異形鋼結構“飄帶”景觀橋關鍵施工技術

孔德法

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

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異形鋼結構“飄帶”景觀橋關鍵施工技術

孔德法

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

摘要：天津生態城中部片區經六路上跨薊運河故道橋梁工程為拱結構支撐的鋼連續箱梁景觀橋，以“飄帶”為理念設計，造型新穎、獨特，施工難度大。通過方案優化和仿真模擬，解決了淤泥河道內臨時支架體系布置，不規則梁體節段劃分、制作、拼裝，異形鋼箱梁體系轉換、三維空間扭曲體“飄帶”施工等難題，具有較高的推廣意義。

關鍵詞：公路橋；鋼連續箱梁；景觀橋；異形鋼結構；支架體系

1 工程概況

天津生態城中部片區經六路上跨薊運河故道橋梁工程是生態城內跨薊運河故道的重要節點之一，全長959.47 m。主橋長270 m，跨徑布置為35 m+4×50 m+35 m，橋面寬度為14 m，雙向四車道。為實現橋梁景觀效果，以“飄帶”為理念設計，結構輕盈、造型飄逸(效果圖見圖1)。

主橋鋼箱梁為單箱雙室截面，上箱梁(主梁)順橋向為變截面，其中底板保持橫向水平，頂板設置1.5%的橫坡，中心線處的高度為1.11 m；下箱梁(主拱)標準段為等截面鋼箱梁，頂底板水平布置，梁高1.115 m，順橋向為不規則曲線；主梁和主拱在跨中范圍合為梁拱結合段，橋墩處、跨中處橫斷面見圖2。

圖1 主橋效果圖

圖2 主橋橋墩處、跨中處橫斷面圖(單位：cm)

2 施工重、難點分析

2.1 不規則梁體節段劃分、制作、拼裝

為實現橋梁整體景觀效果，梁體采用不規則曲線，且在跨中處與主拱合為梁拱結合段(見圖1、圖2)；為滿足運輸和現場安裝要求，梁體需分段制作、安裝，采用合理的梁體節段劃分方案、控制梁段制作精度，是保證梁段拼裝順利和安裝后梁體線形滿足要求的關鍵。

2.2 淤泥河道內臨時支架體系布置

本工程橋梁位于薊運河故道內，河道內淤泥深度較大(局部達8 m)，必須采用合理的支架體系形式，確保鋼箱梁現場安裝和支架拆除過程中，支架體系承載力、沉降量滿足要求。

2.3 異形鋼箱梁體系轉換

每一步支架拆除，剩余支架體系受力(含小立柱)、梁體應力和變形都會發生變化，為選擇最優支架拆除方案，從而確保梁段體系轉換過程安全，需對支架拆除(體系轉換)過程進行仿真分析；分析結果同時為現場施工監測提供理論依據，便于進行實測數據與理論數據對比。

2.4 三維空間扭曲體“飄帶”施工

橋梁外側焊接的“飄帶”為一空間扭曲體，其在縱向隨著鋼箱梁下箱室的線形變化而變化，在橫向也為一個不斷變化的空間三維體，線形復雜、施工難度大。

3 梁段劃分與多節段匹配制作

綜合設計、運輸及吊裝等方面考慮，單幅橋主梁共劃分22個制造梁段，主拱共劃分25個制造梁段，其中主拱有10個節段與主梁連接在一起制作，劃分節段共37個。主梁最重為31#梁段，長度17.6 m，自重50.4 t；主拱最重為20#梁段，長8.0 m，自重53.6 t；梁拱結合段最重為36#梁段，長12.4 m，自重97.2 t。梁體節段劃分見圖3。

圖3 梁體節段劃分圖(單位：m)

為了保證如此多的節段制作完成運輸至現場安裝后全橋線形符合設計標準，經過多方案比選，最終采用“多節段匹配制作、立體預拼裝”[1]的施工工藝進行全橋梁段制作。

在主梁制造中，按照“頂板→中間腹板→兩側橫隔板→兩側腹板→底板→挑梁塊體”的順序進行逐段組裝與焊接；在主拱制造中，按照“底板→中間腹板→兩側橫隔板→兩側腹板→頂板”的順序進行逐段組裝與焊接，實現立體階梯形推進方式。

組裝時，以胎架為外胎，以橫隔板、中間腹板為內胎，重點控制橋梁的線形、鋼箱梁幾何形狀和尺寸精度、相鄰接口的精確匹配等[2]。

4 淤泥河道內支架體系構造和設計

4.1 淤泥河道內支架體系基礎施工

河道內支架體系基礎采用“戧灰處理、混凝土條形基礎”。淤泥采用戧灰的方式處理，處理深度不小于2 m，并壓實，確保地基承載力在0.3 MPa以上；然后再澆筑C30鋼筋混凝土基礎，獨立基礎長3.5 m(順橋向)×寬1.5 m×高0.3 m，內配雙向?10 mm@100 mm鋼筋，滿足上部荷載的需要。支架體系基礎見圖4。

