大型鋼構(gòu)橋的箱梁和鋼桁架制作安裝技術(shù)

李 祥 盧彩霞

常州第一建筑集團(tuán)有限公司 江蘇 常州 213000

1 工程簡(jiǎn)介

背景項(xiàng)目位于江蘇省溧陽(yáng)市中關(guān)村科技產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，中關(guān)村大道與城北大道交叉口處。2條路均為區(qū)域性的交通要道。跨越交叉路口的人行天橋（圖1）在平面上由西北—東南向主通道（A軸）和東北—西南向次通道（B軸）2條通道組成。2條通道均由相切圓弧線(xiàn)條拼接而成，整體為X形布置。A軸圓弧半徑為78 m，寬度由7 m漸變至9.8 m；B軸圓弧半徑為33 m，寬度由4 m漸變至7.35 m。主通道采用下承式連續(xù)鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架間采用橫梁及斜桿結(jié)構(gòu)聯(lián)系；次通道采用單箱雙室斷面的連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，與主通道在中心位置搭接。

圖1 人行天橋整體效果圖

本工程存在構(gòu)件復(fù)雜、加工精度要求及檢測(cè)要求高、構(gòu)件內(nèi)部空間狹小、焊接操作困難、構(gòu)件運(yùn)輸尺寸超限、施工中不能斷交等難點(diǎn)。

2 構(gòu)件分段

2.1 鋼箱梁分段

1）鋼箱梁為正交異性板結(jié)構(gòu)，將面板、底板、腹板等分成便于起吊和運(yùn)輸?shù)娜舾捎锌v、橫肋的獨(dú)立構(gòu)件。構(gòu)件運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，在胎架上按一定的順序組裝成鋼箱梁。

2）現(xiàn)場(chǎng)按制作分段編號(hào)依次拼接組成吊裝分段。吊裝分段按1-x和2-x兩段依次吊裝（圖2）。

圖2 鋼箱梁分段示意

2.2 鋼桁架分段

鋼桁架平面呈弧形飄帶狀，高度5.5 m。如果車(chē)間采用分段整拼的方法，胎架搭設(shè)高度較高。經(jīng)過(guò)策劃，最終采用立面鋼桁架分段平躺整拼制作，橫梁散裝，現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)胎架總拼后吊裝的方式。根據(jù)運(yùn)輸線(xiàn)路和車(chē)間制作情況，立面鋼桁架每個(gè)分段長(zhǎng)度不超過(guò)16.5 m（圖3）。

圖3 鋼桁架分段示意

3 深化設(shè)計(jì)

通過(guò)Tekla軟件建立空間扭曲鋼桁架模型（圖4），并將零件通過(guò)拼湊小三角的方式展開(kāi)為平面，供車(chē)間下料。建模過(guò)程中需要反復(fù)調(diào)節(jié)空間扭曲節(jié)點(diǎn)板的控制點(diǎn)位置，以便順利貼合桁架弦桿。

圖4 鋼桁架Tekla模型

4 排板

1）排板時(shí)，鋼板的長(zhǎng)度方向順著結(jié)構(gòu)的主要受力方向。

2）角焊縫與對(duì)接焊縫之間應(yīng)錯(cuò)開(kāi)100 mm以上。板單元拼接縫與縱向U形肋、T形材及橫向筋板等位置錯(cuò)開(kāi)不小于100 mm。頂板單元、底板單元、隔板單元拼接縫互相錯(cuò)開(kāi)不小于200 mm，盡量避免十字焊縫。

5 鋼材原材料表面預(yù)處理

鋼材復(fù)驗(yàn)合格后，進(jìn)入預(yù)處理流水線(xiàn)，經(jīng)噴砂拋丸處理，除去鐵銹及其污物。其表面粗糙度要求達(dá)到40～80μ m，再?lài)娡款A(yù)處理防銹漆。

6 鋼箱梁段加工

6.1 下料、冷彎加工、相關(guān)板單元制作

1）本工程鋼箱梁橋平面彎曲，鋼桁架空間彎扭，其豎向腹板、加勁肋均需冷彎處理。鋼桁架最小彎曲半徑為65 m；鋼箱梁最小彎曲半徑24.5 m，施工時(shí)尚需考慮豎向起拱，且成型質(zhì)量要求較高，彎曲和彎扭加工難度較大。

