小半徑曲線矮型變桁高雙層橋面全焊接連續(xù)鋼桁梁制造與安裝技術(shù)

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、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)形式簡單、受力合理、施工方便以及適應(yīng)性強等優(yōu)點，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)越來越多，多采用下承式鋼桁梁，這樣可以有效降低整個跨線線路標(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)段臨時支架安裝工法具有設(shè)備少、成本低、占用場地小、施工進度快等優(yōu)點，因此下承式鋼桁梁橋在較長一段時間內(nèi)作為橋梁建設(shè)的一種主要推薦技術(shù)方法。

隨著我國交通建設(shè)城市化和山區(qū)化的發(fā)展趨勢，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，急需有針對性、系統(tǒng)化的研究，進一步完善大跨度曲線連續(xù)鋼桁梁設(shè)計理論、施工工藝、施工監(jiān)控技術(shù)為主的成套制造安裝技術(shù)，不斷提高我國橋梁施工建造水平。

國內(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記載和報道。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支鋼桁梁。鐵路曲線鋼桁梁只是橋上線路設(shè)計為曲線，而桁梁本身是按直線橋梁設(shè)計。只是在橋面線路設(shè)置時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實現(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)計過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程中的受力性能特點［5］，校飛燕等分析了小半徑曲線梁橋設(shè)計要點［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不在同一截面，起始點的切線斜率不同，上、下連接點位于不同的平面上，上、下弦桿連接需要變位(扭曲)才能實現(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現(xiàn)；矮型變桁高雙層橋面整體節(jié)點，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、檢測空間狹窄，操作困難；因桿單元外形細(xì)長，焊后容易扭曲變形；連續(xù)鋼桁梁長度較長，當(dāng)晝夜溫差較大時，其鋼桁梁長度隨溫度變化而變化，直接影響架設(shè)時的精度；連續(xù)鋼桁梁一般采取從兩端往中間對稱安裝，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 依托項目及其特點

昆侖橋新建工程為西寧市“暢通西寧”重點建設(shè)項目之一。位于西寧市中心城的中部，處于南川河北段，介于黃河路和長江路之間，是西寧市的主干路。該項目總投資2.8億元，是連接中心城區(qū)東西向交通的重要橋梁。項目西起黃河路、東至長江路，道路全長約381 m，它是在既有昆侖橋基礎(chǔ)上在兩側(cè)新增南、北橋，南北對稱布置。其中南線長376.868 m(橋梁長350 m)，北線長381.109 m(橋梁長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稱。橋梁跨徑組合為30m+75m+80m+75m+60m+30m=350m，設(shè)計時速30 km/h，汽車荷載城市-A級。上層橋面為機動車道，南北橋縱坡均為1.73%，單幅橋面寬9.0 m，下層橋面為非機動車道，單幅橋面寬4.5 m。鋼桁梁橋面寬9 m，主跨跨中桁高5 m，中支點位置高7.5 m，節(jié)點與節(jié)點之間標(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)采用實體Y橋墩，U型橋臺，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、連續(xù)鋼桁梁所有的特點和難點，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，斜腹桿無法與上下弦桿整體節(jié)點位于同一立面上，因此斜腹桿需要扭曲變位才能實現(xiàn)對接。

(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，勞動效率極低。

(4)西寧地區(qū)無大型橋梁專業(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，無法進行大節(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，改擴建勢在必行。該橋是在城市擴能改造中的設(shè)計使用，可豐富城市既有橋梁擴能改造的突破，具有極好的社會意義。

目前正值交通建設(shè)的黃金時期，橋梁建設(shè)不但數(shù)量多，城市化趨勢明顯，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)梁橋越來越多，采用常規(guī)的直線、大截面、簡支梁散拼安裝，已不能滿足特定環(huán)境施工的需要。因此，對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)計施工工藝進行研究，有利于解決社會和市場發(fā)展面臨的難題，最大限度減少施工對環(huán)境的破壞、確保交通、減少拆遷等，社會效益明顯。

