城市大型鋼箱梁分段制作安裝施工技術

陳龍 梁建偉

摘 ?要：本文以滇緬大道快速路建設項目（一期工程）一聯鋼箱梁施工為例，介紹了在城市狹小場地條件下采用鋼箱梁錯位分割、縱向分段，橫向分塊、單元預組拼、接縫預固定、并在橋位搭設臨時支撐的鋼箱梁焊接成形方法。利用MidasCivil軟件建立空間有限元模型，對鋼箱梁梁單元運輸、吊裝過程中的應力和變形以及臨時支撐架整體結構強度、剛度和穩定性進行有限元分析，結果表明其相應的應力和變形均滿足規范要求。由此總結了鋼箱梁分塊、線形控制、臨時支墩設計、安裝焊接等施工關鍵技術，以期為今后類似工程施工提供參考。

關鍵詞：大型鋼箱梁;有限元分析;分段拼裝;運輸、吊裝變形控制

中圖分類號：U445.4 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：2096-6903（2021）11-0000-00

0 引言

在城市交通基礎設施建設中，鋼箱梁因其自重輕、制作架設速度快、抗扭性能好等優點經常應用于城市橋梁主線或匝道設計建造中[1]。鋼箱梁一般由頂板、底板、腹板、橫隔板、縱隔板及加勁肋等通過全焊接的方式連接而成，其制作加工及運輸吊裝施工是一個復雜的過程，涉及大型機械設備，安全風險高。在施工受場地和空間受限的城市環境中，大型運輸和吊裝設備難以發揮作用，采用現場單元板散拼的技術方法施工鋼箱梁，接縫采用鋼板預固定控制焊接變形的施工方法可解決上述問題。目前現場單元板散拼施工方法中，臨時支架法是應用最為廣泛、安全系數最高的一種方法。

1 工程概況

昆明滇緬大道快速路建設項目（一期工程）為城市主干路，工程全長約1.196km，設計時速為60km/h，主線橋梁部分全長共計670m，其中Pm08～Pm11為一聯連續鋼箱梁，全長130m，跨度布置為（39+52+39）m，后期跨越規劃路。箱梁橫截面變寬，其中Pm08（K1+263.773）至樁號（K1+324.273）共60.5m為變截面鋼箱梁，梁寬為25.4～37.2m，采用單箱四室斷面，（K1+324.273）至Pm11（K1+393.773）共69.5m為恒截面鋼箱梁，采用單箱三室斷面。全橋梁高2.4m，頂板兩側懸臂長度為2.2m，鋼箱梁結構如圖1所示。

鋼箱梁由頂板、底板、腹板、橫隔板、縱隔板及加勁肋等通過全焊接方式連接，橋面板采用正交異形板結構，頂板縱向加勁采用U形肋，U肋布置于箱室頂板和懸臂板，腹板和底板的縱向加勁采用I形肋。橫隔板布有進人孔，腹板設縱向加勁肋。鋼箱梁頂板橫橋向設2%雙向橫坡，底板與頂板平行，中腹板按垂直方向設置，鋼箱梁支座處設鋼墊板調整梁底高程。

2 主要施工技術

2.1 總體施工方案及流程

本工程鋼箱梁施工采用工廠分段制作，完成后通過公路運輸到橋位處。安裝采用臨時支架，通過汽車式起重機按順序架設至支撐架上，通過調整節段標高、間距、平面線形來達到設計要求，無誤后現場焊接連成整體，具體施工工藝流程如下：施工準備→材料進場復檢→胎架定位放樣→原材下料→單元板塊加工（頂板板塊、底板板塊、腹板板塊、隔板板塊）→板塊拼接→尺寸檢查→焊接→焊縫檢測→安裝臨時支撐件→安裝吊耳及附件→胎架脫模→塊體涂裝→涂裝檢測→節段運輸→測量放線→臨時支撐架安裝→預組拼→分段吊裝、拼焊→焊縫檢測→現場焊縫補漆→終涂裝→驗收→支架拆除。

2.2 箱梁節段劃分

鋼箱梁分段應考慮運輸機械、道路、吊裝設備等諸多條件后綜合考慮確定，以滿足經濟效益最大化、焊縫最少化、高空的拼焊減量化、施工場地節約化的目標，具體的劃分原則如下。

（1）盡可能加寬單塊結構尺寸，以減少焊縫。

（2）結合設計圖，滿足受力要求，避免同一面上焊縫集中，避免應力集中處與結構焊縫重疊。

（3）符合安裝方案，在運輸、吊裝能力范圍內進行分段劃分。

（4）劃分盡量實現板單元標準化，以便實現板單元生產規范化、產品標準化、質量穩定化。

為解決該本工程鋼箱梁運輸難題、加快施工進度，采用化整為零、縱向分段、橫向分塊的方法，把該鋼箱梁縱向分成11段（端橫梁、中橫梁共分為4段，邊跨處分2段，中跨處分3段）;恒截面箱梁部分橫向分7塊，變截面箱梁部分橫向分8塊;全橋共計劃分為60個塊段。

