賈曉軍，馮仁東，劉治國，來梟雄

(1.陜西交通建設集團公司，陜西 西安 710075； 2.中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

0 引言

隨著我國綜合國力的提升、經(jīng)濟的快速發(fā)展以及“一帶一路”倡議深入實施，橋梁形式呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢。鋼-混凝土組合梁橋(見圖1)是繼鋼結構橋梁與混凝土橋梁之后興起的一種新型結構，它通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板連接在一起，使二者形成組合作用共同受力，充分發(fā)揮鋼材抗拉性能和混凝土抗壓性能，同時具有比混凝土結構自重小、比鋼結構剛度大、穩(wěn)定性強、維護方便的優(yōu)勢，避免了鋼橋面鋪裝的疲勞問題。正是由于這些優(yōu)點，鋼-混凝土結合梁在公路、市政、軌道交通和鐵路橋梁領域應用日益廣泛。

圖1 曲線鋼板-混凝土組合梁橋

以大斷面工型桿件為代表的鋼板-混凝土組合梁(以下簡稱“鋼混組合梁”)，作為鋼混組合梁的一種類型，具有結構簡單、線形復雜、組合形式多樣、制造精度要求高的特點，相較于鋼桁橋、鋼箱梁，鋼板梁桿件自重小，滿足各種復雜條件運輸條件，適用于我國廣袤山區(qū)地形及城市復雜環(huán)境，是非常具有競爭力的鋼橋類型。

鋼混組合梁橋在我國的應用實踐尚處于起步階段，主要是在中小跨度橋梁中，多見于引橋和跨線橋結構，仍缺乏相關的設計和建造經(jīng)驗。對復雜曲線耐候鋼板組合梁橋制造線形控制的進一步深入研究，有利于掌握、運用及廣泛推廣此項施工技術，以便為今后類似項目施工提供指導參考。

1 鋼混組合梁橋結構

鋼混組合梁(見圖2)可用于雙向4車道、雙向6車道等多種寬度橋梁，常用跨徑20～100m，經(jīng)濟跨徑在60～100m，連續(xù)鋼混組合梁可由兩跨、三跨、四跨、五跨、六跨等組合形成。

圖2 鋼混組合梁橋斷面

某鋼混組合梁橋左線采用38m+5×45m連續(xù)鋼混組合梁,右線采用41.5m+38m+45m+38m連續(xù)鋼混組合梁，采用頂推方案架設。行車道板寬12.5m，主梁間距6.7m，主梁高2.4m，混凝土行車道板和鋼板梁采用集束式焊釘連接；鋼板梁主要由縱梁、小橫梁、端橫梁、中橫梁及剪力釘組成。縱梁間采用焊接橫梁加強橫向聯(lián)系，支座位置采用中橫梁連接，跨內(nèi)采用小橫梁連接，小橫梁縱向間距9m，縱梁、橫梁均采取焊接連接。

2 施工方案及線形控制難點

2.1 施工方案

鋼混組合梁一般采用“鋼板→部件(單片鋼板梁、橫梁等)→現(xiàn)場拼裝(吊裝節(jié)段)→橋位連接”的生產(chǎn)組織模式。即工廠生產(chǎn)零件及桿件，在橋位拼裝現(xiàn)場進行吊裝梁段制作，橋位進行焊接連接的方案。工廠按施工圖紙及工藝文件進行零件的下料、矯正、加工，并完成部件的組裝、焊接、焊縫檢測、修整等工作。在組裝胎架上完成單元或桿件的組焊，在試裝胎架上進行總體試裝，然后將桿件運至橋位施工現(xiàn)場，在橋位完成鋼板梁吊裝節(jié)段制作。鋼板梁吊裝節(jié)段制作完成后采用頂推施工方案安裝，頂推就位后精確測量安裝位置，最后完成接口連接、橋面板安裝、濕接縫施工等工作。