以昆侖橋新建工程為契機，針對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)進行深入研究，進一步完善施工工藝。

1.2 自動化、智能化套料排版技術(shù)

將CAD施工圖紙中的板材零件自動讀入到套料軟件中用于自動套料。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)果生成切割機可以識別的切割代碼供數(shù)控切割機加工使用。

軟件的套料模塊選用國際最先進的模塊，在兼顧套料效率的同時保證板材的最大利用率。軟件可以采用多種國際領(lǐng)先的自動套料算法排料，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。同時能大幅降低套料時間，縮短施工周期。

開發(fā)一個軟件接口，直接從Tekla、CAD軟件中提取板材零件的外形尺寸信息。同時也將零件的厚度、材質(zhì)、重量、重心、零件名、安裝部位號等與套料有關(guān)的信息提取出來，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)、板厚進行分類保存。

在零件提取出來后采用預(yù)套料的辦法先確定所需材料的規(guī)格與數(shù)量，便于采購鋼板。套料可以采用用戶指定幾種鋼板規(guī)格，軟件自動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的鋼板數(shù)量。

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

軟件可以將套好的每張鋼板的零件進行全自動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)控切割機上供自動下料，可以滿足多臺、多種類切割機的下料需求。

數(shù)控下料人員在下好一張鋼板后，將這張鋼板的爐批號、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)庫中，這樣軟件可以自動將每個零件的爐批號讀出來。如果某個爐批號的鋼板出了問題，軟件可以將出問題的所有零件讀出來進行批量替換?？梢酝ㄟ^這些返饋信息知道哪個零件加工了，哪個零件還沒有加工。以便于編排生產(chǎn)計劃。

自動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%。同時能大幅降低套料時間，縮短鋼板采購時間，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)件的工廠實體預(yù)拼，減少實體預(yù)拼中對場地、起重能力等的苛刻要求。

根據(jù)實測焊接后的變形量，確定橋面板單元反變形參數(shù)，并設(shè)計簡易變位胎架結(jié)構(gòu)；采用全站儀進行實體外形數(shù)據(jù)采集，并采用三維軟件進行建模，將不同的塊體單元模型進行預(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。本項目實施過程中采用工藝設(shè)計調(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，鋼桁梁在原設(shè)計分段基礎(chǔ)上進行二合一，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，通過實際測量在無約束狀態(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)實際試制，最終確定反變形量為25 mm。

預(yù)拼是為了驗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)拼場地占用也較多，不利于整個生產(chǎn)組織。結(jié)合工程實際情況及結(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

采用多臺全站儀精確測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，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，通過Solidworks三維軟件進行實測建模，按照安裝理論線型，建立框架，便于實測模塊定位裝配，按照理論框架線型，分別根據(jù)各控制點進行裝配定位；通過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，會對臨時支架產(chǎn)生水平推力，勢必造成安全隱患；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，安裝長度越長，熱脹冷縮越明顯，橋梁安裝線形控制是重點；通過資料調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬的研究，決定本項目采用多跨連續(xù)鋼桁梁同向順序安裝工藝，主要包括：

1.4.1 臨時支架結(jié)構(gòu)

根據(jù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)特點，全橋共計劃分為22個制作節(jié)段，南北兩座橋共計布置21×2=42個臨時支架，臨時支架主要由立柱(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，需在在臨時支架上安裝偏于卸架落梁的沙箱式臨時支座，本工程在普通沙箱式臨時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對支架產(chǎn)生的水平摩擦力，同時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，確保臨時支架的安全性，臨時支座結(jié)構(gòu)如下圖7。

圖7 臨時支座結(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，可用場地極其有限，綜合考慮到現(xiàn)場實際施工環(huán)境，南北橋采取不同的施工順序進行架設(shè)，其中南橋從長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)鋼桁梁所有的特點和難點。結(jié)合實際工程，就該桁架梁的制作與安裝進行了論述，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化智能化排版數(shù)控下料技術(shù)體系。

(2)通過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。