宁波新典桥拱肋合龙施工控制关键技术.pdf
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1、世界桥梁 2023年第51卷第S1期(总第224期)World Bridges#Vol.51#No.S1#2023(Totally No.22478DOI:10.20052/j.issn.1671-7767.2023.SI.012宁波新典桥拱肋合龙施工控制关键技术陈 涛陈 涛12,顾惠明顾惠明3,王 吉王 吉12(1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室,湖北武汉430034;2.中铁大桥科学研究院有限公司,湖北 武汉430034;3.中铁大桥局集团有限公司,湖北 武汉430050)摘 要摘 要:宁波新典桥主桥为主跨213 m下承式简支系杆拱桥,2片拱肋内倾16.928形成提篮状&拱肋为六边形封闭
2、钢箱结 构,采用支架法施工,受限于龙门吊净空,拱肋合龙段从侧面吊装合龙,合龙精度要求高&施工控制过程中,运用BIM技术模 拟吊装拱肋合龙段时的碰撞情况,确定合龙口两侧拱肋节段切割值,配切成“外八字口”形状,便于合龙段进入合龙口;采用有 限元法分析温度对合龙口长度的影响,并结合实测数据,选择阴天气温较平稳的时间段进行合龙,合龙温度28 C;对合龙口 连续观测,运用图解法计算得到合龙段6条边的配切值,并进行现场配切;在合龙段内、外侧各设计1个主索吊点(承重兼调节 拱肋内倾角),在内侧设置2个辅索吊点(调节拱肋纵倾角),实现合龙段空中姿态调整&采用上述拱肋合龙控制技术,合龙后 焊缝宽度满足规范要求&
3、关键词关键词:系杆拱桥;拱肋;BIM技术;合龙监测;合龙段配切;吊点设计;合龙;施工控制中图分类号中图分类号:U448.225;U445.1 文献标志码:文献标志码:A 文章编号:文章编号:1671-7767(2023)Sl-0078-071 工程概况工程概况宁波新典桥主桥为下承式简支钢箱系杆拱桥,一跨跨越奉化江,钢箱系杆与钢箱拱肋固结,设双向 6车道,设计速度50 km/h。主桥跨径213 m(主桥 长221.6 m)(见图1),矢高46 m,矢跨比1/4.63,拱 轴线为1.7次抛物线,2片拱肋向内倾斜16.928形 成提篮状口忌,桥面标准宽度为42 m。横桥向拱轴 线拱脚间距34 m、拱
4、顶间距6 m。上部主体结构钢 梁、钢拱和钢挑臂均采用Q345qD钢&拱肋采用六边形封闭钢箱结构,拱肋截面高度BridgeinNingbo拱肋顶、底板分为40 mm、48 mm两种厚度,腹板分 为32,36,40 mm三种厚度,加劲肋厚32 mm,板件 厚度根据受力情况分段布置&系杆采用箱梁形式,拱脚位置梁截面中心高3 m、宽4.8 m,其余位置梁 截面中心高2 m、宽2.5 m,系杆顶、底板分为 30 mm、20 mm两种厚度,腹板分为30,24,20,16 mm四种厚度,加劲肋分为24,20,16 mm三种厚 度,板件厚度根据受力情况分段布置&桥面系由横 梁、小纵梁和钢桥面板(厚16 mm)
5、构成,横梁焊接 在2根系杆间,小纵梁焊接在横梁上形成梁格&在 支点处采用箱形端横梁。跨中横梁高2.34 m,支点 处横梁高3.34 m,横梁间距3 m,小纵梁间距8.1 m。主墩采用5 m的钻孔灌注桩(摩擦桩)基础,桩长78 m。固定支座的承台下布置9根桩,承台尺 寸为10.0 mX10.0 mX3.5 m;其余3个承台下设 置8根桩,承台尺寸为10.0 mX 9.1 mX 3.5 m。墩 柱为!3.5 m圆形截面。该桥钢箱系杆、桥面系与拱肋均在支架上拼装,拼装成整体后将桥梁整体顶推到设计位置。钢箱系 杆、桥面系共划分为16个吊装节段,从西向东依次 吊装;拱肋沿桥梁纵向划分为GL1GL15共1
