提高小半徑曲線橋鋼箱梁線形平順度的對(duì)策研究

梁 歡

（廣州市市政集團(tuán)有限公司，廣州 510060）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代交通建設(shè)行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。互通立交的越來(lái)越多，在互通立交路橋的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，由于受到現(xiàn)有市政路橋、用地條件、道路分隔帶寬度要求等條件的限制，平面圓曲線半徑通常較小，因此對(duì)施工技術(shù)與管理的要求很高[1-2]。

目前，由于受到施工條件及施工技術(shù)的約束，小半徑曲線橋梁上部結(jié)構(gòu)的建造通常采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式[3-4]。但是，傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式存在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量大、機(jī)械化水平低、施工效率低、施工技術(shù)難以控制及對(duì)周邊環(huán)境與現(xiàn)有交通影響大的局限[5-6]。隨著國(guó)家大力推廣裝配式建筑，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在市政路橋設(shè)計(jì)與建設(shè)中逐漸得到應(yīng)用[7]。裝配式結(jié)構(gòu)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化程度高，具有施工效率高、質(zhì)量易于控制、對(duì)周邊環(huán)境影響小及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[8]。

近年來(lái)，隨著鋼材加工工藝的不斷提高，出現(xiàn)了一系列高性能鋼材，如高焊接性鋼、耐候鋼、高強(qiáng)鋼等，拓寬了橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，使得橋梁結(jié)構(gòu)更加安全、合理、多樣、美觀。材料的飛速發(fā)展，也促進(jìn)了鋼箱梁的發(fā)展，在鋼箱梁制造方面，實(shí)現(xiàn)了工廠制造全部焊接，工地現(xiàn)場(chǎng)以焊接為主、栓接為輔[9]。鋼箱梁由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成熟、自身抗扭性能好、裝配式程度高、施工方便高效，在小半徑曲線梁中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，且越來(lái)越廣泛。如廣州市城市快捷路系統(tǒng)科韻路新港東立交H、I、J 匝道采用疊合鋼箱梁橋，解決了匝道橋梁高和線形的限制設(shè)計(jì)難題。

在鋼箱梁的制作過(guò)程中，為了保證其強(qiáng)度和剛度，通常焊接工作量大，且對(duì)焊接質(zhì)量要求高。曲線鋼箱梁，特別是小半徑曲線鋼箱梁，在制作及現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)滿足梁端豎曲線、平曲線、橫坡等的變化要求，其線性精度難以控制，對(duì)線形控制技術(shù)要求高。曲線鋼箱梁的一般制造流程為：對(duì)鋼箱梁橫、縱向進(jìn)行分段、分塊；鋼板下料，開(kāi)曲線坡口，然后焊接成塊；將鋼箱梁吊裝至胎架上進(jìn)行全橋預(yù)拼裝，調(diào)整尺寸及線形等。

本文以花都至東莞高速公路SG01 合同段工程項(xiàng)目為例，通過(guò)調(diào)研影響小半徑曲線鋼箱梁線形平順度的因素，確定導(dǎo)致小半徑曲線鋼箱梁平面安裝位置偏差大的主要原因，制定相應(yīng)提高小半徑曲線鋼箱梁線形平順度合格率的對(duì)策并評(píng)估其實(shí)施效果及效益等方式，探究提高小半徑曲線橋鋼箱梁線形平順度的對(duì)策。

1 工程概況

花莞高速公路起于機(jī)場(chǎng)高速太成立交，終于增城區(qū)石灘鎮(zhèn)，連接廣州市花都區(qū)和東莞市區(qū)。本標(biāo)段為花莞高速公路SG01 合同段，全長(zhǎng)1.1 km，位于廣州市白云區(qū)人和鎮(zhèn)。

本工程為太成互通立交，新建D、F、G、I、J、L、M 七條匝道，其中F、G 匝道橋須上跨、下穿機(jī)場(chǎng)高速公路、機(jī)場(chǎng)高速北延線、G106 國(guó)道。鋼箱梁位于F、G 兩條匝道上，具體位置分布如圖1 所示：圖示綠色部分為鋼箱梁的分布位置，合共6 聯(lián)，單跨跨度最長(zhǎng)為55 m，總規(guī)模約為5 000 t，結(jié)構(gòu)類型為一箱兩室、一箱三室、一箱五室。鋼箱梁統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

