空间扭曲纵、横拱的制造工艺研究

2023-07-01 理论教育版权反馈

【摘要】：主桥另一侧以主桥中心点为对称点布置相同的纵、横拱。纵、横拱形成整个空间网壳结构，突显桥梁的整体造型。图4-55纵、横拱预拼装胎架施工图4-56纵、横拱较小预拼装胎架示意2）纵、横拱现场安装工艺研究支架搭设。

桥梁纵、横拱部分共计约300 t，主桥一侧共有横拱16 个，其中A1～A11（正拱侧）共有11 个，A-1～A-5（负拱侧）共有5 个，每侧纵拱共有3 条。主桥另一侧以主桥中心点为对称点布置相同的纵、横拱。横拱的一端与主桥箱体连接，另一端连接在人行步道纵梁L2 上，每条横拱都为曲线形状，纵拱贯穿于横拱之间，纵拱除在平面内的曲线形及在立面上的拱度外，还有自身的扭曲。自身扭曲的最大角度达到61°，纵拱为空间扭曲的箱形截面，宽度为0.3 m，高度为0.4 m，水平长度为112 m，竖向高为13.384 m。纵、横拱形成整个空间网壳结构，突显桥梁的整体造型。

根据设计图纸，在计算机中进行纵、横拱放样，采用25 mm 厚钢板制造组装工装平台，在工装平台上将横拱放线及组装，平台组装过程中实时使用全站仪控制水平坐标与高程。横拱加工完成后按照设计高程将横拱定位好，并作为纵拱的工装进行纵拱组装。

4.4.3.1　横拱加工

桥梁单侧有横拱A-1～A-5、A1～A11 共16 条，全桥共32 条横拱。横拱的一端与主桥箱体连接，另一端连接在人行步道纵梁L2 上，每条横拱均为曲线形状，采用封闭箱形、U 形及两块分离钢板组合型等多种截面形式。横拱部分断面如图4 -45 所示。

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图4-45　横拱部分断面

1）板、加劲板的加工

横拱侧板a、侧板b 按照施工详图采用数控火焰切割机进行下料，周边预留加工量。火焰切割下料完成后，再进行调平调直处理，如图4-46 所示。

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图4-46　横拱加工

加劲板厚度由10 mm 到60 mm 不等，每块板件尺寸和形状各不相同，均为不规则曲线。其中加劲板不等厚板之间的焊接采用厚板按1 ∶8 制作过渡坡的形式。厚度大于20 mm 的横拱加劲板在组拼前，使用压力机或千斤顶配合火焰加热的方法（加热温度为600～800℃，以保证钢板的内部组织不发生变化，保证其力学性能）加工出所需的形状，并用坐标数据进行校核。不等厚加劲板焊接成一块板后进行预弯。

2）横拱的组装

组成横拱的侧板、加劲板下料完成，经检测合格后进行组装，每个横拱均在组装台上进行组装，组装前必须在工装胎架上放样，按照放样尺寸组装，如图4 -47 所示。

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图4-47　横拱放线（单位：mm）

4.4.3.2　纵拱加工

桥梁单侧有3 条纵拱，全桥共6 条纵拱（X、Y、Z、U、V、W），纵拱由300 mm×400 mm的箱形截面组成，随横拱的曲线变化而变化，并带有一定的扭曲，纵拱随着受力的不同采用7 种板厚，如图4-48所示。

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图4-48　纵拱节段

纵拱为三维空间弯扭箱形结构，箱体较小，板材相对较厚，加工制作难度很大。

1）顶板、底板、腹板的加工

由于顶板、底板、腹板均为空间异型曲面，应首先按照设计要求的线形在电脑中建立空间三维模型，模拟出每一个三维弯曲扭曲杆件，然后对每一块板进行展开，制作异形板料的展开图。改变传统手工放线制作展开图的工艺，提高精确度和生产效率。

顶板、底板按照展开详图采用数控火焰切割机进行下料，周边预留加工量。腹板的弯曲和扭曲加工采用压力机或千斤顶配合火焰加热的方法加工出所需的形状，并用坐标数据进行校核，如图4-49 所示。以详图中给出的搭胎数据坐标值为依据制作固定胎，并依据坐标值检测胎具的准确性。用压力机或千斤顶配合火焰加热的方法加工出所需的形状，并用坐标数据进行校核（坐标系采用以腹板长边为地面水平轴的相对坐标系）。

