曲線異型變截面鋼箱梁制造及架設施工技術

趙 鈺

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016）

1 工程概況

襄陽東津站樞紐綜合配套工程北側匝道橋由西側匝道部分、中間平臺部分及東側匝道部分組成，兩個匝道橋均為(28+32+28）m異型變截面鋼箱梁，兩聯匝道也均位于緩和曲線與圓曲線的銜接段上，圓曲線半徑45 m，匝道橋寬為9～11 m。每個匝道鋼箱梁設計重量為603.3 t，鋼梁材質Q345qD，匝道鋼箱梁斷面為4箱室結構，箱梁頂、底板平行，頂寬9～11 m，底寬4.48～6.48 m，頂底板之間采用半徑為2.4 m的圓弧懸臂板連接，鋼箱梁梁高1.7 m，頂板板面厚度16 mm，底板板面厚度20 mm，腹板板面厚度16 mm，圓弧懸臂板厚度14 mm。頂、底板設置U肋及 I肋，U肋截面280 mm×300 mm，厚度8 mm，I肋截面尺寸12 mm×150 mm，挑臂處U肋間距300 mm，中間箱室處U肋間距300～570 mm，U肋之間設置I肋。異型橫斷面結構形式見圖1。

圖1 異型鋼箱梁橫斷面結構

2 施工方案及關鍵技術

由于兩聯匝道位于緩和曲線與圓曲線的銜接段上，圓曲線半徑45 m，且鋼箱梁斷面結構復雜，頂板較寬、底板較窄，梁頂面有2%橫坡，西匝道鋼箱梁5.1%縱坡，東匝道鋼箱梁5.8%縱坡，翼緣下部采用14 mm厚雙曲線型懸臂板封閉裝飾，按照常規方法加工難度大，施工質量不易控制。

總體加工方案:采用工廠分段加工運輸到現場逐段拼裝。根據梁體結構結合汽車運輸限制，將梁體進行節段劃分。鋼箱梁縱橋向分9個節段，每個節段橫橋向分4個塊。工廠內，按照整體制作胎模，頂板在下底板在上反向加工，懸臂板卷圓后采用馬板強行擠壓焊接于翼緣下部。具體方案:鋼梁為全焊鋼結構，焊縫密集，施工過程中所發生的變形和殘余應力較大，為控制鋼梁的焊接質量，加快施工進度，制造采用“板單元→板塊單元→塊體單元→預拼裝→涂裝→橋位組拼→橋位焊接→涂裝”方式進行施工生產，即車間生產加工各單體塊，并組焊成塊體單元。現場采用吊車分塊按一定順序進行塊體吊裝，橫向分塊、縱向分段焊接成整體，形成鋼箱梁梁體結構。鋼箱梁在廠內進行整體胎膜反向加工見圖2。

圖2 整體胎模反向加工

2.1 鋼箱梁廠內加工

2.1.1 工藝試驗

原材料進場后，首先進行原材抽樣檢測。然后進行工藝試驗，根據工藝試驗確定加工制造工藝。

2.1.2 鋼箱梁焊接工藝

2.1.2.1 焊接方法

鋼箱梁主要材料為Q345qD，主要采用手工焊、埋弧自動焊和二氧化碳氣體保護焊。

(1）手工焊。主要用于工地焊接的腹板的對接縫，與頂板、底板之間的角焊縫，T形肋、水平肋，縱肋之間的角焊縫。

(2）埋弧自動焊。主要用于廠內焊接的頂板、底板及其他拼板的對接焊。

(3）二氧化碳氣體保護焊。用于各類角焊縫的焊接。

2.1.2.2 焊接工藝及順序

(1）手工焊。焊條采用 E5015，直徑為 φ3.2、φ5，電極采用直流反接。先用φ3.2焊條打底，電流為110～150 A，電壓20～22 V，再用φ5焊條蓋面，電流為170～230 A，電壓20～22 V。

(2）埋弧自動焊。焊絲采用 H08MnA，直徑φ4 mm，焊劑采用SJ101，電極采用直流反接。先用手工焊進行封底，用埋弧自動焊焊正面焊縫，電流630～650 A，電壓36～38 V，速度約25 m/h，反面清根，用埋弧自動焊焊反面焊縫，速度約45 m/h。

(3）二氧化碳氣體保護焊。焊絲采用ER50-6，直徑φ1.2 mm，電極采用直流反接。采用φ1.2 mm焊絲焊第一、二層正面焊縫，電流230～280 A，電壓25～30 V，氣體流量10～15 L/min，焊接速度20～30 m/h。用碳弧氣刨反面焊縫，焊第一、第二層反面焊縫。

