受限场地空间复杂曲面钢箱梁桥加工制造技术

随着城市的快速发展，城市的交通压力越来越大，为有效避免交通拥堵现象，提高运输效率，城市快速路高架桥渐渐在各个城市普及。由于钢箱梁桥拥有外形美观、抗扭能力出众、整体性好、施工速度快、建设粉尘少等优点，在城市快速路高架桥建设过程中，交通枢纽的匝道普遍采用钢箱梁结构形式。

目前，钢箱梁匝道桥工程多采用整体胎架方法在厂内进行拼装制作，分节段运至现场后组拼。平曲线曲率半径小、竖曲线坡度变化大、箱体截面宽大的匝道桥钢箱梁，采用整体胎架方法进行加工制作时，对加工场地、设备及人员提出了较高的要求。以济南东客站匝道桥钢箱梁加工制作为工程背景，对受限场地下空间复杂曲面钢箱梁的加工制造技术进行了研究，并采用BIM技术进行了钢箱梁节段拼装模拟。

1?工程概况

济南东客站位于济南市主城区北门户地带，是济南市“三主一辅”铁路枢纽的主客站之一，为集高铁、城际铁路、城市轨道交通、长途汽车客运站等多种交通为一体的综合交通枢纽。该工程包含6条匝道，现以平曲线曲率半径小、竖曲线坡度变化大的南侧G匝道为研究对象，平曲线半径 R =62m，竖曲线半径 R =440m，纵坡为–5.45?%~1.52?% ，横坡为1.5?%，其起点桩号里程GK0+095.310，桥梁终点桩号里程 GK0+185.310，上部采用40m+50m单箱两室等截面连续钢箱梁结构，梁高2.0m，顶板宽13.8m，底板宽8.49m，依次跨越G00号、G01号、G02号桥墩。

为保证匝道桥空间扭曲的平顺过渡，又能达到封闭、美观的效果，济南东客站匝道桥钢箱梁腹板外侧首次采用整体“S”形装饰弧形板进行封闭。匝道钢箱梁横截面如图1所示，匝道三维布置如图2所示。

图1?G匝道钢箱梁横截面示意

图2?G匝道三维布置

2?加工制造技术研究

本工程G匝道钢箱梁平曲线曲率半径小、竖曲线坡度变化大且截面较宽，受制造厂加工场地及工期限制，分别对是否采用整体胎架方法制作、采用纵向分段或横向分段、正装方式或倒装方式等进行了研究，决定采用纵向分段分胎倒装工艺进行本工程匝道钢箱梁制作。

2.1?分胎技术研究

匝道平面投影为圆环型，整桥投影宽度达到28m，整桥平面投影如图3所示。钢箱梁总拼时，两边需预留至少1.5m的安全距离，采用整体胎架方法制作时，所需厂房的跨度至少需达到31m。

图3?G匝道整桥平面投影

匝道顺桥向坡度较大，全桥整体线形矢高较高，采用整体胎架方法制作时，胎架起点高度按常规1m布置，终点的最大高度可达8m，胎架高度示意如图4所示。

图4?G匝道胎架高度

钢箱梁截面高度为2m，考虑到胎架高度、行车吊装高度、行车吊装安全距离等，厂房内行车距地面的高度至少需达到16m。

加工厂内符合起重要求的厂房跨度仅有24m，起重机距地面的高度9m，采用整胎制作时，难以满足场地要求，同时胎架过高，存在很大的安全风险，因此需采用分胎方法进行制作，降低胎架高度，加工厂实景如图5所示。

图5?加工厂实景

综合匝道桥的整体线型、结构特点和现有厂房的布局，G匝道沿横向分胎，不能满足场地宽度和起重机吊装高度的要求，因此从纵向分胎方面进行分析。

根据现场工期要求，G匝道需在2个月内完成拼装，平均每段梁的制作工期为3d，而正常每副胎架生产一段梁所需时间约为8d，因此匝道桥至少需要分3副胎架同时生产，才能满足工期要求。

G匝道制造车间长度150m，宽度24m，起重机高度9m，整个G匝道桥钢箱梁均在该场地内完成拼装。经计算，分胎后胎架宽度应小于18m，高度小于2.5m才能满足钢箱梁制造要求。现从胎架布置、工期要求、胎架用钢量、线型控制难易度等方面对分胎数量进行分析对比，结果见表1。

