大跨径内倾式钢箱系杆拱桥施工监控拱肋定位测量技术

王陆军

(中南安全环境技术研究院股份有限公司,湖北 武汉 430051)

为适应现代化发展需要,下承式系杆钢拱桥因其造型优美、跨径大、自重轻、施工周期短等诸多优点成为城市跨主干道、跨江、跨河等市政桥梁的首选之一。钢拱桥拱肋安装通常采用逐段拼装方法进行施工[1,2],为了保障钢拱桥的整体线形和结构内力满足设计及规范要求,因此在安装过程中需要确保拱肋各节段精确定位。以往对大跨径系杆拱桥国内外学者的关注点集中在结构参数敏感性分析和吊杆张拉顺序上,而较少关注拱肋安装定位测量技术,对于内倾式拱肋研究更少[3,4]。下面以新建湄池大桥主桥为工程背景,结合桥梁施工监控计算,研究分析下承式系杆拱桥内倾式钢箱拱肋安装定位测点的坐标计算和测量[5,6],实现了拱肋精确合龙。

1 桥梁概况

图1 主桥立面图(单位:cm)

图2 主桥平面图(单位:cm)

主桥采用“先梁后拱”的少支架施工方法施工,即在满足通航净空的情况下,在水中打入临时钢管桩,并采用型钢为横撑、斜撑连接。在钢管桩上面安放双拼工字钢,然后现场吊装预制箱型系梁和工字横粱在双拼工字钢上,待系梁和横梁定位、焊接等工序完成后,在箱型系梁和工字横梁上搭设拱肋临时支架,然后采用浮吊进行吊装施工逐段对称吊装拱肋,并安装横撑,待拱肋安装定位、焊接等工作完成后进行焊缝检测,合格后再从中间向两边对称拆除拱肋临时支架,然后进行后续工序的施工。

2 施工监控计算

施工监控计算就是利用建立的监控计算体系对桥梁施工过程中各阶段结构的应力和位移状态以及施工控制参数进行计算及预测,为施工提供施工控制目标值,保证施工的顺利进行并使结构最终达到或接近设计要求的成桥状态。

大跨度拱桥施工监控计算应实现校核设计参数、提供施工阶段理论状态线形及内力数据、识别与调整结构偏差、预测成桥状态、提供用于指导施工的控制数据等目标。

拱桥各主要构件一旦施工形成,偏差调整的余地就比较小。为使最终成桥状态与设计目标状态接近,需要在加工、制造、安装各阶段进行必要控制。为保证设计的线形和结构内力能够实现,在开展具体监控工作以前,必须以理论参数为基础,依据拟定的施工方案,对结构进行全过程的理论计算,以全面确定结构各部分的理论数据,作为后期监控的控制目标。

主桥计算分析主要采用桥梁专用有限元计算程序建立三维空间有限元模型。结合本桥的结构特点,合理确定成桥时的主梁、拱肋成桥线形,按照确定后的成桥目标,并考虑荷载计算施工预拱度,考虑成桥运营后车辆活载计算成桥预拱度,即结构预拱度=施工预拱度(结构恒载引起的竖向位移)+成桥预拱度(1/2车道静活载引起的竖向位移),主桥拱肋吊装划分截面测点竖向预拱度如表1所示。

表1 拱肋竖向预拱度计算表

3 拱肋加工及定位测点选取

主桥拱肋单侧划分为13个节段,全桥合计共26个节段。每个节段均在钢结构加工厂预制加工,由于拱肋节段之间为焊接连接,受焊缝宽度等条件限制,现场调整线形的余地有限,制造线形的精度将直接影响甚至决定成桥后主纵梁桥面线形和拱轴线线形,因此加工制作完成后须在专用的胎架进行预拼装,检验节段间接口的匹配精度和桥梁整体线形精度,这道工序在钢结构桥梁制造过程中非常重要,其目标是通过对制造过程的质量预控来保证现场安装施工的精度。待拱肋预拼装精度满足规范要求后,在每一节段前端四个角点进行打点标识,如图3所示,以便安装时能够准确找到测点位置,并根据测点位置计算出精确坐标,以便现场安装时精确定位。

图3 主桥拱肋定位安装测点示意图(单位:cm)

4 拱肋定位测点空间三维坐标计算方法

4.1 拱肋测点坐标系及其转换

相较于以往拱肋无内倾角的下承式系杆拱桥而言,主桥因其拱肋内倾10°的存在不仅增加了拱肋空间定位坐标计算的难度,同时对现场拱肋安装精度控制也提出了更高的要求,为了满足现场拱肋安装定位测量的高效性、实用性,首先要建立3个坐标系:拱轴线坐标系、拱轴线投影坐标系、空间三维坐标系,如图4所示。并分析三者之间的转换关系,以便现场进行拱肋测点坐标计算。

图4 测点坐标转换示意图(单位:cm)

(1)拱轴线坐标系:(x0-y0),坐标原点O0设在拱脚处,顺桥向为x0轴正方向,竖直方向倾斜10°为y0轴正方向,以下简称(x0-y0)坐标系。

(2)投影平面坐标系:(x-y),坐标原点O设在拱脚处,顺桥桥向为x轴正方向,竖直向上为y轴正方向,以下简称(x-y)坐标系。

(3)空间三维坐标系:(X-Y-Z),坐标原点O设在小里程左右侧拱轴线两拱脚的连线中心处,顺桥向为X轴正方向,竖直向上为Y轴正方向,横桥向右侧为Z轴正方向,以下简称(X-Y-Z)坐标系。

