賈曉軍，馮仁東，劉治國(guó)，來(lái)?xiàng)n雄

(1.陜西交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710075； 2.中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

0 引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及“一帶一路”倡議深入實(shí)施，橋梁形式呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。鋼-混凝土組合梁橋(見(jiàn)圖1)是繼鋼結(jié)構(gòu)橋梁與混凝土橋梁之后興起的一種新型結(jié)構(gòu)，它通過(guò)抗剪連接件將鋼梁和混凝土板連接在一起，使二者形成組合作用共同受力，充分發(fā)揮鋼材抗拉性能和混凝土抗壓性能，同時(shí)具有比混凝土結(jié)構(gòu)自重小、比鋼結(jié)構(gòu)剛度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)，避免了鋼橋面鋪裝的疲勞問(wèn)題。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，鋼-混凝土結(jié)合梁在公路、市政、軌道交通和鐵路橋梁領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。

圖1 曲線鋼板-混凝土組合梁橋

以大斷面工型桿件為代表的鋼板-混凝土組合梁(以下簡(jiǎn)稱“鋼混組合梁”)，作為鋼混組合梁的一種類型，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線形復(fù)雜、組合形式多樣、制造精度要求高的特點(diǎn)，相較于鋼桁橋、鋼箱梁，鋼板梁桿件自重小，滿足各種復(fù)雜條件運(yùn)輸條件，適用于我國(guó)廣袤山區(qū)地形及城市復(fù)雜環(huán)境，是非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的鋼橋類型。

鋼混組合梁橋在我國(guó)的應(yīng)用實(shí)踐尚處于起步階段，主要是在中小跨度橋梁中，多見(jiàn)于引橋和跨線橋結(jié)構(gòu)，仍缺乏相關(guān)的設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)。對(duì)復(fù)雜曲線耐候鋼板組合梁橋制造線形控制的進(jìn)一步深入研究，有利于掌握、運(yùn)用及廣泛推廣此項(xiàng)施工技術(shù)，以便為今后類似項(xiàng)目施工提供指導(dǎo)參考。

1 鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)

鋼混組合梁(見(jiàn)圖2)可用于雙向4車道、雙向6車道等多種寬度橋梁，常用跨徑20～100m，經(jīng)濟(jì)跨徑在60～100m，連續(xù)鋼混組合梁可由兩跨、三跨、四跨、五跨、六跨等組合形成。

圖2 鋼混組合梁橋斷面

某鋼混組合梁橋左線采用38m+5×45m連續(xù)鋼混組合梁,右線采用41.5m+38m+45m+38m連續(xù)鋼混組合梁，采用頂推方案架設(shè)。行車道板寬12.5m，主梁間距6.7m，主梁高2.4m，混凝土行車道板和鋼板梁采用集束式焊釘連接；鋼板梁主要由縱梁、小橫梁、端橫梁、中橫梁及剪力釘組成?？v梁間采用焊接橫梁加強(qiáng)橫向聯(lián)系，支座位置采用中橫梁連接，跨內(nèi)采用小橫梁連接，小橫梁縱向間距9m，縱梁、橫梁均采取焊接連接。

2 施工方案及線形控制難點(diǎn)

2.1 施工方案

鋼混組合梁一般采用“鋼板→部件(單片鋼板梁、橫梁等)→現(xiàn)場(chǎng)拼裝(吊裝節(jié)段)→橋位連接”的生產(chǎn)組織模式。即工廠生產(chǎn)零件及桿件，在橋位拼裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝梁段制作，橋位進(jìn)行焊接連接的方案。工廠按施工圖紙及工藝文件進(jìn)行零件的下料、矯正、加工，并完成部件的組裝、焊接、焊縫檢測(cè)、修整等工作。在組裝胎架上完成單元或桿件的組焊，在試裝胎架上進(jìn)行總體試裝，然后將桿件運(yùn)至橋位施工現(xiàn)場(chǎng)，在橋位完成鋼板梁吊裝節(jié)段制作。鋼板梁吊裝節(jié)段制作完成后采用頂推施工方案安裝，頂推就位后精確測(cè)量安裝位置，最后完成接口連接、橋面板安裝、濕接縫施工等工作。

2.2 鋼混組合梁線形控制難點(diǎn)