2.3 箱梁分段加工

2.3.1 板單元件制作

板單元件制作是工程施工的基礎，頂板、底板、腹板、橫隔板等各單元件的數量眾多，適合采用專業化、自動化切割及拼接設備，以控制單元件的制作精度和質量。其具體施工流程包括：放樣→下料→劃線→組裝提升→焊接→單元坡口開設→檢驗及矯正。

焊接過程根據不同的焊接部位、環境選取不同的焊接工藝，本工程箱梁施工采用的焊接工藝如下表1所示。板單元制作主要采用CO2氣體保護自動焊在專用焊接胎架上焊接[2]，對稱焊接。

2.3.2 塊段拼裝制作

箱梁塊段拼裝遵循由先分后總、逐一匹配制作的思路，即按照底板組合單元件的上表面取作胎架基準，按下述順序組裝各個單元件：底板→橫隔板→腹板→頂板→分段組拼后整體焊接平、立位→焊接剩余對接焊縫。

挑臂分段采用“單個分段、反向制造”方案，以頂板單元件的頂板上表面作為胎架基準面，依次組裝挑梁部件及檐板，然后進行分段整體焊接，最后裝焊裝飾板。

同時制作過程采用長線拼裝思路，即待單元件制作完成后進行針對性地組裝，并對其焊接和預拼裝，重點采取多節段進行連續性的匹配，使得線型控制方面達到最佳效果。

總組裝胎架按箱梁水平曲線和豎曲線1：1比例制作，梁段間預留間隙，使相鄰梁段連接斷面匹配后組裝施焊，施焊完畢后將梁段吊除，安裝時不允許調換梁段號。組裝前必須先搭設組裝胎架，組裝胎架線形的設置必須考慮設計橋縱向坡度、設計預拱度、焊接預拱度等。

箱形梁匹配分段具體制作流程為：單元件復檢→底板組合單元件上胎架定位→依次組裝底板組合單元件→組裝兩側腹板單元件→依次組裝橫隔板與腹板單元件→組裝最外兩側腹板單元件→組裝頂板組合單元件→組裝剩余頂板組合單元件→焊接、劃線切割余量→裝焊吊耳及臨時匹配連接件→現場雙拼→標記標識。

挑臂分段具體制作流程為：單元件復檢→頂板單元件上胎架定位→挑梁部件組裝→檐板組裝→焊接→裝焊肘板、襯板及角鋼加強結構→裝焊裝飾板→矯正→標記標識。

2.4 箱梁現場拼裝

箱梁現場拼裝采用現場搭設臨時支撐架，按制造節段進行現場吊裝后高空拼焊的方法安裝。其具體施工流程為：施工準備→支架處地基處理→定位放線→臨時支架及工作平臺搭設→布設汽車式起重機→梁段運輸就位→依次吊裝→臨時支架上對位、焊接→梁端錨固→配重區混凝土施工→落梁、體系轉換→安裝護欄→鋼箱梁混凝土橋面鋪裝→現場涂裝。

2.4.1 臨時支撐體系設計

為快速完成臨時支架的搭設及拆除，減少支架拼裝、焊接工序，加快施工進度，本工程采用一種框架式整體鋼管臨時支架體系，該臨時支架體系分別由鋼墊板、螺旋鋼管、頂部橫梁以及調節管等部分組成。臨時支架鋼墊板采用Q235B規格為2400×2000×200mm鋼墊板;立柱為Q235B規格為?273×8mm螺旋焊管;橫桿及斜撐采用Q235B規格為?140×4mm螺旋焊管;平臺及調節段采用截面規格為HN400×200×8×13mm型鋼。臨時支架跨中布設立面圖見下圖2。

臨時支墩搭設前，通過實際放樣布設支墩位置，支墩鋼柱下方設置鋼墊板增加受力面積，減少對地基承載力要求，鋼柱通過型鋼支撐連接成整體。

2.4.2 箱梁分段吊裝

根據現場工況條件，結合吊車作業半徑、吊重以及站位等因素綜合考慮，明確鋼梁各分段構件的吊裝順序和進場方向為自西向東。箱梁總體吊裝順序為：橫向由北向南進行吊裝作業，縱向從Pm11軸線至Pm08軸線方向吊裝。主箱梁吊裝就位后，進行挑檐吊裝，吊裝挑檐必須內外側對稱吊裝，以防側翻。

