高速公路鋼箱梁制作及安裝關鍵技術研究

王霄雄

(中國鐵建昆侖投資集團,四川 成都 610040)

1 高速公路鋼箱梁加工制作設計

1.1 工區概況

黃橋樞紐互通B匝道橋15#(BK0+883.408)～18#(BK1+037.408)墩為(42+70+42)m鋼混組合梁上跨渝榮高速公路;線路平面位于曲線半徑R=500 m的左偏圓曲線上,橋面橫坡為4%;線路縱斷面位于半徑R=11 000 m的凸型豎曲線上。主橋與渝榮高速公路斜交,交角為38°。制作時按設計節段劃分,吊裝時現場地面拼接為吊裝節段;制作節段劃分為17×2個節段,橫聯梁42件,合計共76個主要構件;最長及最重段規格為10 m×1.4×2.8 m重約14.3 t。匝道共分為17×2個節段,橫聯梁42件,合計共76個主要構件,最重節段約26.1 t。施工區域地下及空中均無管線。

1.2 加工制造方案

工程鋼箱梁的制造包括三個階段:首先是工廠單元構件制造,其次是在胎架上匹配組裝,并對箱梁節段進行焊接,最后是在工地現場的配合下安裝箱梁節段,并焊接各個箱體[3]。根據工程的箱梁結構特點,需要對公司的資源及運輸等影響因素予以充分的考慮,確定本鋼橋在重慶永川制造基地生產,現場跨渝蓉高速路鋼箱梁采用多點步履式頂推及非跨高速采用原位吊裝進行安裝,即在公司車間內完成單元構件制作;預拼在公司總拼胎架區完成;現場地面拼接吊裝節段;在支架上節段吊裝焊接完成步履頂推+非跨高速原位吊裝就位后完成。

鋼箱梁縱向、橫向分段必須符合設計和相關規范要求,橫向環縫底板與腹板為高強螺栓連接,面板為現場焊接。小箱梁劃分單元構件時,直線連接縱橫向分段交點,采用以直代曲的方式,使中間的小箱梁構件單元均為直線形,所有的縱向焊縫均為直線[4]。

1.3 結構形式及加工工藝

(1)根據本項目總體施工方案及結構特點,將該橋鋼箱梁制作分為單元構件制作、節段匹配制造、鋼箱梁工地安裝高強螺栓連接及焊接三個階段[5]。小箱梁構件單元由頂板單元、底板單元、腹板單元、隔板單元等五個單元組成;橋梁由小箱梁+橫梁+頂模板組成。(2)結合大型鋼箱梁制造的經驗,本橋鋼箱梁制造擬采用“鋼板→板單元→塊體單元(或部件)→鋼箱梁總拼→橋位連接”的方式生產,即在鋼結構車間內生產零件、構件單元及部件,在總拼場地(廠房)組焊鋼箱梁、多段連續匹配預拼裝,橋位將梁段逐節吊裝、步履頂推連接成整體[6]。(3)鋼板趕平及零部件下料[7]。①在鋼板大型零件下料之后,同時在除銹之前通過板材矯正機趕平,確保單元的平面度。接著通過磁力吊進行上下料配合工作,防止鋼板發生局部變形。②零件放料必須進行號料,手工放樣的寬度、長度、曲線樣板上任意點、對角線的允許偏差分別為+0.5 mm、-1.0 mm、1.0 mm、±1.0 mm;計算機放樣的寬度、曲線樣板上任意點、長度的允許偏差分別為±0.5 mm、1.0 mm、±0.5 mm。(4)板單元制作關鍵的工藝技術主要包括五類,一是數控精確下料,二是趕平及預處理,三是防止變形焊接方法,四是尺寸控制;五是CO2焊接技術。(5)橫隔板制造精度關系到梁段的尺寸和箱口間的匹配度,需要在橫隔板上下將頂板I形肋和底板I形肋直接插入。其中,先試制不同厚度的橫隔板,進而了解焊接和修整收縮量各個步驟,之后再進行批量生產[8]。

