分離式鋼箱梁制造與安裝關(guān)鍵技術(shù)

鄢秉紅

(福建路信交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，福州 350001)

1 前言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市建成區(qū)快速擴張，主城區(qū)與周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的聯(lián)系越發(fā)緊密。由于歷史、經(jīng)濟(jì)等原因，部分新建城區(qū)及城鄉(xiāng)結(jié)合處的過江、過河橋梁建設(shè)不規(guī)范，橋梁寬度、承載能力低，對周邊市民出行及城市化進(jìn)程帶來較大的影響。 常規(guī)的老橋改建工程往往采用封閉交通或者選擇新的過江、過河通道，封閉交通拆除老橋的施工方法對市民出行便利產(chǎn)生較大的影響， 而新建過江、過河通道涉及到選址、拆遷等一系列問題，對政府的財政負(fù)擔(dān)也較大。

本項目創(chuàng)造性地提出不封閉交通分離式鋼箱梁設(shè)計、制造理念， 即在不影響市民交通出行的前提下架設(shè)新橋、拆除老橋，為今后的老橋改建工程提供全新的施工概念。

2 工程概況

福州洪塘大橋拓寬改建工程， 西起洪塘大橋東橋頭附近對既有洪塘立交進(jìn)行改建連接三環(huán)快速后， 新建洪塘大橋跨越烏龍江，隨后進(jìn)入閩侯上街，終點位于洪塘大橋西橋頭附近，與國賓大道銜接，路線總長2.43km。 橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用鋼結(jié)構(gòu)，分東引橋、主橋、西引橋。東引橋段共長384.5m， 跨徑布置為(31.038+40+29.5 +25.962+28+27)(鋼混組合梁)+(30+25.5)(鋼混組合梁)+(40+72+35.5)(變截面工字型鋼混組合梁)。 標(biāo)準(zhǔn)跨徑30m，共計4 聯(lián)11跨，上部結(jié)構(gòu)為工字型鋼混組合梁，西引橋鋼混組合梁鋼梁總長1055m，跨徑布置(35+22x40+4x35)(鋼混組合梁)。

本文重點講述洪塘大橋主橋鋼箱梁的制造與安裝。主橋為獨塔雙索面自錨式懸索橋，總體布置為50m(鋼箱梁錨固跨)+150m(鋼箱梁)+150m(鋼箱梁)+50m(鋼箱梁錨固跨)=400m， 采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系。 寬度為18.72m+16m+ 18.72m=53.44m。 全橋采用Q345q(D)、Q345C、Q235B等材質(zhì)鋼板，總重量約1.3 萬噸。 總體布置圖如圖1 所示。

圖1 洪塘大橋主橋總體布置圖

主梁采用分離式扁平鋼箱梁，橫向分三部分，寬度為18.72m+16m+18.72m=53.44m。鋼箱梁為全焊接箱型結(jié)構(gòu)，兩側(cè)鋼箱梁間通過焊接連接，橋面采用正交異性鋼橋面。

3 鋼箱梁制造難點

福州洪塘大橋主橋以不封閉交通分離式扁平鋼箱梁為設(shè)計、制造理念，主橋鋼箱梁分為兩個階段施工，鋼箱梁制作、安裝難度大，主橋鋼箱梁制造難點及重點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)主橋鋼箱梁橫橋面共分為3 個分段(左幅、中幅、右幅)，分兩個階段施工，鋼箱梁分段幾何精度要求高，橋位左右幅鋼箱梁安裝完成后，在通車的情況下，為保證中幅鋼桁架梁安裝精度要求， 其縱橫向環(huán)縫的精確匹配制造是難點之一；

(2)主橋鋼箱梁的錨箱及橫隔板、縱腹板等主結(jié)構(gòu)焊縫采用熔透焊會造成構(gòu)件剛度大，焊接殘余應(yīng)力高，變形較難控制，因此通過試驗確定焊接工藝(包括焊接工藝方法、焊接設(shè)備、焊接材料、工藝參數(shù)及焊接順序)、坡口形式和制定切實有效的焊接變形控制措施，又是難點之一；

