代 钥 鄢云祥 宋珍琼
(武船重型工程股份有限公司, 武汉 430415)
摘 要：钢桥发展已有百余年历史，特大型箱形拱桥在21世纪初才真正发展起来，上海卢浦大桥是世界首座特大型箱型拱桥，国内外组合型空间扭曲钢箱拱桥可供参考实例较少，对杭州九堡大桥制作为例对组合型空间扭曲钢箱拱桥制作技术进行介绍，包括技术难点、结构仿真、胎架制作、预拱度调节、现场吊装等。
关键词：异形钢箱拱； 空间扭曲； 全过程仿真技术； 三向调节
DOI:10.13206/j.gjg201510015
ABSTRACT：Although the development of steel bridge has been more than a hundred years, oversize box arch bridge began to develop at the beginning of the twenty-first century. Shanghai Lupu Bridge is the first oversize box arch bridge of the whole world. The example about composite spatial warping steel box arch bridge was limited at home and abroad. Taking Hangzhou Jiubao Bridge as the example, this paper introduced the manufacture technology of composite spatial warping steel box arch bridge, including technical difficulties,mold manufacturing,pre-deflection adjustment,on-site lifting and so on.
收稿日期：2015 - 04 - 30
MANUFACTURING TECHNOLOGY OF COMPOSITE SPATIAL WARPING STEEL BOX ARCH BRIDGE
Dai Yue Yan Yunxiang Song Zhenqiong
(Wuchuan Heavy Engineering Co.Ltd,Wuhan 430415, China)
KEY WORDS：deformed steel box arch； spatial warping； simulation technology for the whole process； three-dimensional adjustment
第一作者：代钥,男，1981年出生，工程师。
Email:252626520@qq.com
随着科学技术的发展、生产力水平的提高，桥梁发展从跨越能力、结构形式的组合趋势、多种新型材料的应用和结构的合理配置等方面都有了充分的展现。通过优化比较和组合的实践，桥梁结构更加多样适用，组合也将更加科学性[1]。杭州九堡大桥是由主拱、空间扭曲副拱、桥面结合梁和钢槽梁组合而成的桥梁体系，一座桥梁同时集多种不同类型桥梁施工工艺于一身并不多见。在大跨度桥梁施工过程中，如何有效地保证施工的安全和质量，如何优化施工过程等是桥梁建设者十分关心的问题[2 - 4]。
杭州市九堡大桥属于钱塘江上规划的10座大桥之一，位于彭埠大桥(原钱江二桥)下游5 km,下沙大桥(原钱江六桥)上游8 km处。第1施工合同段包括：北引桥、三孔简支拱桥以及拱桥间的简支梁，全线长945 m。第2施工合同段钢结构制作包括：(90+9×85+55) m南侧引桥等截面连续组合箱梁，全线长910 m。