圖1 鋼箱梁分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of steel box girder distribution

表1 鋼箱梁統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of the steel box girder

目前，國(guó)內(nèi)小半徑曲線橋梁施工通常采用現(xiàn)澆方案。但是，若采用現(xiàn)澆的方式，施工現(xiàn)場(chǎng)工作量大，機(jī)械化低，工作效率低，施工質(zhì)量不易控制，施工周期長(zhǎng)，對(duì)周邊環(huán)境及交通的影響大。因此，采用預(yù)制鋼箱梁施工，通過(guò)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化的施工方式，提高施工效率，縮短施工工期，降低施工對(duì)周邊環(huán)境及交通的影響。

鋼箱梁通常采用全焊接方式，對(duì)頂板、底板、腹板以及橫縱隔板等單元體進(jìn)行組焊。鋼箱梁?jiǎn)卧w首先需要在工廠下料加工生產(chǎn)，然后再運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。基于鋼箱梁結(jié)構(gòu)特性、施工質(zhì)量要求及運(yùn)輸寬度限制等因素，需要將鋼箱梁縱向、橫向分塊進(jìn)行運(yùn)輸。其中，互通立交F24～F27 鋼箱梁縱向分為5 塊，橫向分為4 塊，見(jiàn)圖2 和圖3。施工現(xiàn)場(chǎng)，既要進(jìn)行縱向焊接，又要進(jìn)行橫向焊接，焊接工程量大，各面板及箱塊間總焊接長(zhǎng)度達(dá)2 583 m。

圖2 縱向分段截面圖Fig.2 Longitudinal partition sectional drawing

圖3 橫向分塊截面圖Fig.3 Transverse block sectional drawing

本項(xiàng)目中的鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為具有一定弧度的曲線梁，半徑最小處僅為282 m。在曲線橋鋼箱梁制作和現(xiàn)場(chǎng)施工的過(guò)程中，需要同時(shí)滿足梁段豎曲線、平曲線以及橫坡等變化要求。小半徑曲線橋鋼箱梁橫向穩(wěn)定性差，施工工藝復(fù)雜，對(duì)線形控制、質(zhì)量控制、喂梁精度等方面的要求比直線型和大半徑曲線橋鋼箱梁高很多。曲線鋼箱梁的曲線半徑越小，曲線弧度就越大，對(duì)施工技術(shù)水平及項(xiàng)目管理方法的要求就越高。因此，在施工過(guò)程中，需要采取創(chuàng)新的施工方式，并加強(qiáng)項(xiàng)目管理力度，以期解決相應(yīng)的技術(shù)難題，如采用創(chuàng)新的方法加強(qiáng)對(duì)鋼箱梁的線形控制，提高其線形平順度的合格率。

2 影響鋼箱梁線形平順度的原因分析

2.1 鋼箱梁存在的現(xiàn)狀問(wèn)題分析

為了全面掌握小半徑曲線橋鋼箱梁存在的現(xiàn)狀問(wèn)題及其原因，采用現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽樣調(diào)查法，對(duì)已完成的半徑為282～378 m 的太成互通立交F 匝道橋F25～F27#箱梁進(jìn)行線形平順度分析。

在隨機(jī)抽查的鋼箱梁200 處中，存在線形平順度問(wèn)題的共有56 處，線形平順度不合格率為28%，即小半徑曲線鋼箱梁的線形平順度合格率僅為72%。鋼箱梁線形平順度存在的問(wèn)題主要為：平面安裝位置偏差大、安裝高程偏差大、梁板扭曲變形大、梁板尺寸誤差大、梁板拱度偏差大等，調(diào)查具體統(tǒng)計(jì)情況如圖4 所示。由圖4 可知，鋼箱梁平面安裝位置偏差大是導(dǎo)致小半徑鋼箱梁線形平順度不合格的癥結(jié)所在，因此，解決安裝位置偏差大的問(wèn)題是提高鋼箱梁線形平順度合格率的關(guān)鍵，也是本研究攻關(guān)的主要對(duì)象。

圖4 鋼箱梁線形存在問(wèn)題餅狀分析圖Fig.4 Pie analysis diagram of the problems in steel box girder alignment

