鋼箱梁懸空搭接施工的研究

成愛萍

（山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041000）

太原武宿機(jī)場(chǎng)快速路TJ1合同段全長4.033 km（其中左線長1.909 km，右線長2.124 km）。設(shè)計(jì)車速60 km/h，寬度10 m，路面采用雙鋼C50混凝土路面。該橋左線設(shè)置鋼箱梁共2聯(lián)6跨計(jì)210 m，右線設(shè)置鋼箱梁共1聯(lián)3跨計(jì)105 m，孔跨布置為（35+35+35）m，主要為跨越南環(huán)高速。鋼箱梁均采用等截面單箱雙室斜腹板截面，橋梁中心線處梁高1.6 m。箱梁頂寬10 m，底寬5.057 m，兩側(cè)懸臂長度為2.24 m。

圖1 跨武宿樞紐鋼箱梁懸臂施工拼接效果圖

1 采用鋼箱梁懸空搭接施工的意義

機(jī)場(chǎng)高架快速路是機(jī)場(chǎng)要道，交通量大，由于施工時(shí)不阻斷交通，因此必須安全快速地完成鋼箱梁施工。此項(xiàng)目要在中博會(huì)召開前順利通車，工期要求緊，懸空搭接施工，可加快項(xiàng)目整體的施工速度。

2 鋼箱梁懸空搭接施工的難度

該工程鋼箱梁是曲線型，一般懸空搭接都在直線上，曲線上懸空搭接安裝的極少，相對(duì)技術(shù)難度較大，箱梁分段規(guī)格不一，所有箱梁位置是唯一的，造成安裝周期長，容易出現(xiàn)不可預(yù)見的情況。

該工程鋼箱梁需要跨越武宿樞紐南環(huán)高速，為此處第三層橋梁，安裝現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)點(diǎn)高度達(dá)20 m以上，而且場(chǎng)地狹窄，又不能完全阻斷現(xiàn)有道路的交通，無論從梁段運(yùn)輸、吊車就位和選擇、臨時(shí)墩架設(shè)拆除、空中焊接操作等方面，難度都極其大，何況工期又十分緊張，交通管制允許時(shí)間不足1 h，所以必須有充足的準(zhǔn)備和萬無一失的技術(shù)措施。

從自然環(huán)境方面來說，施工時(shí)段正值夏季，天氣變化莫測(cè)，再加之20 m高空明顯比地面風(fēng)力大的多，給梁段準(zhǔn)確、安全就位造成極大的困難；而且不時(shí)會(huì)遇到雨霧天氣，難以保證焊接質(zhì)量；夏季溫度高，箱室內(nèi)溫度更高，大量焊工要進(jìn)入箱內(nèi)安裝焊接，勞動(dòng)難度和窒息危險(xiǎn)性極大，作業(yè)人員身心疲憊，容易出現(xiàn)放松質(zhì)量的觀念，需投入幾倍的人力、物力，確保達(dá)到施工的要求。

3 鋼箱梁懸空搭接施工的工藝流程

臨時(shí)墩設(shè)計(jì)與制作→梁段組對(duì)編號(hào)→梁段運(yùn)輸→吊車選擇與就位→吊裝及臨時(shí)搭接→梁段懸空焊接→無損檢驗(yàn)→吊裝設(shè)備撤場(chǎng)→臨時(shí)墩拆除→場(chǎng)地平整。

4 鋼箱梁懸空搭接施工質(zhì)量、工期的影響因素分析

從上面的工藝順序分析，10個(gè)工序中，梁段的組對(duì)編號(hào)、運(yùn)輸、吊裝設(shè)備選擇與就位、吊車撤場(chǎng)及臨時(shí)墩拆除等工序相對(duì)技術(shù)難度小，重點(diǎn)是臨時(shí)墩設(shè)計(jì)與制作、吊裝、臨時(shí)搭接及懸空焊接工序，特別是梁段在懸空情況下焊接，如何保證焊縫質(zhì)量和縮短焊接時(shí)間，是整個(gè)鋼箱梁懸空搭接施工的重點(diǎn)工作，而其所用時(shí)間的長短，是直接決定能否達(dá)到管制時(shí)間和業(yè)主工期要求的關(guān)鍵，因?yàn)楹附雍蟮臒o損檢驗(yàn)，需要在焊接24 h后進(jìn)行（避免焊縫延遲裂紋漏檢），如果一次檢驗(yàn)不合格，焊縫存在質(zhì)量隱患，就無法進(jìn)行后序相關(guān)工序作業(yè)，而焊縫返修24 h后才能進(jìn)行二次檢驗(yàn)，這樣無形中將使安裝時(shí)間增加48 h，這樣就很難滿足時(shí)間的要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量保障措施