圖4 支架體系基礎布置圖

地基戧灰完成后，采用堆載實驗方式對地基承載力進行檢測(按1.2倍荷載值)。支架體系預壓采用已施工完成支架基礎混凝土塊體，為減小預壓荷載與地面之間的接觸面積，從而減小上部堆載重量，采用兩根I40b工字鋼作底胎，上部橫、縱向交錯布置混凝土塊體進行支架基礎地基堆載試驗。

4.2 支架體系構造和設計

根據鋼箱梁自身結構特點，支架體系共分為3部分(見圖5)。

4.2.1 主拱與地基之間臨時支架體系

主拱與地基之間的支架體系支撐在混凝土條形基礎上，采用鋼管格構型鋼組合支架，每組支架為4根?600 mm×12 mm鋼管；格構立柱之間用[16槽鋼作為水平支撐和剪刀撐聯結，使其共同支撐上部鋼箱梁的重量；在支架立柱鋼管頂部設置雙根I32工字鋼橫梁，作為鋼箱梁的小立柱支撐擱置點；橫梁同時也是連接立柱成為整體的主要構件。支架的支撐點順橋向布置在梁段環縫兩側橫隔板處，橫向布置在橫隔板加勁肋處。

圖5 支架體系橫斷面示意圖(單位：m)

4.2.2 主梁與主拱之間臨時支架體系

主梁與主拱之間支架體系支撐于主拱上，支架體系形式同上。

4.2.3 挑梁與地基之間臨時支架體系

橫橋向內側通過在主梁上設置牛腿,外側在梁段環縫兩側搭設碗扣式腳手架作為支架體系；支架體系支撐在處理好的地基上。

5 梁段安裝精度的控制

5.1 測量控制點設置

鋼箱梁的測量控制點布置在箱梁兩端橫隔板位置的頂板上(橫隔板距離端頭超過2 m時布置在端頭500 mm處)，在工廠制作、預拼裝時給出測量控制點，并標記。

測量控制點在現場用全站儀和水準儀等測量工具測設，測量的理論數據為設計給出的最終架設線形值。

5.2 鋼箱梁吊裝

在支架上用全站儀測放出該段橋梁中線，然后開始吊裝作業，讓其中線對準支架上的橋梁中線，對位后可點動龍門吊的起重小車，同時人工用鋼釬配合定位，對位準確后支墊穩定。

5.3 鋼箱梁微調

對于鋼箱梁的微調，在全站儀測控下進行，即鋼箱梁的左右、前后、高程位置以及箱梁接口板片的微調、分段環縫焊接縫隙的微調等。微調量一般不大，在1～3 cm范圍以內，先解開臨時固定碼板，用油壓千斤頂頂升一定的高度后，用絲杠千斤頂和鋼碼板進行左右、前后的微調；上下高程的微調，可直接用油壓千斤頂和鋼碼板、鋼墊板進行。經現場監控測量，符合要求后，作最終的碼板固定和焊接。

節段安裝完成后，檢查鋼箱梁平整度、軸線偏位、焊縫尺寸、幾何尺寸等是否滿足設計、規范及工藝要求，如不滿足調節至滿足為止。

5.4 合龍段安裝精度控制

由于鋼箱梁受日照、溫度影響，軸向伸縮變形較大，焊縫自身溫度降低也會引起收縮，因此需要準確定位、確定合龍段空間的準確精度及安排合龍時間，盡量選擇在氣溫低的時間段安裝合龍段，利用較大的溫差使合龍空間增大[3]。

在合龍段相鄰鋼梁上布置6個測點以測量合龍段頂板與底板合龍間隙，測量點位于頂板及底板距接口200 mm處。確定在不同溫度下，合龍段的安裝長度，充分掌握變形量與溫度的關系，并對合龍段接口進行精密切割，保證安裝精度。合龍段吊裝見圖6。

圖6 合龍段現場吊裝

合龍段首先焊接腹板對接焊縫，然后焊接頂、底板對接焊縫，最后焊接箱梁內部加勁結構的對接焊縫；焊接采用雙數焊工對稱施焊，控制焊接變形。

6 異形鋼箱梁體系轉化

本工程支架體系分為“挑梁下支架體系”、“主拱和主梁之間支架體系”、“主拱下支架體系”三部分，每一步支架體系拆除，剩余支架體系受力(含小立柱)、梁體應力和變形都會發生變化，為選擇最優支架體系拆除方案同時為現場施工監測提供理論依據，從而確保梁段體系轉換過程安全、實時掌控施工監測數據與理論數據的對比，需對支撐拆除(體系轉換過程)進行仿真分析；同時需核算該體系轉換過程小立柱處集中荷載作用下梁段應力、變形和小立柱剛度是否滿足要求。