2.1.3 焊接質量控制措施

(1）焊工必須持有資格證，現場安全教育和培訓合格后進行工作。

(2）鋼箱梁焊接施工前，必須進行試焊確定焊接工藝，經檢驗合格后方可正常施焊。

(3）嚴格執行焊接工藝，焊接工藝評定應符合規范要求。

(4）焊接應在室內進行，環境濕度應小于80%。

2.1.4 對接環縫裝配質量控制

首先，保證焊縫兩側的高差水平，再臨時定位固定；二是校對錯邊量，再鎖定臨固；三是清洗打磨后，打底焊填充，再用自動焊焊接。

2.2 鋼箱梁加工焊縫檢測

鋼箱梁加工焊縫需全面探傷檢測，質量符合《公路橋涵施工技術規范》(JTJ 041-2000）[1]。

2.2.1 檢測方法

選用專業的檢測單位對鋼結構焊縫質量進行射線及超聲波探傷檢查和磁粉檢測。

2.2.2 檢測標準

焊縫超聲波標準為《焊縫無損檢測 超聲檢測技術、檢測等級和評定》(GB/T 11345-2013）[2]。射線檢驗標準為《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質量分級》(GB 3323-2005）[3]。磁粉的檢驗標準為《無損檢測焊縫磁粉檢測》(JB/T 6061-2007）[4]。

2.3 鋼箱梁架設施工

2.3.1 現場準備

(1）根據鋼箱梁節段重量及現場吊裝施工條件，選擇150 t汽車吊進行現場吊裝作業，配選符合質量要求的鋼絲繩、吊環等吊具。

(2）根據梁體分段，進行鋼管柱支撐的設計驗算，鋼管柱采用“井”字形結構，根據設計檢算，現場制作條形基礎，并安裝鋼管柱及分配梁、調整墊塊。復測鋼管柱的標高及位置是否準確。

(3）根據吊裝方案，硬化吊車作業場地，供吊車車站位及梁段運輸進場需求。

2.3.2 節段吊裝順序

以3#段為例，每節段橫橋向吊裝順序:吊裝外側節段(3-1#）→吊裝內側節段(3-2#）→吊裝兩側懸臂塊(3-3#/3-4#），吊裝順序見圖3。

圖3 橫橋向吊裝順序

縱橋向節段安裝順序:按1#段→2#段→3#段～9#段，逐段順序吊裝完成。每相連兩個節段(塊）完成后，必須采用鋼板焊接進行臨時鎖定，防止安裝過程中鋼梁橫向移位。最后經檢測全部合格后，再拆除臨時支架，落梁成橋。

2.3.3 鋼梁現場焊接

2.3.3.1 焊接前檢查

鋼箱梁節段吊裝完畢后，復測梁體標高及線形，達到要求后，進行現場焊接作業。焊接前仔細核對坡口尺寸，清除銹濁和油污。

2.3.3.2 焊接順序

現場焊接時，根據吊裝順序安排詳細的焊接順序，主要按以下順序進行焊接:第一步，頂板與底板縱縫焊接；第二步，腹板及隔板角焊縫焊接；第三步，橫向環縫焊接。環縫焊接時，同樣首先焊接頂板與底板焊縫，按照由中間向兩側的順序進行，再焊接兩側腹板位置焊縫，按照由下向上的原則進行；第四步，縱肋嵌補段的焊接。

2.3.3.3 焊接方法

根據焊接位置和現場施工條件進行方法選擇。

(1）優先采用埋弧自動焊。

(2）焊接順序。先長后短，先大后小。

(3）橋段連接焊縫。先焊頂、底板，后焊腹板，最后焊U肋和嵌補段的焊縫[5]。

2.3.3.4 焊接要求

(1）應嚴格執行焊接工藝，評定應符合《鐵路鋼橋制造規范》(TB 10212-2009）[6]。

(2）梁段間環縫是主要傳力焊縫，要求做到100%的熔透和無損檢測。

(3）在鋼箱內采用二氧化碳氣體保護焊時，操作人員要佩戴防護面罩，通風和安全防護，以免產生的一氧化碳影響人身安全。

(4）焊接環境出現下列情況時，要采取防護措施，否則禁止施焊:①氣焊風速大于2 m/s，其他焊大于8 m/s；②相對濕度大于90%；③雨雪；④溫度低于-20℃等[7]。

(5）焊接后除去焊道上的飛濺、焊瘤、咬裂紋等缺陷。

2.3.4 現場焊縫檢測

在焊接結束24 h后，進行無損探傷檢驗的打磨工作，再由現場人員對焊縫做100%超聲波探傷自檢，自檢合格后向由監理和第三方專業檢測單位提出檢驗，合格后出具的無損探傷檢驗報告。

