鋼箱梁在安裝過程中的偏差補償措施研究

羅強強

上海浦興路橋建設工程有限公司 上海 201210

隨著我國城市建設的高速發(fā)展和鋼箱梁拼裝、焊接及橋梁下部結構設計、制造、施工等技術的日益成熟，鋼箱梁已被廣泛應用于鐵路、公路的建設中。鋼箱梁自重輕、跨越能力大，且在制造廠內(nèi)預制，能夠實現(xiàn)工程現(xiàn)場的快速安裝，因此，被廣泛用于線形復雜、跨徑大的跨線和城市立交工程中。

鋼箱梁制作、安裝等過程中產(chǎn)生的各種誤差，直接影響橋梁的安裝質量，并且對后續(xù)使用過程中橋梁的線形觀賞性、受力均衡性以及橋梁的振動、支座、自然伸縮性能等產(chǎn)生質量和安全隱患。為避免問題的出現(xiàn)，一般僅在設計階段對鋼箱梁結構模型中的伸縮縫、預拱度、剪力滯效應等誤差進行計算補償，但在實際施工中，除設計考慮范圍內(nèi)的誤差外，還需要對鋼箱梁二次優(yōu)化設計、制作、運輸、安裝、自重以及溫度等各類因素引起的誤差進行補償。本文以上海滬南公路（康花路—上南路）道路改建工程3標為背景，通過在安裝過程中的各個施工階段采用合理的施工工藝、流程以及方法來彌補鋼箱梁在施工階段產(chǎn)生的偏差，最終使鋼箱梁在成橋后滿足設計的線形要求。

1 工程背景

上海滬南公路（康花路—上南路）道路改建工程3標段位于浦東新區(qū)滬南公路，起止樁號為K2＋529—K3＋237，本標段主線全長708 m，K2＋529—S20規(guī)劃紅線寬40 m，S20—K3＋237規(guī)劃紅線寬50 m，道路斷面形式為雙向6快2慢。

滬南公路跨線橋共十四跨，墩號25#—26#為27.5 m小箱梁，墩號26#—27#為50 m鋼混疊合梁，墩號27#—35#為8跨29 m小箱梁，墩號35#—39#為4跨連續(xù)鋼箱梁?？缇€橋面積總共12 250 m2。其中跨S20外環(huán)線鋼箱梁橋寬度為17.5 m，跨S20外環(huán)線連續(xù)梁跨徑布置為（80.0＋120.0＋110.0＋80.5）m，梁高4.0～8.0 m。本鋼箱梁結構形式為單箱四室等截面，兩側挑翼下部開口。

2 安裝過程中的補償措施

2.1 伸縮縫對溫度的補償

目前，橋梁伸縮縫的破壞成為高等級公路橋梁的一大病害，如：廣深高速公路通車僅幾個月，就開始更換維修所有橋梁的伸縮縫，極大地影響了該高速公路的正常使用；深圳市梅林—觀瀾高速公路通車不到1 a，伸縮縫就遭到不同程度的破壞，面臨著更換和維修的難題，其在安裝時預留的伸縮縫間隙不滿足橋梁有效伸縮的要求是主要原因。

在里程方向的伸縮，鋼箱梁要比混凝土橋梁更加敏感，因此在鋼箱梁安裝時，一定要確保預留的伸縮縫達到設計要求。在安裝時，首先要清楚施工圖標注的伸縮縫間隙的設計溫度，然后根據(jù)安裝現(xiàn)場的實際溫度計算出該溫度下鋼箱梁的實際伸縮縫間隙，并根據(jù)換算后的伸縮縫間隙進行鋼箱梁的安裝。

溫度變化引起鋼箱梁伸縮量的計算方法為：根據(jù)橋梁的設計使用溫度范圍（橋梁建造地區(qū)的最低溫度及最高溫度，分別用Tmin、Tmax表示）及橋梁安裝時的溫度Tset，計算鋼梁的伸長量和收縮量，最終確定伸縮縫的安裝寬度。鋼箱梁伸縮與溫度的關系見下列公式：

式中：ΔLt——溫度變化引起的伸縮量；

ΔL＋——溫度變化引起的伸長量；

ΔL－——溫度變化引起的收縮量；

γ——鋼箱梁溫度膨脹系數(shù)，取12×10-6K-1；

L——橋梁長度。

本工程中120 m跨徑鋼箱梁的設計伸縮縫為100 mm（溫度范圍為－10～45 ℃），在現(xiàn)場溫度為20 ℃時，安裝伸縮縫的預留長度需要減去已經(jīng)存在的溫升伸長量54 mm，實際伸縮縫安裝寬度僅需要45 mm即可。

2.2 焊接收縮的補償

在鋼箱梁安裝現(xiàn)場施焊過程中，焊縫的橫向收縮在整個橋梁安裝過程中具有累加效應，因此在橋梁安裝定位前需考慮橫向對接焊縫的施焊收縮量，通過對拼接縫間隙的調整來彌補焊縫的橫向收縮[1]。

焊縫的橫向收縮是指沿垂直于焊縫軸線方向尺寸的縮短，因此該收縮量將會影響橋梁在里程方向的安裝精度。在焊接過程中，影響焊縫橫向收縮的因素有很多，如材質、板厚、坡口形式、裝配間隙、焊接工藝、環(huán)境溫度等。為估算焊接收縮量的大小，避免復雜的計算，在實際工作中，計算對接焊縫的橫向收縮量可用如下經(jīng)驗公式計算：