杭州九堡大桥是国内第一个采用“整体顶推施工”的钢混拱桥，组合了多种桥梁结构形式(图1、图2)，其副拱肋为空间异形钢箱拱，拱桥桥面为箱形边主梁形式的结合梁，引桥为钢槽梁结构形式。本桥的制作安装技术可为大跨径异形钢箱拱桥梁及多种类型结构组合钢桥的制作提供技术借鉴。
图1 九堡大桥桥型立面
a—立面；b—平面；c—跨中横断面。
1—支座中心线；2—装饰球；3—主拱；4—连杆；5—副拱；6—横撑。
图2 九堡大桥拱布置
拱结构以其流畅的曲线，构造出了造型奇异、景观独特的拱桥，这也是景观桥梁越来越多地采用拱桥的原因。随着制作业的发展、新型钢材料的运用以及吊装能力的提升，拱桥结构越来越新颖、独特，线形从平面结构发展到空间结构，异形拱桥逐渐走进人们的视野中，异形拱桥有以下特点：
1)结构形式在桥梁纵向上，拱肋线不是传统的抛物线或悬链线，而是一种偏态的不对称的拱轴线，称之为异形偏态拱桥。
2)结构形式是在桥梁横向，将传统的两根拱肋向内倾斜成提篮拱或者向外倾斜成蝴蝶拱桥。
3)结构形式则借助于其他结构体系组合，如拱梁组合拱桥、斜拉拱组合以及斜靠拱组合。
杭州九堡大桥副拱轴线纵向为二次抛物线，横断面为三次抛物线，整个副拱拱轴线为空间扭曲曲线，无对称可言；主拱向外倾斜成蝴蝶拱；大桥由主副拱、拱桥面结合梁、钢槽梁组合而成。
上海卢浦大桥(图3)于2003年6月建成通车，是世界上首座采用箱形的特大拱桥，纵向为传统的抛物线形式，两拱向内倾，大桥由斜拉桥、拱桥、悬索桥等不同类型桥梁组合而成，施工工艺各不相同。
图3 上海卢浦大桥
南宁大桥(图4)于2009年9月建成通车，为非对称外倾钢箱拱桥，拱轴线为传统抛物线，两拱为外倾蝶状拱，大桥采用斜拉索与桥面钢箱梁组合而成。
图4 南宁大桥
明州大桥(图5)于2011年5月建成通车，为中承式双肢钢箱系杆拱桥，跨度约400m，在同类型桥型中居世界第一。明州大桥纵向为传统抛物线形式，虽然明州大桥结构较复杂，但其主拱不存在向内、外倾的情况，大桥由悬索桥、拱与桥面结合梁组合而成。
图5 明州大桥
赣州新世纪大桥(图6)于2011年元旦建成通车，为桁架式钢箱拱桥，其上下主拱为箱形结构，腹杆为工字形结构。拱纵向为轴线为“二次抛物线+悬链线”形式，为传统线形，主拱不存在向内外倾斜，大桥由悬索桥及拱与桥面结合梁组成。
图6 赣州新世纪大桥
通过以上几座大型桥梁对比可以看出，杭州九堡大桥完全满足异形拱桥的要求，而其他4座大型钢箱拱桥满足异形拱桥的部分要求，总体来说，杭州九堡大桥从拱轴线线形、结构形式和组合形式都比在建和已建成通车的钢箱拱桥复杂、制作难度更高，是大型组合空间异形钢箱拱桥的典型。
1)杭州市九堡大桥副拱肋采用空间复杂扭曲钢箱拱结构，由空间曲面壁板焊接组装而成，相交纵缝为不规则空间曲线。常规钢箱拱桥制作技术并不适合空间结构，且放样、制作加工及现场施工较传统拱桥难度更大。在汽车、航空领域通过锻造和冲压制作成扭曲构件，由于副拱线形为空间变化线形，制作压模不可批量生产，此工艺将大大增加生产周期和成本，不适合本桥的应用。
2)杭州九堡大桥3跨连续，根据其组合型空间扭曲钢箱拱的结构特点，制定了“整体顶推施工”的方案，是国内首次采用“整体顶推施工”的钢混拱桥。一般组合形拱桥为便于和确保拉索安装精度采用先拱后梁的安装顺序，此技术不适合九堡大桥，制定合理的安装顺序是现场施工质量保证的前提。
3)九堡大桥副拱采用4口同时合龙，比一般钢箱拱桥两口合龙难度更大、技术要求更高。同时考虑高空施工安全性，一般的合龙技术应用在本工程上效率低、质量满足不了。4口合龙技术对现场吊装有一定的难度挑战。
