飄帶狀低矮鋼箱梁焊接加工與安裝工藝

趙 輝，蔡曉男，林墨翰，趙春國

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200122)

1 工程概況

中國花卉博覽會(簡稱“花博會”)是我國規模最大、規格最高、影響最廣、內容最豐富的國家級花事盛會。第十屆中國花博會選址上海市崇明區東平鎮，計劃于2021年5月21日正式開幕。花舞雙橋是第十屆花博會最重要的一座景觀橋，為雙幅飄帶狀異形鋼結構箱梁橋，中間為人車通道，兩側為綠化帶。橋梁全長100m，共10跨，單孔跨徑10m，單幅橋梁寬15～25m，單跨鋼箱梁最重90t。橋梁下部結構采用柱式墩，樁基采用φ600 PHC管樁，樁長45m，共144根，橋墩采用φ600圓形柱式墩，連接墩柱設置截面1 000mm×800mm系梁，橋臺為埋置式橋臺(見圖1)。

圖1 花舞雙橋

花舞雙橋為低矮矩形鋼箱梁[1]，梁高僅500mm，人車通道區域采用閉口截面，綠化帶區域采用開口截面，鋼箱梁頂、底板厚16mm，縱、橫隔板厚12mm(除墩臺頂橫隔板厚20mm)。縱隔板間距1m，橫隔板間距2m。頂、底板上設置厚10mm加勁板。橋梁兩側綠化帶設置16個樹池，樹池尺寸為2 000mm×2 000mm，樹池底板及腹板設置雙向加勁板(見圖2)。

圖2 花舞雙橋矩形鋼箱梁細部構造

2 水文地質

花舞雙橋擬建場區屬于上海地區河口砂嘴砂島地貌類型的沉積地層，地基土均屬第四紀沉積物，主要由砂性土、粉性土、黏性土構成，屬Ⅲ類場地，抗震設防烈度為7度。園區為水位獨立控制區，控制高水位3.4m，控制低水位2.5m，常水位2.8～3.0m。多年平均氣溫15.4℃，歷史最高氣溫40.2℃，極端最低氣溫-12.1℃；年平均降雨量1 074.1mm；年平均風速3.4m/s，最高風速26.3m/s。

3 施工重難點

1)花舞雙橋梁高僅500mm，人工無法在箱體內進行焊接作業，如頂板封蓋后無法施焊頂板與其他板的連接部分。同時，從結構受力角度，鋼箱梁的縱、橫向隔板設計要求必須焊接連續。因此，常規的鋼箱梁焊接工藝并不適用。

2)首跨鋼箱梁自重約90t，橫橋向分2個節段吊裝，然后再做頂、底板封縫焊接。因箱梁端部與橋臺臺背重疊，故局部底板順橋向焊縫無法焊接。

3)橋址場地以高含水率的淤泥質土、黏土為主，地下水位高，地質條件差。若采用常規的落地式臨時支架，地基處理成本高、耗時長，無法滿足工期節點要求。

綜上所述，本工程提出“工廠預制頂板和底板單元、現場反序組拼頂板和底板單元、雙機抬吊節段箱梁原地翻身、雙機抬吊節段箱梁拼裝連續、節段間頂板和底板封縫焊接、最后安裝異形飄帶結構”的新工藝。

4 關鍵施工技術

4.1 箱梁節段劃分

花舞雙橋橋梁全長100m，共10跨，單孔跨徑10m。箱梁節段劃分主要考慮兩點：①拼接焊縫處連續梁負彎矩最小；②單個梁段落位后能保持自穩[2]。因此，順橋向將花舞雙橋分為10節，首跨12.5m，標準跨10m，末跨7.5m；橫橋向只將首跨梁分為2個節段，其余跨為1個節段，異形飄帶結構成橋后單獨安裝。節段箱梁的分塊尺寸和質量如表1所示。