(3)主橋第一階段鋼箱梁架設(shè)后先通車，待老橋拆除后再架設(shè)中間鋼桁梁，間隔時間約為半年，則第一階段兩側(cè)鋼箱梁架設(shè)的相對位置尺寸精度、 線形及變形量須重點控制。

4 鋼箱梁制造關(guān)鍵技術(shù)

福州洪塘大橋主橋為國內(nèi)最寬的自錨式懸索橋，寬度達(dá)到53.44m，國內(nèi)尚無適合拼裝此種寬度橋梁的制作車間， 同時結(jié)合分離式不封交設(shè)計理念和兩階段吊裝的現(xiàn)場施工順序，將主橋鋼箱梁的分為3 個獨立的部分，即第一階先同步制造段兩側(cè)鋼箱梁， 然后第二階段制造中間鋼桁梁。同時為驗證分階段制造的可行性，在第一階段制造首輪兩側(cè)鋼箱梁時， 同步制造第二階段與之匹配的4 個中間鋼桁梁段， 進(jìn)行全斷面的匹配并參與首輪試拼裝驗證。

4.1 頂板單元關(guān)鍵項點控制

板單元作為鋼箱梁的基本單元， 其制作精度關(guān)系到鋼箱梁的整體質(zhì)量，因此針對頂板單元的結(jié)構(gòu)特點，對其制作關(guān)鍵項點采取了相應(yīng)控制措施。

(1)U 肋(板肋)制作精度控制

鋼板經(jīng)輥平預(yù)處理后，采用門式精密切割機下料，并利用矯正設(shè)備對平面度及直線度進(jìn)行矯正， 采用搖臂鉆床利用鉆孔樣板對U 肋及板肋的高強螺栓孔進(jìn)行鉆制。

U 肋(板肋)坡口加工精度控制流程如圖2 所示。

(2)頂板單元組裝精度控制

頂板單元組裝精度主要包括：U 肋(板肋)組裝位置尺寸、U 肋(板肋)與頂板的組裝間隙。

頂板單元組裝精度控制流程如圖3 所示。

圖2 U 肋、板肋坡口加工精度控制

圖3 板單元組裝精度控制

(3)板單元尺寸控制

為了保證鋼箱梁拼裝的箱口尺寸及箱體長度， 對板單元尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制。

板單元尺寸控制流程如圖4 所示。

圖4 板單元尺寸控制要求

(4)頂?shù)装錟 肋焊縫要求具有優(yōu)良的抗疲勞性能，焊縫熔深不小于0.8 倍U 肋板厚，且不得焊漏。

圖5 U 肋組裝

4.2 主橋鋼箱梁總拼胎架

根據(jù)分批制造的施工方案， 主橋鋼箱梁分別在3 跨車間進(jìn)行總拼， 其中相鄰兩塊車間同步制作第一階段兩側(cè)鋼箱梁，另一跨車間制作第二階段中間鋼桁梁。為保證整體焊接后底板的平面度滿足規(guī)范要求， 總拼胎架橫向預(yù)設(shè)工藝拱度， 總拼胎架縱向按照設(shè)計院及監(jiān)控單位提供的線型數(shù)據(jù)制作總拼胎架線型，劃設(shè)地樣線，并在胎架周邊布置測量塔及標(biāo)高基準(zhǔn)點，形成標(biāo)高測量網(wǎng)。第一階段兩側(cè)鋼箱梁胎架線型需保持一致， 且橫向基準(zhǔn)線在一條直線上， 總拼胎架的長度滿足10 個梁段的預(yù)拼裝，每一輪次最后一段作為匹配段參與下一輪次的總拼。 總拼胎架的中間橫梁為可拆卸式， 鋼箱梁拼裝焊接結(jié)束下胎前，拆除中間可拆卸胎架，液壓平板車駛?cè)胩ゼ軆?nèi)將鋼箱梁運出總拼車間。 總拼胎架布置如圖6 所示。