4)副拱为空间扭曲结构，结构密集，特别是腹杆处焊缝错综交汇，单一地从焊接顺序、焊接参数进行调整，对焊接变形的控制起不到理想的效果。为满足整体线形，必须找到合适的工艺技术并结合焊接规范的调整来进行控制。
杭州九堡大桥采用全过程三维仿真技术，三维仿真技术在市政桥梁应用较多，一般三维建模主要是确保零件放样精确而采用的技术，而杭州九堡大桥采用三维仿真技术不仅是要确保零件放样精确，而且在曲面制作、扭曲构件制作及现场吊装施工中都应用了该技术。
3.2.1 空间扭曲拱肋仿真模拟全过程控制技术
九堡大桥副拱拱轴线在立面的投影为二次抛物线，在横断面的投影为三次抛物线，副拱拱轴线为双曲线。
副拱是法截面(与副拱轴线垂直的面)外轮廓保持不变的空间弯扭构件。在副拱轴线跨中，法截面参考线相对主法线的偏转角为5°；在副拱轴线端点，法截面参考线相对主法线的偏转角为-45°。法截面参考线相对主法线的偏转角沿副拱轴线弧长线性变化。
由于副拱面板均为空间曲面，且主、副拱及连杆之间存在复杂的空间相交关系。因此考虑建立计算机三维模型对拱肋结构进行模拟，解决放样和装配问题。实际制作过程中，通过对副拱的三维仿真模拟，起到了在全过程指导施工的作用，并解决了制作误差对现场吊装的影响问题，保证了拱肋的整体施工精度。
1)零件放样、展开和结构画线。在下料前，先采用三维建模的方法，放出全桥单跨拱肋的整体结构(图7、图8)，包括拱肋轴线线形，面板、横隔板、连杆及装饰球等的结构状态，作为后续制作施工的依据。考虑副拱制作需要用平面钢板加工形成空间曲面，这就需要解决从空间曲面展开成平面，再从平面到空间曲面的构件放样问题。由于副拱轴线为双曲线，面板为翘曲面，直接展开困难。实际放样过程中采取局部以直线代曲线、以平面代曲面的方法，实现了副拱面板的平面展开，方便了施工放样。下料前就已放出了拱肋的整体结构，因此下料后可以在面板上的横隔板及连杆位置予以定位标识并划线，可以有效减少可能造成的线性误差，保证制作精度。
图7 九堡大桥整体三维模型
图8 九堡大桥节段三维模型
2)胎架制作。加工时根据横隔板空间坐标制作专门胎架，把经过放样的平面钢板施以强制变形，使之密贴在胎架上，便实现了设计要求的空间曲面制作。 副拱面板展开如图9所示。
3)预拱度调节。由于拱肋在制作初期，设计未明确预拱度的设置问题。经与设计协商，主副拱拼接缝预拱度设置采取调节制作节段端口接缝的方法，具体方案为：各制作分段仍按无预拱线形制作，待预安装时，按增加预拱度线形调整各节段端口及对接缝，并进行相应的余量切割。保证吊装时，各吊装节段端口达到增设预拱度后的设计位置。按照设计要求和确定的方案，通过调节三维模型中的节段位置，即可达到模拟实际线形的目的。经模拟，拱上各点的预拱度，与设计预拱线形的理论差值不超过4 mm。
图9 九堡大桥副拱面板展开
4)现场吊装。拱肋的制作误差、预拱度的调整、现场吊装偏差以及其他诸多因素，都可能会对拱肋的成桥状态产生直接影响。而借助三维仿真模拟技术，则可以直观地对各种不利因素进行综合模拟，并在实际施工前，最大程度地对施工条件进行完善。这一点，在现场吊装过程中体现的尤为突出。通过对副拱三维模型的不断调整，模拟出副拱的完工状态。根据模拟出的模型，结合现场吊装需要，可以在吊装前对支座标高和监控数据进行修正，使拱肋尽可能达到较理想的吊装状态。然后根据前一节段吊装定位后的监控数据，不断对后续吊装过程进行仿真模拟，使整个吊装过程由始至终一直处于较理想的可控状态，从而对整个吊装施工过程进行有效指导。
3.2.2 空间扭曲拱肋加工装配控制技术
九堡大桥副拱肋轴线为空间曲线，副拱肋为空间弯扭构件，其面、底、腹板均为不规则翘曲面，加工难度大。船舶制作上常使用模子上冲压或热锻成形的方法生产空间曲面构件，但本工程中的弯扭构件并非批量生产的定型构件，不适合采用该方法。为便于弯扭曲面线形的形成，采用直接用平面钢板加工形成空间曲面的方法，即制作时面、底、腹板均不预先加工和组装成单元件，所有构件均在总成时利用胎架一次性加工成型并安装。
