橋梁板底加固中的大面積鋼板安裝仰焊對接施工工藝淺析

劉連松，楊 威，辛朋澤，聶 雷，安宏飛

（北京公聯(lián)潔達(dá)公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，北京市 100070）

0 引言

我國交通運(yùn)輸領(lǐng)域經(jīng)過近四十年的高速建設(shè)，目前建成了數(shù)量超過100萬座的橋梁，隨著時(shí)間的推移，在橋梁的運(yùn)行使用期間，因超期和超荷使用，以及外界各種因素的作用和影響，作為最重要的承載部分，許多橋梁上部結(jié)構(gòu)的梁板均出現(xiàn)了不同程度的病害，為保證交通的安全暢通，則需要對橋梁進(jìn)行加固和維修。目前國內(nèi)橋梁加固常用的基本方法主要有體外預(yù)應(yīng)力加固、粘鋼法加固、外包混凝土加固、碳纖維布加固等，可根據(jù)加固橋梁自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和周圍環(huán)境因素選擇合理的加固方法。而采用鋼板錨固焊接后與橋梁底板之間注入環(huán)氧樹脂粘鋼膠的方法，具有與原結(jié)構(gòu)結(jié)合良好、共同作用受力、不減小橋下凈空的優(yōu)點(diǎn)，可起到提高構(gòu)件的抗彎抗剪能力、減少裂縫擴(kuò)展的效果。

鋼板錨固和仰焊對接質(zhì)量的好壞直接影響到鋼板、錨栓、粘鋼膠三者共同組合受力的整體效果，因此鋼板安裝錨固、仰焊對接工藝成了大面積粘鋼注膠實(shí)施過程中的關(guān)鍵工藝。本文通過工程實(shí)例，介紹了施工中采取的工藝控制措施嘗試，為今后橋梁板底大面積粘貼鋼板的應(yīng)用做出了有益的探索。

1 工程概況

擬加固橋梁位于北京市某環(huán)路與復(fù)興路交叉處，是貫穿首都東西南北的交通要道，東西長550m，南北寬350 m，于1994年建成。橋梁分為南、北異形橋，現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板厚0.76 m，橋面鋪裝為8 cm厚的瀝青混凝土，板頂設(shè)防水層。因某工程從南、北異形橋下穿越，為降低因該工程施工對橋梁造成的正常安全使用上的隱患影響，故對西南、西北、東北異形板進(jìn)行加固處理。加固措施為橋梁異形板下新增樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、墩柱，柱頂安裝調(diào)高支座。對西北、東北、西南異形板的部分墩柱進(jìn)行支頂頂升，消除部分沉降并加墊鋼板。對西北、東北、西南三塊異形板板底粘貼鋼板加固。三塊板底粘鋼總面積近1 600 m2，其中最大一塊粘鋼面積為692 m2，鋼板采用8mm厚Q345D鋼板，鋼板表面須采取除銹處理,噴砂除銹至Sa2.5級(jí)，鋼板錨固采用M12膠粘模擴(kuò)底錨栓及配套植筋膠，錨固螺栓單根拉拔力為23.9 kN，粘鋼膠選用專門配制的改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠，抗壓強(qiáng)度大于65MPa。加固設(shè)計(jì)如圖1和圖2所示。

2 板底鋼板安裝對接施工工藝重、難點(diǎn)分析

鋼板安裝對接主要施工工藝及工序流程包括板底處理、錨栓定位植入、鋼板加工、安裝鋼板仰焊對接、防腐材料涂裝。其中主要施工重、難點(diǎn)如下。

圖1 橋梁板底粘鋼示意圖（單位：cm）

圖2 鋼板錨固大樣圖

2.1 操作空間受限

因該加固施工位置處的橋下為公交場站，施工位置大部分覆蓋在公交場站的上空，大型公交車輛出入調(diào)度頻繁，橋下凈空有限，滿堂支架平臺(tái)首先考慮支架下部公交場站房屋和通行公交車輛的凈空要求，而大尺寸的鋼板和施工機(jī)具難以運(yùn)進(jìn)工作平臺(tái)。