2 涂裝方案及工藝

根據工程的設計標準,鋼板預處理采用鋼板預處理線拋丸除銹,除銹等級Sa2.5級,粗糙度Rz40～80 μm,噴涂無機硅酸鋅車間底漆一道20 μm,涂裝工藝流程見圖1。鋼箱梁及附屬設施均在廠內完成除焊縫部位外的所有內、外表面的涂裝[9];焊縫接頭部位兩側50 mm范圍內不涂裝,底漆、中間漆和面漆涂層的邊緣分別錯開50 mm形成漸進式遮蓋,待焊接完畢后再進行補涂;最后一道面漆涂裝工藝。

圖1 鋼箱梁涂裝工藝流程

工程在正式涂裝施工前,由施工單位進行專項涂裝工藝試驗,監理和油漆供應商應全過程跟蹤監督涂裝工藝試驗過程及質量檢驗[10]。涂裝工藝試驗合格,并經監理工程師簽字認可后方可開始涂裝施工。當涂裝施工的主要人員或關鍵設備進行更換時,應重新進行工藝試驗。表面準備:構件外露邊須磨成半徑為2 mm左右的圓弧,表面缺陷須修補并磨平。在二次除銹前必須對鋼結構件表面進行清理,包括去除油污、可溶性鹽份(如Cl<0.7 μg/cm2可不清除)、粉塵及其他附著物。噴砂除銹時,噴砂磨料必須清潔、干燥;金屬磨料符合GB/T18838(ISO11124),非金屬磨料符合GB/T17850(SO11126)的要求。噴涂工藝參數,如表1所示。

表1 噴涂工藝參數

工程依據現行的國家標準對防腐涂層材料的質量進行檢測,并在使用之前提供檢驗報告材料。(1)防腐材料必須要確保防腐的效果,由于不同的廠家提供的材料具有不同的工藝兼容性,因此需要由同一個廠家提供相同位置油漆的底、中、面材料。(2)防腐材料必須具有較高的知名度和品牌度,并且在以往的大型工程中具有較好的應用業績。(3)本次工程的鋼結構主要應用了氟碳面漆的長效防腐體系。為了再次確保涂裝質量,在工程中還需要嚴重控制涂裝材料和工藝流程。綜合以上分析,工程在噴涂防銹材料之前,必須將梁段表面進行清理,對銹蝕的表面進行除銹處理,做好焊縫的打磨工作,保證焊縫的平滑度,使防銹層噴涂的均勻且與梁體連接可靠。配合精密測量儀器對涂層進行檢測,確保涂層厚度滿足規范要求。

3 高速公路鋼箱梁現場安裝關鍵技術

3.1 頂推支架布置

為了方便鋼箱梁的架設和安裝,需要在施工現場搭設臨時承重支架。根據前期的地質勘測結果,本工程在整平地面后,根據現場及多方面實際進度情況,采用中間80 m(設計節段為:5～13段)+17 m導梁頂推一段距離吊裝一段箱梁吊裝節段;頂推完成后原位吊裝(15～16軸、17～18軸)(設計節段為:1～4段、14～17段)。頂推采用步履式多點頂推方案,步進距離0.4～0.5 m。頂推過程中需對梁體受力狀態進行控制,對梁體應力狀態進行監控,防止梁體受力不均勻的發生。監控采用在梁體內表面安裝反光片,隨時測量擾度與理論計算數值進行比較,以確定梁體應力狀態是否安全。

頂推支架是由立柱鋼管φ426×10和柱間支撐槽鋼16#a焊接而成,頂部采用工字鋼36#a三拼焊接而成。拼裝支架由立柱鋼管φ426×10與柱間支撐槽鋼16#a焊接而成,頂部采用工字鋼36#a雙拼焊接而成。