圖6 總拼胎架布置

4.3 主橋鋼箱梁總拼

4.3.1 板單元合件

為了有效控制鋼箱梁焊接變形， 提高鋼箱梁總拼效率，將鋼箱梁頂板、底板單元在拼裝胎架上拼裝成板單元合件參與節(jié)段組裝。板單元合件組裝在胎架上設(shè)置反變形值，保證板單元焊后的平面度。 板單元合件如圖7 所示。

圖7 板單元合件制作

4.3.2 主橋鋼箱梁節(jié)段組焊順序

洪塘大橋主橋鋼箱梁節(jié)段采用正裝方案， 即以總拼胎架為外模，以橫隔板、縱腹板為內(nèi)模，按照“底板→橫隔板→縱腹板→斜底板→錨箱組件→頂板→風(fēng)嘴腹板”的順序，實現(xiàn)立體階梯式推進(jìn)，逐段組裝與焊接。 總拼流程如圖8 所示。

4.3.3 主橋鋼箱梁總拼要點及精度控制措施

(1)以地樣線為基準(zhǔn)，將第一階段左右兩個分段的底板單元、底板單元合件分別置于總拼胎架上并進(jìn)行定位，同時使左右兩個分段橫向基準(zhǔn)線對齊， 確保第一階段左右兩個分段同步制作，組焊底板單元。第一階段底板單元組裝如圖9 所示。

圖9 第一階段底板單元總拼

(2)以底板的橫隔板的組裝定位線進(jìn)行定位，組裝底板上的橫隔板， 保證第一階段左右兩個分段的橫隔板對齊。 待橫隔板裝焊完成后，定位安裝縱隔板，控制好縱隔板安裝角度，兩側(cè)安裝完成后對稱施焊。

(3) 錨箱單元作為重要的承力部件和制造關(guān)鍵點，為了保證其制造質(zhì)量， 以兩側(cè)縱向基準(zhǔn)線及橫隔板組裝定位線為基準(zhǔn)， 將預(yù)制的錨箱單元裝焊到兩側(cè)鋼箱梁中腹板上， 在組裝過程中嚴(yán)格控制好錨箱單元尺寸及裝配角度。裝配過程中，利用經(jīng)緯儀復(fù)測兩側(cè)鋼箱梁錨箱裝配時的線型，保證兩跨車間在錨箱單元裝配時裝配尺寸、角度及線型保持一致。 錨箱單元組裝流程如圖10 所示。

圖10 錨箱單元組裝流程

(4)兩跨車間同步裝焊風(fēng)嘴單元及頂板單元，保證兩側(cè)鋼箱梁頂板橫向基準(zhǔn)線共線， 安裝完成后施焊各頂板之間縱向?qū)雍缚p、頂板與邊腹板之間坡口焊縫、頂板與橫隔板之間的角焊縫以及頂板與縱隔板之間的角焊縫，最后焊接邊腹板與橫隔板的連接焊縫， 完成箱內(nèi)其它焊縫。特別注意的是，鋼箱梁的焊接變形控制是本工程中質(zhì)量控制的主要內(nèi)容之一， 變形控制直接關(guān)系到焊接后的矯正、結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、節(jié)段之間的連接及整體線形控制等。

