青州航道橋邊跨大節段鋼箱梁組拼控制技術研究＊

劉 鵬 賀拴海 趙英策

（長安大學公路學院1） 西安 710064）（中交公路規劃設計院有限公司2） 北京 100088）

0 引 言

青州航道橋為港珠澳大橋主體工程3個通航孔橋之一.青州航道橋及附近深水區通航孔橋位于伶仃洋海域繁忙海運航道之上，毗鄰珠江入?？?，常年大風天氣較多，臺風影響嚴重，傳統施工方法難以滿足施工工期要求.大節段吊裝架設方法能夠大幅縮短工期，減小惡劣施工環境的影響，因此該方法在港珠澳大橋建設上應用廣泛［1-3］.

文中以青州航道橋邊跨大節段工廠拼裝為例，著重研究了鋼箱梁大節段焊接施工中拼裝線形控制方法，分析了主要影響參數，如焊縫收縮量、溫度和組拼支撐條件對拼裝線形的影響；對鋼箱梁組拼、存放、轉運過程中局部受力進行分析，研究了鋼箱梁支撐位置、面積和場地不均勻沉降對其局部受力和穩定性的影響，探尋合理、有效的大節段鋼箱梁拼裝監控技術，確保大節段組拼線形和局部受力處于可控狀態，為鋼箱梁從無應力狀態向設計成橋狀態轉換奠定基礎，并總結相關經驗為今后類似工程實踐提供有益參考.

1 工程概述

1.1 總體概況

青州航道橋為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，全橋采用半漂浮體系.橋跨布置為110m+236m+458m+236m+110m=1150m.僅在中跨和次邊跨布設斜拉索，標準索距為15 m.主梁采用流線型扁平鋼箱梁，鋼箱梁主體結構除邊跨跨中處梁段采用Q420qD 外，其余均為Q345qD.鋼箱梁梁頂寬33.8m（不計風嘴），底板寬21.2m，梁高4.5m，風嘴長度為2.6m.

1.2 施工方案

根據構造，青州航道橋全橋鋼箱梁劃分A～S共18種類型、85個梁段，索區梁段采用懸臂拼裝法安裝，索塔塔區節段和邊跨區梁段安裝采用大節段整體吊裝法架設，圖1所示為青州航道橋大節段梁段劃分示意.

大節段整體吊裝法安裝鋼箱梁需要經歷小節段制造、大節段拼裝、裝船運輸、吊裝架設和梁段安裝5個節段，具體施工流程見圖2.對于大節段鋼箱梁制造細分3個階段：板單元制造、小節段組裝、大節段拼裝.

圖1 青州航道橋邊跨大節段劃分示意（單位：m）

1）板單元制造 鋼箱梁由頂板單元、底板單元、斜底板單元、隔板單元、腹板單元組成.板單元在工廠進行加工，其加工精度為控制重點.

2）小節段制造 采用多節段連續匹配組裝方案，在節段制造中，按照自下向上、自中間向兩邊的順序.組裝時以胎架為外胎，以橫隔板、腹板為內胎.小節段組裝完成后運輸至涂裝廠房內進行打砂、涂裝，再運至拼裝廠房進行大節段拼裝.

3）大節段組拼 大節段鋼箱梁總拼由于受裝船和運輸條件的限制，多數在外場完成，也有少數在車間內完成.青州航道橋大節段的總拼在拼裝車間的專用胎架上進行，采用縱橫基準線、測量塔控制組拼線形和環口傾角.

圖2 大節段鋼箱梁架設流程

1.3 鋼箱梁大節段組拼控制

無應力構形是現場施工和工廠預制的重要信息，無應力狀態控制法（幾何控制法）要求對鋼箱梁進行嚴格幾何控制［4-6］.大節段吊裝法鋼箱梁的無應力線形是在大節段組拼期間實現的，須重點對大節段組拼施工節段實施控制.