橋梁線形是衡量橋梁整體建設(shè)質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，線形好壞直接影響橋梁的受力性能和運(yùn)營(yíng)安全性。

1)鋼混組合梁橋施工過(guò)程復(fù)雜、施工工況變化多。

2)需綜合考慮成橋線形、混凝土橋面板自重、焊接變形的影響。

3)整橋線形均由鋼板梁控制，鋼板梁制造時(shí)需考慮小半徑S漸變曲線、豎曲線及主梁橫坡高差、連接隧道處轉(zhuǎn)角。

4)通用類型多，組合形式多樣，相同長(zhǎng)度鋼板梁在邊跨、次中跨、中跨等位置時(shí)預(yù)拱度不同。

鋼板梁整體線形復(fù)雜，對(duì)組合梁制造線形控制提出更高的制造要求。

3 鋼混組合梁成橋線形控制技術(shù)

以往平曲線較大的鋼混組合梁采用“以直代曲”方案，而對(duì)于曲線半徑較小的鋼板梁則需采用“曲梁曲做”方案；某項(xiàng)目通過(guò)BIM軟件，對(duì)鋼板梁縱梁制造精度、吊裝節(jié)段線形、吊裝施工工況分析、吊裝過(guò)程線形監(jiān)控、橋面板吊裝順序調(diào)整等方面進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)鋼板梁工廠制造、現(xiàn)場(chǎng)拼裝、橋位安裝等全過(guò)程線形控制，確保鋼混組合梁的成橋線形達(dá)到《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》要求的-3～10mm。

3.1 豎曲線線形控制技術(shù)

鋼混組合梁橋的線形包括平面線形和豎向線形，線形控制時(shí)需考慮成橋線形、混凝土橋面板自重、制造過(guò)程受力工況、焊接變形等因素的影響，其中豎向線形復(fù)雜、受自身荷載和支撐狀態(tài)影響大，且控制精度較高，是橋梁線形控制的關(guān)鍵之一。

3.1.1鋼板梁制造豎曲線線形

鋼混組合梁理論線形計(jì)算時(shí)，需考慮施工方法、預(yù)制橋面板自重、施工荷載、成橋線形等因素，某大橋鋼主梁的理論預(yù)拱度采用余弦曲線法計(jì)算，其理論預(yù)拱度為：Y=0.5A[1-cos(X/L×2π)]，其中A為跨中預(yù)拱度幅值(恒載+1/2活載)，X為到支座距離，L為跨徑。以某鋼板-混凝土組合梁為例，由于部分橋梁位于半徑R=1 350m豎曲線上，為了保證橋梁各聯(lián)間順暢連接，通過(guò)計(jì)算，圓弧豎曲線對(duì)梁段線形的最大影響值約為25mm。為使鋼混組合梁安裝后的線形與成橋線形更接近，故鋼板梁制造豎曲線線形(見(jiàn)圖3)應(yīng)為“理論預(yù)拱度+成橋豎曲線”的疊加線形。

圖3 鋼板梁制造曲線示意

3.1.2施工工況有限元仿真分析

3.1.2.1有限元模型建立

為精確計(jì)算橋梁豎曲線線形，采用MIDAS/Civil軟件對(duì)鋼板-混凝土組合梁建立橋梁上部結(jié)構(gòu)有限元整體計(jì)算模型，對(duì)其在恒載及活載作用下的撓度值進(jìn)行計(jì)算分析，從而計(jì)算出準(zhǔn)確的跨中預(yù)拱度幅值。

3.1.2.2施工工況分析

由于某大橋施工總體分為2步，先是采用步履式頂推方式將鋼板梁部分頂推到位，然后在鋼板梁上安裝上部預(yù)制行車道板。因而成橋后主梁產(chǎn)生的變形主要分為3個(gè)工況：①第1工況 鋼板梁自重及行車道板自重荷載作用下產(chǎn)生的豎向變形；②第2工況 行車道板安裝完，濕接縫澆筑完成后，疊合梁形成整體后承受二期恒載產(chǎn)生的變形；③第3工況 后期活載產(chǎn)生的變形。針對(duì)不同施工工況應(yīng)分別建立相應(yīng)的模型進(jìn)行撓度分析。

