鋼箱梁懸空搭接施工的研究

成愛萍

（山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041000）

太原武宿機場快速路TJ1合同段全長4.033 km（其中左線長1.909 km，右線長2.124 km）。設(shè)計車速60 km/h，寬度10 m，路面采用雙鋼C50混凝土路面。該橋左線設(shè)置鋼箱梁共2聯(lián)6跨計210 m，右線設(shè)置鋼箱梁共1聯(lián)3跨計105 m，孔跨布置為（35+35+35）m，主要為跨越南環(huán)高速。鋼箱梁均采用等截面單箱雙室斜腹板截面，橋梁中心線處梁高1.6 m。箱梁頂寬10 m，底寬5.057 m，兩側(cè)懸臂長度為2.24 m。

圖1 跨武宿樞紐鋼箱梁懸臂施工拼接效果圖

1 采用鋼箱梁懸空搭接施工的意義

機場高架快速路是機場要道，交通量大，由于施工時不阻斷交通，因此必須安全快速地完成鋼箱梁施工。此項目要在中博會召開前順利通車，工期要求緊，懸空搭接施工，可加快項目整體的施工速度。

2 鋼箱梁懸空搭接施工的難度

該工程鋼箱梁是曲線型，一般懸空搭接都在直線上，曲線上懸空搭接安裝的極少，相對技術(shù)難度較大，箱梁分段規(guī)格不一，所有箱梁位置是唯一的，造成安裝周期長，容易出現(xiàn)不可預(yù)見的情況。

該工程鋼箱梁需要跨越武宿樞紐南環(huán)高速，為此處第三層橋梁，安裝現(xiàn)場作業(yè)點高度達20 m以上，而且場地狹窄，又不能完全阻斷現(xiàn)有道路的交通，無論從梁段運輸、吊車就位和選擇、臨時墩架設(shè)拆除、空中焊接操作等方面，難度都極其大，何況工期又十分緊張，交通管制允許時間不足1 h，所以必須有充足的準備和萬無一失的技術(shù)措施。

從自然環(huán)境方面來說，施工時段正值夏季，天氣變化莫測，再加之20 m高空明顯比地面風力大的多，給梁段準確、安全就位造成極大的困難；而且不時會遇到雨霧天氣，難以保證焊接質(zhì)量；夏季溫度高，箱室內(nèi)溫度更高，大量焊工要進入箱內(nèi)安裝焊接，勞動難度和窒息危險性極大，作業(yè)人員身心疲憊，容易出現(xiàn)放松質(zhì)量的觀念，需投入幾倍的人力、物力，確保達到施工的要求。

3 鋼箱梁懸空搭接施工的工藝流程

臨時墩設(shè)計與制作→梁段組對編號→梁段運輸→吊車選擇與就位→吊裝及臨時搭接→梁段懸空焊接→無損檢驗→吊裝設(shè)備撤場→臨時墩拆除→場地平整。

4 鋼箱梁懸空搭接施工質(zhì)量、工期的影響因素分析

從上面的工藝順序分析，10個工序中，梁段的組對編號、運輸、吊裝設(shè)備選擇與就位、吊車撤場及臨時墩拆除等工序相對技術(shù)難度小，重點是臨時墩設(shè)計與制作、吊裝、臨時搭接及懸空焊接工序，特別是梁段在懸空情況下焊接，如何保證焊縫質(zhì)量和縮短焊接時間，是整個鋼箱梁懸空搭接施工的重點工作，而其所用時間的長短，是直接決定能否達到管制時間和業(yè)主工期要求的關(guān)鍵，因為焊接后的無損檢驗，需要在焊接24 h后進行（避免焊縫延遲裂紋漏檢），如果一次檢驗不合格，焊縫存在質(zhì)量隱患，就無法進行后序相關(guān)工序作業(yè)，而焊縫返修24 h后才能進行二次檢驗，這樣無形中將使安裝時間增加48 h，這樣就很難滿足時間的要求。

5 現(xiàn)場焊接質(zhì)量保障措施

5.1 施工前需指定方案和施工措施

上述鋼箱梁懸空搭接施工質(zhì)量、工期的影響因素分析，要求在施工前，需制定以下工作方案和施工措施，以確保質(zhì)量和工期目標的實現(xiàn)。

a）首先確保焊工有責任心，一般選用跟隨多年有經(jīng)驗的老焊工，并明確焊接標準：焊前焊道進行電動打磨出金屬光澤，清除銹蝕、污漬、氧化皮等雜物；焊中層間進行打磨，清除雜物后繼續(xù)焊接。嚴格審察焊接人員的水平，上崗前檢查焊工資格證情況，并進行實操考核，合格后方可上崗施焊一級對接口。

b）避免雨霧天氣作業(yè)，雨天施工，禁止焊接主要探傷口，在箱內(nèi)可以進行組對及焊接非探傷口。避免高空風量大時作業(yè)，大風天氣必須作業(yè)時，需采取擋風措施，擋風裝置失效，會增加出現(xiàn)氣孔的機率。

c）焊劑烘烤必須到位，焊劑在使用前必須經(jīng)過烘烤2～3 h后才可以使用，陶瓷墊塊、焊絲存放時一定要干燥防潮。焊機性能必須滿足施工焊接要求，焊機電壓電流不穩(wěn)會直接影響焊接質(zhì)量，使用過程中，焊機電壓電流跳動幅度過大、過于頻繁，性能不能滿足施工要求時，必須有備用焊機使用。

d）焊接工藝參數(shù)必須落實，現(xiàn)場焊接必須嚴格執(zhí)行焊接參數(shù)。填充施焊完成一層后，使用電動砂輪機裝鋼絲刷進行層間處理，將焊后雜質(zhì)打磨清理干凈后，施焊下一層；焊接層間處理方式不當，將會嚴重影響焊接質(zhì)量。