具体总整装配方案为先按基准面空间曲线形状设置胎架，将基准面强制约束在胎架上，再在该面板上对线装配横隔板，然后以横隔板为基准内胎将其余面板对线装配并强制固定(图10-图13)。所有面、底、腹板上胎架前，必须按要求划出相应的横隔板和纵肋定位线。纵肋采取火焰矫正加部分强制力固定在面板上。
图10 内腹板上胎架定位
图11 横隔板定位
图12 面底板上胎架定位
图13 外腹板上胎架定位
安装过程中，以横隔板作为内胎，横隔板各角点作为定位基准，采用全站仪精确定位后，面板上各定位线对合贴紧横隔板安装，从而保证了节段整体线性。面板定位成型后，再焊接加劲肋，既保证了安装线形，又起到了加固线形的作用。
不过按照该方案，胎架上的各面板内部存在着应力，纵肋也存在部分内应力。这些内应力的作用，加上焊缝收缩，使得副拱在拆除胎架约束时，不可避免地存在弹性回缩变形。
回弹变形应包括弯曲回弹和扭曲回弹两部分。由于弯曲回弹变形引起的端口角点位移基本平行于轴线，对杆件拼装影响不大，且本桥副拱曲率并不很大，故不予考虑。而扭曲回弹会导致端口及各断面在垂直于轴线的平面内转动，引起节段对接错台及与连杆连接错位，因此需重点分析。
扭曲回弹变形由两部分组成：
1)面板及纵肋强制固定时产生的扭矩。
2)纵向焊缝收缩产生的附加扭矩。弯扭构件棱线与轴线不平行，焊缝沿棱线的收缩必然带来附加扭矩。
经过验算，板件回弹扭矩和纵向焊缝收缩引起的端面相对转角及角点位移均比设计制作允许误差小得多，故在实际制作过程中可不予考虑。
实际制作过程中，拱肋均能保持设计要求的扭曲度，整体线性平滑均匀。
3.2.3 空间扭曲拱肋焊接变形控制技术
九堡大桥副拱为空间弯扭构件，按照制作方案，胎架上的各面板和纵肋本身就存在着内应力。在这些内应力的作用下，如果不能有效的控制焊接变形，那么副拱在制作过程中，特别是在解除胎架约束时，就极易出现较大的变形。因此，如何从焊接方法上减少变形，是控制节段线性的重要因素。
焊接工作主要包括分段隅角焊缝、对接焊缝、横隔板与分段外板的角焊缝、顶底板纵肋角焊缝和连杆与外板的角焊缝的焊接。
由于九堡大桥副拱肋为空间弯扭构件，其主要变形为装配产生的内应力导致的回弹变形和焊缝收缩引起的焊接变形。根据理论验算和副拱首轮节段制作情况，在胎架约束下，节段能很好地保证整体线形；解除胎架约束后，节段扭曲度基本未发现改变，但端头存在明显的起翘(一侧30 mm)。
经检查，解除胎架约束后，副拱连杆之间的区域仍然能很好地贴合胎架，但从连杆向节段两端方向，节段与胎架模板的间隙横向基本相同、纵向逐渐增加。经分析，该变形主要是由于副拱连杆(图14)处焊接量过度集中，导致节段上侧焊接收缩过大造成的。
针对上述情况，在后续制作过程中，对装焊顺序进行了调整：将整体节段划分为若干个小节段，先装焊小节段(含连杆以及小节段间的底面对接缝，另三面对接缝暂不焊接)，焊接完成后进行校正，再装配另三面环缝，使之形成整体节段后焊接余下的对接缝，如图15所示。通过该方案的调整，有效控制了后续节段的焊接变形，保证了产品质量。
1—连杆；2—节点板；3—副拱；4—横向加劲；5—横隔板。
图14 副拱上连杆节点构造
1—连杆；2—对接缝。
图15 九堡大桥副拱结构示意
3.2.4 空间扭曲拱肋现场吊装控制