2.2 導(dǎo)致平面安裝位置偏差大的要因確定

鋼箱梁平面安裝位置偏差大為施工質(zhì)量問(wèn)題，需要從施工質(zhì)量管理角度對(duì)其進(jìn)行分析研究。施工質(zhì)量管理是指在建設(shè)工程項(xiàng)目施工安裝和竣工驗(yàn)收階段，指揮和控制施工組織關(guān)于施工質(zhì)量的相互協(xié)調(diào)的活動(dòng)。影響施工質(zhì)量的因素有人、材料、機(jī)械、方法及環(huán)境等五大方面。

本研究通過(guò)因果分析法，從“人”、“材”、“機(jī)”、“環(huán)”、“法”等5 個(gè)方面探究導(dǎo)致曲線鋼箱梁平面安裝位置偏差大的因素，并通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析等方法對(duì)各個(gè)因素逐一分析，從而確定導(dǎo)致鋼箱梁平面安裝位置偏差大的主要因素。

“人”的因素主要包括：監(jiān)管不到位、操作不規(guī)范、技術(shù)交底不詳細(xì)等；“材”的因素主要有：面板矯正偏差大、下料尺寸誤差大、制作板材不合格、對(duì)接口預(yù)留長(zhǎng)度不規(guī)范、未預(yù)留焊接收縮補(bǔ)償量等；“機(jī)”的因素主要為：切割設(shè)備控制精度低、焊接設(shè)備焊接效果差、起重設(shè)備額定起重量不達(dá)標(biāo)、測(cè)量?jī)x器精度低、測(cè)量定位不準(zhǔn)、胎架定位偏差等；“環(huán)”的因素主要有：鋼材露天存放銹蝕嚴(yán)重、氣候與地質(zhì)、支架基礎(chǔ)承載力差等；“法”的因素有：施工工藝不正確、坡口方向開(kāi)反、臨時(shí)支架整體穩(wěn)定性差等。

鋼箱梁平面安裝位置偏差大的主要因素確定基本流程為：首先根據(jù)影響因素制定確定標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查收集相關(guān)資料數(shù)據(jù)，最后綜合評(píng)價(jià)分析，評(píng)定相應(yīng)的影響因素是否為主要因素。例：確定“臨時(shí)支架整體穩(wěn)定性差”是否為主要因素時(shí)，首先制定了“支架定位后與基礎(chǔ)預(yù)埋件焊接固定，允許承載力≥3 311 kN，支架連接牢固、底部無(wú)懸空”的確定標(biāo)準(zhǔn)，然后檢查小組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)臨時(shí)支架底部與混凝土地基基礎(chǔ)之間存在大面積懸空現(xiàn)象，如圖5 所示，支架容易出現(xiàn)傾斜，整體穩(wěn)定性降低。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)支架的連接螺栓存在未擰緊情況，支架整體穩(wěn)定性低。底部懸空和支架連接不牢固均對(duì)鋼箱梁平面安裝有較大的影響，導(dǎo)致鋼箱梁平面安裝位置偏差大，綜合評(píng)定“臨時(shí)支架整體穩(wěn)定性差”為主要因素。類似地，經(jīng)過(guò)調(diào)查研究分析，發(fā)現(xiàn)“坡口方向開(kāi)反”和“胎架定位偏差大”也是導(dǎo)致鋼箱梁平面安裝位置偏差大的主要因素，其余的因素均為非主要影響因素。

圖5 支架底部Fig.5 Bottom of the bracket

3 提高鋼箱梁線形平順度的對(duì)策

通過(guò)因果分析法和施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析法等的結(jié)合，逐一對(duì)各影響因素進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，得出“臨時(shí)支架整體穩(wěn)定性差”、“坡口方向開(kāi)反”和“胎架定位偏差大”是導(dǎo)致小半徑曲線鋼箱梁平面安裝位置偏差大的主要因素。因此，需要根據(jù)確定的三個(gè)主要影響因素，制定相應(yīng)的施工管理對(duì)策，以提高小半徑曲線橋鋼箱梁線形平順度。