5.1 施工前需指定方案和施工措施

上述鋼箱梁懸空搭接施工質(zhì)量、工期的影響因素分析，要求在施工前，需制定以下工作方案和施工措施，以確保質(zhì)量和工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

a）首先確保焊工有責(zé)任心，一般選用跟隨多年有經(jīng)驗(yàn)的老焊工，并明確焊接標(biāo)準(zhǔn)：焊前焊道進(jìn)行電動(dòng)打磨出金屬光澤，清除銹蝕、污漬、氧化皮等雜物；焊中層間進(jìn)行打磨，清除雜物后繼續(xù)焊接。嚴(yán)格審察焊接人員的水平，上崗前檢查焊工資格證情況，并進(jìn)行實(shí)操考核，合格后方可上崗施焊一級(jí)對(duì)接口。

b）避免雨霧天氣作業(yè)，雨天施工，禁止焊接主要探傷口，在箱內(nèi)可以進(jìn)行組對(duì)及焊接非探傷口。避免高空風(fēng)量大時(shí)作業(yè)，大風(fēng)天氣必須作業(yè)時(shí)，需采取擋風(fēng)措施，擋風(fēng)裝置失效，會(huì)增加出現(xiàn)氣孔的機(jī)率。

c）焊劑烘烤必須到位，焊劑在使用前必須經(jīng)過烘烤2～3 h后才可以使用，陶瓷墊塊、焊絲存放時(shí)一定要干燥防潮。焊機(jī)性能必須滿足施工焊接要求，焊機(jī)電壓電流不穩(wěn)會(huì)直接影響焊接質(zhì)量，使用過程中，焊機(jī)電壓電流跳動(dòng)幅度過大、過于頻繁，性能不能滿足施工要求時(shí)，必須有備用焊機(jī)使用。

d）焊接工藝參數(shù)必須落實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)焊接必須嚴(yán)格執(zhí)行焊接參數(shù)。填充施焊完成一層后，使用電動(dòng)砂輪機(jī)裝鋼絲刷進(jìn)行層間處理，將焊后雜質(zhì)打磨清理干凈后，施焊下一層；焊接層間處理方式不當(dāng)，將會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

5.2 正式施工前需達(dá)到的目標(biāo)

在正式吊裝施工前，需進(jìn)行場(chǎng)外試焊，確保焊接一次合格，達(dá)到如下目標(biāo)：

a）焊縫外觀檢測(cè)一次合格率提高至90%，減少出現(xiàn)氣孔、焊瘤、飛濺等外觀缺陷，杜絕出現(xiàn)咬邊、密集氣孔、根部收縮孔[1]。

b）焊縫超聲波無損檢測(cè)一次合格率提高至85%，減少點(diǎn)狀缺陷，杜絕未融合、夾渣、裂紋等危害性缺陷[1]。

c）焊縫射線無損檢測(cè)一次合格率提高至80%，減少點(diǎn)狀缺陷，杜絕條狀危害性缺陷[1]。

6 鋼箱梁懸空搭接施工關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

梁段運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)前，需完成一切吊裝準(zhǔn)備工作，盡量縮短吊裝、拼接時(shí)間，具體有臨時(shí)墩設(shè)計(jì)施工、受力驗(yàn)算、方案審批、吊裝設(shè)備選擇、吊裝位置確定及平整、臨時(shí)作業(yè)支架的設(shè)計(jì)及拆除、臨時(shí)墩的拆除方案等。

鋼箱梁安裝時(shí)需要搭設(shè)臨時(shí)承重支架，支架盡可能減少對(duì)既有線的影響。根據(jù)工程要求在鋼梁接口處采用搭設(shè)臨時(shí)承重支架，支架立柱為φ300×8 mm的圓管柱，9號(hào)橋、29號(hào)橋跨越南環(huán)高速中間分隔帶的單排支架采用4根φ500×10 mm的鋼管柱，鋼管柱底部焊接（20×800×800）mm的封板，封板與基礎(chǔ)部分采用地錨固定；頂部焊接（20×600×600）mm的封板，豎向每隔2.5～3 m設(shè)置一道L75×75角鋼連接并設(shè)斜桿支撐，相鄰圓柱間用角鋼連接。