5.2 正式施工前需達到的目標

在正式吊裝施工前，需進行場外試焊，確保焊接一次合格，達到如下目標：

a）焊縫外觀檢測一次合格率提高至90%，減少出現(xiàn)氣孔、焊瘤、飛濺等外觀缺陷，杜絕出現(xiàn)咬邊、密集氣孔、根部收縮孔[1]。

b）焊縫超聲波無損檢測一次合格率提高至85%，減少點狀缺陷，杜絕未融合、夾渣、裂紋等危害性缺陷[1]。

c）焊縫射線無損檢測一次合格率提高至80%，減少點狀缺陷，杜絕條狀危害性缺陷[1]。

6 鋼箱梁懸空搭接施工關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)

梁段運輸至施工現(xiàn)場前，需完成一切吊裝準備工作，盡量縮短吊裝、拼接時間，具體有臨時墩設(shè)計施工、受力驗算、方案審批、吊裝設(shè)備選擇、吊裝位置確定及平整、臨時作業(yè)支架的設(shè)計及拆除、臨時墩的拆除方案等。

鋼箱梁安裝時需要搭設(shè)臨時承重支架，支架盡可能減少對既有線的影響。根據(jù)工程要求在鋼梁接口處采用搭設(shè)臨時承重支架，支架立柱為φ300×8 mm的圓管柱，9號橋、29號橋跨越南環(huán)高速中間分隔帶的單排支架采用4根φ500×10 mm的鋼管柱，鋼管柱底部焊接（20×800×800）mm的封板，封板與基礎(chǔ)部分采用地錨固定；頂部焊接（20×600×600）mm的封板，豎向每隔2.5～3 m設(shè)置一道L75×75角鋼連接并設(shè)斜桿支撐，相鄰圓柱間用角鋼連接。

為確保基礎(chǔ)施工過程中對路基本體不造成擾動，基礎(chǔ)施工時淺埋（地面下0.3 m，地表上0.2 m，其中9號橋、29號橋跨越南環(huán)高速中間分隔帶的單排支架基礎(chǔ)采用寬2 m，深1.5 m基礎(chǔ)，地面下1.3 m，地表上0.2 m，11號橋跨越南榆路中間分隔帶深1 m基礎(chǔ)，地面下0.8 m，地表上0.2 m）。混凝土基礎(chǔ)施工完畢后在其頂面進行1.2倍荷載的砂袋預(yù)壓，消除沉降變形對支架穩(wěn)定性的影響。

圖2 梁體縱向分段及臨時墩布置圖（單位：mm）

圖3 臨時墩平、縱、側(cè)面構(gòu)造圖（單位：mm）

臨時墩初步布置好后，需要對鋼管強度和穩(wěn)定性進行計算，近似認為梁段每延米重量相當，為均布載荷，梁段重量均為G來受力分析。

當梁段A、梁段B未焊接成型時，基本相當于簡支梁（不考慮支架與基礎(chǔ)沉降），則F鋼管臨時墩=G/2。

圖4 A梁段應(yīng)力分布圖

圖5 B梁段應(yīng)力分布圖

當梁段A與梁段B連接成型時，近似認為是一連續(xù)梁，則：中間臨時墩F=G梁段A/2+G梁段B/2=G。

圖6 A、B梁段焊接完成后應(yīng)力分布圖

在驗算承重支架強度和穩(wěn)定性時，只需考慮最不利情況，即最重梁段、受力最大、現(xiàn)場環(huán)境最不利的情況進行分析，其他梁段便均可滿足要求。

該工程項目，根據(jù)梁段重量以及整個吊裝過程分析，吊裝11號橋線時支架受力最大為E、F接口的臨時墩（因為該處跨越南榆高速，且中間隔離帶空間小，高度高），臨時支架高度按18.1 m計，此時上部梁體載荷30 t。

每組支架重量：4×57.67×16.5（鋼管重量）+67.6×2×6×2（40工字鋼重量）+2.692×6.9×24+3.5×2.692×60+（1.168+1.832+1.168+1.832+1.168）×5×2.692+3×5×2.692（橫聯(lián)和斜撐）+200×200+400×20（護欄）=45 t。

考慮橋梁施工過程中，人、機具載荷取2 kN/m2，梁段按15 m長、5 m寬計，每段梁增加荷載15×5×2=150 kN；故中間臨時墩總受力F=30×9.8+45×9.8+150=3 472 kN。