計(jì)算第1工況撓度時(shí)應(yīng)建立單獨(dú)的鋼板梁模型，由于頂推工藝的特殊性，橋梁整體始終處于連續(xù)狀態(tài)，只需建立一次成橋模型(見(jiàn)圖4)，進(jìn)行恒載作用下的靜力分析，第2，3工況撓度計(jì)算時(shí)應(yīng)建立鋼混組合梁整體在成橋狀態(tài)下的模型進(jìn)行分析。

圖4 某大橋鋼板梁整體模型

對(duì)某大橋鋼混組合梁跨中最大撓度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按(恒載撓度+0.5×活載撓度)計(jì)算其跨中撓度幅值(見(jiàn)表1)。

表1 撓度幅值計(jì)算結(jié)果 mm

由計(jì)算結(jié)果可看出，某大橋主梁各跨跨中預(yù)拱度幅值計(jì)算值整體與設(shè)計(jì)值相符，但個(gè)別跨存在較大差異，主要是由于設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮的荷載值及施工工藝與實(shí)際施工存在一定的差異造成，故實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)計(jì)算出的結(jié)果考慮豎曲線的預(yù)拱度值。

3.2 工廠鋼板梁制造線形設(shè)計(jì)

為確保鋼板梁制造線形的精度控制，施工前將鋼板梁通用設(shè)計(jì)圖紙與路線圖紙結(jié)合，綜合考慮鋼板梁的組合形式、施工方案、平曲線、豎曲線、制造預(yù)拱度、橫坡高差等因素，通過(guò)BIM軟件對(duì)連續(xù)鋼板組合梁進(jìn)行放樣，并與設(shè)計(jì)圖參數(shù)進(jìn)行相互校核，提前優(yōu)化解決鋼板梁構(gòu)件的零件結(jié)構(gòu)、吊裝節(jié)段及鋼板梁與橋面板的連接關(guān)系。

1)根據(jù)鋼板梁路線圖，將線路的平曲線按不同圓弧半徑、緩和曲線參數(shù)方程、連接隧道轉(zhuǎn)角等進(jìn)行放樣，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)圖的結(jié)構(gòu)形式、路線的起始里程、組合形式等，標(biāo)注出道路設(shè)計(jì)線處的各樁號(hào)、鋼板規(guī)格及連接細(xì)節(jié)等，設(shè)計(jì)出鋼板梁橋的平面施工圖。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂推、架橋機(jī)架設(shè)等不同施工方案，結(jié)合連續(xù)鋼混組合梁設(shè)計(jì)預(yù)拱度、跨徑組合形式、跨徑位置、成橋線形及制造預(yù)拱度，確定連續(xù)鋼混組合梁的制造預(yù)拱度。

3)為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)快速施工需要，鋼板梁及橋面板均提前預(yù)制完成，鋼混組合梁線形基本由連續(xù)鋼混組合梁完成。鋼板梁桿件及吊裝節(jié)段施工詳圖設(shè)計(jì)時(shí)，每隔一定距離設(shè)置縱梁上蓋板高程變化的控制點(diǎn)(見(jiàn)圖5)，通過(guò)漸變方式實(shí)現(xiàn)橋面橫坡變化。

圖5 鋼板梁節(jié)段橫坡變化示意

3.3 鋼板梁制造線形控制技術(shù)

山區(qū)曲線鋼板梁多位于圓弧曲線、緩和曲線上，且曲率半徑R較小(R=580，850m，…)，無(wú)法采用“以直代曲”方案，因此只能按曲線線形制造鋼主梁。

3.3.1鋼板梁構(gòu)件制造

在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，綜合考慮鋼板梁制造、運(yùn)輸、架設(shè)方案等因素，本著盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)和橋位作業(yè)量的前提下，將原通用設(shè)計(jì)圖28，35，38，45m等吊裝節(jié)段組合拆分為3段進(jìn)行加工制造。制造前根據(jù)施工方案考慮加工工藝量，采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精密切割下料。