2）深化設(shè)計(jì)詳圖中的尺寸均為加工凈尺寸。在實(shí)際制作中，需考慮焊接收縮量及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接所必需的余量。在橋面的寬度方向，每個(gè)分段箱形加4 mm的焊接收縮余量，在長(zhǎng)度方向，每個(gè)安裝分段均按無(wú)切割量的方案進(jìn)行放樣，加5～10 mm的焊接收縮余量。線(xiàn)形成形后，對(duì)余量端進(jìn)行精確切割，并標(biāo)記好縱橫向控制線(xiàn)（對(duì)接線(xiàn)）。

3）深化設(shè)計(jì)和下料時(shí)考慮豎曲線(xiàn)、預(yù)拱度、橫坡、縱坡等因素對(duì)構(gòu)件尺寸的影響[1-4]。

6.2 組裝胎架搭設(shè)

1）將鋼箱梁制作與預(yù)拼裝相結(jié)合，在同一胎架（圖5）上完成，胎架考慮線(xiàn)形、平面曲率、順橋向坡度、跨中起拱和橫橋向坡度，按吊裝分段整跨制作。

2）將車(chē)間制作驗(yàn)收后的頂板單元、腹板單元、隔板單元、底板單元，分別吊裝至胎架。

3）待整體裝配成型并固定牢靠后，將腹板、隔板單元分別與頂?shù)装鍐卧附樱渲许數(shù)装鍐卧g不焊接。

圖5 胎架示意

6.3 頂板定位組裝

將單元件頂板坯依次平置于裝配線(xiàn)上，以板中心定位，U形肋反置于頂板上用靠模初定位，檢查確認(rèn)后，用門(mén)架校正裝置，U形肋長(zhǎng)度方向，順沿靠模定位并在單元件頂板坯端部250 mm處開(kāi)始定位點(diǎn)焊，然后每移約700 mm定位焊一次，每定位焊長(zhǎng)度約40 mm，直至配焊完一塊單元件，再進(jìn)行第二塊配焊（圖6）。

圖6 頂板裝配示意

6.4 橫隔板定位組裝

上橫隔板用模板定位，用半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊或手工焊完成焊接（圖7）。

圖7 橫隔板組裝示意

6.5 腹板定位組裝

將腹板，縱向、橫向加勁板在預(yù)設(shè)的裝配平臺(tái)上組裝、固定、焊接。采用CO2氣體保護(hù)焊或手工焊進(jìn)行施焊，焊接時(shí)采取對(duì)稱(chēng)施焊。進(jìn)行矯正及驗(yàn)收后，將其運(yùn)至胎架上組裝、焊接（圖8）。

6.6 底板單元定位

先安裝底板U肋和加勁板，再鋪底板。焊接時(shí)，U肋和加勁板在拼接接口位置預(yù)留一段長(zhǎng)度不焊，以便于拼接時(shí)調(diào)整（圖9）。

圖8 腹板組裝示意

圖9 底板組裝示意

6.7 懸挑側(cè)定位組裝

底板鋪裝完畢后，即可進(jìn)行邊緣加勁板、封板的組裝（圖10）。

圖10 懸挑側(cè)組裝示意

6.8 構(gòu)件檢測(cè)驗(yàn)收

進(jìn)行矯正及總體尺寸、焊接的驗(yàn)收，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行涂裝。

7 焊接工藝要求

7.1 焊縫形式

焊縫形式主要分對(duì)接焊縫和角焊縫。優(yōu)先采用埋弧自動(dòng)焊，其余采用氣體保護(hù)焊。

1）頂板、底板及腹板的縱橫對(duì)接為全熔透焊縫，采用埋弧自動(dòng)焊。

2）頂板與縱向U形加勁肋采用V形坡口焊縫，熔透角焊縫，手工氣保焊。

3）底板與縱向U形加勁肋和I形加勁肋采用貼角焊縫，手工氣保焊。

4）腹板與頂板、底板為熔透坡口角焊縫，手工氣保焊。

5）橫隔板與頂板、底板為坡口角焊縫，手工氣保焊。

6）橫隔板與腹板坡口角焊縫，手工氣保焊。

7）箱梁分段的頂板、底板對(duì)接焊縫，采用內(nèi)置磁襯墊的坡口熔透焊接-單面焊雙面成型，手工氣保焊。

7.2 焊接工藝要求

1）施工前，應(yīng)按照規(guī)范要求進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，獲得必要的焊接技術(shù)參數(shù)，并以此為依據(jù)制訂焊接工藝規(guī)程。

