李恩良

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

1 概述

客運專線鐵路行車速度高,對橋梁等基礎設施的受力和線形的要求亦很高[1,2]。相對于一般拱橋而言,尼爾森體系提籃拱橋結構更加穩(wěn)定、縱橫向剛度更大、動力性能更好、造型更加美觀[3-5],但由于提籃拱橋拱肋向內傾斜而增加了拱肋空間定位及施工的復雜性[6,7]。就國外客運專線的建設情況而言,大跨度提籃拱橋在高速鐵路中的應用很少,而我國將跨度大于100 m的提籃拱橋應用于高速鐵路之中在全球尚屬先例[8,9]。提籃拱橋拱肋的空間定位是否準確對整個結構受力的影響較大,而拱肋空間坐標的計算和施工控制都相當復雜,影響因素也較多,比如系梁預應力張拉引起的縱向壓縮的影響、拱肋豎向預拱度的影響[10]、線路縱坡的影響以及安裝溫度的影響等,因此要確保橋梁的結構受力與原設計更加接近,就必須嚴格控制拱肋安裝時的坐標定位。下面結合武廣客運專線上一座尼爾森體系提籃拱橋的施工實踐來闡述提籃拱橋拱肋的安裝定位計算方法。

2 工程概況

武廣客運專線某特大橋以1-112 m尼爾森體系鋼管混凝土提籃拱的形式跨越京珠高速公路,與公路軸線夾角為35.3°,橋上鋪設CRTSⅠ型無砟軌道,設計時速350 km。該提籃拱全長116 m,計算跨徑112m,系梁為單箱三室預應力混凝土箱梁,梁寬17.8 m,梁高2.5 m,混凝土強度等級為C50。

拱肋軸線線形為懸鏈線,拱軸線面內方程為y0=f(ch kξ-1)/(m-1),m=1.347,ξ=2x/l0,k=ln(m+),坐標原點為拱頂中心點。拱肋在橫橋向內傾9°,形成提籃式,拱肋平面內矢高為22.4 m,矢跨比為1/5。鋼管拱肋橫截面為啞鈴形,鋼管直徑1.2 m,截面高3.0 m,上、下管和腹腔內均填充C55微膨脹混凝土。2個拱肋之間設5道橫撐,拱頂橫撐為X形,其余為K形,如圖1所示。

圖1 1-112 m提籃拱立面布置(單位:cm)

該提籃拱采用“先梁后拱”的施工方法施工。對拱部而言,首先在系梁上搭設拱肋臨時支架,然后逐段對稱吊裝拱肋,并安裝橫撐。拱肋、橫撐合龍焊接完成后依次澆筑下管、上管、腹腔內的混凝土,待混凝土達到設計強度后“從中間向兩邊”對稱拆除拱肋臨時支架,然后再進行其他部分的施工。

3 拱肋定位測點的選取

拱肋施工采取的方案為:單片拱肋分7段在工廠預制,其中2段為拱腳預埋段,其余5段為現(xiàn)場拼接段。施工時采用150 t履帶吊車將每段拱肋吊放在支架上,并進行測點坐標調整、定位。由于現(xiàn)場條件比較復雜,根據(jù)大橋現(xiàn)場的地形條件和視野開闊條件,對拱腳預埋段和其余拼接段采取不同的定位測點。

3.1 拱腳預埋段定位測點的選取

拱腳預埋段的定位是整個拱肋定位的基礎,直接關系到其他拱段的定位和精確合龍,在定位時每段拱腳預埋段上選取3個測點,從而能夠確定一個平面?？紤]到拱腳預埋段固定支架較多,且與之相鄰跨的簡支梁已經架設,調整測點坐標時全站儀建立測站的位置非常有限,因此選擇測點如圖2所示。

圖2 拱腳預埋段測點布置(左)、現(xiàn)場照片(右)

3.2 現(xiàn)場拼接段定位測點的選取

現(xiàn)場拼接段吊放在臨時支架上后需要在接口位置進行臨時支撐,并用千斤頂進行調整,這樣,每段拱肋與前一段的接縫位置就有比較多的臨時設施障礙視線,這時如果參照拱腳預埋段選擇測點顯然不合適。再者,如果測點距離接縫位置太近,焊接時產生的高溫容易將測點破壞掉,影響成拱以后其他階段拱肋線形的測量工作,且拱段的下端口需要跟前一段拱肋對接,因此只需調整拱段上端的空間位置。綜合考慮以上因素及現(xiàn)場條件,選擇拱段上弦管和下弦管內側管壁外緣的上端距離管口500 mm的位置作為測點,每個拱段選取2個測點,如圖3所示。

選定測點位置后,告知鋼結構加工方,在拱肋鋼管出廠前對拱肋測點進行打點標識,以便安裝時能夠準確找到測點位置并粘貼反射片,并且要根據(jù)測點位置計算出精確的坐標,以便進行精確定位。

圖3 拱肋拼接段測點布置(左)、現(xiàn)場照片(右)(單位:mm)