主梁構(gòu)件組裝時(shí)，將主梁腹板放置于組裝胎架上，平面檢測(cè)合格后組裝蓋板，控制下蓋板與腹板的垂直度，然后組裝上蓋板，每隔一段距離通過(guò)機(jī)械調(diào)整裝置頂緊上蓋板，以實(shí)現(xiàn)上蓋板與腹板的角度α控制，檢測(cè)合格后焊接固定腹板與蓋板；根據(jù)橫梁連接位置及橫坡變化，調(diào)整橫梁連接水平加勁板，確保橫向主梁構(gòu)件與橫梁連接的受力穩(wěn)定性。焊接完成后，采用大型矯正設(shè)備對(duì)腹板進(jìn)行矯正，復(fù)測(cè)主梁的曲線線形及幾何精度尺寸，合格后焊接剪力釘；橫梁構(gòu)件制作時(shí)，考慮橫梁與主梁的連接，包括蓋板端頭內(nèi)外差值、腹板上下蓋板側(cè)及蓋板長(zhǎng)度差值等。

3.3.2鋼板梁拼裝胎架設(shè)計(jì)制作及地面基線設(shè)置

鋼板梁現(xiàn)場(chǎng)施工條件各異，受鋼板梁的節(jié)段劃分、橫坡、縱坡、長(zhǎng)度等影響，每個(gè)吊裝節(jié)段鋼板梁胎架位置及胎架上的支撐高程均有所不同，一般固定胎架難以滿足施工需要。結(jié)合項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制作滿足剛度及穩(wěn)定性的鋼凳式組合胎架，采用地腳螺栓與地面固定，實(shí)現(xiàn)支撐位置及高程靈活調(diào)整及多施工場(chǎng)地轉(zhuǎn)場(chǎng)需要。

以通用鋼板梁類型為基準(zhǔn)，基線宜設(shè)置在主梁、支座等位置，滿足多種組合形式，綜合考慮主梁中心距、支座位置、梁段端頭位置等因素，以組合梁主梁中心距為基準(zhǔn)設(shè)置2條縱向基線，以組合梁的支座位置、梁段長(zhǎng)度位置為基準(zhǔn)，設(shè)置4條橫向基線。吊裝節(jié)段主梁組拼時(shí)，調(diào)整測(cè)量控制點(diǎn)與基線偏差可實(shí)現(xiàn)平曲線控制，測(cè)量控制點(diǎn)高程可實(shí)現(xiàn)預(yù)拱度、橫坡變化，實(shí)現(xiàn)鋼板梁線形控制。

3.3.3鋼板梁吊裝節(jié)段平豎曲線控制技術(shù)

鋼板梁現(xiàn)場(chǎng)吊裝節(jié)段拼裝是保證橋位順利架設(shè)的關(guān)鍵工序，拼裝的精度和質(zhì)量直接影響橋位的安裝質(zhì)量。吊裝節(jié)段制作工藝須合理、經(jīng)濟(jì)可行；吊裝節(jié)段除本身滿足規(guī)范要求的同時(shí)，還需考慮連續(xù)鋼混組合梁累積公差，在預(yù)拼節(jié)段盡量消除；鋼主梁構(gòu)件制造線形已在工廠制造階段得到控制，吊裝節(jié)段制造時(shí)更側(cè)重于吊裝節(jié)段梁長(zhǎng)、箱口尺寸、平豎曲線、橫坡等關(guān)鍵控制點(diǎn)的控制。

1)對(duì)吊裝節(jié)段進(jìn)行模擬預(yù)拼裝，綜合設(shè)計(jì)尺寸、累積偏差、溫度影響等因素，將擬建橋梁空間測(cè)量點(diǎn)分解，將空間坐標(biāo)測(cè)量定位簡(jiǎn)化為二維平面定位測(cè)量，將45m大跨度測(cè)量轉(zhuǎn)換為基線偏差測(cè)量，拱度、橫坡轉(zhuǎn)換為高程測(cè)量，測(cè)量作業(yè)強(qiáng)度、測(cè)量技能要求大幅度降低，同時(shí)測(cè)量精度有效提升。

2)按鋼板梁吊裝節(jié)段結(jié)構(gòu)及組合形式，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)布設(shè)拼裝胎架平面位置及高程。

3)主梁擺放時(shí)，以基線為基準(zhǔn)，調(diào)整主梁構(gòu)件兩端測(cè)量控制點(diǎn)與地面基線的距離，使各控制點(diǎn)滿足平面曲線偏差及勻順性要求。檢測(cè)合格后定位縱梁節(jié)段，依次組裝剩余縱梁節(jié)段及橫梁構(gòu)件。