為確保基礎(chǔ)施工過程中對(duì)路基本體不造成擾動(dòng)，基礎(chǔ)施工時(shí)淺埋（地面下0.3 m，地表上0.2 m，其中9號(hào)橋、29號(hào)橋跨越南環(huán)高速中間分隔帶的單排支架基礎(chǔ)采用寬2 m，深1.5 m基礎(chǔ)，地面下1.3 m，地表上0.2 m，11號(hào)橋跨越南榆路中間分隔帶深1 m基礎(chǔ)，地面下0.8 m，地表上0.2 m）。混凝土基礎(chǔ)施工完畢后在其頂面進(jìn)行1.2倍荷載的砂袋預(yù)壓，消除沉降變形對(duì)支架穩(wěn)定性的影響。

圖2 梁體縱向分段及臨時(shí)墩布置圖（單位：mm）

圖3 臨時(shí)墩平、縱、側(cè)面構(gòu)造圖（單位：mm）

臨時(shí)墩初步布置好后，需要對(duì)鋼管強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，近似認(rèn)為梁段每延米重量相當(dāng)，為均布載荷，梁段重量均為G來受力分析。

當(dāng)梁段A、梁段B未焊接成型時(shí)，基本相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁（不考慮支架與基礎(chǔ)沉降），則F鋼管臨時(shí)墩=G/2。

圖4 A梁段應(yīng)力分布圖

圖5 B梁段應(yīng)力分布圖

當(dāng)梁段A與梁段B連接成型時(shí)，近似認(rèn)為是一連續(xù)梁，則：中間臨時(shí)墩F=G梁段A/2+G梁段B/2=G。

圖6 A、B梁段焊接完成后應(yīng)力分布圖

在驗(yàn)算承重支架強(qiáng)度和穩(wěn)定性時(shí)，只需考慮最不利情況，即最重梁段、受力最大、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境最不利的情況進(jìn)行分析，其他梁段便均可滿足要求。

該工程項(xiàng)目，根據(jù)梁段重量以及整個(gè)吊裝過程分析，吊裝11號(hào)橋線時(shí)支架受力最大為E、F接口的臨時(shí)墩（因?yàn)樵撎幙缭侥嫌芨咚伲抑虚g隔離帶空間小，高度高），臨時(shí)支架高度按18.1 m計(jì)，此時(shí)上部梁體載荷30 t。

每組支架重量：4×57.67×16.5（鋼管重量）+67.6×2×6×2（40工字鋼重量）+2.692×6.9×24+3.5×2.692×60+（1.168+1.832+1.168+1.832+1.168）×5×2.692+3×5×2.692（橫聯(lián)和斜撐）+200×200+400×20（護(hù)欄）=45 t。

考慮橋梁施工過程中，人、機(jī)具載荷取2 kN/m2，梁段按15 m長、5 m寬計(jì)，每段梁增加荷載15×5×2=150 kN；故中間臨時(shí)墩總受力F=30×9.8+45×9.8+150=3 472 kN。

每組鋼管樁由6根φ300×8 mm的鋼管組成，每根鋼管豎向載荷：F1=F/6=3 472/6=578 kN。

查得φ300×8 mm鋼管力學(xué)特性：鋼管彈性模量 E=2.1×105MPa，軸向允許壓應(yīng)力[σw]=140 MPa，截面慣性矩Ix=7 827.5 cm4，截面面積A=73.4 cm2，回轉(zhuǎn)半徑i=10.327 cm，自重g=0.576 kN/m，鋼管外徑對(duì)應(yīng)的圓面積A′=706.9 cm2[2]。

鋼管的壓應(yīng)力為：σ=N/A=0.788 MPa＜[σw]=140 MPa，故鋼管樁的強(qiáng)度滿足要求。

鋼管樁的穩(wěn)定性驗(yàn)算公式為：

式中：Am為毛截面積，立桿按兩端鉸支考慮，其長度系數(shù)μ=1，立桿的長細(xì)比λ=μl/i=175.269；Φ1為軸心受壓構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，根據(jù)計(jì)算構(gòu)件的長細(xì)比，在《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025—86）中表1.2.16-2中查閱得Φ1=0.824；則容許[N]=Am×Φ1×[σ]=846.87 kN＞ 578kN，故鋼管樁的穩(wěn)定性滿足要求[2]。

