大型鋼構橋的箱梁和鋼桁架制作安裝技術

李 祥 盧彩霞

常州第一建筑集團有限公司 江蘇 常州 213000

1 工程簡介

背景項目位于江蘇省溧陽市中關村科技產業園內，中關村大道與城北大道交叉口處。2條路均為區域性的交通要道。跨越交叉路口的人行天橋（圖1）在平面上由西北—東南向主通道（A軸）和東北—西南向次通道（B軸）2條通道組成。2條通道均由相切圓弧線條拼接而成，整體為X形布置。A軸圓弧半徑為78 m，寬度由7 m漸變至9.8 m；B軸圓弧半徑為33 m，寬度由4 m漸變至7.35 m。主通道采用下承式連續鋼桁架結構，桁架間采用橫梁及斜桿結構聯系；次通道采用單箱雙室斷面的連續鋼箱梁結構，與主通道在中心位置搭接。

圖1 人行天橋整體效果圖

本工程存在構件復雜、加工精度要求及檢測要求高、構件內部空間狹小、焊接操作困難、構件運輸尺寸超限、施工中不能斷交等難點。

2 構件分段

2.1 鋼箱梁分段

1）鋼箱梁為正交異性板結構，將面板、底板、腹板等分成便于起吊和運輸的若干有縱、橫肋的獨立構件。構件運至現場后，在胎架上按一定的順序組裝成鋼箱梁。

2）現場按制作分段編號依次拼接組成吊裝分段。吊裝分段按1-x和2-x兩段依次吊裝（圖2）。

圖2 鋼箱梁分段示意

2.2 鋼桁架分段

鋼桁架平面呈弧形飄帶狀，高度5.5 m。如果車間采用分段整拼的方法，胎架搭設高度較高。經過策劃，最終采用立面鋼桁架分段平躺整拼制作，橫梁散裝，現場搭設胎架總拼后吊裝的方式。根據運輸線路和車間制作情況，立面鋼桁架每個分段長度不超過16.5 m（圖3）。

圖3 鋼桁架分段示意

3 深化設計

通過Tekla軟件建立空間扭曲鋼桁架模型（圖4），并將零件通過拼湊小三角的方式展開為平面，供車間下料。建模過程中需要反復調節空間扭曲節點板的控制點位置，以便順利貼合桁架弦桿。

圖4 鋼桁架Tekla模型

4 排板

1）排板時，鋼板的長度方向順著結構的主要受力方向。

2）角焊縫與對接焊縫之間應錯開100 mm以上。板單元拼接縫與縱向U形肋、T形材及橫向筋板等位置錯開不小于100 mm。頂板單元、底板單元、隔板單元拼接縫互相錯開不小于200 mm，盡量避免十字焊縫。

5 鋼材原材料表面預處理

鋼材復驗合格后，進入預處理流水線，經噴砂拋丸處理，除去鐵銹及其污物。其表面粗糙度要求達到40～80μ m，再噴涂預處理防銹漆。

6 鋼箱梁段加工

6.1 下料、冷彎加工、相關板單元制作

1）本工程鋼箱梁橋平面彎曲，鋼桁架空間彎扭，其豎向腹板、加勁肋均需冷彎處理。鋼桁架最小彎曲半徑為65 m；鋼箱梁最小彎曲半徑24.5 m，施工時尚需考慮豎向起拱，且成型質量要求較高，彎曲和彎扭加工難度較大。

2）深化設計詳圖中的尺寸均為加工凈尺寸。在實際制作中，需考慮焊接收縮量及現場對接所必需的余量。在橋面的寬度方向，每個分段箱形加4 mm的焊接收縮余量，在長度方向，每個安裝分段均按無切割量的方案進行放樣，加5～10 mm的焊接收縮余量。線形成形后，對余量端進行精確切割，并標記好縱橫向控制線（對接線）。