圖3 大節段鋼箱梁組拼胎架線形設置示意

鋼箱梁大節段在車間總拼時，鋼箱梁胎架上設置拱度應考慮無應力線形、焊接收縮量，以及胎架的彈性變形量設置胎架預拱度，見圖3.其拱度關系如下：胎架拱度=無應力線形+焊接收縮+胎架的彈性變形量.設計整體拼裝胎架時，胎架縱向各點標高根據施工監控方提供的制造線形，并應考慮結構底板的高度變化、焊接收縮量和胎架變形量因素.結合大節段組拼施工特點，大節段工廠組拼的重點包括以下3個方面.

1）大節段組拼縱向線形控制 大節段組拼線形控制是組拼監控的關鍵.影響拼裝線形的主要因素有焊縫收縮量、梁重的不確定性和總拼支撐條件等，須調整大節段組拼線形使其達到制造精度，這也是幾何控制法的內在要求.

2）大節段梁長控制 大節段組拼線形控制是組拼監控的重點.以小節段制造階段梁長的初步控制為基礎，大節段對其進行精確控制：精確控制大節段環縫的焊縫寬度和收縮量，前一環縫的焊縫誤差在下一環縫中進行有效調整，確保梁長可控.影響梁長的因素較多，主要因素是無應力尺寸精度和焊縫預留寬度及收縮.

3）大節段接縫夾角監測 為保證大節段與合攏段之間在安裝時能夠平順對接，在制造時大節段接縫處夾角應為無應力夾角，并對接縫夾角進行幾何控制，保證大節段的順利連接.

2 組拼線形控制

2.1 焊縫收縮量

為避免仰焊帶來的焊接質量不可控，青州航道橋邊跨大節段采用栓焊結合構造，頂板縱向U型加勁肋采用栓接，斜底板、腹板和底板加勁肋均采用焊接.鋼箱梁焊接環縫底板焊接工作量要比頂板要大，其焊縫收縮量較頂板也偏大.一般地，大節段環縫焊接在環口處布置一定量的定位止推板或馬板，以對焊縫收縮量進行強制控制.港珠澳大橋青州航道橋在大節段焊接過程采用了無馬板焊接施工工藝，這避免了設置馬板帶來的焊接殘余應力，但也對焊接施工工藝和節段拼裝線形控制提出了更高的要求.

為分析焊縫對大節段拼裝線形的影響，以青州航道橋邊跨大節段為例，其鋼箱梁梁高4.5m，梁段節段長度見圖1.待焊接工藝穩定工藝穩定后，同時測量頂、底板焊縫預留寬度S、焊縫收縮量ΔS，并計算焊縫收縮率η=（ΔS／S）×100%，實測數據見表1.

表1 大節段鋼箱梁架設流程

由實測數據可知：頂板焊縫收縮為33.1%，底板焊縫收縮率為43.0%，底板焊縫收縮率比底板要大9.9%.假使頂底板焊縫預留量均為10 mm，則底板焊縫將會比頂板多收縮1 mm.圖4為鋼箱梁節段拼接幾何關系.由圖4可知，若按相對幾何控制則下個梁段將發生arctan（2.2×10-4）的轉角，頂、底板焊縫不均勻收縮將導致下一梁段前段下撓.

圖4 鋼箱梁組拼幾何關系示意

假定ES25與ES24焊接時頂、底板發生1.0 mm 的不均勻收縮，則在ES24梁段端頭將會產生2.9mm 的下撓.

若按此線形繼續進行拼裝，假定不對拼裝線形進行控制在其余節段拼裝不發生焊縫不均勻收縮，則將在大節段末端產生29.6mm 的下撓.

若大節段拼裝每處焊縫環口均發生1.0mm 不均勻收縮量，則大節段端頭將會下撓160.5mm.