然后需要對(duì)基礎(chǔ)最小承載力進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)梁體及墩支架受力，傳遞到地面上的荷載情況，計(jì)算出最小承載力要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)承載力試驗(yàn)，確定基礎(chǔ)處理方式，該項(xiàng)工程基礎(chǔ)處理方式為先挖深1 m，用山皮石夯填50 cm，然后進(jìn)行澆筑80 cm厚C30混凝土。

鋼梁安裝前，需在臨時(shí)墩上設(shè)置預(yù)拱度，主要方法是在支架頂部放置沙箱。鋼梁吊裝完畢，打開沙箱堵絲，放沙至標(biāo)高符合要求，將沙箱堵絲堵住。

臨時(shí)支架設(shè)置完成后，便可考慮箱梁運(yùn)輸和吊裝。吊裝前，必須對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，確定吊車的行進(jìn)路線，清理現(xiàn)場(chǎng)障礙物，保證道路暢通；確定吊車的停放位置，以及運(yùn)輸鋼梁的車輛停放位置；根據(jù)吊車支立位置的實(shí)際情況提前對(duì)吊車支撐點(diǎn)進(jìn)行平整、碾壓和夯實(shí)，必要時(shí)可視情況進(jìn)行山皮石和二灰土換填，確保吊車支立點(diǎn)密實(shí)。施工臨時(shí)用電、機(jī)具、支架、安全設(shè)施等準(zhǔn)備就緒。

任何施工項(xiàng)目，施工安全是首先應(yīng)該考慮的，特別是在不阻斷交通的情況下施工，交通管制方案很重要，太原武宿機(jī)場(chǎng)快速路TJ1合同段鋼箱梁施工要跨越南環(huán)高速武宿樞紐，施工前，根據(jù)專家評(píng)審?fù)ㄟ^的鋼箱梁吊裝專項(xiàng)方案，向高速交警支隊(duì)上報(bào)管制方案，管制方案經(jīng)過批準(zhǔn)，方可進(jìn)入施工程序。

圖7 鋼箱梁懸臂施工道路封閉圖

鋼箱梁是大型鋼結(jié)構(gòu)拼裝物件，各項(xiàng)指標(biāo)專業(yè)性較強(qiáng)，需要在專業(yè)化工廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化制作，然后遠(yuǎn)距離運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝、焊接，太原武宿機(jī)場(chǎng)快速路TJ1合同段將9號(hào)、11號(hào)、29號(hào)橋鋼箱梁縱向分解為 A、B、C、D、E、F 六段，每段橫向又分為左、中、右 3段，分別進(jìn)行運(yùn)輸，起運(yùn)前需在高速管理局辦理特殊構(gòu)件運(yùn)輸手續(xù)，分別繪制運(yùn)輸路線圖，例如11號(hào)橋A段鋼箱梁運(yùn)輸路線為：廠內(nèi)起吊、裝車→北京上高速→運(yùn)輸車暫停晉中服務(wù)區(qū)→太舊高速→南環(huán)高速→武宿D(zhuǎn)出口→11號(hào)橋A段（3片鋼梁）吊裝橋位。

圖8 左鋼箱梁三維分段圖

圖9 右鋼箱梁運(yùn)輸路線圖

在吊車選擇和就位，一定要充分考慮吊車的吊裝能力，確保吊裝安全的情況下，才能考慮吊車的價(jià)位和進(jìn)場(chǎng)安排，如11號(hào)橋A段吊裝采用一個(gè)300 t吊車一次站位吊裝，先吊A1，再吊A2，最后吊裝A3。吊車位置如圖10所示（最大回轉(zhuǎn)半徑16.5 m，最大構(gòu)件重量為26 t，此工況下300 t汽車吊最大起重量為 48 t，安全）。

圖10 鋼箱梁懸臂施工吊車就位圖

7 結(jié)語

通過以上的分析研究，鋼箱梁懸空搭接施工工藝已經(jīng)在太原武宿機(jī)場(chǎng)快速路項(xiàng)目得到充分的應(yīng)運(yùn)，在質(zhì)量、工期進(jìn)度方面均能得到保證，已經(jīng)形成較為成熟的先進(jìn)技術(shù)。希望通過本文對(duì)鋼箱梁懸空搭接施工工藝和具體施工質(zhì)量控制的闡述，可以得到建設(shè)、設(shè)計(jì)及施工單位對(duì)鋼箱梁懸空搭接施工的足夠重視，使此項(xiàng)技術(shù)更多的應(yīng)用于大跨徑、城市上跨立交施工當(dāng)中。