薛長(zhǎng)利，李軍平，田景輝，田剛毅

(中鐵寶橋集團(tuán)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(guó),橋梁建設(shè)也取得了前所未有的發(fā)展。在國(guó)家宏觀政策[1]的影響下,鋼橋梁越來(lái)越受到橋梁建設(shè)者的青睞和廣泛應(yīng)用。斜拉橋作為我國(guó)過(guò)江跨海橋梁中重要的結(jié)構(gòu)體系之一,被廣泛應(yīng)用,建造在城市中心可作為標(biāo)志性建筑提升城市形象。我國(guó)已建斜拉橋基本都為雙索面斜拉橋,無(wú)背索斜拉橋梁在工程實(shí)踐應(yīng)用很少,無(wú)背索鋼塔斜拉橋就少之更少了。對(duì)于無(wú)背索斜拉橋鋼塔,因其具有單向錨索受力的特點(diǎn),體系轉(zhuǎn)化后鋼塔容易被拉偏位,線形很難達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài),影響觀感,同時(shí),橋梁受力發(fā)生變化,影響運(yùn)營(yíng)安全,所以鋼塔柱各階段線形控制至關(guān)重要。

1 無(wú)背索斜拉橋鋼塔柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以咸陽(yáng)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(jié)構(gòu),橋塔呈倒V形,空間角度設(shè)計(jì),所在平面與水平面的夾角為 62.2°;結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)與橋面的豎向高度約74.985 m。橋塔的單肢塔柱軸線長(zhǎng)87.445 m,與水平面夾角約75.8°;東西兩肢塔柱通過(guò)長(zhǎng)4.5 m的塔冠橫梁相連。咸陽(yáng)高科一路渭河大橋建成效果見(jiàn)圖1。

橋塔采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu),靠邊跨側(cè)艙室填充C60自密實(shí)無(wú)收縮混凝土,內(nèi)設(shè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cāng)板組成,鋼塔柱標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖見(jiàn)圖2。

2 線形控制難點(diǎn)分析

無(wú)背索斜拉橋鋼塔具有單向索面受力的特點(diǎn),加工、安裝過(guò)程有以下難點(diǎn)需要解決:

1)設(shè)計(jì)階段需通過(guò)計(jì)算確定鋼塔單面受拉后錨索區(qū)位移,反向預(yù)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(shè)計(jì)階段的難點(diǎn)。2)要保證鋼塔線形順暢美觀,需控制制造精度,設(shè)計(jì)合理的加工工藝是制造階段的難點(diǎn)。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(shí)間、方式是控制線型的關(guān)鍵。4)體系轉(zhuǎn)換是復(fù)雜的過(guò)程,更是保證鋼塔線形、錨索受力以及鋼梁線形的關(guān)鍵[2],如何處理好三者之間的關(guān)系是體系轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。

3 鋼塔線形的控制

為保證無(wú)背索鋼塔成橋后的線形符合設(shè)計(jì)要求,項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中需要從設(shè)計(jì)、加工制造、安裝以及體系轉(zhuǎn)換等四個(gè)階段[3]分別對(duì)鋼塔線形予以嚴(yán)格控制,四個(gè)階段環(huán)環(huán)相扣、缺一不可。

3.1 鋼塔安裝預(yù)偏量確定

設(shè)計(jì)階段的主要工作是理論計(jì)算,首先對(duì)鋼塔進(jìn)行塊體劃分,其次是依據(jù)錨索設(shè)計(jì)載荷,通過(guò)計(jì)算機(jī)分析確定每個(gè)塊體受拉后的位移,反向預(yù)偏后重新建模,比對(duì)受拉后的鋼塔線形與設(shè)計(jì)線形重合情況,若重合說(shuō)明塊體受力后位移分析合理,反向預(yù)偏后的線形將作為制造、安裝過(guò)程線形控制的依據(jù)。

1)分析:按照設(shè)計(jì)劃分,每個(gè)鋼塔柱共劃分23個(gè)吊裝塊體,橋面以下設(shè)2個(gè)吊裝塊體,橋面以上設(shè)21個(gè)吊裝塊體,第11個(gè)塊體以上屬于錨索區(qū)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)橋狀態(tài)建模,根據(jù)錨索設(shè)計(jì)載荷值向錨索加載,采用MIDAS軟件受力分析,計(jì)算出每一個(gè)鋼塔每一塊體塔軸線與塔斷面交點(diǎn)位移A1,A2,A3,…,A20,以其中一個(gè)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(jié)果。

2)反向預(yù)偏并驗(yàn)算:重新建模,按照第1)步計(jì)算結(jié)果,重新建模,設(shè)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(shè)計(jì)載荷,驗(yàn)算受拉后鋼塔線形,若預(yù)偏后的線形正好與設(shè)計(jì)線形重合,說(shuō)明計(jì)算準(zhǔn)確,計(jì)算結(jié)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(jì)算且結(jié)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(jié)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(guān)鍵,重點(diǎn)是從板單元、塊體制造和預(yù)拼裝三個(gè)工序進(jìn)行精度控制。

1)板單元加工。鋼塔塊體由壁板、隔倉(cāng)板、隔板單元組成。鋼塔塊體高度由壁板、隔倉(cāng)板長(zhǎng)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(diǎn)是要保證壁板下料長(zhǎng)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(yīng)預(yù)留焊接收縮量,在平臺(tái)上劃壁板縱橫基準(zhǔn)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(chē)氣體保護(hù)焊施焊,焊接作業(yè)應(yīng)采用分中、對(duì)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(guò)程焊接變形,其控制措施如下:數(shù)控火焰切割機(jī)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(hù)焊對(duì)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(cè)數(shù)值。