由式（1）～（3）知，拼裝進行時若不對焊縫不均勻收縮進行適當地焊接校正和補償，這將會改變梁段間的相對幾何關系，并對大節段拼裝線形產生較大影響.事實上，由于對焊縫工藝和拼裝線形的控制及胎架的限制，大節段拼裝絕對幾何線形將不會發生式（3）計算所得的下撓量.但對于兩個相鄰梁段來說，焊縫不均勻收縮導致2.9 mm的變形也是不容忽視的.焊縫收縮量不均勻性為大節段拼裝最重要的誤差因素.應從焊接工藝和線形控制兩方面入手，有效控制鋼箱梁大節段線形的幾何控制精度：（1）在焊接工藝設計上，應尋求鋼箱梁節段長度最大化，減少對接縫數量；應合理選擇焊接參數和方法，如焊接接頭形式、輸入線能量（J／cm）、焊縫斷面積、焊接順序等；多節段箱梁制造中，應保持各節段的組裝精度、約束條件、焊接工藝、施焊順序相同，以便確保所有節段幾何精度一致；（2）在拼裝幾何線形控制上，應在預制場對鋼箱梁的幾何要素進行嚴格地控制和測量：梁段長度、梁段間環縫傾角、切焊縫預留量等；應對焊縫寬度、焊接收縮量（焊縫收縮率）進行監控，對焊縫收縮誤差可能引起的幾何誤差進行監測，并對焊縫寬度進行校正、補償.

2.2 梁重偏差

鋼箱梁恒載誤差在無應力線形計算中為重要的結構誤差參數.由于鋼箱梁節段實際重量與設計參數存在差別，將導致后成橋線形的偏差.梁段重量偏差應通過對大節段組拼期間的無應力拼裝線形進行調整來消除，可行的方法為調節頂、底板組拼焊縫寬度來調整線形.

因鋼箱梁頂板為栓焊構造，頂板焊縫寬度可調節的最大值為2 mm.為確定頂板焊縫最大調節量2mm 內可調節的梁重偏差范圍，計算了不同的梁重偏差下焊縫寬度調節量.

圖5中列出了梁重偏差在正誤差（實際施工中梁重往往存在正誤差）5%～30%之間時對應的焊縫寬度調節量.由圖5可見，焊縫應調節量隨著梁重偏差的增大而增大，兩者線性比例關系.同時從圖中還可看出，在梁重偏差為23.9%時，對應的調節焊縫寬度量為2mm.由此可知，梁重施工偏差在23.9%內時，可以通過有效調節焊縫寬度以消除梁重偏差對制造線形的影響，而不影響頂板拼接板的栓接工藝實施.

圖5 梁重偏差引起的焊縫寬度調節量

鋼箱梁大節段在工廠拼裝完成意味著成橋線形的初定，為實現設計成橋線形，在大節段拼裝過程中需通過小節段稱重來了解準確的梁重信息以通過調節焊縫寬度來修正大節段鋼箱梁無應力線形.

2.3 組拼支撐條件

青州航道橋邊跨大節段寬跨比為0.307，為典型超寬鋼箱箱梁，面內剛度較柔、大節段組拼支撐條件下鋼箱梁縱向撓度和橫向變形相對幾何關系和絕對幾何關系在大節段拼裝線形監控中就顯得非常重要.

為分析組拼支撐線形在組拼支撐條件的變形，采用ABAQUS 6.13建立青州航道道橋邊跨大節段中典型小節段ES23 板殼單元計算模型［7］，板單元采用S8R8節點減縮積分板殼單元，網格劃分采用高效精確的四邊形網格.邊界條件模擬組拼胎架支撐，大節段組拼胎架支撐與調位裝置設置如圖所示.鋼箱梁節段采用單層、多支點支撐.鋼箱梁胎架支撐與調位裝置設置于橫隔板或橫肋板處，典型小節段拼裝采用千斤頂4點支撐調位，調位完畢后采用6點支撐存放.