任取单侧一部分拱肋作为研究对象,点A为拱轴线上任意一点,首先根据拱轴线方程求出其方程的导数,利用其导数方程计算该截面与平面之间的夹角,计算步骤如下。

(1)

拱肋内倾10°拱轴线方程

(2)

拱轴线上任一点切线斜率

k=y2tanα

(3)

拱肋内倾10°拱轴线上任一点与水平线夹角

(4)

再通过3个坐标系转换可知,点A在(X-Y-Z)空间三维坐标系中的坐标为

(5)

4.2 不考虑影响因素的测点坐标公式推导

根据图4中各特征点的空间位置关系和公式(1)～公式(5)可推导出钢箱拱肋顶板点A1、底板中心点A2的空间坐标为

(6)

现场钢箱拱肋顶板点B1、B2,底板点B3、B4的空间坐标为

(7)

(8)

4.3 考虑影响因素的测点坐标公式推导

结合以上的推导过程,考虑拱肋压缩的纵向预偏量△x以及竖向预拱度△y,根据图纸计算出拱轴线O点绝对高程H,则钢箱拱肋顶板点B1、B2,底板点B3、B4的空间坐标为

(9)

(10)

式中:y1为拱轴线导数方程;y2为拱肋内倾10°拱轴线方程;x为距拱轴线O点的距离,m;k为拱轴线上任意一点切线斜率;α为拱肋内倾10°拱轴线上任一点与水平线夹角,(°);X为里程,m;Y为高程,m;Z偏距,m;B为横桥向左右侧拱肋拱轴线O点间的距离,m;△x为拱肋压缩的纵向预偏量,m;H为拱轴线O点绝对高程;△y为拱肋竖向预拱度,m。

5 拱肋安装监控测量

5.1 测量控制网建立

湄池大桥工程平面坐标系统采用2000国家大地坐标系,中央子午线为东经120°30′,高程采用1985国家高程基准。为了提高测量精度和方便现场施工监控测量,根据湄池大桥工程的具体条件和特点,建立三维坐标控制网,方便现场桥梁施工各工序下对钢箱系梁、拱肋安装、拱肋支架等的下挠、轴线偏位、变形测量,并定期对控制点进行复测,保证测量精度。

5.2 测量坐标系建立

为了方便现场施工测量,提高工作效率,桥梁坐标测量常用的方法有两种。第一种是整体坐标系法,即把项目路钱的平曲线、竖曲线要素输入线路测量计算软件中,根据里程桩号和偏距换算某一点坐标,这种方法对数据整理工作量比较大,计算稍显复杂。第二种是局部坐标系法,首先建立桥梁局部坐标系,再根据测量控制点坐标和桥梁的相对关系,换算出控制点的相对坐标,此种方法较第一种方法而言计算测点坐标工作量小,实用性也更高,后续施工测量时无论是采用一般建站还是后方交会测量,所测得的数据都能直观的反应测点的里程桩号,偏距和高程,同时也利于拱肋安装时现场工人的调试。

5.3 拱肋施工监控测量

(1)拱肋节段吊装测量

拱肋安装定位的重点在于测量精度控制。主桥拱肋钢箱截面尺寸和自重均较大,安装定位涉及工序环节多而细致,所以严格控制安装精度是重中之重,假如安装精度不够可能会影响后续节段的线形控制,进而影响拱肋整体线形和桥梁结构受力的安全性。为了保证拱肋安装时的精度,施工监控测量一般在早上太阳出来之前,或者日照影响不大、温度相对稳定的时间段内进行,尽量减少温度变化和其他震动源等不利因素的影响,同时为了减小测量误差,工程配备了高精度的测量仪器进行拱肋节段的安装和监控量测,并按规定要求对设备进行周期检定,每次测量前检查仪器设备是否正常完好,以此保证拱肋线形控制达到预期目标。

在首节钢箱拱肋安装定位完成以后,后续节段安装前均应对前一节段测点坐标进行复核,防止阳光和温度、拱肋支架变形、焊接作业等对拱肋产生的变形而不知,保证拱肋线形处于可控状态。

(2)拱肋合龙段吊装测量

合龙段是整个拱肋安装的关键阶段,选择合适的温度合龙,对拱肋的线形及结构内力至关重要。因此在拱肋合龙前,要对拱肋关键截面测点进行通测,与理论值进行对比,一旦结果异常,需及时查明原因。同时应密切关注天气预报情况,利用测温仪连续多天观测温度变化情况,并分别在早晨、中午、夜间对合龙口拱顶挠度进行持续性测量,记录不同温度下的挠度值,通过理论数据分析,为后续合龙段安装定位提供合理的时间段,确保合龙时环境温度与设计温度达到一致,以此保证合龙段精确合龙。

(3)拱肋线形测量

拱肋全部安装后应对拱肋线形进行通测,测点纵桥向布置在拱脚、L/8、L/4、3L/8、L/2处,如图5所示。横桥向布置在拱肋顶板两侧,如图6所示。通过通测拱肋线形获取已形成的结构的实际几何状态,对后续施工控制、预报非常关键。

图5 拱肋合龙后线形测试断面示意图(单位:cm)

图6 拱肋合龙后线形测点示意图(单位:cm)

6 结 论

综上所述,拱肋安装定位精度的控制是下承式系杆拱桥施工工序的重点,精度控制是否符合要求将直接影响桥梁结构内力和后续成桥线形。以新建湄池大桥主桥为工程背景,结合桥梁施工监控计算,考虑了拱肋压缩的纵向预偏量以及竖向预拱度,研究分析下承式系杆桥内倾式钢箱拱肋安装定位测点的坐标计算和测量,实现了拱肋精确合龙,为今后同类桥梁拱肋安装定位提供了参考。