表2 壁板單元、隔板單元檢測(cè)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(guān)鍵,是確保鋼塔建成后觀感優(yōu)良之關(guān)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(yù)偏線形為基準(zhǔn)通過(guò)兩個(gè)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(zhǎng)度影響,必須在板單元加工階段嚴(yán)格控制,塊體制造階段無(wú)法調(diào)整。鋼塔塊體斷截面為無(wú)規(guī)則八邊形設(shè)計(jì),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(gè)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(zhuān)用胎架上進(jìn)行,胎架按照塊體立式姿態(tài)設(shè)計(jì),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(yáng)高科一路渭河大橋鋼塔柱在專(zhuān)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(guò)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(zhuān)用胎架或平臺(tái)上作為上層鋼塔塊體檢測(cè)基準(zhǔn),預(yù)拼裝線形主要是采用坐標(biāo)法予以控制。本項(xiàng)目是將下層鋼塔塊體下口塔軸線與塔斷截面交點(diǎn)設(shè)為基準(zhǔn)坐標(biāo),采用計(jì)算機(jī)建模,通過(guò)模形計(jì)算上層鋼塔塊體上口塔軸線與斷截面交點(diǎn)坐標(biāo)(控制點(diǎn))以及壁板拐角鋼板外側(cè)交點(diǎn)坐標(biāo)(控制點(diǎn)),中間環(huán)口僅進(jìn)行箱口匹配,保證連接而已。經(jīng)過(guò)實(shí)踐,“立式1+1模式”計(jì)算機(jī)建模輔助計(jì)算控制點(diǎn)坐標(biāo),且通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格控制,鋼塔整體線形得到保證,圖5為建模計(jì)算鋼塔測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)。

3.3 鋼塔安裝線形控制

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

1)支架設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)支架時(shí),根據(jù)預(yù)偏線形確定各高度的預(yù)偏量,同時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)必須滿足兩個(gè)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(shè)計(jì)圖及實(shí)施過(guò)程。

2)塊體吊裝。鋼塔塊體采用履帶吊吊裝,預(yù)偏線形作為鋼塔塊體安裝依據(jù),并結(jié)合鋼塔柱分段分塊方案,計(jì)算出控制塊體姿態(tài)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo),每個(gè)塊體上口側(cè)布置9個(gè)測(cè)控點(diǎn),分別為塊體壁板上口箱外側(cè)拐點(diǎn)設(shè)8處,塔軸線與塊體上端口交點(diǎn)設(shè)1處,采用全站儀坐標(biāo)定位法測(cè)量,下口只需完成匹配,上口進(jìn)行鋼塔塊體的精確定位,同時(shí)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(lái)的影響,測(cè)量時(shí)間定在早晨7點(diǎn)—9點(diǎn),每個(gè)特征點(diǎn)除過(guò)標(biāo)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(diǎn)測(cè)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(jì)算理論變化數(shù)值,提前做好反向預(yù)偏,確保混凝土澆筑之后的安裝線形。

3.4 體系轉(zhuǎn)化過(guò)程的線形控制

體系轉(zhuǎn)換過(guò)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(shuō)將施工過(guò)程橋梁所承受的外部荷載通過(guò)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(gòu)件受力的平衡體。體系轉(zhuǎn)化過(guò)程是很復(fù)雜的過(guò)程,是將鋼梁、鋼塔線形和斜拉索承受荷載尋找平衡點(diǎn),一定程度上影響鋼梁、鋼塔的線形。

咸陽(yáng)高科一路渭河大橋每個(gè)鋼塔柱設(shè)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(shí),依據(jù)預(yù)偏線形安裝完成后,理論上鋼塔塔軸線為曲線,經(jīng)過(guò)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(guò)程中僅通過(guò)斜拉索的多次反復(fù)張拉,很難實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo),比如,斜拉索按照設(shè)計(jì)值加載到位后,鋼梁、鋼塔線形還存在偏差,需進(jìn)一步進(jìn)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(gè)控制項(xiàng)點(diǎn)中確定優(yōu)先級(jí),例如可適當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定公差范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整斜拉索拉力,同時(shí)還得確定優(yōu)先保證鋼塔線形還是鋼梁線形。咸陽(yáng)高科一路渭河大橋鋼塔柱即承受橋梁拉載荷又承擔(dān)裝飾作用,因此鋼塔柱線形更重要,斜拉索所受拉力在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定公差范圍內(nèi),應(yīng)優(yōu)先保證鋼塔線形,鋼梁的線形與目標(biāo)線形存在偏差。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)背索鋼塔斜拉橋空間角度鋼塔柱線形控制是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程,項(xiàng)目實(shí)施需從四個(gè)階段對(duì)線形進(jìn)行控制,各個(gè)階段所需完成的任務(wù)為:

1)設(shè)計(jì)階段:分析鋼塔、鋼梁以及斜拉索受力體系,確定預(yù)偏線形也稱安裝線形,根據(jù)預(yù)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(guò)預(yù)拼工序裝檢驗(yàn)制造偏差與預(yù)偏線形對(duì)比,需調(diào)整的按照要求調(diào)整,同時(shí)檢查塊體之間箱口匹配的情況。

3)安裝階段:按照預(yù)偏線形進(jìn)行安裝,采用空間坐標(biāo)法定位,反復(fù)進(jìn)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(yù)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(shè)計(jì)、規(guī)范范圍內(nèi)尋求優(yōu)先保證項(xiàng)點(diǎn)。

以咸陽(yáng)高科一路跨渭河大橋?yàn)槔臒o(wú)背索鋼塔斜拉橋通過(guò)四個(gè)階段的嚴(yán)格控制,驗(yàn)證了該線形控制方法的可行性,鋼塔線型、索力均滿足設(shè)計(jì)要求,為今后類(lèi)似鋼塔建造提供參考。