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图4-49　纵拱板面扭转示意

2）纵拱分段

由于纵拱与横拱连接时，纵拱搭接在横拱之上，因此考虑将纵拱按轴线分段，同时将分段节点与横拱现场焊接一体，其上顶板在与横拱错开100 mm 处断开，同时纵拱的上顶板、腹板、下底板皆错开100 mm，分段节点与横拱在工厂焊接，纵拱与节点现场拼接，如图4-50 所示。

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图4-50　纵、横拱连接（单位：mm）

纵拱构件超长，不利于运输，同时考虑到安装精度，应对其进行分段，在平面根据轴线划分约6 m 一节段。

3）纵拱的组装

按照搭胎数据表搭设工装胎具，把加工成型的板经过时效处理后，放在胎具上进行组装。首先把底板放在胎具上，并用千斤顶施压，使此板与胎具的曲线吻合，然后把底板固定在胎具上，如图4 -51 所示。

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图4-51　纵拱胎架施工示意1

为了保证箱体形状及尺寸，在纵拱内部增加隔板，大小与纵拱的内截面相同，板厚为10 mm，垂直于箱体的轴线点焊在底板上，如图4 -52 所示。

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图4-52　纵拱胎架施工示意2

在底板上画出两个侧板的定位线，用定位线和上一步骤焊好的矩形板定位，同样用千斤顶对侧板施加外力，使其与矩形板和底板紧密贴合，并与定位线重合，如图4-53 所示。

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图4-53　纵拱胎架施工示意3

采用同样步骤和方法施工另一侧腹板，然后封上顶板。

4.4.3.3　纵、横拱预拼装及现场安装工艺研究

1）纵、横拱预拼装

由于纵、横拱为空间结构，在厂内加工过程中应先进行预拼装，以保证现场安装精度。

设计两个纵、横拱的预拼装胎架，其中一个预拼装胎架较大，设计尺寸长度为80 m，宽度为8 m；另一个组装胎架较小，设计尺寸长度为35 m，宽度为5 m，如图4-54 所示。

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图4-54　纵、横拱预拼装胎架示意

较大的预拼装胎架按照设计标高和间距放置横拱A1～A11（正拱侧），每个横拱之间按照设计标高放置三根立杆作为纵、横拱支撑，如图4 -55 所示。

较大的预拼装胎架采用反装法，即横拱A-1～A-5（负拱侧）安装在工装上，与实际安装方向相反，安装成正拱侧类似的工装进行纵、横拱的拼装，如图4 -56 所示。

通过计算机三维放样，在纵、横拱支撑点处给出纵、横拱空间三维坐标值，按照坐标值进行胎架的搭设，然后将纵、横拱吊装就位在支架上。确定测量监测点，对每一节纵、横拱两端接口的8 个角点使用全站仪进行测量，通过与理论数据对比，对测量超差的拱肋进行机械调整，必要时辅以火工校正，并对预拼坐标进行记录。

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图4-55　纵、横拱预拼装胎架施工

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图4-56　纵、横拱较小预拼装胎架示意

2）纵、横拱现场安装工艺研究

（1）支架搭设。

在已搭建的临时平台上搭设脚手架作为纵、横拱安装的临时支架。支架平台以在水中钢管桩上铺设的350 mm×175 mm 的H 型钢作为主梁，在其上部根据纵、横拱的投影位置纵桥向铺设3 道200 mm×150 mm 的H 型钢，在每个主梁两侧各设两道100 mm×100 mm 的H 型钢，作为脚手架搭设支座。每一道H 型钢在横桥向应保持水平，便于上部脚手架的顺利搭设，如图4-57、图4 -58 所示。

（2）拱脚安装。

纵拱拱脚共计12 个，为保证拱脚的安装精度，相邻3 个拱脚同时安装（3 个拱脚在场内加工时通过槽钢杆件将其连接牢固），采用汽车吊吊装，并埋入两侧的承台内。

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图4-57　纵、横拱现场安装支架示意图

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图4-58　支架平面搭设示意

（3）纵、横拱安装。

纵、横拱采用龙门式起重机（龙门吊）为主，并配合吊车的方法进行安装。主桥钢梁安装就位，进行人行辅桥，挑梁及纵、横拱的安装。纵、横拱的安装顺序为：由河西往河东侧顺次安装横拱，横拱安装就位后，即可安装横拱间的纵拱。

横拱的安装采用两点吊，起吊就位支撑点落于主桥钢箱梁与人行辅桥接口处。在横拱安装前，应先根据横拱的安装位置，在主桥钢箱梁上测量放线，并测量桥梁和辅桥上横、纵落脚点中心线的标高，如测量标高与理论标高存在误差，应通过调整箱梁或辅桥，将标高调整到位后再进行横拱的就位安装。