2.2 鋼混組合梁線形控制難點

橋梁線形是衡量橋梁整體建設質(zhì)量的主要指標之一，線形好壞直接影響橋梁的受力性能和運營安全性。

1)鋼混組合梁橋施工過程復雜、施工工況變化多。

2)需綜合考慮成橋線形、混凝土橋面板自重、焊接變形的影響。

3)整橋線形均由鋼板梁控制，鋼板梁制造時需考慮小半徑S漸變曲線、豎曲線及主梁橫坡高差、連接隧道處轉角。

4)通用類型多，組合形式多樣，相同長度鋼板梁在邊跨、次中跨、中跨等位置時預拱度不同。

鋼板梁整體線形復雜，對組合梁制造線形控制提出更高的制造要求。

3 鋼混組合梁成橋線形控制技術

以往平曲線較大的鋼混組合梁采用“以直代曲”方案，而對于曲線半徑較小的鋼板梁則需采用“曲梁曲做”方案；某項目通過BIM軟件，對鋼板梁縱梁制造精度、吊裝節(jié)段線形、吊裝施工工況分析、吊裝過程線形監(jiān)控、橋面板吊裝順序調(diào)整等方面進行控制，以實現(xiàn)鋼板梁工廠制造、現(xiàn)場拼裝、橋位安裝等全過程線形控制，確保鋼混組合梁的成橋線形達到《公路橋涵施工技術規(guī)范》要求的-3～10mm。

3.1 豎曲線線形控制技術

鋼混組合梁橋的線形包括平面線形和豎向線形，線形控制時需考慮成橋線形、混凝土橋面板自重、制造過程受力工況、焊接變形等因素的影響，其中豎向線形復雜、受自身荷載和支撐狀態(tài)影響大，且控制精度較高，是橋梁線形控制的關鍵之一。

3.1.1鋼板梁制造豎曲線線形

鋼混組合梁理論線形計算時，需考慮施工方法、預制橋面板自重、施工荷載、成橋線形等因素，某大橋鋼主梁的理論預拱度采用余弦曲線法計算，其理論預拱度為：Y=0.5A[1-cos(X/L×2π)]，其中A為跨中預拱度幅值(恒載+1/2活載)，X為到支座距離，L為跨徑。以某鋼板-混凝土組合梁為例，由于部分橋梁位于半徑R=1 350m豎曲線上，為了保證橋梁各聯(lián)間順暢連接，通過計算，圓弧豎曲線對梁段線形的最大影響值約為25mm。為使鋼混組合梁安裝后的線形與成橋線形更接近，故鋼板梁制造豎曲線線形(見圖3)應為“理論預拱度+成橋豎曲線”的疊加線形。

圖3 鋼板梁制造曲線示意

3.1.2施工工況有限元仿真分析

3.1.2.1有限元模型建立

為精確計算橋梁豎曲線線形，采用MIDAS/Civil軟件對鋼板-混凝土組合梁建立橋梁上部結構有限元整體計算模型，對其在恒載及活載作用下的撓度值進行計算分析，從而計算出準確的跨中預拱度幅值。

3.1.2.2施工工況分析

由于某大橋施工總體分為2步，先是采用步履式頂推方式將鋼板梁部分頂推到位，然后在鋼板梁上安裝上部預制行車道板。因而成橋后主梁產(chǎn)生的變形主要分為3個工況：①第1工況 鋼板梁自重及行車道板自重荷載作用下產(chǎn)生的豎向變形；②第2工況 行車道板安裝完，濕接縫澆筑完成后，疊合梁形成整體后承受二期恒載產(chǎn)生的變形；③第3工況 后期活載產(chǎn)生的變形。針對不同施工工況應分別建立相應的模型進行撓度分析。

計算第1工況撓度時應建立單獨的鋼板梁模型，由于頂推工藝的特殊性，橋梁整體始終處于連續(xù)狀態(tài)，只需建立一次成橋模型(見圖4)，進行恒載作用下的靜力分析，第2，3工況撓度計算時應建立鋼混組合梁整體在成橋狀態(tài)下的模型進行分析。

圖4 某大橋鋼板梁整體模型

對某大橋鋼混組合梁跨中最大撓度進行統(tǒng)計，并按(恒載撓度+0.5×活載撓度)計算其跨中撓度幅值(見表1)。

表1 撓度幅值計算結果 mm

由計算結果可看出，某大橋主梁各跨跨中預拱度幅值計算值整體與設計值相符，但個別跨存在較大差異，主要是由于設計過程中考慮的荷載值及施工工藝與實際施工存在一定的差異造成，故實際施工過程中應按現(xiàn)場實際參數(shù)計算出的結果考慮豎曲線的預拱度值。

3.2 工廠鋼板梁制造線形設計

為確保鋼板梁制造線形的精度控制，施工前將鋼板梁通用設計圖紙與路線圖紙結合，綜合考慮鋼板梁的組合形式、施工方案、平曲線、豎曲線、制造預拱度、橫坡高差等因素，通過BIM軟件對連續(xù)鋼板組合梁進行放樣，并與設計圖參數(shù)進行相互校核，提前優(yōu)化解決鋼板梁構件的零件結構、吊裝節(jié)段及鋼板梁與橋面板的連接關系。