九堡大桥采用多点自平衡顶推法安装主桥钢拱梁。在后场安装区域搭设安装支架平台，主桥钢拱梁先梁后拱——从两边向中间合龙的顺序分节段在安装平台上安装成型，与传统先拱后梁的架设过程不同，此施工方法满足了整体定顶推的施工思路。主副拱安装完成后，安装临时支撑，采用顶推工艺将该孔钢拱梁顶推出安装平台，拆除拱肋支架，然后安装下一孔钢拱梁，再将其顶推出安装平台，最后安装第三孔钢拱梁。钢拱梁安装均采用120 t龙门吊作为主要起重设备。安装支架布置如图16所示。
1—主梁支架；2—顶推墩；3—副拱支架；4—主拱支架；5—导梁。
图16 九堡大桥安装支架布置
九堡大桥拱肋现场安装是整个工程施工的关键工序之一。每跨拱肋总质量约1 800 t，共计27个吊装节段，最大吊装节段质量达90 t，最长杆件为30 m，最大倾斜度42°，最大扭曲度45°，最大吊装高度67 m。 由于本桥拱肋各节段结构形式多，拱肋线形复杂，所以拱肋吊装是一项比较复杂的高空作业，因此施工控制措施是保证现场安装安全和精度的关键。
在大桥拱肋安装过程中，已安装拱肋、安装节段的连杆等共同构成了一个相互关联的整体系统结构，其中任何一个环节的差错都会关系到大桥的施工质量和安全，而其中拱肋节段的精确定位是关键[5]。由于副拱肋为曲线线形，拱肋底板为扭曲面，安装时不能直接就位，所以必须在每个吊装节段两端设置临时支座找平底板，以利于安装定位。通过CAD建立三维实体模型，找出该处支座位置的底板扭曲数据，以此设计出支座结构。
三向调节装置有底座及三向千斤顶组成(图17)，拱肋就位后在端口利用三向调节装置将该段拱肋顶起，在测量和监控的配合下进行精确调位，此时高程的控制可通过在钢垫墩上增加或减少不同板厚的钢板来完成，精确调位达到相关规定时横移镐是不参与受力的。最后连接节段间临时匹配件，并采用马板固定。需要指出的是,副拱合龙段是两侧副拱外加装饰球和横撑整体合龙(图18),即共有4个合龙口,所以合龙难度较大。较一般钢箱拱桥两口合龙难度更大，如不采取相关措施控制，合龙质量难以保证。在合龙段4个端口处采用三向调节装置，快速、高效的完成了合龙工作，且质量良好。
a—整体；b—底座。
1—副拱；2—临时支座；3—横移镐；4—八字缆风绳，5 t手拉葫芦；5—钢垫墩；6—承重梁。
图17 三向调节装置示意
图18 合龙段吊装定位
本文依托杭州市九堡大桥工程实例开发的组合型空间扭曲钢箱拱桥制作技术，形成了一套从三维数字仿真、大型空间曲面体制作、制作辅助工装、几何精度控制、高效高精度安装施工等较为完整的系统技术：
1)通过全过程仿真技术的应用，不仅确保了零件放样的精度，而且对曲面制作、空间扭曲构件的制作及吊装都提供了有效的指导。突破了特大型双曲面空间扭曲结构钢箱拱桥制作的关键技术，解决了大尺寸弯扭及空间双曲面构件的加工制作难题。
2)突破传统先拱后梁的安装顺序，制定先梁后拱、从两边往中间的安装顺序满足了整体顶推的施工要求。
3)采用三向调节装置快速实现了拱节段的定位，尤其是解决了副拱合龙段4口定位的难题，快速、高效、安全地实现了合龙段的安装定位。
4)副拱采用分解小节段，然后组装大节段，通过小节段间环口差来调节焊接变形引起的纵向线形偏差，确保了纵向制作线形的精度。
参考文献
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[2] 向中富.桥梁施工控制技术[M].北京：人民交通出版社，2001.
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[4] 田仲初，陈得良，颜东煌，等.钢箱提篮拱桥施工控制的关键技术研究[J].中国公路学报，2004(3):46 - 50.
[5] 刘中奇.大跨径钢箱提篮拱桥施工控制技术[J].公路工程，2009(3):23 - 26.
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