2.2 仰焊單面焊雙面成形焊縫質(zhì)量等級(jí)難以保證

受環(huán)境條件影響，全部鋼板對接焊縫只能采取單面仰焊雙面成形方式。仰焊對接是四種焊接操作位置中最困難的一種焊接位置，由于熔池倒懸在焊件上面，熔化金屬的重力阻礙熔滴過渡，熔池溫度越高，表面張力越小，焊縫成形困難，焊接時(shí)焊縫背面易產(chǎn)生凹陷，正面出現(xiàn)余高超限和焊瘤；并且由于橋上車輛通行震動(dòng)會(huì)造成混凝土顆粒脫落，造成焊接過程中出現(xiàn)夾渣、未熔合等質(zhì)量缺陷。鋼板焊接時(shí)焊縫處溫度在1 700～2 300℃，而由于現(xiàn)澆梁板底部的平整度原因，焊縫可能會(huì)直接接觸到板底混凝土。文獻(xiàn)研究證明超過300℃會(huì)造成混凝土爆裂脫落破壞，影響現(xiàn)有結(jié)構(gòu)安全和后續(xù)注膠工作；該橋鋼板仰焊對接焊縫長度總計(jì)1 500余米，設(shè)計(jì)要求的焊縫質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)。如何保證焊縫質(zhì)量是施工的一大難題。

2.3 鋼板焊接殘余變形控制

焊接過程中鋼板由于焊接加熱，熔池周圍母材產(chǎn)生膨脹，接著冷卻，熔池金屬和熔合線附近母材產(chǎn)生收縮，因加熱、冷卻變化在局部范圍急速地進(jìn)行，膨脹和收縮受約束而產(chǎn)生殘余應(yīng)力進(jìn)而發(fā)生塑性變形，焊接完成后部分塑性變形殘留下來，鋼板變形既影響外觀質(zhì)量，更重要的是對錨栓產(chǎn)生橫向的剪切應(yīng)力，影響到已植錨栓的牢固程度和軸向受力；并且由于冷卻后的鋼板焊縫收縮，造成相鄰鋼板間隙增大，進(jìn)一步加大相鄰鋼板仰焊對接的操作難度。

2.4 鋼板鉆孔與錨栓精準(zhǔn)吻合

鋼板標(biāo)準(zhǔn)平面尺寸為300 cm×151 cm，每塊鋼板上需要開鉆錨栓孔10～14個(gè)，鋼板開孔位置和錨栓必須精準(zhǔn)吻合，稍有差池，任何一個(gè)鋼板預(yù)留錨栓孔和錨栓無法對應(yīng)，都將導(dǎo)致鋼板無法精準(zhǔn)入位，進(jìn)而影響鋼板對接。

3 施工方案對比優(yōu)化和控制要點(diǎn)

施工工藝對比優(yōu)化主要考慮四個(gè)方面：板底處理、錨栓植入和鋼板安裝先后次序、鋼板加工拼裝工藝、焊接工藝。

3.1 板底處理方案比選

方案一：粘鋼前對橋梁板底混凝土表面采用氣動(dòng)鑿毛機(jī)打毛，形成點(diǎn)深約3 mm、點(diǎn)數(shù)為600～800點(diǎn)/m2的均勻分布，再用鋼絲刷等工具清除原構(gòu)件混凝土表面松動(dòng)的骨料、砂礫、浮渣和粉塵，并用清潔的壓力水沖洗干凈。這種施工方法施工速度快，表面碳化層和涂裝材料清理徹底，但隨著橋上通行車輛的震動(dòng)和時(shí)間推移，酥松的混凝土碎片、顆粒和灰塵會(huì)掉落在鋼板上，影響鋼板和混凝土之間粘鋼膠的黏結(jié)效果，且為橋下公交場站，大量沖洗用水無法排放。

方案二：采用手持角磨機(jī)對結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行打磨處理，打磨出結(jié)構(gòu)表面，對原混凝土表面鑿除風(fēng)化疏松層，修整露出骨料新面，再用鋼絲刷等工具清除原構(gòu)件混凝土表面松動(dòng)的骨料、砂礫、浮渣和粉塵，并用空氣壓縮機(jī)高壓吹掃干凈。這種方法雖然易產(chǎn)生揚(yáng)塵，但處理后的混凝土表面疏松顆粒較少，對粘鋼效果影響小，也不影響平臺(tái)下部公交場站的正常運(yùn)行。