横拱安装前应消除横拱加工和运输过程中产生的误差，根据横拱的变形方向，在其反方向上设置手拉导链或千斤顶进行施压，同时应采用火焰进行加热，待其变形调整到允许范围后，同时进行两侧纵、横拱接口的施焊。

横拱就位过程中，在横拱弧形最高点设置相应质量的铅坠，用于实时控制横拱X 方向的精度。横拱初就位后，在横拱上与纵拱相交处20 cm 范围内贴反光片，采用全站仪控制贴片位置的三向坐标。当三个实际坐标与理论坐标存在较大误差时，应控制其中间纵拱位置的坐标与理论坐标值偏差在允许范围之内。

纵拱考虑划分为6 m 一段进行吊装，采用两点吊，纵拱段与段之间的支点落于横拱上，在横拱加工过程中，纵、横拱接口已经焊接在横拱上，并在接口处设置限位板，以便于纵拱的顺利对接。每吊装一段纵拱，均应进行检测，合格后再安装下一段纵拱，如图4-59 所示。为保证安装精度，每段纵拱临时固定后，对标高、位置、轴线及中心偏移进行测量调整。整体桥梁完工时，仍要对桥梁进行复测及调整。

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图4-59　纵、横拱节段拼装

（4）合龙段安装。

由于钢箱梁加工时设置3 个合龙段，同样在箱梁合龙段的相同位置，纵拱加工时也设置合龙段。在纵拱和合龙段加工时长度方向预留100 mm 的加长量，用于消除钢梁安装误差。纵拱现场焊接分四部分完成，对于A4 至A10，从中间段开始焊接，先调整A7、A8 的横拱位置，测量合格后横拱定位点焊，安装之间的三纵拱，调整接口并保证横拱与纵拱接头处有2～4 mm 的反变形量，再进行对称焊接。焊接完成后复测横拱的垂直度和纵向收缩量。

为了有效地控制纵、横拱的安装精度，减少焊接变形，将纵、横拱焊接分3 个区间段进行，中间段合龙焊接。分段焊接区间定为A-4 至A5、A-3 至A3、A4 至A10。

①工艺难点。

纵拱合龙段施工是桥梁钢结构施工的最后一道工序，也是保证纵拱线形和消除内应力的关键一步。结合本桥特点分析，其工艺难点包括：

A.有效的合龙时间短。

B.合龙段数量多，合龙段达18 个，要保证其协同受力，必须使合龙的线形与内力同步、合理。

C.合龙段的调整困难，截面小（300 mm×400 mm）、钢板厚（80 mm），采用常规方法难以达到调整目标。

D.合龙段焊接难度大，截面小（300 mm×400 mm）、钢板厚（80 mm）。

②合龙施工的方法。

针对合龙施工的有效合龙时间短、数量多、相互之间影响大的特点，在每一侧纵拱合龙施工前一天早晨温度变化较小的时候，开始测量纵拱在同一时段的变形情况，并且测量每一根纵拱的长度和坐标，同时在工厂内对纵拱按照实际测量情况进行修口，第二天同一时间现场配备18 名高级焊工、18 台CO2气体保护焊机以及足够的辅助材料，保证同侧9 道合龙段同时、同步、对称焊接。

根据桥梁纵拱截面小、钢板厚、调整困难的特点，采取特殊的施工方法。

A.在合龙段吊装前，精确调整纵拱的上、下两个接口，使其空间坐标误差值控制在3 mm以内，钢板错边量控制在1 mm 以内。

B.改变合龙段的安装思路，由于上、下两个拱肋的接口已精确就位，且合龙段的长度不大，只要接口对中、顺接，就能保证精度要求，因此把合龙段对中，并与上、下两个拱肋的接口顺接作为控制的主要标准，以合龙段坐标作为安装的辅助依据。

C.采用循环调整的方法，使残存的内应力尽量降低。根据应力和应变的关系，在施工中运用固定、调整、放松三步循环调整法，使自由状态下合龙段接口处的误差不超过5 mm，再进行固定焊接，有效地减少残存内应力。

合龙段的焊接难度体现在：截面小、钢板厚、焊接量大、发热量多。现场采取以下措施：在设备的选择上，使用热输入量较小的CO2气体保护焊机；在焊接顺序确定上，先焊接腹板，再焊接底板，最后焊接顶板；在焊接形式上，同一跨内的所有合龙段由18 名具有高级资质的焊工同时、同步、对称焊接。测量和检测人员24 h 在岗，保证现场的各种需求。合龙施工现场如图4-60所示。

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图4-60　合龙施工现场

空间扭曲纵、横拱的制造工艺研究

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