(5)在梁段預(yù)拼裝胎架上進(jìn)行預(yù)拼裝，每輪預(yù)拼裝8～10 個梁段。 鋼箱梁節(jié)段總拼焊接完畢后，一端留有余量，在預(yù)拼工序中精確劃出余量修割線， 完成修割并加工好焊接坡口。在無應(yīng)力條件下，精確測量并記錄線形、長度、端口尺寸、直線度等參數(shù)，檢驗合格后，在頂板、腹板上分別劃200mm 檢查線，以方便吊裝節(jié)段間鋼箱梁拼裝時定位，安裝接口匹配件和止推板。安裝接口匹配件和止推板時，需預(yù)加環(huán)縫焊接收縮量，還應(yīng)根據(jù)梁長情況修正梁段長度誤差，不使誤差積累。接口匹配件和止推板安裝應(yīng)在溫度比較穩(wěn)定的條件下完成組裝定位， 避免溫度變化對其安裝精度造成不利影響。

預(yù)拼過程中，每一輪預(yù)拼裝完成后，留端部一個節(jié)段參與下一輪次的預(yù)拼裝，確保所有節(jié)段連續(xù)匹配。

(6)預(yù)拼裝控制要點如圖11 所示。

圖11 預(yù)拼裝控制要點

4.4 鋼箱梁全斷面驗證拼裝

為驗證主橋鋼箱梁第一階段與第二階段分段制造的精度及匹配效果， 對首輪鋼箱梁進(jìn)行全斷面預(yù)拼裝并驗證。 本項目主橋鋼箱梁橫截面寬度達(dá)53.44m，為保證驗證拼裝順利進(jìn)行， 在外場另設(shè)置了全斷面驗證預(yù)拼板胎架，滿足首輪前5 個節(jié)段的驗證拼裝。驗證拼裝胎架使用支座胎架，按監(jiān)控線型數(shù)據(jù)調(diào)整制作胎架線型，并按總拼胎架要求布置地樣線、測量塔及標(biāo)高基準(zhǔn)點，形成標(biāo)高測量網(wǎng)。 車間首輪兩側(cè)鋼箱梁總裝及預(yù)拼裝完成后，將前5個梁段吊運至外場驗證胎架上，復(fù)測鋼箱梁整體線形，驗證胎架及測量塔如圖12、13 所示。

圖13 驗證胎架及測量塔布置圖

5 主橋鋼箱梁安裝與主要控制措施

(1)施工順序

在主橋范圍內(nèi)各設(shè)置2 組共8 個臨時橋墩， 在老橋左右兩側(cè)搭設(shè)鋼管支架，鋼管支架上布置貝雷架平臺。主橋第一階段兩側(cè)鋼箱梁分批運輸至現(xiàn)場， 利用浮吊按吊裝順序吊裝鋼箱梁分段， 吊裝完成后進(jìn)行鋼箱梁的精確調(diào)整，并焊接成整體，體系轉(zhuǎn)換后形成連續(xù)鋼箱梁，第一階段兩側(cè)鋼箱梁安裝示意圖如圖14 所示。

圖14 第一階段兩側(cè)鋼箱梁安裝示意圖

兩側(cè)鋼箱梁貫通后澆筑超高強韌性混凝土， 封閉老橋?qū)⒔煌ㄞD(zhuǎn)換到兩側(cè)新建橋梁上。 同時拆除老橋和主橋范圍內(nèi)的貝雷架及鋼管支架。 利用龍門吊選擇交通量較低時段臨時封閉交通， 吊裝下橫梁及第二階段中間鋼桁梁，與兩側(cè)鋼箱梁拼裝連接成整體，最后進(jìn)行主纜架設(shè)并完成主橋鋼箱梁體系轉(zhuǎn)換，形成懸索橋，第二階段中間鋼箱梁安裝示意圖如圖15 所示。