選用方案二進(jìn)行氣體吹掃時(shí)注意采取預(yù)防揚(yáng)塵措施，打磨的質(zhì)量必須嚴(yán)格控制，必須露出新鮮的混凝土表面，打磨厚度要在1 mm以上。

3.2 錨栓植入與鋼板安裝先后次序比選

方案一：在混凝土表面采用與螺栓直徑配套的電鉆鉆孔，鉆孔直徑16 mm，鉆孔深度100 mm。清孔后，采用管裝式注入植筋膠，然后單向旋轉(zhuǎn)植入螺栓，待到1～2 d植筋膠徹底固化后，通過剛度好、厚度大的膠片片基（可重復(fù)使用）或大張透明度好的硫酸紙，將螺栓位置精確反射到鋼板上，再對鋼板進(jìn)行開孔，安裝時(shí)螺栓穿過鋼板圓孔后通過旋擰緊固螺母將單塊鋼板錨固在板底。

方案二：螺栓孔鉆孔并清孔后，先將錨栓孔位置反射到鋼板上對鋼板進(jìn)行開孔，通過托舉設(shè)備將鋼板準(zhǔn)確定位好后，再植入螺栓，但鋼板此時(shí)并不得通過螺母固定在螺栓上，待到植筋膠充分固化后再行旋擰緊固，鋼板可通過與相鄰鋼板的定位焊接及鋼板底部支撐臨時(shí)固定在板底。

方案一的優(yōu)點(diǎn)是，鉆孔、清孔、植筋、鋼板錨固施工可形成流水，施工時(shí)間短；缺點(diǎn)是由于鋼板開孔16 mm，孔徑比螺桿直徑大3 mm，經(jīng)常因?yàn)殚_孔加工精度不夠或錨栓垂直度差而導(dǎo)致鋼板不能夠按預(yù)定位置準(zhǔn)確入位，即使經(jīng)過調(diào)整安裝就位后，相鄰鋼板之間的焊縫間隙不是過大就是過小，難以保證焊縫質(zhì)量。

方案二的優(yōu)缺點(diǎn)是：雖然安裝速度緩慢，初期需占用大量臨時(shí)支頂固定鋼板的材料機(jī)具，但優(yōu)勢是鋼板先準(zhǔn)確就位后，再通過鋼板上的螺栓開孔向板底螺栓孔注膠植入螺栓，可以準(zhǔn)確控制相鄰鋼板之間的間隙，確保焊接質(zhì)量。

施工時(shí)注意：由于鉆孔深度為10 cm，板底鋼筋保護(hù)層厚度一般為3～5 cm，為防止鉆孔損傷鋼筋，鉆孔前應(yīng)采用鋼筋掃描定位儀對鋼筋和鋼絞線分布進(jìn)行全面探測，標(biāo)出鋼筋位置網(wǎng)格，以便于在鋼筋間隙處定位打孔。植筋膠灌注量為孔深的2/3，保證孔口溢膠并保證螺栓的垂直度，按照規(guī)范要求的三吹三刷三吹的方法進(jìn)行螺栓孔清潔。

3.3 鋼板加工及預(yù)拼接工藝

全橋鋼板在進(jìn)場安裝前，由專業(yè)廠家進(jìn)行加工，鋼板厚度t=8 mm。為保證焊接質(zhì)量，焊縫形式采用單面V形坡口（見圖3），坡口角度60°，鈍邊厚度2 mm，根部間隙2 mm，坡口面平直，試件平整無變形。鋼板加工時(shí)去除坡口面上的油污、銹皮及氧化膜，然后采用噴砂法對鋼板平面進(jìn)行糙化處理，鋼板表面清理等級(jí)應(yīng)為Sa2.5級(jí)。

圖3 V形坡口加工參數(shù)

根據(jù)加固位置尺寸放出鋼板邊緣線，繪制鋼板安裝平面圖，將每塊鋼板和具體的安裝位置進(jìn)行一一對應(yīng)編號(hào)并進(jìn)行加工下料，鋼板糙化后應(yīng)在表面覆蓋塑料薄膜做防銹化措施，隨安裝隨揭開。

