鋼板梁以直代曲的深化設計方法

王國慶，林彬

（浙江交工裝備工程有限公司，浙江舟山 316000）

1 引言

隨著交通建設行業的蓬勃發展，國家“十四五”規劃綱要中也明確提出統籌推進傳統基礎設施和新型基礎設施建設，打造系統完備、高效實用、智能綠色、安全可靠的現代化基礎設施體系，加快交通、市政行業的傳統基礎設施的數字化、智能化改造。作為基礎建設中的重要組成部分，大型橋梁，特別是大型鋼結構橋梁，在國家基礎設施建設的浪潮之下迎來了一個全新的時代，其制造需要向智能化、自動化、高效化方向邁進。杭紹甬智慧高速項目作為國內智慧化橋梁建設的先行軍，鋼梁的智能化制造是本項目高質高效的亮點之一。由于全線范圍內存在諸多形式的跨線跨河段鋼板梁，因此，如何快速、準確地進行鋼板梁的深化設計和加工制造成為一個新的研究課題。

2 工程概況

本文以杭紹甬高速項目的曹娥江大橋引橋為例，分析鋼板梁以直代曲深化設計方法。曹娥江大橋引橋分為東西兩側各兩個聯次，橋梁結構為鋼板組合梁連續剛構橋，跨徑布置為50.6 m×4+50.6 m×5+50.6 m×5+50.6 m×4，全橋平面分別位于半徑R 為7 500 m 的圓曲線（第一、二聯）和直線（第二、四、五聯）上，縱斷面位于半徑20 000 m 的豎曲線上，橋面橫坡為雙向2%。

橋梁分為左右兩幅，單幅為4 片主梁，共計8 片主梁。主梁跨徑線平行于道路設計線，圓曲線形式的跨徑線沿圓曲線半徑方向向外依次增加，因此，左幅主梁長度大于右幅主梁長度。在土建施工圖中，曲線梁的梁段長度按照橋梁中心線長度統一繪制，車間進行梁段生產時，需參考曲梁參數表，進行實際線形放樣確定曲線梁長和橫梁連接位置，確保在全橋范圍內能夠與鋼梁頂面預制混凝土橋面板適配，形成鋼板疊合梁體系。主梁平曲圖如圖1 所示，第二聯、第四聯、第五聯平曲圖與第一聯相似，此處不再展開描述。

圖1 第一聯主梁平曲圖（圓曲線）

3 深化設計方法

以曹娥江引橋第一聯為例（平曲位于半徑7 500 m、左偏的圓曲線上，縱曲線位于半徑20 000 m 的圓上）。

3.1 平曲線線形放樣

根據結構設計圖繪制原始的平曲線、跨徑線、栓接縫線及支座位置。在原始鋼梁的平曲線基礎上，根據橋梁路線的設計線用一段直線連接5#墩與4#墩支點并延伸到栓接縫線，以保證墩頂位置的連續。再以該直線與栓接縫的交點連接到3#墩支點并再延伸至下一條栓接縫。其他梁段按此步驟連續繪制，繼而得到整聯橋的以直代曲后的線形。鑒于橋梁設計路線為圓曲線，則以道路設計線為基準，沿道路設計線圓曲線半徑方向，位于左幅的主梁長度均大于道路設計線長度，并依次增加，位于右幅的主梁長度均小于道路設計線長度，并依次減小。為方便鋼板梁自動化生產線的梁段標準化制造和施工，深化設計階段將梁段設計為標準節段為主，非標準節段進行長度調節的節段方案，將路線圓曲線內外圓弧長度變化引起的變化值放在每跨內的一根非標準節段內。以第一聯為例，左右幅一共有8 根主梁，縱向分為19 根節段，一共有152 根主梁節段。按此方法繪制，可得120 根標準長度主梁節段和32 根非標準長度主梁節段。

3.2 豎曲線線形放樣

根據設計圖繪制沿道路設計線展開的橋梁縱曲線，并在此基礎上疊加預拱度，包括設計預拱度和制造預拱度，并按展開線的水平長度確定梁段劃分線、栓接縫線及支座位置[1]。用直線連接每根梁段劃分線與豎曲線的交點，注意需要按照規范要求（-3 mm，+10 mm）控制梁段直線與疊加拱度豎曲線的高度差值，如果梁段上的任意一點與所連直線的差值不在上述區間內，則對梁段兩端點進行抬高或降低調整，抬高和降低的數值仍需保證在（-3 mm，+10 mm）的范圍內，將調整后的兩端點再用直線相連，則為本段內豎曲線上以直代曲的梁段劃分。若上述方案仍滿足不了預拱度的偏差要求，則說明梁段劃分的長度過大，需在平曲線的節段劃分方案中重新調整節段劃分長度，再重復上述步驟進行縱曲線的以直代曲。其他部分按此步驟繼續繪制，繼而得到整聯橋的以直代曲后的線形。

另一方面，為減少鋼梁的節段數量以及相應的連接縫（主要是指制造節段之間的焊接縫），節段長度在能夠滿足車間鋼板梁自動化組立、焊接和以直代曲線形的情況下取較大值。

3.3 繪制地標和總拼胎架圖

地標和總拼胎架數據是控制平曲、縱曲線形的重要數據。在以直代曲后的平面線形圖上確定出每段直線主梁兩端點的XY 值作為主梁節段的地標點，為保證試拼裝階段鋼梁節段在胎架上的穩固，在距離主梁接縫左右各1 m 處分別設置一個胎架并根據縱曲線以直代曲后的線形數據提供高度Z 值，則可以得到全聯的胎架地標數據。注意應在支點位置和監控點位置增加地標XY 值以及高度Z 值以控制其線形，且支座點和監控點的胎架數值為主控點數據，應保證其精確性，確保成橋后的設計標高和整體線型滿足設計要求[2]。