3）深化設計和下料時考慮豎曲線、預拱度、橫坡、縱坡等因素對構件尺寸的影響[1-4]。

6.2 組裝胎架搭設

1）將鋼箱梁制作與預拼裝相結合，在同一胎架（圖5）上完成，胎架考慮線形、平面曲率、順橋向坡度、跨中起拱和橫橋向坡度，按吊裝分段整跨制作。

2）將車間制作驗收后的頂板單元、腹板單元、隔板單元、底板單元，分別吊裝至胎架。

3）待整體裝配成型并固定牢靠后，將腹板、隔板單元分別與頂底板單元焊接，其中頂底板單元之間不焊接。

圖5 胎架示意

6.3 頂板定位組裝

將單元件頂板坯依次平置于裝配線上，以板中心定位，U形肋反置于頂板上用靠模初定位，檢查確認后，用門架校正裝置，U形肋長度方向，順沿靠模定位并在單元件頂板坯端部250 mm處開始定位點焊，然后每移約700 mm定位焊一次，每定位焊長度約40 mm，直至配焊完一塊單元件，再進行第二塊配焊（圖6）。

圖6 頂板裝配示意

6.4 橫隔板定位組裝

上橫隔板用模板定位，用半自動CO2氣體保護焊或手工焊完成焊接（圖7）。

圖7 橫隔板組裝示意

6.5 腹板定位組裝

將腹板，縱向、橫向加勁板在預設的裝配平臺上組裝、固定、焊接。采用CO2氣體保護焊或手工焊進行施焊，焊接時采取對稱施焊。進行矯正及驗收后，將其運至胎架上組裝、焊接（圖8）。

6.6 底板單元定位

先安裝底板U肋和加勁板，再鋪底板。焊接時，U肋和加勁板在拼接接口位置預留一段長度不焊，以便于拼接時調整（圖9）。

圖8 腹板組裝示意

圖9 底板組裝示意

6.7 懸挑側定位組裝

底板鋪裝完畢后，即可進行邊緣加勁板、封板的組裝（圖10）。

圖10 懸挑側組裝示意

6.8 構件檢測驗收

進行矯正及總體尺寸、焊接的驗收，確認無誤后進行涂裝。

7 焊接工藝要求

7.1 焊縫形式

焊縫形式主要分對接焊縫和角焊縫。優先采用埋弧自動焊，其余采用氣體保護焊。

1）頂板、底板及腹板的縱橫對接為全熔透焊縫，采用埋弧自動焊。

2）頂板與縱向U形加勁肋采用V形坡口焊縫，熔透角焊縫，手工氣保焊。

3）底板與縱向U形加勁肋和I形加勁肋采用貼角焊縫，手工氣保焊。

4）腹板與頂板、底板為熔透坡口角焊縫，手工氣保焊。

5）橫隔板與頂板、底板為坡口角焊縫，手工氣保焊。

6）橫隔板與腹板坡口角焊縫，手工氣保焊。

7）箱梁分段的頂板、底板對接焊縫，采用內置磁襯墊的坡口熔透焊接-單面焊雙面成型，手工氣保焊。

7.2 焊接工藝要求

1）施工前，應按照規范要求進行焊接工藝評定試驗。通過焊接工藝評定試驗，獲得必要的焊接技術參數，并以此為依據制訂焊接工藝規程。

2）鋼結構的焊接尚應對焊接作業進行防護，溧陽地區氣候冷熱多變，濕度較大、降水較多，如果焊接區域潮濕或接頭溫度急劇下降，將破壞接頭熱影響區金相組織的正常轉變過程，甚至會導致產品報廢。因此，本工程焊接現場的環境保護采用防護棚遮擋。

3）熔透接頭采用CO2氣體保護焊工藝，電流270～320 A，電壓30～38 V，焊速150～500 mm/min，焊絲伸出長度約20 mm，氣體流量20～80 L/mm。反面用碳刨清根，直至露出焊縫金屬；再用砂輪打磨，露出金屬光澤。

4）采用陶質襯墊單面焊雙面成型技術，確保主要受力縱橫焊縫全熔透，減輕勞動強度。

5）頂、底、腹板對接焊縫中不允許出現交叉焊縫，同一方向的焊縫間距不小于200 mm。

6）鋼桁架部分弦桿隔板操作有難度，采用三面焊接后頂緊的方式。

7）對接焊縫要求焊透、磨光，并保證工地焊接質量；所有焊縫均為連續焊縫，都應嚴格進行檢查，并作記錄。一級焊縫應進行X光探傷，并拍片。

8）對于開坡口角焊縫，裝配時采取工藝措施，保證坡口間隙，以確保焊縫根部熔合良好。

7.3 焊接變形控制措施

1）焊接工藝按減小殘余應力、減小焊接變形來完成組拼工藝。對于跨中段間接頭應先施焊底板、再頂板、后腹板；對于支座附近段間接頭先施焊頂板、再底板；對于1/4跨附近頂、底板可按彎矩包絡圖判斷，腹板最后施焊。組拼時應注意對稱施焊，對于焊接變形較大者應采取消除焊接殘余應力和焊接變形的工藝措施，從而控制工廠或工地段間接頭主受力板件錯縫量在相關規范容許范圍內。