鋼板安裝以相鄰邊錯(cuò)邊量和相鄰鋼板焊縫根部間隙作為主控指標(biāo)，錯(cuò)邊量按照允許偏差0.1 t進(jìn)行控制，相鄰板間隙按±1 mm控制。為防止因橋梁板底混凝土表面凹凸不平造成相鄰板錯(cuò)邊量超過要求，鋼板安裝前應(yīng)對梁板底面進(jìn)行檢查和二次打磨處理，以確保鋼板與鋼板拼接縫處平整，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。

鋼板就位后采用定位焊進(jìn)行相鄰板間的固定，定位焊縫的厚度為3 mm以上但不得超過總厚度的2/3，長度為30～40 mm，間隔300～350 mm。

為防止鋼板在焊接過程中出現(xiàn)變形，通常做法是對焊接母材進(jìn)行預(yù)熱處理，由于在高空仰焊作業(yè)，在橋梁板底進(jìn)行常規(guī)車間形式的熱處理工藝顯然不合適，而采用慣用的履帶式焊縫加熱器，預(yù)熱鋼板因距離混凝土結(jié)構(gòu)太近而造成溫度破壞，顯然不被允許。

采用合理的安裝工藝和裝配順序是為防止焊接過程中出現(xiàn)殘余變形的最重要方法，在焊前進(jìn)行裝配時(shí)預(yù)留反變形量來補(bǔ)償焊接變形（見圖4和圖5），反變形角度為1°～1.5°，安裝時(shí)緊靠焊縫的鋼板邊緣距離板底20～25 mm，遠(yuǎn)離焊縫的鋼板邊緣距離板底4～5 mm，螺栓桿此時(shí)應(yīng)緊貼在螺栓孔靠近焊縫的一側(cè)。鋼板焊接冷卻后，螺栓居于螺栓孔中心，兩塊鋼板自然水平。

圖4 焊接前鋼板反變形安裝

鋼板加工及拼裝注意事項(xiàng)：

（1）采用平行作業(yè)法大面積安裝施工時(shí)，為保證鋼板最后一道焊縫的寬度，鋼板加工時(shí)在平面尺寸的寬度方向上加上1‰左右的收縮裕量，即單塊鋼板的寬度尺寸為1 512 mm，以補(bǔ)充焊后收縮。

（2）仰焊時(shí)由于熔池過大，熔化金屬重力阻礙熔滴過渡，熔池表面張力越小，焊縫背面易產(chǎn)生凹陷，所以鋼板開坡口加工時(shí)，鈍邊厚度和根部間隙較其他位置焊要稍小些，目的是克服熔深不足、焊不透、焊縫背面凹陷的缺陷。

（3）鋼板拼接時(shí)，當(dāng)長度方向和寬度方向上的坡口根部間隙沖突時(shí)，宜優(yōu)先保證單塊鋼板長邊的間隙。鋼板之間采用錯(cuò)縫安裝方式，即不得出現(xiàn)十字縫，鋼板拼接的順序?yàn)橄妊貑螇K鋼板長度方向兩相鄰板焊接，然后逐漸大塊拼接的方式。鋼板安裝的方向應(yīng)參考裂縫的發(fā)育方向，鋼板長度方向上與裂縫方向垂直，鋼板接縫避開裂縫較大較深處。

（4）定位焊直接影響錯(cuò)邊、直順度等，必須焊透，不能出現(xiàn)未熔合的缺陷，焊縫長度不宜過長，定位焊的焊點(diǎn)內(nèi)，定位焊不能在焊縫的交叉處，其離開交叉點(diǎn)的距離一般不宜小于板厚的10倍。

