安家莊特大橋墩柱鋼管冬季施工措施

蔡紀偉，賈通，張續彬，徐向軍，喬新旺

中鐵山橋集團有限公司 河北秦皇島 066200

1 序言

安家莊特大橋位于北京市門頭溝區王平鎮安家莊村西南，線路為東西走向，橋梁起于豐沙鐵路北側、黃臺隧道出口，先后跨越豐沙鐵路、永定河及現G109國道。左幅采用（248+248）m 鋼桁斜拉橋結構，中墩兩片主桁上對應設置兩片A形塔柱，塔總高70m；右幅采用（171+171+75）m 連續鋼桁梁結構。左右幅轉體段梁體均在豐沙鐵路的南側拼架，轉體質量分別為15000t、9000t。

主橋鋼結構下部的L3、L4、R4、R5、R6號墩采用鋼管混凝土橋墩，其中L3、R4間橫向設置蓋梁形成雙柱框架墩：L4、R6號墩間橫向設置蓋梁形成三柱框架墩；R5為獨柱墩，5根墩柱材質及規格見表1。

表1 墩柱材質及規格

2 墩柱鋼管制造方案

墩柱鋼管制造分三步進行：首先，將每根墩柱鋼管分成若干長度為2～3m的短管柱，分段采用鋼板卷制，焊接管縱縫；然后，再將短管柱進行“二接一”或“三接一”焊接環焊縫，成為長管柱節段；最后，在橋位將長管柱節段由下至上逐一吊裝，進行環縫焊接。下面以L3和R4墩柱為例進行說明，L3和R4墩柱如圖1所示。

圖1 L3和R4墩柱

在制造廠將L3鋼管柱分為12節短管柱卷制，R4鋼管柱分為14節短管柱卷制，焊接縱向對接焊縫；然后將分別進行“二接一”或“三接一”焊接環焊縫，L3鋼管柱共焊接成6個長管柱節段，R4鋼管柱共焊接成5個長管柱節段；再將長管柱節段運往工地。采用1臺450t履帶吊，進行橋位長管柱節段逐一吊裝及焊接。

根據鋼管柱分段吊裝長度，分段安裝鋼筋、采用混凝土泵車分段澆筑的施工方法，每吊裝段鋼管柱內混凝土澆筑面比該吊裝段鋼管柱頂低1m，管內豎向鋼筋預留長度比該吊裝段鋼管柱頂低0.7m，以便于混凝土終凝后作為與下一節段鋼管柱連接時工人焊接的操作平臺。

3 保溫棚熱工計算

保溫棚內熱量消耗計算需要根據暖棚尺寸、圍護結構及地面導熱系數與室內換氣次數等來計算確定（按照保溫棚內焊接環境≥10℃進行資源配置）[1，2]。

3.1 計算參數

保溫棚熱工計算主要參數見表2。

表2 保溫棚熱工計算主要參數

3.2 L3鋼管柱承臺保溫棚熱工計算

1）保溫棚表面系數為

式中M——保溫棚表面系數（m-1）；

S——保溫棚冷卻面積（m2）；

V——外部量度保溫棚的體積（m3）。

2）保溫棚結構的傳熱系數為

式中K——保溫棚結構的平均傳熱系數（W/m2·K）；

α1——保溫材料的厚度（m），取0.05m；

λ1——保溫材料的熱阻系數[W/（m·K）]，按照石棉取0.22[W/（m·K）]。

3）保溫棚的耗熱量計算（保溫棚選取密實模板，圍護結構散熱系數β=1.3）

4）需要布設暖風機數量計算

由3600kJ/h=1kW，推算1kJ/h =0.000278kW，則

由此可知，選用P2=30kW暖風機一臺。因R4承臺保溫棚體積比L3小，故布置一臺30kW暖風機也可滿足要求。

橋位抱箍保溫棚熱工計算過程同上。

4 橋位節段焊接冬季施工措施

為了保證大橋施工進度，L3和R4墩柱需要冬季施工。Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規范》和JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》有關規定，橋梁鋼結構低合金高強度結構鋼的焊接環境溫度≥5℃，環境濕度≤80%。而當環境溫度＜5℃、環境濕度＞80%時，應采取必要的工藝措施后才能進行焊接。因為在冬季施工，所以必須采取有效的防護措施才能保證焊接質量和施工安全[3-6]。

4.1 首條鋼管柱環縫焊接

鋼管柱橋位分段拼裝時，橋位L3管柱第一條環縫比承臺頂面高0.6m，R4管柱第一條環縫比承臺頂面高3m，在主墩承臺澆筑完成終凝后直接在承臺頂面上搭建保溫棚，直接利用承臺頂面作為工人焊接鋼管對接環縫的操作平臺，首條環縫焊接保溫棚三維結構如圖2所示。

圖2 首條環縫焊接保溫棚三維結構

在承臺頂面距離鋼管柱1.2m位置，采用扣件式鋼管圍繞鋼管柱周圈搭設雙排腳手架間距1m，L3腳手架高度3.5m，R4腳手架高度1.6m，步距均為1m，首條環縫焊接保溫棚立面布置如圖3所示。

圖3 首條環縫焊接保溫棚立面布置

采用保溫石棉將腳手架全封閉，作為外壁環縫焊接防風保溫棚。根據熱工計算，L3和R4保溫棚內均放置1臺30kW暖風機輸送熱量，可保證棚內溫度≥5℃，滿足焊接環境要求，且保溫棚內配備LED照明燈，保證棚內工作明亮，設置1臺360°攝像頭實時監測棚內工作狀況。在鋼管柱頂部設置5cm厚保溫巖棉板作為防護罩，開設4個φ20cm的排風口，預留一個60cm×60cm的過人天窗，在內壁焊接時，用以防風保溫及空氣循環。管柱內外設軟爬梯和簡易架子，供工人上下及施工作業。