4 拱肋測點坐標計算方法

影響拱肋空間定位的因素比較多,如系梁壓縮引起的縱向預偏量、拱肋豎向預拱度、線路縱坡的影響等,這些因素的影響均應在坐標計算中得到體現(xiàn)。

4.1 拱肋測點坐標系及其轉換

拱軸方程坐標系原點一般為拱頂點,考慮到施工測量時的方便性,在進行坐標計算時將坐標系轉換為以小里程側兩片拱肋起拱點連線的中點為原點。這里首先闡述一下坐標轉換過程中用到3個坐標系及其之間的轉換關系,如圖4所示。

圖4 測點坐標轉換(單位:m)

(1)拱軸方程坐標系:該坐標系以拱軸線的拱頂中心點為原點,以水平向左為x0向,以豎直向下為y0向,稱之為x0-y0平面坐標系。

(2)拱平面計算坐標系:該坐標系以小里程側的起拱點為原點,以大里程方向為x向,以拱平面內向上為y向,稱之為x-y平面計算坐標系。

(3)全橋空間計算坐標系,該坐標系以小里程側兩片拱肋起拱點連線的中點為原點,以大里程側為X向,以豎直向上為Y向,以面向大里程的右手側為Z向,稱之為X-Y-Z空間計算坐標系。

任取一段拱肋為研究對象,m為拱軸線上任意一點,設線路縱坡為i,與m點處對應的系梁縱向預偏量為 Δx,拱肋豎向預拱度為 Δy,拱橋計算跨徑為 l,橫橋向兩片起拱點間的距離為B,m點處拱軸線的切線與水平線的夾角為 α,則m點在x0-y0平面坐標系中的坐標為

則m點在x-y平面坐標系中的坐標為

夾角

同樣,m點在X-Y-Z空間坐標系中的坐標為

4.2 不考慮影響因素的測點坐標公式推導

首先撇開系梁縱向預偏、拱肋預拱度、線路縱坡等因素,根據(jù)圖4中各特征點的空間位置關系可推出上管中心m1點、下管中心m2點的坐標為

則上管上緣測點s1、下管下緣測點s2的坐標為

上管內側測點n1、下管內側測點n2的坐標為

4.3 考慮影響因素的測點坐標公式推導(圖5)

基于上面的推導過程,考慮系梁壓縮的縱向預偏量 Δx、拱肋的豎向預拱度 Δy后的測點坐標為

圖5 線路縱坡對測點坐標的影響示意

結合圖5,X-Y-Z坐標系內,不考慮線路縱坡時m點坐標為(X1,Y1,Z1),考慮線路縱坡后m點坐標為(X2,Y2,Z2),線路坡度為i,則這2個坐標的關系為

也即考慮線路縱坡影響后的測點坐標為

上述計算公式中,把式(2)代入式(11)即得到拱腳預埋段測點s1、s2的坐標計算公式,把式(2)代入式(12)即得到現(xiàn)場拼接段測點n1、n2的坐標計算公式。式子中的系梁預偏量 Δx、拱肋上任一點的豎向預拱度Δy可以通過結構分析計算得到,線路縱坡i根據(jù)實際情況確定,x值根據(jù)拱肋出廠時的分段位置確定。

上述推導公式在該提籃拱的拱肋施工中得到了成功的應用,確保了該1-112 m提籃拱的高精度合龍。

5 結語

提籃拱橋拱肋的空間位置和精確合龍對整個結構的受力和線形的影響較大,鐵路客運專線橋梁設計等級高,對結構受力和線形的要求也比較嚴格,因此要保證拱肋的精確定位和合龍,就必須在拱段定位測點坐標計算中考慮系梁預應力張拉引起的預偏量、結構豎向預拱度以及線路縱坡等因素的影響,以工程實例為背景,考慮了上述因素的影響,推導出了拱肋安裝時的測點定位坐標的計算公式,為整座大橋的精確合龍奠定了堅實的基礎,同時對同類橋梁的拱肋施工也具有一定的參考意義。

[1] TB 10621—2009,高速鐵路設計規(guī)范(試行)[S].

[2] 雷為民.客運專線軌道的平順性和穩(wěn)定性分析[J].鐵道工程學報,2005(5):25-27.

[3] 馮楚橋.高速鐵路無砟軌道112 m尼爾森體系提籃系桿拱橋設計[J].鐵道工程學報,2007(增刊):232-239.

[4] 張慶明,周罡.大跨徑提籃拱的拱肋側傾角對穩(wěn)定性影響的研究[J].橋梁建設,2007(4):32-34.

[5] 馬繼兵,蒲黔輝,夏招廣.鐵路尼爾森體系提籃拱橋動載試驗與車橋耦合震動分析[J].振動與沖擊,2008,27(7):174-177.

[6] 盧家友.鄭西客運專線跨310國道提籃拱橋拱肋安裝施工技術[J].鐵道標準設計,2009(7):47-19.

[7] 陳 強,王樹國,彭學理,等.宜萬鐵路落布溪大橋提籃型拱肋鋼管骨架吊裝方案計算[J].鐵道標準設計,2010(8):178-181.

[8] 王召祜.客運專線橋梁設計與研究[J].鐵道標準設計,2005(4):26-31.

[9] 陳夏新.客運專線橋梁結構類型選擇與探討[C]∥鐵路客運專線建設技術交流會論文集.北京:172-180.

[10]王 波,杜國平,周水興,等.三肋拱橋主拱懸拼安裝節(jié)段預抬量的確定[J].中外公路,2009(2):120-122.