3.4 焊接工藝的比選

由于該橋加固工程全部采用開坡口單面焊雙面成形的仰焊對接方式，背部無法進(jìn)行清根和焊接，故對焊縫背部成形的質(zhì)量要求非常高。

一般的焊條電弧焊，雖然工藝設(shè)備簡單，對動(dòng)力電壓、場地風(fēng)力等工作條件要求低，但是從質(zhì)量上講焊縫背部凹陷大、成形粗糙、焊道擺動(dòng)大，更換焊條、清除焊渣造成焊接不持續(xù)，難以保證焊接質(zhì)量，很明顯不適合用于該鋼板仰焊施工。CO2保護(hù)焊的操作方便簡單，熔池容易控制，采用合理的焊絲焊接時(shí)背面成形良好，焊接變形小，具有焊接速度快、焊縫質(zhì)量高、含氫量低、裂紋少、熔透性好、熱量集中、應(yīng)力較小、實(shí)芯焊絲不用清焊縫、焊縫接頭少、可以持續(xù)焊接等優(yōu)點(diǎn)。氬弧焊具有焊接電弧相當(dāng)穩(wěn)定、焊縫金屬純度高、焊縫質(zhì)量高、焊接熔池的控制簡單、容易在窄間隙和窄坡口內(nèi)完成優(yōu)質(zhì)焊接的特點(diǎn)，焊縫較為美觀，適宜精度要求較高的焊接。

方案一：焊縫采用氬弧焊打底、CO2保護(hù)焊填充、氬弧焊蓋面的施工工藝。打底層焊絲直徑1.2mm，層厚為2.5mm；填充層焊絲直徑1.6mm，厚度3.0mm，鋼板加工時(shí)鈍邊高度為1.5mm，根部間隙為1.5mm。經(jīng)工藝評定，力學(xué)性能良好，焊縫背部成形較好，焊縫正面較為美觀，焊縫經(jīng)超聲探傷檢測合格，但氬弧焊也具有電弧穿透能力弱、焊接效率低、焊接速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足施工進(jìn)度要求等缺點(diǎn)。

方案二：焊縫采用氬弧焊打底，填充、蓋面全部使用CO2保護(hù)焊。經(jīng)工藝評定，力學(xué)性能良好，焊縫背部成形較好，凹陷不明顯，焊縫經(jīng)超聲探傷檢測合格，蓋面效果合格，焊接效率比氬弧焊打底時(shí)提高較多，鋼板根部拼裝間隙較氬弧焊相對寬松一些。

仰焊對接注意事項(xiàng)：

（1）鋼板正式焊接前必須根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行焊接工藝評定，評定合格后編制焊接工藝評定指導(dǎo)書，作為操作指南發(fā)放到每個(gè)焊工手中；焊接時(shí)嚴(yán)格按照工藝評定明確的程序、參數(shù)進(jìn)行操作。

（2）為防止鋼板承受荷載時(shí)受拉焊縫端部因應(yīng)力集中出現(xiàn)破壞，垂直橋跨受力方向的焊縫焊接時(shí)必須設(shè)置引出板，施焊時(shí)焊縫引出長度應(yīng)大于30 mm，其引弧板和引出板寬度應(yīng)大于50 mm，長度不小于30 mm，厚度、坡口要求等同正式板材。

（3）為減小焊接變形，焊縫焊接順序采用雙人對稱分段退焊法（見圖6）。焊接時(shí)先焊接短邊即鋼板寬度方向上的焊縫后，再焊接長度方向上的焊縫，施焊時(shí)第二層焊縫即填縫焊焊接前進(jìn)方向與打底焊接時(shí)相反。同一塊鋼板拼接先焊短邊橫縫，短焊縫相對于長焊縫來說，縱向收縮較小。

圖6 對接施焊方向

（4）蓋面層為防止咬邊要薄，不得超過3 mm；選擇適宜的電流，電流較填充焊要小；在兩側(cè)破口處焊接時(shí)應(yīng)壓低電弧。蓋面焊后一道焊的焊條中心指向前一道焊縫1/3或1/2的邊緣。

4 結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)有的粘鋼加固橋梁的方法，通過結(jié)合北京市某橋梁底粘鋼加固工程具體實(shí)際，經(jīng)施工前精心籌劃和實(shí)施過程中的不斷摸索改進(jìn)，對經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了歸納總結(jié)：大面積鋼板粘鋼加固橋梁板的核心控制思想就是保證鋼板對接焊縫質(zhì)量和控制殘余變形、錨栓的錨固強(qiáng)度和牢固程度、鋼板和橋板底間注膠的飽滿度和黏結(jié)強(qiáng)度。要做好這幾點(diǎn)要求，首先要優(yōu)選科學(xué)合理的施工工藝，其次選擇基本功過硬的操作工人，再就是過程中嚴(yán)格按照工藝評定明確的程序、參數(shù)進(jìn)行操作。