2.3.5 焊接安全保護措施

在確保橋下車輛和行人通行的作業區段施工，在鋼梁施工的橋下支架不低于5 m高度位置在上方搭設成一個鋼管防護平臺，確保焊花濺不到下方行人和車輛，在箱梁內部焊接時(底板、隔板以及縱肋嵌補段焊接），因焊絲燃燒產生有毒氣體，在箱內操作前確保箱內照明和排風良好。

2.4 拆除臨時支架

鋼箱梁一聯所有節段吊裝并焊接完成，焊接經檢測全部合格后方可進行臨時支架的拆除。

2.4.1 卸載方法

根據規范要求，結構拼裝完成后，由于自重原因，臨時支撐位置鋼箱梁結構將會產生3～4 mm下撓，因此在進行卸載施工時，可通過火焰切割的下部支架調節管的方法進行鋼箱梁卸載[8]。

2.4.2 卸載注意事項

(1）制定安全技術應急方案。為了確保支撐體系結構和操作人員的安全，在確定鋼梁施工方案時制定安全技術應急方案，必須考慮卸載支撐方案。

(2）結構預驗收，達到規范要求。

(3）布置觀測點。卸載中、完后與驗算數據進行比對，以便控制卸載應力與變形[9]。

(4）試卸載。必須先進行試卸載，掌握卸載工序和操作流程，再次確定結構與支撐系統是否具備卸載的全部條件[10]。

2.5 鋼箱梁涂裝

鋼箱梁架設完成后，現場按設計要求進行涂裝修補和面漆涂裝。

3 施工質量控制關鍵點

3.1 胎模放樣

按照鋼箱梁曲線造型及縱坡、橫坡要求，采用計算機三維建模，以鋼箱梁頂板為底面，以梁端為基點，旋轉放平后，獲取梁頂面在各橫隔板位置的坐標。以此坐標作為胎模的放樣坐標，完成整體胎模的制作。以西匝道為例，各點坐標放樣見圖4。

圖4 鋼箱梁胎膜坐標放樣

3.2 懸臂板加工焊接

由于懸臂板為雙曲線造型，首先采用計算機三維建模[11]，然后按照2 m/節劃分后展開，已展開料造型，編寫程序采用等離子數控切割機下料，再進行卷圓處理。采用馬板強行擠壓焊接于翼緣下部，焊接完成后割除馬板，角磨機磨平馬板焊疤。懸臂板加工過程見圖5。

3.3 焊接變形的控制

圖5 懸臂板加工

鋼箱梁焊接屬于大構件鋼結構焊接，焊接變形控制是保證鋼梁架設質量的關鍵，采取了以下措施進行焊接變形控制，保證施工質量。

(1）對稱截面的，采用對稱的順序焊接。

(2）雙面非對稱坡口焊接，宜先焊深坡口側、后焊淺坡口側的順序。

(3）長焊縫采用分段退焊法。

(4）拼接板焊縫宜預置反變形，加強其鋼性拘束。

(5）組裝前要將變形部件矯正后，方可進行總裝焊接[12]。

3.4 鋼箱梁線形控制

曲線異型變截面鋼箱梁平面曲線小，上、下底面為空間曲面，線形復雜，并對溫度環境非常敏感，因此，對鋼箱梁的線形控制顯得非常重要，針對性采取了以下措施:

(1）選擇科學合理的焊接順序，防止因焊接順序不當造成彎扭變形[13]。

(2）采用冷矯正和火焰矯結合的辦法矯正各種焊接變形。

(3）鋼箱梁在塊單元加工制作時應考慮設計預留預拱度[14]。

(4）鋼箱梁拼裝時用臨時定位加固件能較好地保證拼裝精度。

(5）加強測量控制。事前、過程中、架完后再復核、矯正、調整，從而確保整體橋梁的線形準確。

4 結束語

曲線異型變截面鋼箱梁制造及架設較常規方法施工難度大，采用工廠內固定胎膜加工及預拼裝工藝，提高了工廠加工精度，簡化了橋位施工難度，而且很好地控制了鋼箱梁的幾何尺寸及整體外觀線形，保證了鋼箱梁的整體質量。施工中又從結構分塊、焊接技術、橋位拼裝架設、鋼箱梁變形控制等方面控制，較好地掌握了變截面鋼箱梁加工及架設施工技術工藝，取得了良好的經驗。今后在實踐中不斷的研究探索和總結，針對性解決和預防鋼箱梁質量通病和質量缺陷，從而確保鋼箱梁施工質量和施工安全，為類似工程積累經驗。