3.1 臨時(shí)支架整體穩(wěn)定性差——對(duì)策實(shí)施一

項(xiàng)目經(jīng)理部針對(duì)臨時(shí)支架整體穩(wěn)定性差的問(wèn)題，采取了以下措施進(jìn)行改進(jìn)：（1）加強(qiáng)崗前教育，施工前給工人講解施工要難點(diǎn)，確保每個(gè)工人對(duì)相關(guān)施工要難點(diǎn)有正確的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)調(diào)臨時(shí)支架整體穩(wěn)定性的重要性；（2）加強(qiáng)監(jiān)督管理，使用測(cè)力扳手抽查20%的臨時(shí)支架螺栓，且不少于5 個(gè)，并做好相關(guān)記錄；（3）確保臨時(shí)支架與地基預(yù)埋件固定牢靠，支架經(jīng)駐地監(jiān)理驗(yàn)收簽字確定合格后才可投入使用；（4）基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督及工序驗(yàn)收，及時(shí)做好相關(guān)總結(jié)工作，提高臨時(shí)支架工藝水平。

采取了相應(yīng)的對(duì)策之后，臨時(shí)支架與地基預(yù)埋件焊接固定牢靠，支架螺栓連接牢靠，無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象，支架整體穩(wěn)定性高，支架高程偏差合格率100%，滿足相關(guān)施工要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期實(shí)施效果目標(biāo)。

3.2 坡口方向開(kāi)反——對(duì)策實(shí)施二

針對(duì)坡口方向開(kāi)反的癥狀，采取了如下措施進(jìn)行改善：（1）加強(qiáng)對(duì)工人進(jìn)行技術(shù)交底，鋼板開(kāi)口前安排細(xì)心的工人在坡口開(kāi)口側(cè)畫(huà)線，經(jīng)技術(shù)人員確認(rèn)開(kāi)口方向正確后方才進(jìn)行開(kāi)口。（2）技術(shù)部人員對(duì)施工圖進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)識(shí)，采用簡(jiǎn)單明了的視圖說(shuō)明，交接圖紙時(shí)給操作工人講解坡口開(kāi)口方向注意事項(xiàng)，確保操作工人知悉容易混淆弄錯(cuò)的開(kāi)口部位，同時(shí)加強(qiáng)坡口開(kāi)口方向正確性的檢查驗(yàn)收工作。（3）加強(qiáng)相關(guān)環(huán)節(jié)工序驗(yàn)收，加強(qiáng)監(jiān)督管理制度，驗(yàn)收合格的鋼材方可進(jìn)入下一道工序，加強(qiáng)對(duì)半成品的保護(hù)工作。

采取相應(yīng)措施進(jìn)行改進(jìn)后，在制作鋼材過(guò)程中完全不存在坡口方向開(kāi)反的情況，切割后的坡口方向準(zhǔn)確率達(dá)到了100%，明顯提高了坡口開(kāi)口工藝，梁板施工質(zhì)量控制效果顯著提高，同時(shí)也提高了現(xiàn)場(chǎng)工人的焊接效率。

3.3 胎架定位偏差大——對(duì)策實(shí)施三

應(yīng)對(duì)胎架定位偏差大的問(wèn)題，采取了一下措施進(jìn)行改進(jìn)：（1）胎架基礎(chǔ)預(yù)壓檢測(cè)合格后再定位胎架，在曲線鋼箱梁生產(chǎn)中不定期對(duì)胎架進(jìn)行復(fù)測(cè)，若胎架出現(xiàn)偏差時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整糾偏；若胎架偏差較大時(shí)，應(yīng)增加胎架監(jiān)控量測(cè)次數(shù)。（2）在鋼箱梁生產(chǎn)中加強(qiáng)對(duì)胎架的檢查維修，若出現(xiàn)脫焊、銹蝕嚴(yán)重等問(wèn)題時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理，并復(fù)測(cè)胎架定位精度。（3）加強(qiáng)班前教育工作，重新對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人開(kāi)展技術(shù)交底工作，加強(qiáng)對(duì)工人的技術(shù)指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)胎架定位的準(zhǔn)確性對(duì)提高鋼箱梁線形平順度的重要性。

通過(guò)相應(yīng)措施的改進(jìn)后，曲線鋼箱梁胎架的定位精度提升明顯，定位誤差符合施工方案要求，均在施工工藝允許測(cè)量誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)策實(shí)施的預(yù)期目標(biāo)。