表1?G匝道纵向分胎对比分析

通过以上分析对比，最终确定G匝道桥制作时分4个胎架同时进行钢箱梁拼装，分胎布置如图6所示。加工厂分4胎进行制作，既满足场地要求，增加了有效作业面，提升加工效率，使工期得以保证；同时减少了胎架用钢量，节约了成本，也降低了钢箱梁总拼时的安全风险。

图6?制造车间G匝道分胎布置

2.2?分段制造工艺研究

匝道桥整体为空间螺旋结构，线型复杂，根据匝道桥的结构特点，结合运输及现场吊装要求，对匝道桥分段进行分析研究。

（1）横向分段。匝道桥采用横向分段时，隔板、顶板、底板需在横向分段处断开，受运输长度限制，顶板、底板等还需在纵向断开，导致现场对接焊缝较多，同时梁段难以形成稳定的箱体结构，制作及运输时易产生变形，现场匹配精度得不到保证。匝道桥横向分段示意，如图7所示。沿横向分段后，梁段顺桥向长度较长，致使线型变化较大，会增加制作时质量和线型控制的难度。现场对接梁段时，需进行两个方向的匹配，焊缝长度增加，安装精度难以控制。

图7?匝道桥横向分段示意

（2）纵向分段。匝道桥的宽度为13.8m，沿匝道桥纵向分段后，横向无需分段，即可满足运输要求。匝道桥纵向分段示意，如图8所示。

图8?匝道桥纵向分段示意

沿匝道桥纵向分段后，每个梁段的顶板、底板、隔板能形成稳定的箱体结构，制作及运输时不易产生变形；且梁段顺桥向的线型变化较小，厂内加工时，线型及质量控制容易；梁段在现场对接时，只需考虑前、后方向，焊缝减少，安装更简洁高效。

G匝道分段方式对比分析见表2。通过分析，厂内加工时，优选纵向分段方式。G匝道桥纵向分段后，梁段长度控制在5m以内，宽度为13.8m，外形尺寸及重量均能满足运输条件和现场吊装要求，同时能保证加工时的线型控制和匹配精度。

表2?G匝道分段方式对比分析

2.3?倒装制造工艺研究

G匝道桥钢箱梁横断面为花盆状结构，上宽下窄。钢箱梁组拼时，一般采用正装工艺，由于本桥钢箱梁的结构较为特殊，因此对钢箱梁制作正装与倒装工艺进行分析对比与研究，具体对比分析见表3。

表3?G匝道组装方式对比分析

通过分析，倒装工艺更适用G匝道钢箱梁的总拼，因此厂内制作时，优选倒装制造工艺。根据钢箱梁的结构特点，钢箱梁倒装制作时，采用“由下至上，由内及外”顺序进行拼装，主箱体结构拼装完成后，进行挑檐装饰弧板的拼装。通过倒装工艺，整个钢箱梁大部分的焊缝变为平焊焊接，有效提升拼装工效和焊接质量。挑檐装饰弧板等空间扭曲型零件的拼装更为简单，质量有保证。

3?钢箱梁节段模拟拼装

为发现钢箱梁加工过程中的重难点，提出解决方案、并通过试验结果加以优化，借助BIM技术对钢箱梁节段进行模拟拼装。根据匝道桥结构形式、线形和厂设预拱度值，创建全桥的精确BIM模型。按照分胎分段倒装工艺，调整模型分块并将模型倒置处理，再通过BIM模型完成分胎后桥梁线型的二次转化（图9）。根据拼装方案并结合本桥结构特点与车间生产情况，计划将全桥钢箱梁采用一个轮次全部拼装完成。钢箱梁拼装采用倒装法进行，具体模拟拼装步骤，如图10所示。

图9?匝道桥线形二次转换

图10?匝道梁段模拟拼装步骤

（a）胎架制作；（b）顶板铺设固定；（c）隔板单元组装；（d）腹板单元组装；（e）底板单元组装；（f）挑檐隔板组装、焊接；（g）挑檐装饰弧板组装、塞焊；（h）檐板及支座垫板组装、焊接

4?结束语

济南东客站匝道桥工程已于2019年8月顺利完成架设并投入使用，针对该工程结构复杂、构件加工质量要求高、加工周期短、场地和运输条件限制多等问题。采用纵向分段分胎倒装制作工艺进行匝道桥钢 箱梁的加工制作并借助BIM技术手段对钢箱梁进行拼装模拟，解决了空间复杂曲面钢箱梁在受限场地内 的拼装加工、厂外运输、工期紧张及质量保证等问题，为现场顺利安装提供了保障，也为类似受限场地空间复杂曲面钢箱梁的拼装及加工质量控制提供相应参考。