鋼板組合梁橋中工型鋼結構橋梁拱度控制方法

馬元學

(甘肅省科工建設集團有限公司 ，甘肅 蘭州 730300)

0 引言

隨著我國鋼結構橋梁行業的快速發展，一些地標性鋼結構橋梁的建設在加速推進，其作為重要的交通設施，對我國的交通發展做出了重要的貢獻，并且地標性鋼結構橋梁也可作為重要的旅游景點，可供全國各地的游客進行旅游觀光，促進區域經濟的發展。鋼結構橋梁材料主要為鋼材，其強度高、耐腐蝕性好，在鋼結構橋梁的應用中最為廣泛。同時鋼材的應用也符合我國低碳、綠色發展的理念，可以大幅度降低建筑垃圾的產生[1]。然而，嚴控鋼結構橋梁技術指標一直是工程建設中的重點，比如鋼板組合梁橋中工型鋼結構橋梁，加工過程中就存在精度不足，拱度值為負值的問題。本文以敦當高速K177+650排沙溝大橋工型鋼結構橋梁工程為例，探討工型鋼結構橋梁拱度的控制方法。

1 工程概況

敦煌至當金山口高速公路項目路線起于敦煌北呂家堡楊家梁村，與柳格公路瓜州至敦煌段順接，途經敦煌西七里鎮、沙棗園、阿克塞、當金山，止于當金山南，順接青海省已建當金山至大柴旦高速公路起點(即G215線三道班K275+000)，線路長度196.35km。該項目是聯系甘青兩省又一重要運輸通道，在國家和區域路網中居重要地位。實施該項目對貫徹落實西部大開發和“一帶一路”國家發展戰略，完善國家和區域高速公路網，改善區域交通條件和區域經濟建設具有重要意義。其中DD1合同段起訖里程K116+900.396～K176+000,全長59.099km，采用雙向四車道，路寬26m。DD1合同段共計鋼混梁6座，其中大橋2座，分別為黨河大橋、孟家橋大橋；中橋4座，分別為呂家堡中橋、北干渠中橋、孔家莊中橋、沙洲中橋，該項目總用鋼量約3870t。

K177+650排沙溝大橋：橋面寬度12.75m（雙幅橋），全橋長為100m，共5聯：5×20m工字鋼-混凝土組合橋梁，主梁由5片鋼箱梁與混凝土橋面板通過剪力釘連接而成。橋梁主要鋼材有Q345E、Q390E及Q235C。鋼板對接、頂板與腹板、底板與腹板均采用全熔透焊縫；端箱梁腹板與頂板、底板與腹板全熔透雙面坡口焊縫等。

該工程鋼梁設計分別為20m工字鋼-混凝土組合梁簡支箱梁、30m波形腹板鋼箱-混凝土組合簡支箱梁、30m波形腹板鋼箱-混凝土組合連續箱梁等。橋面板按壓型鋼板的布置及位置分別按雙向正交異形板、單向板、懸臂板設計。

鋼板組合梁橋通常由H型鋼梁和混凝土結構復合組成，其應用比較廣泛。鋼板組合梁橋效果圖如圖1所示。

圖1 鋼板組合梁橋效果圖

2 鋼板組合梁橋的結構特點及應用

組合梁橋是指采用剪力連接件將鋼板梁、鋼箱梁、鋼桁梁等鋼構件和鋼筋混凝土構件結合起來共同工作的一種復合梁式結構梁橋。鋼板組合梁橋由工型鋼梁和混凝土共同受力，鋼材的抗拉性能優良，而混凝土的抗壓性能優良，兩者的結合正好將他們的優點凸顯了出來，使鋼板組合梁橋具有承載高、抗震強的特點[2]。組合梁橋一般結構受力分布合理，節約鋼材，噪音也較鋼梁橋小，并且容易調整坡度和外超高，近年來廣泛應用于公路、鐵路和城市高架橋中。

組合梁橋早期采用最多的是鋼梁與鋼筋混凝土行車道板結合起來的結構形式，工型鋼結構橋梁的上翼緣板為受壓面、工型鋼結構橋梁的下翼緣板為受拉面，其結構特點既滿足受壓又滿足受拉，即梁上翼緣板是適宜受壓的混凝土板，下翼緣板是利于受拉的鋼梁。

組合梁橋技術在連續梁橋、拱橋和斜拉橋等多種復雜體系中也得到了應用。組合梁橋中的鋼梁部分由早先單一的鋼板梁拓寬到鋼箱梁、鋼槽形梁和鋼桁梁等多種形式，也有預應力混凝土箱梁的腹板采用槽形波紋鋼板結構形式。

有資料表明，混凝土和鋼材用量百分比適當時，采用組合梁橋比同條件下的鋼橋和混凝土橋，最多可節省鋼結構費用近50%，節省混凝土橋費用的30%以上。

3 工型鋼結構橋梁拱度控制方法

敦當高速K177+650排沙溝大橋工型鋼加工主要材質為Q390E，工型鋼結構橋梁截面圖如圖2所示，上翼緣板板厚為12mm，下翼緣板板厚為38mm，腹板厚度為12mm，板長均為17000mm。在加工過程中，工型鋼結構橋梁翼緣板與腹板在埋弧焊接過程中容易產生變形，造成工字鋼拱度發生變化。經測量，工型鋼結構橋梁拱度值均為-5～-15mm，不滿足施工要求。工型鋼結構橋梁焊接工藝參數見表1，工型鋼結構橋梁拱度值抽檢數據見表2。