由于曹娥江鋼板梁的橋梁縱坡較大，在橋梁縱曲線上，聯次末端的鋼梁胎架高度與聯次起端的鋼梁胎架高度差大約在3 000 mm，在全聯鋼梁節段整體總拼的情況下，會大大增加總拼的難度和安全風險。為保證總拼的效率和安全，在深化設計階段的總拼胎架圖繪制中，可將鋼梁以此聯次鋼梁的起點的胎架為原點，將鋼梁整體向Z 坐標的負向旋轉一角度θ，即可將胎架高度由原豎曲線的Z1值降為旋平后的Z2值。

4 設計原則與設計要點

4.1 深化設計原則

1）根據施工設計圖紙以及圖紙的技術交底文件，在維持鋼板梁結構形式、截面以及連接節點（栓接或者焊接）原設計的基礎上，進行實體放樣[3]，繪制全聯鋼梁的縱曲與平曲線形、端橫梁與中橫梁的結構布置、墩頂與跨中位置的截面、節點細節，并根據生產組織，對梁段分類編碼進行細分，以方便原材料鋼板的規整與號料，方便鋼板梁的節段組拼，梁段預拼裝以及運輸安裝[4]。

2）根據制造車間的生產能力和運輸能力確定深化設計的分段重量和長度。因浙江交工裝備工程有限公司坐落于浙江舟山市，現場橋址位于浙江上虞區，陸路運輸需分別經過桃夭門大橋、西堠門大橋和金塘大橋等舟山跨海大橋，受跨海大橋車道寬度和承重能力限制，在深化設計階段，最大運輸節段寬度為3.75 m，最大運輸節段重量不得超過100 t（含運輸車重）?？紤]到車間生產制造時，鋼板梁均是通過重型組立機實現鋼板梁的工形組立?？紤]到設備的生產能力，綜合車間內的桁車起吊轉運能力，車間內鋼板梁的最大制造節段長度為18 m。

3）在深化設計的放樣過程中，不僅要考慮結構的豎曲變形，還要考慮疊加結構預拱度、車間制造預拱度以及現場支架法安裝在形成連續梁體系之前的安裝預拱度。線形放樣在疊加預拱度之后，應保證在總拼階段，橋梁的整體線形偏差在規范要求的（-3 mm，+10 mm）以內[5]。

4.2 以直代曲深化設計要點

按上述步驟進行以直代曲線設計得到線形后，線形控制還需要滿足以下幾點要求。

1）根據浙江省交通運輸廳 《公路鋼結構橋梁制造指南》（ZJ/ZN2019-14）的要求，鋼板梁試裝時拱度與計算拱度相比的差值應控制在-3～10 mm?？紤]到制造時存在制造誤差，故在進行放樣時，盡量按照+5～+10 mm 的正差值拱度制作，避免出現負差值拱度的情況，制造完成后還需對拱度進行檢測，以保證后續成橋后線形可以控制在標準范圍之內。

2）設計院在繪制鋼板梁拱度圖時，往往按支點向兩邊起拱設計，且為了保證鋼梁的受力性能，在中支點位置的主梁必須按連續制作，不可設置節段斷縫，這導致了在深化設計中，主梁在中支點處向前后兩側的線形都是向上起翹，該處的梁段如果按照直線制作，往往無法滿足規范拱度標準公差要求。故在中支點處的主梁節段必須按實際豎曲線形制作，但在支座墊板前后100 mm 范圍處的梁底線形應按直線制作，使支座墊板可以按照同一個斜面進行加工，確保支座墊板和頂升墊板能夠和鋼梁底面的線形貼合，進而保證支座體系能夠直接將上部結構的荷載有效傳遞至下部基礎。

3）理論上，在以直代曲的鋼梁上安裝預制橋面板，成橋后的橋面系應與結構設計圖一致。所以在確定主梁直線段劃分時，還應考慮將平曲折線的折角點避開主梁栓接縫。若折點設置在主梁栓接縫上可能會導致栓接板與主梁腹板無法密貼，適當調整栓接縫的位置可以避免節段折角的間隙、線形不平順等問題。

4）如果橋面板采用標準預制橋面板，則應根據以直代曲后的線形對全橋的橋面板進行放樣，在每一孔非標準長度主梁處，應將橋面板調整為非標準橋面板，并調整主梁上剪力釘的安裝間距以適配非標準橋面板。若鋼梁以直代曲的整體矢高與原設計相差較小，剪力釘能夠與標準橋面板后澆位置適配，則可以通過微調標準橋面板之間的間距，即調整橫向濕接縫的間距來保證橋面系的整體線形[6]。

5 結語

綜上所述，以直代曲的深化設計方法在鋼板梁的加工制造中能夠實現簡化設計、高效出圖、標準化生產、節約成本的目的，特別是在大力推廣自動化生產行業趨勢下，得到越來越廣泛的應用。在以直代曲的線形能夠滿足施工的條件下，可結合三維建模技術和信息化技術，實現鋼結構橋梁整條制造產業鏈的高效運行。