6、5个 吊装节段,从拱脚向跨中对称吊装&GL8为合龙 收稿日期:收稿日期:2022-05-23作者简作者简介:陈 涛(1984),男,高级工程师,2007年毕业于武汉理工大学道路桥梁与渡河工程专业,工学学士,2010年毕业于武汉理工大学公 路桥梁与渡河工程专业,工学硕士(E-mail:)。宁波新典桥拱肋合龙施工控制关键技术 陈 涛,顾惠明,王 吉79段,单片GL8吊装重量为97 t。合龙段为空间异形 结构,合龙精度要求高,合龙难度大&2合龙施工方案及难点合龙施工方案及难点2.1 合龙施工方案拱肋全部采用龙门吊安装,由于龙门吊净高不 足,GL8不能自上而下进入合龙口,只能从侧面进 入&合龙段侧面进
7、入方案有2种(见图2):方案一 为GL8姿态与GL7、GL9相同,内倾16.928,方案 二为GL8内倾0。由于GL8合龙段在立面为八字 形,顶板长度最长,底板长度最短,GL8进入箱口 时,点2所在的曲线长度与点1相同,且点2长度大 于点5,所以合龙过程中,不管采取哪种方案GL8 都会与GL7、GL9出现碰撞&考虑到方案一相较于 方案二不需要在合龙时不断调整内倾角,所以最终 采用方案一合龙,根据GL7、GL9切割值,在GL8 端 口 各 加 长 20cm。合 龙 段 总 体 施 工 流 程 为:施 工 准 备$数 据 测 量(2d连测)$合龙段现场配切6切$拱肋吊点连接$/龙门吊底缘线(a)方
8、案一龙门吊底缘线(b)方案二图图2合龙段侧面进入示意合龙段侧面进入示意Fig.2 Feeding of arch rib closure segment from(a)立面(b)横断面单位:mm图图3拱肋支架总体布置拱肋支架总体布置Fig.3 General layout of scaffolding for arch rib construction起吊,使合龙段脱离胎架50 cm,检查起重吊装是否 存在异常$调整合龙段姿态$吊装就位$临时锁定 GL8与GL9箱口$待GL8与GL7焊缝合适后临 时锁定箱口$焊接施工$完成合龙段合龙。2.2 合龙施工难点(1)拱肋合龙前,拱肋自由长度约为100
9、 m,由 于钢材的热胀冷缩性质非常明显,当拱肋长时间受 到阳光直射时会发生较大的变形,拱肋合龙时应充 分考虑温度的影响。(2)合龙口为空间异形六边形,每片拱肋有6 条配切长度,顶、底、腹板各2条,且顶、底、腹板存在 空间相对位置关系#精 确 确 定 配 切 值 及 配 切 点 相 对 位置是保证顺利合龙的关键。(3)拱肋内倾16.928,合龙段不仅长且重,需 合理设计吊点,以调整合龙段吊装时姿态&钢结构 焊缝宽度一般较小,在开始进入合龙口时,需进行微 调,以保证合龙口 6条边焊缝宽度合适&3合龙施工控制关键技术合龙施工控制关键技术3.1 拱肋支架设置拱肋支架沿顺桥向每道支架肢距4.58.4 m
10、,支架间距6.79.8 m,竖向支撑杆件选用!700 mmX 20 mm、630 mmX 12 mm、630 mmX 10 mm 型钢管,横向联系杆件选用0426 mm X 8 mm、!325 mm X 8 mm型钢管,采用Q345B钢&每道支架竖杆顶端与 拱肋底部采用M27高强度螺栓连接,在拱肋内部竖 杆位置增设2道T形加劲板,高度与拱肋底部T形 加劲肋相同&新增加劲板两侧布置2排螺栓,每排8 个,单个支架竖杆共32个高强度螺栓&拱肋支架总 体布置如图 3 所示。3.2 GL7与GL9切割值确定由于拱肋内倾16.928,GL7与GL9端头在立 面上呈倒八字形,GL8在立面上呈正八字形,当 G
11、L8从侧面进入合龙口时,必然会出现碰撞&按照 拱肋监控安装线形,采用三维建模软件建立GL780世界桥梁 2O23,51(S1)125127136130150121123GL9拱肋节段BIM三维空间模型10皿,模拟GL8 拱肋从侧面进入合龙口时的碰撞情况&根据模拟结 果,碰撞均由腹板开始发生,GL9侧最大碰撞值约 为140=,GL7侧最大碰撞值约为60=,均出现 在碰撞开始发生时的腹板处,随着GL8不断进入合 龙口,碰撞影响呈变小趋势&为保证GL8能顺利进入合龙口,必须将GL7 与GL9提前配切成“外八字口”形状&依据BIM模 拟出的碰撞值,按照少切原则,确定内侧腹板切割值 为0,在BIM模型中