6.1 體系轉化過程數值模擬

施工前，采用有限元軟件建立橋梁結構和臨時支架體系組成有限元模型(見圖7)，對橋梁施工臨時支撐拆除的過程進行數值模擬，得到臨時支撐卸載過程中各施工步驟橋梁主要部位的受力和變形情況，以及臨時支撐的軸力，判定橋梁臨時支撐卸載施工方案的可行性和合理性；并進行臨時支架體系中工字鋼梁、支撐柱等的強度、穩定與變形計算；根據數值模擬計算結果提出合理的施工建議。

圖7 中間跨橋段有限元計算模型

主梁與主拱箱梁的上下翼緣、腹板和橫隔板采用SHELL63單元模擬，加勁肋采用BEAM188單元模擬，支撐柱采用BEAM188單元模擬。所有支撐柱對橋僅提供豎向約束，支撐點設置在箱梁縱、橫加勁肋相交處。

橋墩處約束三向平動自由度(x向、y向、z向)。臨時支撐軸向剛度65×105kN/m，偏安全未考慮其彈性，耦合主梁與主拱間臨時支撐處豎向自由度(z向)。主拱下的臨時支撐約束豎向自由度(z向)，計算模型施加自重荷載、端部壓重。

6.2 施工過程橋梁監測

為了對成橋目標進行有效控制，修正在施工過程中各種影響成橋目標的參數誤差對成橋目標的影響，確保成橋后主體結構內力和線形滿足設計要求，對梁體標高、截面應力、支座位移等內容進行施工監測。

7 三維空間扭曲體“飄帶”施工[1,4-5]

(1)運用三維實體模擬技術，通過采用三維Solidwork軟件和CAD軟件進行三維實體模擬，有效解決了“飄帶”空間三維扭曲體平面展開和單元件下料的施工難題。

(2)研究制定了全封閉三維空間扭曲體組裝、焊接工藝，滿足了設計要求，保證了“飄帶”外觀質量。

(3)采用三維空間扭曲體測量控制技術，根據隔板處控制點數據進行控制，保證了施工精度。

8 結束語

施工過程中，通過運用全新的思維和創新的方法，解決了異形鋼結構“飄帶”景觀橋的施工難題，高質量、高標準的修筑了國內首座“飄帶”型景觀橋，為類似橋梁的設計、施工提供一定的參考。

橋梁建成后，橋梁景觀效果明顯，進一步提升了橋梁所在區域的整體景觀效果，成為生態城一道亮麗的風景線。

參考文獻

[1]楊強.中新天津生態城故道橋拱結構鋼連續箱梁線形控制[J].四川建材，2013(3)：154-156

[2]荊玉才，劉元良.青島海灣大橋斜拉橋鋼箱梁制作與加工關鍵技術[J].公路，2009(9)：73-76

[3]張洪.柳州雙擁大橋主橋鋼箱梁的制作與安裝技術[J].鐵道標準設計，2012(2)：49-53

[4]李忠鋒，李宏祥.中新天津生態城經六路上跨薊運河故道橋總體設計[J].中國市政工程，2012(S1)：40-41

[5]周兵.拱結構支撐鋼連續箱梁橋“飄帶”施工工藝[J].鐵道建筑技術，2015(S1)：40-42

Key Construction Techniques for a Special-Shaped Steel Structure Landscape Bridge with "Ribbon"

Kong Defa

(The 5th Engineering Co. Ltd. of the 18th Bureau Group of China Railway,Tanggu 300450,China)

Abstract:Designed in the light of the notion of a "streamer",the bridge spanning the original course of the Ji Canal on the Jing Six Road in the mid-section of the ecological city of Tianjin is an arch-supported continuous steel box girder landscape bridge. It is novel and special in shape.However,it is rather difficult to build. By means of optimizing the various construction schemes and numerical simulation,the problems of arranging a temporary supporting system in the silt channel, the segment-dividing, making and assembling of the girder,the transition between different-shaped steel box girders and the construction of the twisted body of the "ribbon" ,etc. are all successfully solved.The project is of great importance in popularization.

Key words:highway bridge;continuous steel box girder;landscape bridge;special-shaped steel structure;supporting system

收稿日期：2016-03-04

作者簡介：孔德法(1984—)，男，工程師，主要從事橋梁、地下工程施工工作308078035@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.017

中圖分類號：U445.58

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)03-0062-04