钢板梁以直代曲的深化设计方法

王国庆，林彬

（浙江交工装备工程有限公司，浙江舟山 316000）

1 引言

随着交通建设行业的蓬勃发展，国家“十四五”规划纲要中也明确提出统筹推进传统基础设施和新型基础设施建设，打造系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系，加快交通、市政行业的传统基础设施的数字化、智能化改造。作为基础建设中的重要组成部分，大型桥梁，特别是大型钢结构桥梁，在国家基础设施建设的浪潮之下迎来了一个全新的时代，其制造需要向智能化、自动化、高效化方向迈进。杭绍甬智慧高速项目作为国内智慧化桥梁建设的先行军，钢梁的智能化制造是本项目高质高效的亮点之一。由于全线范围内存在诸多形式的跨线跨河段钢板梁，因此，如何快速、准确地进行钢板梁的深化设计和加工制造成为一个新的研究课题。

2 工程概况

本文以杭绍甬高速项目的曹娥江大桥引桥为例，分析钢板梁以直代曲深化设计方法。曹娥江大桥引桥分为东西两侧各两个联次，桥梁结构为钢板组合梁连续刚构桥，跨径布置为50.6 m×4+50.6 m×5+50.6 m×5+50.6 m×4，全桥平面分别位于半径R 为7 500 m 的圆曲线（第一、二联）和直线（第二、四、五联）上，纵断面位于半径20 000 m 的竖曲线上，桥面横坡为双向2%。

桥梁分为左右两幅，单幅为4 片主梁，共计8 片主梁。主梁跨径线平行于道路设计线，圆曲线形式的跨径线沿圆曲线半径方向向外依次增加，因此，左幅主梁长度大于右幅主梁长度。在土建施工图中，曲线梁的梁段长度按照桥梁中心线长度统一绘制，车间进行梁段生产时，需参考曲梁参数表，进行实际线形放样确定曲线梁长和横梁连接位置，确保在全桥范围内能够与钢梁顶面预制混凝土桥面板适配，形成钢板叠合梁体系。主梁平曲图如图1 所示，第二联、第四联、第五联平曲图与第一联相似，此处不再展开描述。

图1 第一联主梁平曲图（圆曲线）

3 深化设计方法

以曹娥江引桥第一联为例（平曲位于半径7 500 m、左偏的圆曲线上，纵曲线位于半径20 000 m 的圆上）。

3.1 平曲线线形放样

根据结构设计图绘制原始的平曲线、跨径线、栓接缝线及支座位置。在原始钢梁的平曲线基础上，根据桥梁路线的设计线用一段直线连接5#墩与4#墩支点并延伸到栓接缝线，以保证墩顶位置的连续。再以该直线与栓接缝的交点连接到3#墩支点并再延伸至下一条栓接缝。其他梁段按此步骤连续绘制，继而得到整联桥的以直代曲后的线形。鉴于桥梁设计路线为圆曲线，则以道路设计线为基准，沿道路设计线圆曲线半径方向，位于左幅的主梁长度均大于道路设计线长度，并依次增加，位于右幅的主梁长度均小于道路设计线长度，并依次减小。为方便钢板梁自动化生产线的梁段标准化制造和施工，深化设计阶段将梁段设计为标准节段为主，非标准节段进行长度调节的节段方案，将路线圆曲线内外圆弧长度变化引起的变化值放在每跨内的一根非标准节段内。以第一联为例，左右幅一共有8 根主梁，纵向分为19 根节段，一共有152 根主梁节段。按此方法绘制，可得120 根标准长度主梁节段和32 根非标准长度主梁节段。

3.2 竖曲线线形放样

根据设计图绘制沿道路设计线展开的桥梁纵曲线，并在此基础上叠加预拱度，包括设计预拱度和制造预拱度，并按展开线的水平长度确定梁段划分线、栓接缝线及支座位置[1]。用直线连接每根梁段划分线与竖曲线的交点，注意需要按照规范要求（-3 mm，+10 mm）控制梁段直线与叠加拱度竖曲线的高度差值，如果梁段上的任意一点与所连直线的差值不在上述区间内，则对梁段两端点进行抬高或降低调整，抬高和降低的数值仍需保证在（-3 mm，+10 mm）的范围内，将调整后的两端点再用直线相连，则为本段内竖曲线上以直代曲的梁段划分。若上述方案仍满足不了预拱度的偏差要求，则说明梁段划分的长度过大，需在平曲线的节段划分方案中重新调整节段划分长度，再重复上述步骤进行纵曲线的以直代曲。其他部分按此步骤继续绘制，继而得到整联桥的以直代曲后的线形。

另一方面，为减少钢梁的节段数量以及相应的连接缝（主要是指制造节段之间的焊接缝），节段长度在能够满足车间钢板梁自动化组立、焊接和以直代曲线形的情况下取较大值。

3.3 绘制地标和总拼胎架图

地标和总拼胎架数据是控制平曲、纵曲线形的重要数据。在以直代曲后的平面线形图上确定出每段直线主梁两端点的XY 值作为主梁节段的地标点，为保证试拼装阶段钢梁节段在胎架上的稳固，在距离主梁接缝左右各1 m 处分别设置一个胎架并根据纵曲线以直代曲后的线形数据提供高度Z 值，则可以得到全联的胎架地标数据。注意应在支点位置和监控点位置增加地标XY 值以及高度Z 值以控制其线形，且支座点和监控点的胎架数值为主控点数据，应保证其精确性，确保成桥后的设计标高和整体线型满足设计要求[2]。