2）鋼結(jié)構(gòu)的焊接尚應(yīng)對(duì)焊接作業(yè)進(jìn)行防護(hù)，溧陽(yáng)地區(qū)氣候冷熱多變，濕度較大、降水較多，如果焊接區(qū)域潮濕或接頭溫度急劇下降，將破壞接頭熱影響區(qū)金相組織的正常轉(zhuǎn)變過(guò)程，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。因此，本工程焊接現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境保護(hù)采用防護(hù)棚遮擋。

3）熔透接頭采用CO2氣體保護(hù)焊工藝，電流270～320 A，電壓30～38 V，焊速150～500 mm/min，焊絲伸出長(zhǎng)度約20 mm，氣體流量20～80 L/mm。反面用碳刨清根，直至露出焊縫金屬；再用砂輪打磨，露出金屬光澤。

4）采用陶質(zhì)襯墊單面焊雙面成型技術(shù)，確保主要受力縱橫焊縫全熔透，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

5）頂、底、腹板對(duì)接焊縫中不允許出現(xiàn)交叉焊縫，同一方向的焊縫間距不小于200 mm。

6）鋼桁架部分弦桿隔板操作有難度，采用三面焊接后頂緊的方式。

7）對(duì)接焊縫要求焊透、磨光，并保證工地焊接質(zhì)量；所有焊縫均為連續(xù)焊縫，都應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行檢查，并作記錄。一級(jí)焊縫應(yīng)進(jìn)行X光探傷，并拍片。

8）對(duì)于開(kāi)坡口角焊縫，裝配時(shí)采取工藝措施，保證坡口間隙，以確保焊縫根部熔合良好。

7.3 焊接變形控制措施

1）焊接工藝按減小殘余應(yīng)力、減小焊接變形來(lái)完成組拼工藝。對(duì)于跨中段間接頭應(yīng)先施焊底板、再頂板、后腹板；對(duì)于支座附近段間接頭先施焊頂板、再底板；對(duì)于1/4跨附近頂、底板可按彎矩包絡(luò)圖判斷，腹板最后施焊。組拼時(shí)應(yīng)注意對(duì)稱(chēng)施焊，對(duì)于焊接變形較大者應(yīng)采取消除焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的工藝措施，從而控制工廠或工地段間接頭主受力板件錯(cuò)縫量在相關(guān)規(guī)范容許范圍內(nèi)。

2）將鋼箱梁各種焊接接頭分類(lèi)，使所有受力焊縫處于水平位置下施焊，采用自動(dòng)焊及焊接變形小的焊接方法。

3）每塊單元件采用2臺(tái)CO2自動(dòng)焊機(jī)對(duì)稱(chēng)施焊，焊接線(xiàn)能量小，且焊接運(yùn)行均勻，所產(chǎn)生的焊接應(yīng)力分布有規(guī)律。經(jīng)過(guò)單元件施焊試驗(yàn)，確定其焊后變形趨勢(shì)及量值，針對(duì)這些變形方向和量值設(shè)計(jì)反變形焊接胎架，給單元件在焊接前施加反方向等變形量值的預(yù)變形，使焊后變形量正好與其反變形量相抵消。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐的驗(yàn)證，單元件焊接后的變形得到有效的控制。

8 涂裝工藝要點(diǎn)

1）溧陽(yáng)地區(qū)屬于城市和工業(yè)大氣、中等二氧化硫污染、低鹽度沿海區(qū)，腐蝕種類(lèi)為C3。根據(jù)JT/T 722—2018《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》，采用長(zhǎng)效型防腐體系。