2）將鋼箱梁各種焊接接頭分類，使所有受力焊縫處于水平位置下施焊，采用自動焊及焊接變形小的焊接方法。

3）每塊單元件采用2臺CO2自動焊機對稱施焊，焊接線能量小，且焊接運行均勻，所產生的焊接應力分布有規律。經過單元件施焊試驗，確定其焊后變形趨勢及量值，針對這些變形方向和量值設計反變形焊接胎架，給單元件在焊接前施加反方向等變形量值的預變形，使焊后變形量正好與其反變形量相抵消。經生產實踐的驗證，單元件焊接后的變形得到有效的控制。

8 涂裝工藝要點

1）溧陽地區屬于城市和工業大氣、中等二氧化硫污染、低鹽度沿海區，腐蝕種類為C3。根據JT/T 722—2018《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》，采用長效型防腐體系。

2）對漆膜厚度難以保證的結構體邊緣、角隅等處應先進行預涂裝。

3）對漆膜厚度未達到規定要求的部分或因涂面受損傷、剝落、針孔等均應修整補漆。

4）當涂膜干燥后，必須小心地墊上軟性物體，以防涂膜損壞。

5）所有外露自由邊（如底板外邊緣、伸縮縫位置等）均應對直角處打磨成R＞1 mm的圓弧。清除焊縫處的毛刺、尖角、熔渣、飛濺物等，以便保證涂裝工藝質量。

9 模擬拼裝

1）模擬拼裝采用高精度三維激光經緯儀，采用專業軟件將測量數據轉換成點云圖，再與理論模型對比。

2）每段構件整體焊接完畢后，進行檢查、清理和打磨。

3）測量點主要選擇具有代表性的控制點，以保證線形和坐標。

10 現場安裝

10.1 拼裝場地布置和要求

1）鋼桁架及鋼箱梁均需現場拼裝，現場拼裝工作量大且要求高。

2）現場拼裝場地位于道路交叉點東北角（圖11），為便于大型梁段轉運，拼裝場地擬沿主通道斜向布置。拼裝場地內設1臺50 t履帶吊用于重型構件的拼裝，3臺25 t汽車吊用于散件拼裝，按照主通道和次通道各一拼裝輪次。

圖11 拼裝場地布置示意

10.2 拼裝場地要求

場地表層為軟土，標高較低。首先進行局部土方回填壓實，然后回填厚200 mm碎石層，其上澆筑厚200 mm的C20混凝土。

10.3 主要吊裝方法

1）由于公路交通限制，僅可在封路的有限時間完成主跨鋼桁架的整體吊裝。為減少對公路交通的影響，主跨鋼桁架采用整體抬吊吊裝，邊跨鋼桁架及鋼箱梁均單跨整體吊裝，中間不設支點（圖12）。采用2臺350 t履帶吊抬吊主跨鋼桁架后，單臺350 t履帶吊進行其余分段的吊裝。

圖12 吊裝分段示意

2）由于梁段安裝過程中公路仍在通行，安裝過程中采取設置警戒線、硬質圍擋、設立交通減速、警示標志等多種措施保障安全。

11 結語

根據三維測量結果得出偏差值后，建議采用如下糾偏措施修正構件：

1）微小偏差可以采用坡口尺寸＋焊縫過渡的方式調節。

2）桁架水平橫梁采用一端牛腿現場焊接，另一端車間焊接的方式，便于現場定位和調節偏差。若偏差較大，也可以采用兩端現場焊接，逐步消除扭轉偏差。

3）箱形構件端部預留一定長度不焊，根據實際偏差值漸進過渡糾偏。

本項目施工過程中，通過各個環節的不斷努力，在橋梁制作和安裝方面完善了相關空間扭曲構件的經驗積累。最終，中關村大道與城北大道平交口人行天橋工程得以順利實施，并取得了良好的社會和經濟效益。