由于曹娥江钢板梁的桥梁纵坡较大，在桥梁纵曲线上，联次末端的钢梁胎架高度与联次起端的钢梁胎架高度差大约在3 000 mm，在全联钢梁节段整体总拼的情况下，会大大增加总拼的难度和安全风险。为保证总拼的效率和安全，在深化设计阶段的总拼胎架图绘制中，可将钢梁以此联次钢梁的起点的胎架为原点，将钢梁整体向Z 坐标的负向旋转一角度θ，即可将胎架高度由原竖曲线的Z1值降为旋平后的Z2值。

4 设计原则与设计要点

4.1 深化设计原则

1）根据施工设计图纸以及图纸的技术交底文件，在维持钢板梁结构形式、截面以及连接节点（栓接或者焊接）原设计的基础上，进行实体放样[3]，绘制全联钢梁的纵曲与平曲线形、端横梁与中横梁的结构布置、墩顶与跨中位置的截面、节点细节，并根据生产组织，对梁段分类编码进行细分，以方便原材料钢板的规整与号料，方便钢板梁的节段组拼，梁段预拼装以及运输安装[4]。

2）根据制造车间的生产能力和运输能力确定深化设计的分段重量和长度。因浙江交工装备工程有限公司坐落于浙江舟山市，现场桥址位于浙江上虞区，陆路运输需分别经过桃夭门大桥、西堠门大桥和金塘大桥等舟山跨海大桥，受跨海大桥车道宽度和承重能力限制，在深化设计阶段，最大运输节段宽度为3.75 m，最大运输节段重量不得超过100 t（含运输车重）。考虑到车间生产制造时，钢板梁均是通过重型组立机实现钢板梁的工形组立。考虑到设备的生产能力，综合车间内的桁车起吊转运能力，车间内钢板梁的最大制造节段长度为18 m。

3）在深化设计的放样过程中，不仅要考虑结构的竖曲变形，还要考虑叠加结构预拱度、车间制造预拱度以及现场支架法安装在形成连续梁体系之前的安装预拱度。线形放样在叠加预拱度之后，应保证在总拼阶段，桥梁的整体线形偏差在规范要求的（-3 mm，+10 mm）以内[5]。

4.2 以直代曲深化设计要点

按上述步骤进行以直代曲线设计得到线形后，线形控制还需要满足以下几点要求。

1）根据浙江省交通运输厅 《公路钢结构桥梁制造指南》（ZJ/ZN2019-14）的要求，钢板梁试装时拱度与计算拱度相比的差值应控制在-3～10 mm。考虑到制造时存在制造误差，故在进行放样时，尽量按照+5～+10 mm 的正差值拱度制作，避免出现负差值拱度的情况，制造完成后还需对拱度进行检测，以保证后续成桥后线形可以控制在标准范围之内。

2）设计院在绘制钢板梁拱度图时，往往按支点向两边起拱设计，且为了保证钢梁的受力性能，在中支点位置的主梁必须按连续制作，不可设置节段断缝，这导致了在深化设计中，主梁在中支点处向前后两侧的线形都是向上起翘，该处的梁段如果按照直线制作，往往无法满足规范拱度标准公差要求。故在中支点处的主梁节段必须按实际竖曲线形制作，但在支座垫板前后100 mm 范围处的梁底线形应按直线制作，使支座垫板可以按照同一个斜面进行加工，确保支座垫板和顶升垫板能够和钢梁底面的线形贴合，进而保证支座体系能够直接将上部结构的荷载有效传递至下部基础。

3）理论上，在以直代曲的钢梁上安装预制桥面板，成桥后的桥面系应与结构设计图一致。所以在确定主梁直线段划分时，还应考虑将平曲折线的折角点避开主梁栓接缝。若折点设置在主梁栓接缝上可能会导致栓接板与主梁腹板无法密贴，适当调整栓接缝的位置可以避免节段折角的间隙、线形不平顺等问题。

4）如果桥面板采用标准预制桥面板，则应根据以直代曲后的线形对全桥的桥面板进行放样，在每一孔非标准长度主梁处，应将桥面板调整为非标准桥面板，并调整主梁上剪力钉的安装间距以适配非标准桥面板。若钢梁以直代曲的整体矢高与原设计相差较小，剪力钉能够与标准桥面板后浇位置适配，则可以通过微调标准桥面板之间的间距，即调整横向湿接缝的间距来保证桥面系的整体线形[6]。

5 结语

综上所述，以直代曲的深化设计方法在钢板梁的加工制造中能够实现简化设计、高效出图、标准化生产、节约成本的目的，特别是在大力推广自动化生产行业趋势下，得到越来越广泛的应用。在以直代曲的线形能够满足施工的条件下，可结合三维建模技术和信息化技术，实现钢结构桥梁整条制造产业链的高效运行。