由計算結果可知，鋼箱梁小節段在組拼胎架支撐下鋼箱梁局部變形最大為-2.2mm，轉角變形最大8.1×10-4rad.在大節段鋼箱梁組拼線形監測中，拼裝線形測點布置和基準線的定義應排除這些局部變形的影響，大節段端頭切角測量應扣除鋼箱梁一期恒載下的變形，組拼線形控制應以絕對幾何關系控為主.

2.4 溫度

溫度是大節段鋼箱梁組拼的幾何控制中的重要影響因素.溫度對鋼箱梁大節段拼裝線形總體上可分為2種：（1）溫度梯度的影響，由于大節段拼裝在預制場車間內進行，溫度梯度影響不明顯.此階段主要對大節段鋼箱梁車間外存梁期間的端頭接口處的溫度梯度變形進監測，掌握接縫傾角隨溫度梯度的變化規律，以指導邊跨大節段鋼箱梁與合攏段之間環口的橋位處焊接；（2）整體升降溫的影響.整體升降溫影響大節段鋼箱梁梁長控制和支座預偏量的設置.由于鋼箱梁設計基準溫度為22.7℃，以此溫度為基態對拼裝車間溫度進行實時監測，以修正溫度影響確保對梁長的有效控制；通過拼裝時刻的溫度與橋位架設時刻溫度進行對比，確定鋼箱梁支座的預偏量.支座預偏量設置見圖6，其計算方法見式（4）.

圖6 支座預偏量設置圖示

式中：Δf為支座預偏量；f1為實際安裝溫度與設計基準溫度不一致引起的預偏量值；f2為安裝支座時箱梁底板尚未發生的變形引起的預偏量值.

3 局部受力分析

3.1 支撐位置

為考察鋼箱梁組拼調位過程中在四點支撐下鋼箱梁的局部受力，對采用ABAQUS 6.13建立典型小節段ES23在組拼調位工況時的板殼單元計算模型，位于橫肋板與中腹板交匯處，支撐面積為500mm×200mm，計算時考慮1.3的啟頂動力系數.

為考察鋼箱梁組拼調位時不同支撐位置對四點支撐下鋼箱梁的局部受力影響，將支撐位置在縱向分別偏離橫肋板150，250，350 和450 mm，分析其對鋼箱梁局部受力的影響.計算結果見圖7.由圖7可見，在支撐中心位置偏離橫隔板450 mm 時，局部Mises應力達到293.5 MPa，接近設計容許應力.因此調位支撐須嚴格設置于設計規定的部位，以避免鋼箱梁在存放過程中因局部剛度不足變形破壞.

圖7 不同支撐位置下鋼箱梁局部受力

3.2 支撐面積

為考察鋼箱梁組拼調位時不同支撐面積下的鋼箱梁的局部受力，計算在支撐面積為500 mm×100mm～500mm×500mm 和500mm×200 mm～500 mm×900 mm 時的鋼箱梁Mises應力，計算結果見圖8.由圖8 可見，鋼箱梁局部應力隨支撐面積變化影響不大，考慮鋼箱梁局部受力安全性及施工可行性，采用500mm×200mm支撐形式.

圖8 不同支撐面積下的鋼箱梁局部受力

3.3 場地不均勻沉降

大節段組拼基地位于人工填筑島之上，地基承載能力較差，極易發生地基沉降現象.因此施工中應對地面沉降現象引起格外重視，對地基較差的場地進行加固處理，以保證局部受力安全.

4 結 論

針對青州航道橋邊跨采用大節段整體吊裝架設方法中的鋼箱梁大節段組拼為關鍵控制工序，研究了鋼箱梁大節段焊接施工中拼裝線形控制方法，得到以下結論.

1）焊縫收縮量為鋼箱梁焊接組拼線形、梁長控制的重點，梁重偏差可通過焊縫寬度進行有效修正.

2）超寬鋼箱梁大節段拼裝線形控制時應考慮組拼支撐條件的影響.

3）鋼箱梁局部受力對支撐位置敏感，且在組拼過程應嚴格控制支撐局部沉降.

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