4)定位后同理依次初步定位其余縱梁桿件及橫梁。注意控制組裝間隙、焊接錯(cuò)臺(tái)量，將擺放好的鋼梁用倒鏈進(jìn)行安全支護(hù)防止傾倒。

5)測(cè)量吊裝節(jié)段整體長(zhǎng)度、主梁間距、平曲線偏移、箱口尺寸等測(cè)量控制尺寸，檢測(cè)合格后，采用水準(zhǔn)儀測(cè)量控制點(diǎn)高程，保證吊裝節(jié)段橫坡、預(yù)拱度值合格(考慮焊接變形，預(yù)拱度可考慮一定工藝量)，各項(xiàng)指標(biāo)合格后對(duì)吊裝節(jié)段進(jìn)行精確定位。

6)將主梁節(jié)段焊接成整體，復(fù)核主梁預(yù)拱度及橫坡，如出現(xiàn)超過(guò)允許誤差現(xiàn)象則需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；調(diào)整合格后完成橫梁焊接相關(guān)工序。

7)全面檢測(cè)鋼板梁吊裝節(jié)段的平面線形和預(yù)拱度精度，測(cè)量記錄吊裝節(jié)段箱口尺寸、支座距離、支座錯(cuò)位偏差等檢測(cè)指標(biāo)，分析吊裝節(jié)段施工前后變化，并合理進(jìn)行優(yōu)化。

3.4 鋼板梁安裝線形控制

由于山區(qū)地形條件復(fù)雜，對(duì)于難以采用架橋機(jī)或履帶式起重機(jī)架設(shè)的鋼板梁橋，可采用頂推法架設(shè)，因此開發(fā)了鋼板梁同步聯(lián)動(dòng)頂推系統(tǒng)，該系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制下可實(shí)現(xiàn)鋼板梁的水平頂推、頂升、水平橫移，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)豎向自動(dòng)調(diào)節(jié)，適應(yīng)梁體豎向線形和平整度偏差，在鋼板梁安裝線形控制方面發(fā)揮了重要作用。

1)鋼混組合梁頂推作業(yè)前，在每跨主梁節(jié)段側(cè)面的1/2，1/4及支點(diǎn)處設(shè)置測(cè)量反射片，作為鋼板梁頂推過(guò)程中線形控制的目標(biāo)。

2)頂推施工過(guò)程中，對(duì)鋼板梁的撓度、縱向位移、頂推力大小、臨時(shí)支架豎向和橫向位移等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)橫向或豎向位移偏差值≥10mm時(shí)進(jìn)行頂推糾偏。

3)在鋼板梁頂推就位后，落梁時(shí)需確保各墩支點(diǎn)處豎向頂升千斤頂?shù)耐叫?，避免鋼混組合梁局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼板梁發(fā)生扭曲或變形。

4)當(dāng)鋼板梁降落至設(shè)計(jì)高程時(shí)，精確復(fù)核鋼板梁支點(diǎn)高程及各跨預(yù)拱度(見(jiàn)圖6)，預(yù)拱度≥15mm時(shí)，可對(duì)支點(diǎn)處高程進(jìn)行調(diào)整，以確保橋面鋪裝層厚度。

圖6 鋼板梁頂推過(guò)程及成橋線形

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)山區(qū)鋼混組合梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元分析計(jì)算、鋼板梁工廠制造線形控制、吊裝節(jié)段線形控制、頂推施工預(yù)拱度有效控制，使鋼混組合梁架設(shè)成橋后的平曲線、豎曲線線形達(dá)到設(shè)計(jì)要求，得出以下結(jié)論。

1)施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)成型狀態(tài)有較大差別，施工順序與施工方式對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程及最終成型的竣工狀態(tài)都有很大影響，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中加以考慮。

2)鋼板梁構(gòu)件工廠平曲線、豎曲線控制精度和吊裝節(jié)段現(xiàn)場(chǎng)拼裝精度是確保成橋線形的關(guān)鍵。

3)采用施工仿真、BIM建模對(duì)鋼混組合梁制造線形設(shè)置、施工圖設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生較大影響，通過(guò)仿真分析施工過(guò)程中的不確定因素，對(duì)鋼混組合梁施工工況進(jìn)行綜合計(jì)算分析，可有效保證鋼混組合梁線形精度控制及制造質(zhì)量。