合理性，檢查梁段的幾何尺寸及段間的匹配，便于提前發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整工藝和糾偏。因本工程鋼桁梁屬于矮型變桁高整體節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，節(jié)段預(yù)拼不僅需要較大的起吊設(shè)備，而且預(yù)拼場(chǎng)地占用也較多，不利于整個(gè)生產(chǎn)組織。結(jié)合工程實(shí)際情況及結(jié)構(gòu)特征，采用數(shù)字模塊化虛擬預(yù)拼技術(shù)來(lái)保證構(gòu)件的加工精度和誤差控制水平(圖6)。

圖6 模塊化虛擬預(yù)拼基本流程

采用多臺(tái)全站儀精確測(cè)量各制作單元的空間線型，采集組成單元主要連接位置如邊緣線、中軸線、橫隔板位置的空間坐標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)Solidworks三維軟件進(jìn)行實(shí)測(cè)建模，按照安裝理論線型，建立框架，便于實(shí)測(cè)模塊定位裝配，按照理論框架線型，分別根據(jù)各控制點(diǎn)進(jìn)行裝配定位；通過(guò)檢查裝配好的三維模型，檢查各單元的匹配是否滿足要求，其偏差是否在允許范圍以內(nèi)。

1.4 多跨連續(xù)鋼桁梁同向順序安裝工藝技術(shù)

臨時(shí)支架大節(jié)段模塊化吊裝是一種常見的安裝方法，但小半徑曲線連續(xù)鋼桁梁因受晝夜溫差影響較為明顯，熱脹冷縮，會(huì)對(duì)臨時(shí)支架產(chǎn)生水平推力，勢(shì)必造成安全隱患；城市狹窄空間限制，多跨連續(xù)鋼桁梁安裝只能從一端往另外一端順序安裝，安裝長(zhǎng)度越長(zhǎng)，熱脹冷縮越明顯，橋梁安裝線形控制是重點(diǎn)；通過(guò)資料調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬的研究，決定本項(xiàng)目采用多跨連續(xù)鋼桁梁同向順序安裝工藝，主要包括：

1.4.1 臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)

根據(jù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，全橋共計(jì)劃分為22個(gè)制作節(jié)段，南北兩座橋共計(jì)布置21×2=42個(gè)臨時(shí)支架，臨時(shí)支架主要由立柱(φ273×10)及橫桿、斜桿(槽鋼20#)和橫梁(HW300×300)等型鋼焊接而成。鋼桁梁全部安裝完畢后需按照監(jiān)控指令順序平穩(wěn)卸架，需在在臨時(shí)支架上安裝偏于卸架落梁的沙箱式臨時(shí)支座，本工程在普通沙箱式臨時(shí)支座的上支承鋼板上添加一塊聚四氟乙烯板，降低連續(xù)鋼桁梁在熱脹冷縮時(shí)對(duì)支架產(chǎn)生的水平摩擦力，同時(shí)上部采用承壓弧形板結(jié)構(gòu)，不需另外采用楔形鋼板調(diào)平，能夠滿足任何縱坡位置的安裝，確保臨時(shí)支架的安全性，臨時(shí)支座結(jié)構(gòu)如下圖7。

圖7 臨時(shí)支座結(jié)構(gòu)示意

1.4.2 鋼桁梁模塊化安裝

西寧市昆侖橋新建工程現(xiàn)場(chǎng)地處西寧城市中心位置，為麒麟灣公園區(qū)域，內(nèi)部樹木、房屋、管道、電纜密集，可用場(chǎng)地極其有限，綜合考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工環(huán)境，南北橋采取不同的施工順序進(jìn)行架設(shè)，其中南橋從長(zhǎng)江路依次往黃河路通向順序吊裝(從6#→0#方向吊裝)，北橋從兩端往中間吊裝，段內(nèi)均按照從既有昆侖橋側(cè)往外側(cè)進(jìn)行吊裝，跨中合龍(圖8)。

圖8 鋼桁梁架設(shè)順序示意

2 結(jié)論

隨著我國(guó)城市化的加快，大跨度下承式小半徑曲線連續(xù)鋼桁梁因其廣泛的適用性得到越來(lái)越多的應(yīng)用。公路雙層橋面小半徑曲線全焊結(jié)構(gòu)矮型變截面連續(xù)鋼桁梁集中了目前鋼桁梁橋梁中全焊結(jié)構(gòu)、雙橋面、小半徑曲線、矮型變截面、連續(xù)鋼桁梁所有的特點(diǎn)和難點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際工程，就該桁架梁的制作與安裝進(jìn)行了論述，得出了如下結(jié)論：

(1)開發(fā)適合小半徑曲線矮型變桁高雙層橋面全焊連續(xù)鋼桁梁的自動(dòng)化智能化排料排版技術(shù)軟件，形成適合小半徑曲線鋼桁梁橋自動(dòng)化智能化排版數(shù)控下料技術(shù)體系。

(2)通過(guò)反變形胎架與模塊化虛擬預(yù)拼技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)化運(yùn)用，可以提高構(gòu)件的加工精度和誤差協(xié)調(diào)控制水平。

(3)基于城市狹窄空間，利用多跨連續(xù)鋼桁梁同向順序安裝工藝技術(shù)，為橋梁結(jié)構(gòu)線形控制提供技術(shù)保障。