12、采用平面单元对GL7与GL9 进行切割,再模拟合龙是否出现碰撞,最后在BIM 模型中提取出对应点的切割值(见图4)。)。由图4可 知:GL7与GL9最大切割值均位于外侧腹板,分别 为136=+50=,最小切割值位于内侧腹板,切 割后拱肋箱口在同一平面内&桥梁中心线 飞I:弟*|(J37 i;35 I、单位:mm图图4 GL7与与GL9切割值切割值Fig.4 Cutting amounts of segments GL7 and GL93.3合龙监测3.3.1 合龙口测点布置在GL7与GL9拱肋箱口焊接棱镜测点,由于 腹板部位条件限制不能布置测点直接测量,因此 在每个箱口顶、底板共设4个测点,测
13、点纵向距箱 口下坡口 50=,横向间距1 200=。合龙口测 点布置如图5所示。测点采用13 c=长的棱镜杆 焊接在箱口&因棱镜杆偏转1,测量长就偏差3.3=(焊接点到棱镜中心距离为19 c=),对测 量结果影响非常大&为了保证棱镜杆竖直,不能 在胎架上安装棱镜杆,必须在GL7与GL9定位完 成后才能安装,且安装时要使用角度尺与水平仪 确保安装精度满足要求。3.3.2 合龙温度分析采用MIDAS软件对合龙时的温度变化对合龙 口的影响进行分析,模型均采用杆系单元模拟,其中 支架与拱肋、系杆采用固结连接,钝化合龙单元组&考虑4种温度工况:结构整体升温5 C;$拱肋截 面竖向5 C温度梯度;拱肋截面
14、横向5 C温度梯上游 下游(b)横断面 单位:mm图图5合龙口测点布置合龙口测点布置Fig.5 Layout of measurement points at closure gap度;拱肋横向与竖向同时作用5 C温度梯度&通 过分析得到合龙口长度变化量为:结构整体升温 5 C时增大1=,竖向5 C温度梯度时减小3=,横向5 C温度梯度时减小6=,同时受竖向和横向 5 C温度梯度时减小9=。结果表明:合龙口长度 对整体升降温变化并不敏感,但对温度梯度非常敏 感,这主要是因为拱肋安装支架布置较密,拱肋与支 架固结且在拱肋下方设置了 1道通长的纵向杆件,支架对拱肋变形有较强的约束能力&因此拱肋合龙
15、 时可以选择阴天气温较平稳的时间段进行&2021 年 7 月 18、19 日 6:30次日 5:30,每 2 h 对合龙口的16个测点进行连续监测1516-,监测期间 温度2734 C。根据监测数据规律,整体温度升高 5 C时,合龙口变长2=(有限元理论计算值为 1=),),有太阳时相对无太阳时合龙口变短约 12=(有限元理论计算值为9=),),说明有限元计 算准确,合龙段长度对太阳照射产生的温度梯度敏 感性较大&根据施工进度安排,拱肋合龙预计在7月 底,分析2021年7月15日31日桥梁所在地区 的气温预报情况&结合合龙段加工时间周期,该 桥 合 龙 时 间 为 2021 年 7 月 30
16、日 合 龙 温 度 定 为 28 C&3.3.3 合龙口测量因为高温时合龙口长度比低温时大,所以合龙 宁波新典桥拱肋合龙施工控制关键技术 陈 涛,顾惠明,王 吉81段的配切值按夜间温度计算,日间温度高时进行吊 装作业,将合龙段箱口对接,待夜间温度下降、焊缝 宽度合适时再将合龙段用码板固定&28 C时各测 点坐标实测值如表1所示&由表1可知:GL7与 GL9箱口为空间形状,上、下游相同位置测点由于 配切、焊接等原因里程偏差为0.0050.037 m,标 高偏差为0.0040.015 m;GL7实测标高与理论 标高偏差为一0.0030.006 m,GL9标高偏差为 0.0040.005 m,表明拱
17、肋合龙口整体线形较理 想;通过合龙段扭转分析,以测点1为例,西岸实 测标高比理论值大5 mm,东岸实测标高比理论值小 2 mm,说明测点1相对扭转量为7 mm,所有测点相 对扭转量为57 mm,因此,在合龙段顶、底板与腹 板的纵向焊缝开口 20 cm,并配合与GL7、GL9的对 接焊缝间隙来适应该扭转值&3.4合龙段GL8配切该桥合龙段配切长度采用图解法与BIM模型 法2种方法计算&图解法将复杂的空间问题转化为 平面线单元问题,求解简单&BIM模型法直接在空 间模型中测量,前期工作量较大&经分析表明,2种 方法计算结果相差不大&本文主要介绍图解法的计 算过程&3.4.1 配切值计算(1)顶、底