表1 工型鋼結構橋梁焊接工藝參數

表2 工型鋼結構橋梁拱度值抽檢數據

圖2 工型鋼結構橋梁截面圖

從表2抽檢數據可以看出，按傳統焊接順序和焊接規范要求下，橋梁工型鋼結構橋梁拱度大多數不滿足規范要求，拱度上下浮動范圍較大，無法滿足現場施工要求。

為滿足工型鋼結構橋梁加工制造驗收標準應符合《鐵路鋼橋制造規范》（Q∕CR 9211-2015）要求，工型鋼結構橋梁拱度控制在25～35mm之間，特制定以下三種方法進行工型鋼結構橋梁拱度控制。

3.1 采用改變工型鋼結構橋梁焊接順序改變工型鋼結構橋梁拱度

鋼結構工型梁在焊接過程中由于大量的熱輸入，會使鋼結構工型梁產生焊接變形[3]。但是只要合理地控制好焊接順序及制定好合理的焊接工藝來控制工型梁變形是比較好的辦法。傳統工型鋼結構橋梁焊接順序如圖3所示，改變焊接順序進行焊接如圖4所示，改變焊接順序工型鋼結構橋梁拱度值數據見表3所示。

表3 改變焊接順序工型鋼結構橋梁拱度值數據

圖3 傳統焊接順序圖

圖4 改變焊接順序圖

根據表3，通過對不同焊接順序方案實驗數據與工藝要求的焊接順序實驗數據對比發現，在焊接過程中隨著焊縫長度的增加，焊接后的工件存在很大應力，還存在變形，工型鋼結構橋梁拱度值較之前有提高，但效果不明顯，數值仍不符合規范要求，說明焊接順序對工型鋼結構橋梁拱度值的影響不是特別大。

3.2 采用火校方法改變工型鋼結構橋梁拱度

火校指在焊接鋼結構中，消除鋼板扎制、熱切割、焊接產生的殘余應力和變形，對焊接變形進行校正。采用火校方法（見圖5所示）注意事項如下：

圖5 火校法現場圖

（1）鋼結構工型梁在北方冬季加工過程中不能使用液壓機進行液壓冷彎曲矯正，因北方冬季環境溫度較低，通常在零下20℃左右。在低溫環境下，鋼結構工型梁的塑性和韌性降低得非常厲害，如果使用液壓機進行外力冷彎曲矯正，鋼結構工型梁焊接位置處容易產生冷裂紋，鋼結構工型梁的強度將會大大降低，構件的質量無法達到規范的要求，安全隱患無法排除，容易造成安全事故。

（2）火校熱矯正利用物體熱脹冷縮的原理，采用天然氣烘槍對鋼結構工型鋼的翼緣板、腹板進行火焰加熱，加熱時根據經驗選定變形量大的部位進行加熱，而后對各個部位采用三角形加熱法進行集中加熱，加熱溫度控制在 800～900℃，但不得超過 900℃，同一部位加熱不得超過2次，加工過程中采用實時檢測變形量，防止過度變形，直至符合要求。冷卻時自然冷卻，嚴禁使用澆水降溫的方式。

（3）矯正后的拱結構工型鋼結構橋梁不得有損傷，保證構件質量要求。

火校后工型鋼結構橋梁拱度數據見表4所示。

表4 火校后工型鋼結構橋梁拱度數據

采用火校法改變工型鋼結構橋梁拱度結果如下：

（1）采用火校法時，每根工型鋼結構橋梁需要2名工人進行8個工時的校正，工件加熱和冷卻的時間過長，人工和材料成本過高且效果沒有明顯提高；

（2）校正過程中需要壓鐵（重量為7t）進行配重壓彎，存在一定安全隱患；

（3）當工期較緊時，采用火校法無法滿足生產需要；

（4）火校時對溫度要求嚴格，一般控制在800～900℃，但在實際加熱過程中全憑工人的經驗，溫度不好嚴格控制，溫度過高會造成12mm厚的腹板變形，溫度過低校正效果不明顯。

3.3 采用液壓機進行模壓改變工型鋼結構橋梁拱度

液壓機模壓控制工型鋼結構橋梁拱度試驗見圖6所示，液壓機模壓控制工型鋼結構橋梁拱度數據見表5所示。

表5 液壓機模壓控制工型鋼結構橋梁拱度數據

圖6 液壓機模壓控制工型鋼結構橋梁拱度試驗圖

液壓機模壓控制工型鋼結構橋梁拱度試驗結果如下：

（1）采用液壓機模壓方法時，每根工型鋼結構橋梁需要2名工人進行1h工時的校正，人工成本相對較低且效果明顯提高；

（2）為檢測模壓是否會造成焊縫裂紋的產生，模壓后進行超聲波探傷檢測，均未發現焊縫裂紋。

4 結束語

綜上所述，結論如下：

（1）對改變焊接順序方案試驗數據與工藝要求的焊接順序試驗數據進行對比，發現沒有明顯提高工型鋼結構橋梁拱度值，說明焊接順序對工型鋼結構橋梁拱度值的影響不大；

（2）對火校方案試驗數據分析發現，火校可以改變拱形梁拱度值，但變化范圍不是很大，分析原因發現火校對于薄板變形的控制效果比較明顯，但對于38mm的厚板效果不是特別明顯，而且每根工型鋼結構橋梁需要2名工人進行8個工時的校正，人工成本過高；

（3）對液壓機模壓試驗數據分析發現，模壓可以明顯提高工型鋼的拱度值，每根工型鋼結構橋梁需要2名工人進行1h工時的校正，人工成本相對較低，且效果明顯，焊縫經超聲波探傷未發現裂紋產生，但液壓機模壓時無法精確控制工型鋼結構橋梁的拱度值，只能控制在一定的范圍內，相比其它兩種方法，液壓機模壓控制工型鋼結構橋梁拱度值效率最高，成本最低。