3.2 吊裝工藝

(1)鋼箱梁的安裝。在支撐體系安裝到位后,鋼箱梁節段以支撐體系上的縱橫向控制點為定位基準安裝。項目中鋼箱梁為縱向分段,應先橫向定位安裝,在縱向推進,安裝時應根據各個箱段的重量、定位要求、方便吊機站位、利于交通疏導等多種因素制訂鋼箱梁的詳細架設方案后才能開始鋼箱梁的安裝。鋼箱梁采取順吊方案,每個節段的主體的橫向分段吊裝、找正、調整完后再進行下一節段的安裝。(2)箱梁安裝測量控制。鋼箱梁安裝到位后需再次進行測量以確保鋼箱梁線形準確無誤,如有偏差需安裝調整直至符合設計要求。鋼箱梁的測量點一般取支座處和跨中各段箱梁上沿中間里程線和兩側外腹板上布置的徑向3個點,直線段鋼箱梁縱向每12～16取一個測量點,曲線梁每5 m設測量點,視鋼箱梁橋的結構特點而定。(3)鋼箱梁現場栓接。現場鋼箱梁栓接內容主要為各節段間的橫向環縫及箱梁之間橫梁。

吊車就位后,兩幅雙向封閉,施工完成后,雙向正常運。梁段停在中間隔離帶附近,2臺300 t汽車吊抬吊,此工況下300 t汽車吊最大回轉半徑為13 m,最大起重量為57 t。為了保證施工進度,跨高速公路段的鋼箱梁,采用左右兩側同時進行的方式。其中,左、右側的底板、橫隔板、頂板等按照順序依次完成拼裝和焊接。焊接后檢查強度達標之后,再進行下一道工序。出于安全考慮,在鋼箱梁底部分別設有貓道和掛籃,防止高空作業有墜物掉落而影響地面人員及車輛的安全。

3.3 現場施工作業

由于橋梁為跨越既有線高速公路禁止封閉,不能采用傳統方案汽車吊施工,橋梁設計為在既有高速路的外側采用箱梁節段運輸至現場整體拼裝,拼裝施工后,然后采用頂推將梁體頂推至設計位置。工程應用了步履式多點頂推技術,該技術可在頂推過程中調節梁體應力,使得橋墩水平反力得到降低。其中,步進距離0.4～0.5 m,頂推過程中要嚴格控制梁體受力和梁體應力狀態,避免梁體受力不均。監控采用在梁體內表面安裝反光片,隨時測量擾度與理論計算數值進行比較,以確定梁體應力狀態是否安全。

臨時支架分為拼裝支架和頂推支架(頂推支架兼做拼裝支架),共包含10組支架,其中2#3#4#5#7#8#組為頂推支架,1～68～10#組為拼裝支架。頂推支架是由立柱鋼管φ426×10和柱間支撐槽鋼16#a焊接而成,頂部采用工字鋼36#a三拼焊接而成。拼裝支架由立柱鋼管φ426×10與柱間支撐槽鋼16#a焊接而成,頂部采用工字鋼36#a雙拼焊接而成。臨時支架的安裝步驟為:(1)在鋼梁吊裝前,支架應該安裝到位。(2)臨時支架要先對下部承臺進行澆筑,再進行工字鋼的安裝焊接工作,接著調平鋼管,安裝過程需要25 t汽車吊配合。(3)安裝支架之前,需要在地面對支墩定位點進行標識,之后在工字鋼頂部上標注鋼梁安裝就位和標高控制點。(4)觀察現場路面,對地面承載力進行考察,進一步調查路面硬化、地基、坡度等情況。若地面情況較差,可通過澆筑混泥土平整作業面等方法提升支架體系的穩定性。(5)支撐體架在使用過程中要定期檢查。檢查工字鋼的繞度、焊縫的質量、千斤頂安全可靠性,支撐體系系統的整體穩定性,并做好沉降觀測記錄。

4 結 論

高速公路橋梁建設中鋼箱梁應用較為廣泛,但其施工技術要求也較為嚴格,施工單位需在充分獲取現場地質資料的前提下,做好鋼箱梁加工方案的設計,并按照規范進行鋼箱梁的安裝,嚴格控制好結構強度及質量,以確保高速公路橋梁營運安全。在黃橋樞紐互通B匝道橋高速公路鋼箱梁施工中,由于前期對施工進行了合理的規劃,并且所有工作人員的協作下,對鋼箱梁進行了制作和順利安裝至設計位置,最終滿足了施工前制定的施工要求。該工程所采取的鋼箱梁制作與安裝施工工藝具有可行性,但是研究內容或許存在一些不足之處,可從中汲取經驗,并靈活應用于類似的鋼箱梁施工中。