每組鋼管樁由6根φ300×8 mm的鋼管組成，每根鋼管豎向載荷：F1=F/6=3 472/6=578 kN。

查得φ300×8 mm鋼管力學特性：鋼管彈性模量 E=2.1×105MPa，軸向允許壓應(yīng)力[σw]=140 MPa，截面慣性矩Ix=7 827.5 cm4，截面面積A=73.4 cm2，回轉(zhuǎn)半徑i=10.327 cm，自重g=0.576 kN/m，鋼管外徑對應(yīng)的圓面積A′=706.9 cm2[2]。

鋼管的壓應(yīng)力為：σ=N/A=0.788 MPa＜[σw]=140 MPa，故鋼管樁的強度滿足要求。

鋼管樁的穩(wěn)定性驗算公式為：

式中：Am為毛截面積，立桿按兩端鉸支考慮，其長度系數(shù)μ=1，立桿的長細比λ=μl/i=175.269；Φ1為軸心受壓構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，根據(jù)計算構(gòu)件的長細比，在《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ 025—86）中表1.2.16-2中查閱得Φ1=0.824；則容許[N]=Am×Φ1×[σ]=846.87 kN＞ 578kN，故鋼管樁的穩(wěn)定性滿足要求[2]。

然后需要對基礎(chǔ)最小承載力進行計算，根據(jù)梁體及墩支架受力，傳遞到地面上的荷載情況，計算出最小承載力要求，結(jié)合現(xiàn)場承載力試驗，確定基礎(chǔ)處理方式，該項工程基礎(chǔ)處理方式為先挖深1 m，用山皮石夯填50 cm，然后進行澆筑80 cm厚C30混凝土。

鋼梁安裝前，需在臨時墩上設(shè)置預(yù)拱度，主要方法是在支架頂部放置沙箱。鋼梁吊裝完畢，打開沙箱堵絲，放沙至標高符合要求，將沙箱堵絲堵住。

臨時支架設(shè)置完成后，便可考慮箱梁運輸和吊裝。吊裝前，必須對施工現(xiàn)場進行勘察，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，確定吊車的行進路線，清理現(xiàn)場障礙物，保證道路暢通；確定吊車的停放位置，以及運輸鋼梁的車輛停放位置；根據(jù)吊車支立位置的實際情況提前對吊車支撐點進行平整、碾壓和夯實，必要時可視情況進行山皮石和二灰土換填，確保吊車支立點密實。施工臨時用電、機具、支架、安全設(shè)施等準備就緒。

任何施工項目，施工安全是首先應(yīng)該考慮的，特別是在不阻斷交通的情況下施工，交通管制方案很重要，太原武宿機場快速路TJ1合同段鋼箱梁施工要跨越南環(huán)高速武宿樞紐，施工前，根據(jù)專家評審?fù)ㄟ^的鋼箱梁吊裝專項方案，向高速交警支隊上報管制方案，管制方案經(jīng)過批準，方可進入施工程序。

圖7 鋼箱梁懸臂施工道路封閉圖

鋼箱梁是大型鋼結(jié)構(gòu)拼裝物件，各項指標專業(yè)性較強，需要在專業(yè)化工廠內(nèi)標準化制作，然后遠距離運輸至施工現(xiàn)場拼裝、焊接，太原武宿機場快速路TJ1合同段將9號、11號、29號橋鋼箱梁縱向分解為 A、B、C、D、E、F 六段，每段橫向又分為左、中、右 3段，分別進行運輸，起運前需在高速管理局辦理特殊構(gòu)件運輸手續(xù)，分別繪制運輸路線圖，例如11號橋A段鋼箱梁運輸路線為：廠內(nèi)起吊、裝車→北京上高速→運輸車暫停晉中服務(wù)區(qū)→太舊高速→南環(huán)高速→武宿D(zhuǎn)出口→11號橋A段（3片鋼梁）吊裝橋位。

圖8 左鋼箱梁三維分段圖

圖9 右鋼箱梁運輸路線圖

在吊車選擇和就位，一定要充分考慮吊車的吊裝能力，確保吊裝安全的情況下，才能考慮吊車的價位和進場安排，如11號橋A段吊裝采用一個300 t吊車一次站位吊裝，先吊A1，再吊A2，最后吊裝A3。吊車位置如圖10所示（最大回轉(zhuǎn)半徑16.5 m，最大構(gòu)件重量為26 t，此工況下300 t汽車吊最大起重量為 48 t，安全）。

圖10 鋼箱梁懸臂施工吊車就位圖

7 結(jié)語

通過以上的分析研究，鋼箱梁懸空搭接施工工藝已經(jīng)在太原武宿機場快速路項目得到充分的應(yīng)運，在質(zhì)量、工期進度方面均能得到保證，已經(jīng)形成較為成熟的先進技術(shù)。希望通過本文對鋼箱梁懸空搭接施工工藝和具體施工質(zhì)量控制的闡述，可以得到建設(shè)、設(shè)計及施工單位對鋼箱梁懸空搭接施工的足夠重視，使此項技術(shù)更多的應(yīng)用于大跨徑、城市上跨立交施工當中。