圖15 第二階段中間鋼箱梁安裝示意圖

(2)主要控制措施

洪塘大橋主橋鋼箱梁采用分幅施工方式， 單幅鋼箱梁分為21 個節(jié)段吊裝到位后焊接， 因此需在各個節(jié)段鋼箱梁制作與架設(shè)施工過程中進(jìn)行精確定位。 ①制作前嚴(yán)格把住材料關(guān)。 ②制作過程嚴(yán)格建立首件報驗制度。③停止點檢查 重要的工序節(jié)點、隱蔽工程、關(guān)鍵試驗等質(zhì)量控制點，必須進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，并確認(rèn)合格后，才能進(jìn)入下道工序。 ④建立完整質(zhì)檢體系、管理到位、質(zhì)檢人員責(zé)任落實，確保質(zhì)檢體系運行有效。⑤制備完成后需要根據(jù)設(shè)計線形完成預(yù)拼裝，在預(yù)拼裝后精確定位出每片鋼箱梁的橫基線和縱基線，作為鋼箱梁橋址處平面位置定位的參考依據(jù)。 ⑥鋼箱梁橋址處定位中，首先根據(jù)鋼箱梁的橫縱基線，確定鋼箱梁的平面位置，然后通過鋼箱梁四個角點的高程坐標(biāo)來確定鋼箱梁的高程， 實現(xiàn)單片鋼箱梁的精確定位，同時在鋼箱梁定位后還要通過測量鋼箱梁吊桿錨箱，及主纜后錨板等關(guān)鍵構(gòu)件的空間坐標(biāo)，來對鋼箱梁的定位準(zhǔn)確性進(jìn)行復(fù)核。 ⑦鋼箱梁定位完成后方可進(jìn)行焊接， 由于焊縫收縮等復(fù)雜環(huán)境及施工因素的影響，在鋼箱梁焊接及其他相關(guān)施工過程中，已經(jīng)定位準(zhǔn)確的鋼箱梁還存在著變形的可能性，因此需要定時對已經(jīng)定位焊接完成的鋼箱梁平面位置及高程進(jìn)行復(fù)測，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

(3)變形控制及措施

由于分離式不封交的設(shè)計理念在國內(nèi)尚屬首次，且在主橋第二階段鋼桁梁吊裝前， 第一階段兩側(cè)鋼箱梁已經(jīng)通車約半年時間。 為預(yù)防兩側(cè)鋼箱梁產(chǎn)生一定的變形量， 中間鋼桁梁在制造時與兩側(cè)鋼箱梁對接的環(huán)口均放置50mm 余量， 在中間鋼桁梁吊裝前根據(jù)調(diào)節(jié)后兩側(cè)鋼箱梁之間的實際尺寸進(jìn)行修割， 保證主橋鋼箱梁的整體匹配和對接。 第二階段中間鋼箱梁余量放置示意圖如圖16 所示。

圖16 第二階段中間鋼箱梁余量放置示意圖

(4)現(xiàn)場焊接工藝控制要點

鋼箱梁現(xiàn)場環(huán)縫施焊前應(yīng)對接頭坡口、 焊縫間隙和焊接板面高差， 按焊接工藝和規(guī)范要求調(diào)整到組裝允許偏差范圍方能施焊。為減少因焊接而產(chǎn)生的附加應(yīng)力、焊縫殘余應(yīng)力和邊緣材料局部應(yīng)力， 消除或減少不規(guī)則變形，環(huán)焊縫按照規(guī)定的焊接順序和焊接方向執(zhí)行：①頂?shù)装鍣M向焊縫從橋軸中心線向兩側(cè)對稱施焊； 兩側(cè)腹板采取從下到上的方向施焊；先焊接頂?shù)装瀛h(huán)縫，后焊接腹板焊縫。②一段有自由端的長焊縫，可從另一端向自由端施焊。 ③頂板、底板橫向焊縫的起弧、熄弧均應(yīng)避開縱向焊縫200mm 以上。

6 結(jié)束語

福州洪塘大橋作為國內(nèi)最寬的自錨式懸索橋，且采用了分離式不封閉交通的設(shè)計、制造理念，其制造工藝復(fù)雜，對鋼箱梁分段施工、吊裝的精度要求較高。 本文對福州洪塘大橋制作工藝及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹、分析，提出了分段制造、整幅驗證、橋位間隙控制等一系列的施工工藝方案，對今后城市內(nèi)老橋改建工程具有一定的參考價值。