4.2 高空鋼管柱環縫焊接

橋位首條環縫焊接后，在第二段以上拼裝段鋼管柱，因為均為高空作業，所以需要搭設施工平臺和焊接保溫棚。在下一個鋼管柱節段吊裝就位后，在對接環縫下方1m位置設置鋼抱箍，抱箍高度80cm，上鋪花紋板，作為操作平臺，緊貼鋼抱箍下側圍繞管柱平均焊接4塊5cm×5cm×1cm的Q235鋼板作為鋼抱箍承重保險塊。操作平臺寬度1m，防護欄桿高2m，外設5cm厚保溫巖棉板作為保溫棚用以防風保溫，巖棉板外側均勻開設4個30cm×50cm的側窗用以透光和通風換氣。鋼抱箍及操作平臺如圖4所示，鋼管柱抱箍體系平面如圖5所示。

圖4 鋼抱箍及操作平臺

圖5 鋼管柱抱箍體系平面

根據熱工計算，在L3和R4保溫棚內均放置1臺5kW暖風機輸送熱量，可保證棚內溫度≥5℃，滿足焊接環境要求，且保溫棚內配備LED照明燈保證棚內工作明亮，設置1臺360°攝像頭實時監測棚內工作狀況。

在焊接內壁環縫之前，鋼管柱內部已經澆筑混凝土，混凝土面距離環焊縫1.2m，縱向鋼筋端頭距離對接環縫0.7m，可直接將管內混凝土面作為操作平臺，在其上停放設備，工人進行內壁焊縫焊接作業。在鋼管柱頂設置5cm厚保溫巖棉板作為防護罩，開設4個φ30cm的排風口，預留一個60cm×60cm的過人天窗，用以防護保溫管柱內壁焊縫焊接。在每一段鋼管柱吊裝前，環縫1m范圍外纏電加熱帶（見圖6）和保溫石棉，加熱到20℃，兼顧混凝土澆筑后的養護和保證管柱內焊接環境溫度≥5℃，環縫1m范圍內利用鋼抱箍保溫棚。

圖6 電加熱帶

鋼管柱分段安裝及焊接環焊縫，抱箍隨節段安裝提升到相應焊接段，工人通過定型梯籠作為上下進入抱箍及管柱內通道，抱箍和通道相連處設置1.8m ×1m的巖棉板開關門。定型梯籠基礎固定在承臺上，梯籠每隔6m與鋼管柱設一道連墻件，管柱內設軟爬梯和簡易架子供工人上下及施工作業。鋼管柱上下通道及防護體系如圖7所示。

圖7 鋼管柱上下通道及防護體系

5 通風換氣措施

由于焊接過程中會產生CO、氮氧化物、臭氧等有害氣體和煙塵，所以防護保溫棚內及管內焊接需要通風換氣至關重要。

5.1 首條環縫保溫棚換氣措施

橋位首段鋼管柱保溫棚總體積為128m3，施工高峰期間保溫棚內氣體保護焊工人同時焊接鋼管外壁環縫的達4人，每人半天的用氣量為1瓶CO2氣體，氣體質量約20kg，4名焊工半天的用氣量達80kg。棚內設置一臺聯網版壁掛式氣體檢測終端，可與氣體探頭、換氣扇串聯，能實現遠程報警、數據查看等功能。待保溫棚內有害氣體濃度指標接近報警值時，終端自動聯控啟動換氣扇進行通風換氣排煙，保證棚內空氣指標維持在安全范圍。在焊接區域附近布置2個氣體探頭，保證能準確有效地覆蓋檢測有害氣體。

保溫棚內換氣措施是在棚頂避開鋼管柱位置安裝2臺換氣扇，選用屋頂式換氣扇，風量為12500m3/h，運轉時保溫棚內換氣次數為每小時195次。

5.2 高空鋼管柱環縫焊接保溫棚換氣措施

高空鋼管柱環縫焊接抱箍保溫棚體積為61m3，與首條環縫保溫棚換氣措施相同。

焊接鋼管外壁環縫時，為防止抱箍保溫棚內有害氣體堆積太多，導致工人窒息，在抱箍操作平臺上開4個孔，并設置2個軸流風機，向外抽取氣體。換氣采用60W軸流風機，風量600m3/h，運轉時保溫棚內換氣次數為每小時20次。

5.3 焊接管柱內換氣措施

鋼管柱內焊接空間體積為80m3，施工高峰期間保溫棚內氣體保護焊工人同時焊接鋼管外壁環縫的達2人，每人半天的用氣量為1瓶CO2氣體，氣體質量約20kg，2名焊工半天的用氣量達40kg。換氣措施同上。

通過在柱頂防護罩設置1臺負壓風機抽氣管，將鋼管內底部氣體抽走，新鮮空氣從鋼管上部進入管內，保證空氣循環，避免有害氣體堆積過多導致工人窒息。焊接管柱內換氣狀態如圖8所示。

圖8 焊接管柱內換氣狀態

采用380型負壓風機，功率為180W，風量為2500m3/h，運轉時鋼管柱內換氣次數為每小時41次。

6 結束語

通過采取搭設保溫棚和鋼管柱抱箍操作平臺的施工方案，同時采取保溫及通風措施，既保證了鋼管柱焊接對溫度及濕度的要求，又保證了作業人員的人身安全。通過精心組織，嚴密施工，確保了安家莊特大橋墩柱鋼管焊接工作得以在冬季順利進行，保證了焊接質量。