綜上，針對(duì)“臨時(shí)支架整體穩(wěn)定性差”、“坡口方向開(kāi)反”及“胎架定位偏差大”等問(wèn)題，本項(xiàng)目采取了相應(yīng)的對(duì)策，且都可以達(dá)到預(yù)期的效果。

4 實(shí)施效果及經(jīng)濟(jì)效益

4.1 實(shí)施效果

采取了相應(yīng)的對(duì)策后，對(duì)改進(jìn)施工方法及管理方法后安裝的小半徑曲線鋼箱梁進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，隨機(jī)抽取了600 處鋼箱梁進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)鋼箱梁“平面安裝位置偏差大”的問(wèn)題僅占所有問(wèn)題的8.6%，90%以上的“平面安裝位置偏差大”的問(wèn)題已被解決；鋼箱梁的線形平順度合格率高達(dá)91%，較對(duì)策實(shí)施前的72%提高了19%。由此可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)查研究分析，制定相應(yīng)對(duì)策、實(shí)施改進(jìn)措施解決了鋼箱梁施工過(guò)程中平面安裝位置偏差大的難題，從而使小半徑曲線鋼箱梁線形控制難題得到了有效地解決，顯著提高了鋼箱梁線形平順度合格率，保證了鋼箱梁的施工質(zhì)量，減少了返工率，提高了施工效率。同時(shí)，在本次調(diào)研究、制定相應(yīng)對(duì)策與實(shí)施措施的過(guò)程中，培養(yǎng)了一批善于解決曲線鋼箱梁線形平順度難題的專業(yè)技術(shù)人員，鍛煉了一線作業(yè)工人的曲線鋼箱梁施工技術(shù)，為后續(xù)鋼箱梁施工的順利開(kāi)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

實(shí)施相應(yīng)的改進(jìn)對(duì)策后，曲線鋼箱梁平面安裝位置偏差大的問(wèn)題明顯減小，鋼箱梁的線形控制效率得到有效提高。因此，施工過(guò)程中節(jié)省了調(diào)整鋼箱梁線形的人工費(fèi)及返工人工費(fèi)、起重設(shè)備租賃費(fèi)、管理人員工資。此外，對(duì)策實(shí)施需要一定的培訓(xùn)費(fèi)、考核費(fèi)用、其他費(fèi)用等支出，改進(jìn)措施也會(huì)產(chǎn)生一定的材料增加費(fèi)。本項(xiàng)目對(duì)策實(shí)施后的相關(guān)費(fèi)用如表2 所示。

表2 項(xiàng)目對(duì)策實(shí)施后的相關(guān)費(fèi)用Tab.2 Relevant expenses after the implementation of project countermeasures

對(duì)策實(shí)施的經(jīng)濟(jì)效益=節(jié)約費(fèi)用-支出費(fèi)用；節(jié)約費(fèi)用=108 000+216 000+21 600=345 600 元；支出費(fèi)用=99 360+2 500+1 000+1 000=103 860 元；實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益=345 600-103 860=24 1 740 元。

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)對(duì)策實(shí)施后，曲線鋼箱梁的線性控制效率提高，生產(chǎn)加工工藝得到優(yōu)化的同時(shí)，還可以顯著減少返工量，節(jié)省大量的人員投入和機(jī)械設(shè)備租賃投入等，因而取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文以花都至東莞高速公路SG01 合同段工程項(xiàng)目為例，探究了提高小半徑曲線橋鋼箱梁線形平順度的對(duì)策，得出結(jié)論如下：

（1）鋼箱梁線形平順度存在的問(wèn)題主要有：平面安裝位置偏差大、安裝高程偏差大、梁板扭曲變形大等，解決平面安裝位置偏差大的問(wèn)題是提高鋼箱梁線形平順度合格率的關(guān)鍵。

（2）“臨時(shí)支架整體穩(wěn)定性差”、“坡口方向開(kāi)反”和“胎架定位偏差大”是導(dǎo)致鋼箱梁平面安裝位置偏差大的主要因素。

（3）針對(duì)“臨時(shí)支架整體穩(wěn)定性差”、“坡口方向開(kāi)反”和“胎架定位偏差大”等問(wèn)題，采取相應(yīng)的對(duì)策，改善施工管理與現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)，可以有效提高小半徑曲線橋鋼箱梁線形平順度合格率，同時(shí)可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。