表1 單幅鋼箱梁分段統計

4.2 施工現場布置

在雙幅橋中間和外側分別施工10m和8m寬的施工便道，長度160m(兩端各延伸30m)。施工便道結構層自下而上為壓實土基、20cm磚渣、滿鋪路基箱，以保證100t履帶式起重機正常行走。此外，在0號橋臺外側用50cm厚磚渣鋪設50m×80m存梁區，用20cm厚道渣和35cm厚C25混凝土硬化20m×15m拼裝區并搭設胎架。施工現場布置如圖3所示。

圖3 橋址現場施工便道及胎架平面布置

4.3 工廠板單元加工

板單元是鋼箱梁加工的最小單元，包括頂板單元和底板單元。板單元采用3m×2.5m成品鋼板加工而成。主要零件、異形零件通過數控等離子切割機下料，直條采用等離子多頭切割機下料。對于重要零件的邊緣或焊接邊緣應進行機械加工，以保證零件的尺寸和焊接坡口精度，下料時預留加工余量[3-4]。

1)頂板單元 頂板單元由頂板、縱橫隔板和加勁肋板組成，頂板與縱橫隔板采用雙面角焊縫，與加勁板采用單面角焊縫。為保證底板封板箱體外焊接，此處將縱橫隔板統一優化成T形排樣式[5]，如圖4所示。

圖4 頂板單元節段劃分剖面

2)底板單元 底板單元由底板與加勁肋板組成，底板與加勁肋板采用單面角焊縫。為保證底板與T形排有效連接，此處每隔1m預留1排塞焊孔，如圖5所示。

圖5 底板單元節段縱面

4.4 現場板單元組拼

頂、底板單元成批運至現場，根據工廠編號在胎架上實施預拼裝，并用馬板或定位焊臨時固定[6-7]。現場板單元組拼時，先焊接頂板單元間的縱橫隔板豎向焊縫，形成穩定的框架結構，再完成頂板單元間的坡口焊(滿焊)，這樣可減少焊接變形量[7]。當節段箱梁的頂板焊接完成后，再實施底板單元塞焊完成封板。需要注意的是，首跨2個節段合龍處和其余跨的縱向連接處需預留1m寬底板做最后封板(見表2)。

表2 節段箱梁現場組拼的焊縫要求

4.5 首跨梁段安裝

首跨鋼箱梁長12.5m，重約90t，橫橋向分為2個節段，主要施工流程為：搭設墩頂臨時支架→節段箱梁原地翻身→節段箱梁吊裝與拼裝→節段間頂、底板封縫焊接→拆除臨時支架→首跨鋼箱梁落梁。

1)搭設墩頂臨時支架 首跨鋼箱梁由2個節段拼裝而成，節段間底板封縫局部受橋臺阻擋無法焊接，所以需搭設墩頂臨時支架，將整跨鋼箱梁頂起架空創造焊接作業面。具體地，在0號橋臺和1號橋墩的頂部設置300mm×300mm型鋼支墩，高80cm，型鋼支墩間采用φ400鋼管連接，間距3m，累計12根。墩頂臨時支架需與橋臺、地面連接固定，此處地基土松軟，應避免使用落地支架，節約地基處理的費用和時間。

2)節段箱梁原地翻身 現場鋼箱梁組拼時，采用“先頂板后底板、頂板在下、底板在上”的反序焊接工藝[1]，所以，當底板封板后，須將鋼箱梁節段整體翻轉。具體地，在節段箱梁兩端的主縱隔板處焊接翻身吊耳，由2臺100t履帶式起重機通過移動位置和操作吊臂相互配合完成節段抬吊與空中翻身。

3)節段箱梁吊裝與拼裝 節段箱梁翻轉后，在頂板上焊接吊耳(應焊在主縱橫隔板的交接處)，然后由2臺100t履帶式起重機抬吊至墩頂臨時支架上[8]。起吊前，應在橋臺處做好節段箱梁的合龍中心線標記。雙機抬吊將節段箱梁水平吊起，平穩移動至與臨時支架面平行，此時吊機站定不動，緩慢下放節段箱梁至一定高度。節段箱梁合龍中心線處設置3個測點，利用手拉葫蘆精確校準，保證節段箱梁精準落位[9]。另一節段箱梁采用同樣的施工方法，待兩大節段箱梁就位后，梁頂設置拼裝限位裝置。