2）對(duì)漆膜厚度難以保證的結(jié)構(gòu)體邊緣、角隅等處應(yīng)先進(jìn)行預(yù)涂裝。

3）對(duì)漆膜厚度未達(dá)到規(guī)定要求的部分或因涂面受損傷、剝落、針孔等均應(yīng)修整補(bǔ)漆。

4）當(dāng)涂膜干燥后，必須小心地墊上軟性物體，以防涂膜損壞。

5）所有外露自由邊（如底板外邊緣、伸縮縫位置等）均應(yīng)對(duì)直角處打磨成R＞1 mm的圓弧。清除焊縫處的毛刺、尖角、熔渣、飛濺物等，以便保證涂裝工藝質(zhì)量。

9 模擬拼裝

1）模擬拼裝采用高精度三維激光經(jīng)緯儀，采用專(zhuān)業(yè)軟件將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云圖，再與理論模型對(duì)比。

2）每段構(gòu)件整體焊接完畢后，進(jìn)行檢查、清理和打磨。

3）測(cè)量點(diǎn)主要選擇具有代表性的控制點(diǎn)，以保證線(xiàn)形和坐標(biāo)。

10 現(xiàn)場(chǎng)安裝

10.1 拼裝場(chǎng)地布置和要求

1）鋼桁架及鋼箱梁均需現(xiàn)場(chǎng)拼裝，現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作量大且要求高。

2）現(xiàn)場(chǎng)拼裝場(chǎng)地位于道路交叉點(diǎn)東北角（圖11），為便于大型梁段轉(zhuǎn)運(yùn)，拼裝場(chǎng)地?cái)M沿主通道斜向布置。拼裝場(chǎng)地內(nèi)設(shè)1臺(tái)50 t履帶吊用于重型構(gòu)件的拼裝，3臺(tái)25 t汽車(chē)吊用于散件拼裝，按照主通道和次通道各一拼裝輪次。

圖11 拼裝場(chǎng)地布置示意

10.2 拼裝場(chǎng)地要求

場(chǎng)地表層為軟土，標(biāo)高較低。首先進(jìn)行局部土方回填壓實(shí)，然后回填厚200 mm碎石層，其上澆筑厚200 mm的C20混凝土。

10.3 主要吊裝方法

1）由于公路交通限制，僅可在封路的有限時(shí)間完成主跨鋼桁架的整體吊裝。為減少對(duì)公路交通的影響，主跨鋼桁架采用整體抬吊吊裝，邊跨鋼桁架及鋼箱梁均單跨整體吊裝，中間不設(shè)支點(diǎn)（圖12）。采用2臺(tái)350 t履帶吊抬吊主跨鋼桁架后，單臺(tái)350 t履帶吊進(jìn)行其余分段的吊裝。

圖12 吊裝分段示意

2）由于梁段安裝過(guò)程中公路仍在通行，安裝過(guò)程中采取設(shè)置警戒線(xiàn)、硬質(zhì)圍擋、設(shè)立交通減速、警示標(biāo)志等多種措施保障安全。

11 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)三維測(cè)量結(jié)果得出偏差值后，建議采用如下糾偏措施修正構(gòu)件：

1）微小偏差可以采用坡口尺寸＋焊縫過(guò)渡的方式調(diào)節(jié)。

2）桁架水平橫梁采用一端牛腿現(xiàn)場(chǎng)焊接，另一端車(chē)間焊接的方式，便于現(xiàn)場(chǎng)定位和調(diào)節(jié)偏差。若偏差較大，也可以采用兩端現(xiàn)場(chǎng)焊接，逐步消除扭轉(zhuǎn)偏差。

3）箱形構(gòu)件端部預(yù)留一定長(zhǎng)度不焊，根據(jù)實(shí)際偏差值漸進(jìn)過(guò)渡糾偏。

本項(xiàng)目施工過(guò)程中，通過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)的不斷努力，在橋梁制作和安裝方面完善了相關(guān)空間扭曲構(gòu)件的經(jīng)驗(yàn)積累。最終，中關(guān)村大道與城北大道平交口人行天橋工程得以順利實(shí)施，并取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。