1)根據(jù)鋼板梁路線圖，將線路的平曲線按不同圓弧半徑、緩和曲線參數(shù)方程、連接隧道轉角等進行放樣，同時結合設計圖的結構形式、路線的起始里程、組合形式等，標注出道路設計線處的各樁號、鋼板規(guī)格及連接細節(jié)等，設計出鋼板梁橋的平面施工圖。

2)根據(jù)現(xiàn)場頂推、架橋機架設等不同施工方案，結合連續(xù)鋼混組合梁設計預拱度、跨徑組合形式、跨徑位置、成橋線形及制造預拱度，確定連續(xù)鋼混組合梁的制造預拱度。

3)為適應現(xiàn)場快速施工需要，鋼板梁及橋面板均提前預制完成，鋼混組合梁線形基本由連續(xù)鋼混組合梁完成。鋼板梁桿件及吊裝節(jié)段施工詳圖設計時，每隔一定距離設置縱梁上蓋板高程變化的控制點(見圖5)，通過漸變方式實現(xiàn)橋面橫坡變化。

圖5 鋼板梁節(jié)段橫坡變化示意

3.3 鋼板梁制造線形控制技術

山區(qū)曲線鋼板梁多位于圓弧曲線、緩和曲線上，且曲率半徑R較小(R=580，850m，…)，無法采用“以直代曲”方案，因此只能按曲線線形制造鋼主梁。

3.3.1鋼板梁構件制造

在滿足設計要求的前提下，綜合考慮鋼板梁制造、運輸、架設方案等因素，本著盡可能減少現(xiàn)場和橋位作業(yè)量的前提下，將原通用設計圖28，35，38，45m等吊裝節(jié)段組合拆分為3段進行加工制造。制造前根據(jù)施工方案考慮加工工藝量，采用數(shù)控機床進行精密切割下料。

主梁構件組裝時，將主梁腹板放置于組裝胎架上，平面檢測合格后組裝蓋板，控制下蓋板與腹板的垂直度，然后組裝上蓋板，每隔一段距離通過機械調(diào)整裝置頂緊上蓋板，以實現(xiàn)上蓋板與腹板的角度α控制，檢測合格后焊接固定腹板與蓋板；根據(jù)橫梁連接位置及橫坡變化，調(diào)整橫梁連接水平加勁板，確保橫向主梁構件與橫梁連接的受力穩(wěn)定性。焊接完成后，采用大型矯正設備對腹板進行矯正，復測主梁的曲線線形及幾何精度尺寸，合格后焊接剪力釘；橫梁構件制作時，考慮橫梁與主梁的連接，包括蓋板端頭內(nèi)外差值、腹板上下蓋板側及蓋板長度差值等。

3.3.2鋼板梁拼裝胎架設計制作及地面基線設置

鋼板梁現(xiàn)場施工條件各異，受鋼板梁的節(jié)段劃分、橫坡、縱坡、長度等影響，每個吊裝節(jié)段鋼板梁胎架位置及胎架上的支撐高程均有所不同，一般固定胎架難以滿足施工需要。結合項目的結構特點，制作滿足剛度及穩(wěn)定性的鋼凳式組合胎架，采用地腳螺栓與地面固定，實現(xiàn)支撐位置及高程靈活調(diào)整及多施工場地轉場需要。

以通用鋼板梁類型為基準，基線宜設置在主梁、支座等位置，滿足多種組合形式，綜合考慮主梁中心距、支座位置、梁段端頭位置等因素，以組合梁主梁中心距為基準設置2條縱向基線，以組合梁的支座位置、梁段長度位置為基準，設置4條橫向基線。吊裝節(jié)段主梁組拼時，調(diào)整測量控制點與基線偏差可實現(xiàn)平曲線控制，測量控制點高程可實現(xiàn)預拱度、橫坡變化，實現(xiàn)鋼板梁線形控制。

3.3.3鋼板梁吊裝節(jié)段平豎曲線控制技術

鋼板梁現(xiàn)場吊裝節(jié)段拼裝是保證橋位順利架設的關鍵工序，拼裝的精度和質(zhì)量直接影響橋位的安裝質(zhì)量。吊裝節(jié)段制作工藝須合理、經(jīng)濟可行；吊裝節(jié)段除本身滿足規(guī)范要求的同時，還需考慮連續(xù)鋼混組合梁累積公差，在預拼節(jié)段盡量消除；鋼主梁構件制造線形已在工廠制造階段得到控制，吊裝節(jié)段制造時更側重于吊裝節(jié)段梁長、箱口尺寸、平豎曲線、橫坡等關鍵控制點的控制。