4)節段間頂板封縫焊接 待兩個節段箱梁拼裝合龍后，采用馬板對合龍縫進行限位固定。頂板拼縫經過碳刨處理后采用埋弧自動焊完成焊接。埋弧自動焊焊劑為SJ101氟堿性燒結焊劑，堿度為1.8，顆粒度為10～60目。該工藝具有良好的抗潮性、較高的低溫沖擊韌性，顆粒強度好，電弧燃燒穩定，脫渣容易。

5)節段間底板封縫焊接 底板設1m寬合龍封板，節段吊裝前先將底板封板放置于鋼箱梁底部合龍縫下方。節段箱梁頂板封縫完成后，將底板封板用手拉葫蘆吊起作為臨時平臺，便于對頂板合龍縫和縱橫隔板進行焊縫質量檢測。焊縫檢測合格后完成底板合龍封板焊接。

6)拆除臨時支架 底板封板結束后，采用2臺100t履帶式起重機和1臺85t汽車式起重機將整跨梁段吊起。待梁段保持平穩后，拆除臨時支架，將橡膠支座放置在支座墊石上。拆除支架時，將縱向連接梁與型鋼支墩割離，橫向連接梁與型鋼支墩一同拉離橋墩立柱，并在橋墩立柱側身捆綁木方，以免掉落的臨時支架損壞橋墩立柱。

7)首跨鋼箱梁落梁 落梁過程中，用水平儀實時檢測箱梁頂板高程，直至達到設計高程為止。同時，在橋臺與梁段端頭處用5cm厚木方對伸縮縫寬度粗定位。梁段位置輔以手拉葫蘆進行定位精調。

4.6 其余跨梁段安裝

1～10號梁段(不包括飄帶狀結構)實施整跨組拼，原地翻身并逐跨安裝。安裝前，預先在1～2號梁段端頭頂板上焊接卡板作為定位及臨時支撐。落架時，箱梁節段有卡板的一端搭在0～1號梁段上，另一端落在2號橋墩立柱上。類似地，起吊前先將第2跨梁與首跨梁的橫向底板封板放于箱梁下方，封板寬2m，橫向封板焊縫為全熔透焊縫。其他作業流程與首跨梁段基本一致。

5 效益分析

鋼箱梁的設計梁高往往≥800mm，這是滿足人工箱體內焊接連續的最低高度。本工程提出高度500mm鋼箱梁的焊接加工成套工藝，從人工、材料、設備等方面節約經濟成本512.1萬元，其中由于工藝創新、工期縮短節約人工費28.5萬元、場地硬化費105.1萬元、支架材料租賃費24.3萬元、機械設備租賃費30萬元，鋼箱梁原材縮減節約324.2萬元，經濟效益對比如表3所示。由于梁高降低、用鋼量減少，在不增加起重設備的條件下，低矮鋼箱梁可整跨吊裝，本工程縮短工期約14d。

表3 鋼箱梁優化前后經濟效益對比

6 結語

花舞雙橋是第十屆花博會上最重要的一座景觀橋，采用雙幅飄帶狀鋼結構箱梁，梁高500mm，全長100m，累計10跨。雖然低矮鋼箱梁結構自重減小、造價降低，但對鋼結構的焊接加工與節段拼裝造成很大困難，尤其是人工無法進入箱梁體內焊接且需保證縱橫隔板焊接連續。施工過程中，首先，合理劃分箱梁分段，縱橋向分為10節(12.5m+10m×8+7.5m)，橫橋向只有首跨分為2節，其余跨都是1節。然后，工廠預制箱梁頂、底板單元，現場胎架上定位組拼，通過T形排實現頂、底板單元的反序焊接。最后，借助2臺100t履帶式起重機原地翻身并吊裝至預定位置，通過預留橫向或縱向底板封板解決節段箱梁之間的縱橫隔板連續難題。施工中，充分利用馬板的臨時限位、臨時支撐作用，避免使用落地支架，節約費用與工期。截至2020年9月，花舞雙橋鋼結構箱梁已安裝完成，上述新工藝解決了低矮鋼結構箱梁的焊接加工與安裝難題。