本工程鋼箱梁分段最長為14.2m，最寬4.8m，出廠最重段為41.26t，索吊具重量約2t，吊裝高度為15m，綜合考慮分段構件的規格、重量、安裝高度、現場工況條件后選用80t汽車吊，采用單機吊裝的方式進行作業。吊車作業工況參數為當作業半徑為12m，臂長31.09m時，起吊重量為51t，考慮動載系數并取1.1，計算荷載為（41.26+2）×1.1=47.586t<51t，滿足要求。

吊裝挑檐為防止側翻，內外弧對稱安裝，挑檐廠內制作從一端往另外一端順序安裝。吊裝的時候用25噸汽車吊逐塊進行吊裝，兩塊挑檐碰口處用馬板固定后吊車再松鉤，然后再進行焊接，挑檐頂板的焊接，挑檐翼板腹板的焊接。焊接時制作可移動掛籠（掛籠內空間尺寸長×寬×高為2000×1000×1200mm，采用Q235B材質∠63×5mm角鋼及A20mm圓鋼制造）。

生產節段出廠時分為雙腹板和單腹板箱梁段，為防止梁段運輸及吊裝過程中的變形進而影響后續對接拼焊施工，單腹板箱梁節段在無腹板側采用I16工字鋼在頂板、底板間及縱向設置臨時加固支撐，待吊裝就位馬板固定后對臨時加固支撐進行拆除，具體見圖3、圖4所示。考慮箱梁吊裝過程中的扭轉效應，為較好地控制線型，在吊耳處同樣設置I16工字鋼斜撐，如圖5所示。

3 有限元模型分析

采用有限元分析軟件MidasCivil-2020建立有限元模型，對在施工載荷下的有關結構進行分析校核。具體分別模擬鋼箱梁在運輸、吊裝過程中及臨時支撐架的受力及變形。其中，鋼箱梁各處采用給定厚度的板單元進行模擬，鋼絲繩采用桁架單元模擬（僅受拉），其與箱梁連接處采用彈簧單元模擬。吊裝過程中，吊點處于X、Y、Z方向施加固定約束;吊放支撐架后，在支點處施加豎向位移約束;在鋼箱梁施工階段，只考慮箱梁自重，對其跨中處的位移、應力進行建模分析[3]。

3.1 箱梁節段運輸、吊裝過程有限元分析

取最長塊鋼箱梁進行驗算（最長塊含挑臂端時重量與橫梁處最重塊基本一致），驗算內容包括梁段運輸、吊裝過程中的受力和變形。起吊過程主要承受自重荷載，考慮豎直方向沖擊力，取1.3荷載沖擊系數。由于采用卸扣扣緊吊耳起吊，計算時將吊耳穿孔進行三向約束。鋼箱梁在吊裝過程中的強度、剛度有限元分析模型見圖6、圖7所示。

鋼箱梁采用運梁車運輸，出廠時運梁車上臨時支座與鋼箱梁進行焊接固定，模擬時對鋼箱梁底部靠邊側范圍進行縱向、橫向、豎向三向約束。運輸過程中鋼箱梁主要承受自重荷載，取1.3荷載沖擊系數模擬運輸過程中因顛簸等原因使得豎直方向出現沖擊受力情況。鋼箱梁在運輸過程中的強度、剛度有限元分析模型見圖8、圖9所示。

根據有限元模型分析可知：吊裝過程中，梁塊最大應力出現在吊耳下方，最大拉應力為121MPa<345MPa容許值，符合要求;最大變形出現在跨中腹板缺失處，最大變形量為9.9mm<18000/500=36mm，符合要求;運輸過程中，梁塊最大應力出現在運梁車支座與箱梁接觸部位，最大壓應力為100.7MPa<345MPa容許值，滿足要求;最大變形出現在跨中腹板缺失處，最大變形量為9.1mm<18000/500=36mm，滿足要求。

3.2 臨時支撐架有限元分析

吊裝鋼箱梁時，重力轉化為節點荷載作用在工字鋼分配梁上，再由工字鋼傳遞到立柱上。計算結果滿足強度及變形要求。鋼箱梁節段轉化為節點荷載，每個立柱受節點荷載C=138.3t，在節點荷載作用下臨時支撐架變形及所受支反力如下圖10、圖11所示。

根據有限元模型分析可知：臨時支撐架立柱最大位移值為1.36mm， ，滿足要求。

4 質量控制措施

4.1 焊前準備

4.1.1 焊接區域清理

正式焊接施工之前，應對焊接端面、鋼板表面氧化層、涂膜層等打磨，以防焊接時引入雜質。焊接區域處理后應及時施焊，防止已打磨新鮮端面再次氧化、銹蝕。

4.1.2 焊前預熱、保溫

焊接施工須保證施工區域環境溫度≧5℃，否則需通過加熱的方式預熱處理，以滿足焊接施工要求。對焊接完成的焊接縫位置進行保溫處理，以防溫度過低而導致的裂縫產生進而影響焊接質量。