1)對吊裝節(jié)段進行模擬預拼裝，綜合設計尺寸、累積偏差、溫度影響等因素，將擬建橋梁空間測量點分解，將空間坐標測量定位簡化為二維平面定位測量，將45m大跨度測量轉換為基線偏差測量，拱度、橫坡轉換為高程測量，測量作業(yè)強度、測量技能要求大幅度降低，同時測量精度有效提升。

2)按鋼板梁吊裝節(jié)段結構及組合形式，現(xiàn)場調(diào)節(jié)布設拼裝胎架平面位置及高程。

3)主梁擺放時，以基線為基準，調(diào)整主梁構件兩端測量控制點與地面基線的距離，使各控制點滿足平面曲線偏差及勻順性要求。檢測合格后定位縱梁節(jié)段，依次組裝剩余縱梁節(jié)段及橫梁構件。

4)定位后同理依次初步定位其余縱梁桿件及橫梁。注意控制組裝間隙、焊接錯臺量，將擺放好的鋼梁用倒鏈進行安全支護防止傾倒。

5)測量吊裝節(jié)段整體長度、主梁間距、平曲線偏移、箱口尺寸等測量控制尺寸，檢測合格后，采用水準儀測量控制點高程，保證吊裝節(jié)段橫坡、預拱度值合格(考慮焊接變形，預拱度可考慮一定工藝量)，各項指標合格后對吊裝節(jié)段進行精確定位。

6)將主梁節(jié)段焊接成整體，復核主梁預拱度及橫坡，如出現(xiàn)超過允許誤差現(xiàn)象則需進行相應調(diào)整；調(diào)整合格后完成橫梁焊接相關工序。

7)全面檢測鋼板梁吊裝節(jié)段的平面線形和預拱度精度，測量記錄吊裝節(jié)段箱口尺寸、支座距離、支座錯位偏差等檢測指標，分析吊裝節(jié)段施工前后變化，并合理進行優(yōu)化。

3.4 鋼板梁安裝線形控制

由于山區(qū)地形條件復雜，對于難以采用架橋機或履帶式起重機架設的鋼板梁橋，可采用頂推法架設，因此開發(fā)了鋼板梁同步聯(lián)動頂推系統(tǒng)，該系統(tǒng)在計算機控制下可實現(xiàn)鋼板梁的水平頂推、頂升、水平橫移，同時也能實現(xiàn)豎向自動調(diào)節(jié)，適應梁體豎向線形和平整度偏差，在鋼板梁安裝線形控制方面發(fā)揮了重要作用。

1)鋼混組合梁頂推作業(yè)前，在每跨主梁節(jié)段側面的1/2，1/4及支點處設置測量反射片，作為鋼板梁頂推過程中線形控制的目標。

2)頂推施工過程中，對鋼板梁的撓度、縱向位移、頂推力大小、臨時支架豎向和橫向位移等進行監(jiān)測，當橫向或豎向位移偏差值≥10mm時進行頂推糾偏。

3)在鋼板梁頂推就位后，落梁時需確保各墩支點處豎向頂升千斤頂?shù)耐叫?，避免鋼混組合梁局部應力集中，導致鋼板梁發(fā)生扭曲或變形。

4)當鋼板梁降落至設計高程時，精確復核鋼板梁支點高程及各跨預拱度(見圖6)，預拱度≥15mm時，可對支點處高程進行調(diào)整，以確保橋面鋪裝層厚度。

圖6 鋼板梁頂推過程及成橋線形

4 結語

在對山區(qū)鋼混組合梁結構特點分析的基礎上，通過有限元分析計算、鋼板梁工廠制造線形控制、吊裝節(jié)段線形控制、頂推施工預拱度有效控制，使鋼混組合梁架設成橋后的平曲線、豎曲線線形達到設計要求，得出以下結論。

1)施工過程中的結構形式與設計成型狀態(tài)有較大差別，施工順序與施工方式對復雜結構的建造過程及最終成型的竣工狀態(tài)都有很大影響，需在結構設計與施工中加以考慮。

2)鋼板梁構件工廠平曲線、豎曲線控制精度和吊裝節(jié)段現(xiàn)場拼裝精度是確保成橋線形的關鍵。

3)采用施工仿真、BIM建模對鋼混組合梁制造線形設置、施工圖設計會產(chǎn)生較大影響，通過仿真分析施工過程中的不確定因素，對鋼混組合梁施工工況進行綜合計算分析，可有效保證鋼混組合梁線形精度控制及制造質(zhì)量。