18、板配切值计算见图6(a)。以顶板 外侧弧长L1为例,计算步骤为:在CAD中绘制出 GL7GL9的立面与平面图;根据实测值将测点 1与测点2标记在顶板平面图中,再将测点连线交 于顶板内、外侧边线,从外侧边线交点作竖直线交于 立面图中的顶板边线;测量顶板外侧弧长L1&同 理,可计算出顶、底板其它边的配切长度&(2)腹板配切值计算见图6(b)。)。由于腹板 无法布置棱镜,没有对应数据可直接计算配切值,因 此腹板配切长度计算步骤为:在CAD中绘制出 GL7GL9的立面与平面图,并在平面图中标出腹 板边线;根据实测值将测点1与测点2标记在平 面图中,再将测点连线交于腹板内、外侧边线,从腹 板外侧边线交点
19、作竖直线交于立面图中的顶板边 线,同理,由底板测点作竖直线交于立面图中底板顶 面边线;连接立面图中顶、底板的交点,并交于立 面图腹板中心线于C点;测量腹板外侧弦长*5&同理,可计算其它腹板弦长&图图6配切值计算示意配切值计算示意Fig.6 Calculation of cutting amount3.4.2配切长度确定结合顶、底、腹板的配切值,扣除测点离截面端 口的50 mm与需要保留的焊缝宽6 mm,即可算出 表表1 28 C时各测点坐标实测值时各测点坐标实测值Table 1 Measured coordinates of measurement points at temperature
20、of 28 C测点编号GL7/mGL9/mX(里程)-5(标高)X(里程)-5(标高)实测值理论值实测值理论值1K0+460.854+59.630+59.625K0+478.455+58.406+58.4082K0+460.910+59.626+59.624K0+478.389+58.419+58.4233KO+461.112+56.116+56.119K0+477.827+54.822+54.8254KO+461.143+56.115+56.117K0+477.766+54.849+54.8465K0+460.839+59.616+59.618K0+478.446+58.404+58.401
21、6K0+460.900+59.613+59.614K0+478.382+58.423+58.4267KO+461.074+56.101+56.095K0+477.823+54.829+54.8248KO+461.148+56.108+56.109K0+477.753+54.853+54.85282世界桥梁 2O23,51(S1)合龙段6条边配切长度&配切线均位于板件边缘,其中顶、底板为弧长,腹板为弦长&合龙段GL8配桥梁中心线(c)横断面图图7合龙段合龙段GL8配切长度示意配切长度示意Fig.7 Cutting length of closure segment GL8BIM模型法中根据实测值
22、画出GL7与GL9的 箱口截面姿态后,确定合龙段配切长度&经比较,图 解法与BIM模型法结果最大差值为3 mm,这主要 是因为实测的 4 个 测 点 并 不 完 全 在 同 一 个 平 面 内 且有可能不处于实体模型表面上,所以在BIM模型 法中,只能通过3个测点确定切割平面,而图解法则 是采用的平面线单元思路处理,两者解析方法不同。最终合龙段配切长度采用图解法的结果,合龙段 GL8配切长度如表2所示&实际合龙后焊缝宽度 为815 mm,符合规范要求&3.4.3 现场配切现场配切时,首先确定理论拱顶截面,并在合龙 段每块板画出标记线;然后在测量时使用标定后的 钢尺配合拉力计,测量板件的曲线长度
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