4.2 焊接工藝控制

本工程所有焊縫均應在正式焊接前進行焊接工藝評定試驗，并根據試驗結果編制試驗報告。在制定施工現場對接焊縫焊接工藝時，應綜合考慮焊縫間隙，提前確定其調整范圍，必要時按縫寬≦30mm做工藝評定試驗[4]。焊接工藝卡必須按照評審通過的焊接工藝評定報告編制，焊接工藝評定應符合設計要求。施焊應嚴格執行焊接工藝卡的規定，焊接參數只能在工藝卡規定的范圍內調整，不得隨意變更。

4.2.1 焊縫控制

對于橫向對接焊縫，焊后要對其余高進行修磨，使其與母材平齊，平齊度為凸出不高于0.5mm，凹陷不低于0.3mm。所有要求熔透的對接及連接焊縫均應熔透;對坡口焊接的貼角焊縫，當未給出貼角尺寸時，一般宜不小于1.5（t）考慮取值，t為兩焊件中較厚焊件的厚度。

頂、底板的縱橫向對接焊縫、外腹板與頂板、斜底板間焊縫均為Ⅰ級熔透焊縫。U型加勁肋與頂、底板間的角焊縫采用單面V形坡口焊接，其熔透深度不小于0.8倍的板厚。對此類焊縫進行工藝評定或焊接性能試驗時，應同時切取至少10個焊縫段面，以檢驗焊縫熔深是否符合要求。

4.2.2 焊接變形控制

應針對焊縫集中、焊接面積廣的部位采取小間隙、小坡口焊接方法;采取多節段同時預拼裝，盡可能減少變形余量。

焊接前應論證并選定最合適的焊接順序，防止因焊接順序不當而產生不可估計的彎曲、扭曲變形。同時可采用熱矯正（火焰矯正）及冷矯正二者相結合的方法對已經出現的各種焊接變形進行矯正。

4.3 箱梁線型控制

單元件組裝應把各個節段的縱向、橫向基準線位置偏差控制在科學合理的范圍內，在最大程度上確保其匹配性。

胎架預拼裝應在各部分塊體單獨組拼完成后進行，預拼目的在于檢查全橋線形（縱坡及橫坡）、所有塊體累加長度與設計值差異、設計拱度、中心線偏差、是否存在扭曲、是否存在匹配、拼接相互抵觸的情況，并根據預拼檢查結果制定解決辦法[5]。

4.4 單元預拼裝

預拼裝應考慮焊接焊縫收縮影響，尤其是環形焊縫的影響較大。同時應進行多次預拼裝，且后一次預拼裝應根據前次預拼裝后累計總長和誤差，修正本次預拼裝鋼梁塊體長度，以免誤差累積。相鄰單元塊體端口尺寸偏差應在預拼裝時加以匹配修整，為吊裝拼焊時順利對接奠定基礎。

5 結語

本文結合變截面鋼箱梁制作、安裝的工程實踐，從箱梁塊體劃分、板單元、箱梁塊體制作、現場拼裝等方面，對變截面鋼箱梁分段制作及安裝工藝進行研究，同時結合有限元計算軟件進行分析，經驗算表明在鋼箱梁梁塊運輸、吊裝過程中的應力和變形符合要求，鋼管臨時支撐架安全、穩定，可以為類似工程項目施工提供些許借鑒。

參考文獻

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[2]JTG/T 3650-2020.公路橋涵施工技術規范[S].

[3] 傅苓.鋼箱梁大節段安裝臨時支架設計[J].山東交通科技，2010（4）：38-40.

[4] 李玉安，曾智明，劉建飛.城市高架橋鋼箱梁制作安裝施工技術[J].安裝，2001（z1）：12-14.

[5] 宋麗妹.復雜條件下鋼結構吊裝技術管理控制[J].中國市政工程，2010（S1）：115-117.

收稿日期：2021-10-02

作者簡介：陳龍（1981—），男，山西朔州人，本科，高級工程師，研究方向：建筑、市政工程施工管理。

Abstract：This paper takes the construction of a steel box girder in the Dianmian Avenue Expressway Construction Project （Phase I） as an example，and introduces the use of steel box girder dislocation division，longitudinal division，horizontal division，and unit pre-assembly under the conditions of a narrow urban site，the welding forming method of the steel box girder with pre-fixed joints and temporary support at the bridge position.Use MidasCivil software to establish a spatial finite element model，and perform finite element analysis on the stress and deformation of the steel box girder unit during transportation and hoisting， as well as the overall structure strength，stiffness and stability of the temporary support frame.The results show that the corresponding stress and deformation are both Meet the specification requirements.This summarizes the key construction technologies of steel box girder segmentation，linear control，temporary buttress design， installation and welding， etc，in order to provide reference for the construction of similar projects in the future.

Keywords：large steel box girder;finite element analysis;segment assembly;transportation and hoisting deformation control