式中：Δy——焊縫的橫向收縮量；

AH——焊縫的橫截面積；

δ——母材板厚；

b ——裝配間隙。

以往工程中大多采用增加焊接接頭對縫間隙的方法來補償焊接引起的收縮變形，裝配間隙必須滿足GB 50661—2011《鋼結構焊接規(guī)范》中關于焊接接頭的裝配技術要求。

2.3 有效截面系數(shù)對剪力滯效應的補償

箱型截面的梁在彎曲載荷作用下，由于翼緣板中平面剪應變的作用，翼緣板中的正應力將不再符合初等橋梁理論。初等梁彎曲理論是基于平面變形假定，則翼板剪應力沿寬度方向是均勻分布的。但對翼緣板較寬的箱梁，由于翼緣板剪切變形橫向分布的非均勻性，導致梁彎曲時翼緣板遠離腹板位置處的剪應力滯后于接近腹板位置處的縱向位移，從而造成翼緣板彎曲縱向應力沿其寬度方向不均勻的剪力滯后現(xiàn)象。

剪力滯效應在設計過程中已經(jīng)充分考慮，在施工階段若采用懸臂法分段安裝，在施工階段分析時一定要將每一個分段截面的有效截面系數(shù)考慮進去，確保節(jié)段施工過程中橋梁的力學性能滿足懸臂要求。在利用Midas Civil等分析軟件計算時，一定要對有效截面進行計算[2]。

有效截面系數(shù)的規(guī)律：有效寬度系數(shù)基本上都是寬跨比的函數(shù)，而且都隨寬跨比的增大而減?。蝗我唤孛娴囊砭壈逵行挾认禂?shù)總是小于箱室部分有效寬度系數(shù)。

需要特別強調的是，拉彎、壓彎構件的彎曲應力較大時，剪力滯效應的影響較大，有效面積應該考慮剪力滯的影響。針對受彎、壓構件的受拉或受壓翼緣的剪力滯效應的強度校核，可參照規(guī)范中的相關規(guī)定及設計要求。

2.4 懸臂施工對橋梁預拱度的補償

鋼箱梁的懸臂施工是整個安裝過程中的難點，其施工質量及對線形的預控制是橋梁安裝的關鍵環(huán)節(jié)。

為了保證橋梁建成后，實際線形達到設計線形的要求，必須在設計、制作、施工等過程中充分考慮橋梁的預拱度。設計院給出的預拱度僅考慮一次落架以及二期恒載的作用；深化設計提供的預拱度僅僅考慮胎架制作完成下胎后的自重作用；現(xiàn)場采用支架法施工時可以不考慮增設施工預拱度，但若采用懸臂施工，則需考慮懸臂段的預拋高，以滿足卸載后的線形要求。因此在鋼箱梁加工之前，需要按照懸臂施工的方案重新計算制作預拱度。

本工程在鋼箱梁施工時，將懸臂施工段的預拱度與深化設計預拱度進行疊加合并，統(tǒng)一放進制作過程中，這樣就避免了現(xiàn)場安裝時，頂?shù)装迤纯p間隙出現(xiàn)三角縫，造成焊縫的拼接間隙過大。

2.4.1 “簡支-拉桿”法懸臂段精調整工藝

鋼箱梁在懸臂安裝過程中由于懸臂段下方?jīng)]有支架，因此無法采用常規(guī)方法調整橋梁線形。針對懸臂施工特點，設計了“簡支-拉桿”法懸臂施工工藝。

“簡支-拉桿”懸臂段精調整工藝如下：將懸臂段鋼箱梁頂、底板進行加固；在鋼箱梁頂板上安裝拉桿座，在鋼箱梁底板上安裝支撐座，其中固定端支座為懸臂的L形，懸臂端為與底板平齊的方形；待浮吊將懸臂段吊裝至安裝工位后，將L形支座搭接在方形支座上，采用10.9級M32 mm高強雙頭螺桿將懸臂側梁段與固定側梁段通過拉桿座進行拉結；通過調整雙頭螺桿的鎖緊長度，實現(xiàn)對懸臂段線形的精確調整（圖1）。

圖1 懸臂段安裝工裝

2.4.2 懸臂施工線形控制

在懸臂施工過程中，隨著懸臂的不斷安裝，橋梁懸臂的豎向曲線呈動態(tài)變化直至合龍段施工完畢。為確定每一個懸臂的安裝姿態(tài)，采用Midas Civil軟件對懸臂施工過程進行有限元分析，精確計算每一段的安裝預拱度。計算方式為：制作預拱度＝懸臂施工中鋼梁自重變形＋二期恒載變形＋1/2活載。

2.5 合龍段安裝余量補償

為彌補在小節(jié)段安裝過程中產(chǎn)生的累計誤差，鋼箱梁合龍段需設置預留的切割余量，切割余量為0.05%～ 0.10%。在合龍段安裝前，需根據(jù)合龍溫度確定合龍段需要切割的長度。吊裝一般選擇在氣溫較低時進行，然后隨著氣溫的上升，在鋼結構熱膨脹的原理下，合龍段同兩側間距會逐漸縮小，當達到設計尺寸時，安裝定位碼板，焊接鎖定，完成合龍安裝。

合龍段焊接順序要嚴格按照焊接方案執(zhí)行，總體原則是：兩側合龍口順次進行焊接，每個合龍口先進行底板焊接，其次進行兩側腹板焊接，最后進行頂面板的焊接。通過合理的焊接順序來控制、補償合龍段因收縮而產(chǎn)生的焊接應力及焊接形變。

2.6 支座后裝對累計偏差的補償

橋梁施工的正常流程是：樁基礎施工→承臺擴大基礎施工→立柱蓋梁施工→支座墊石澆筑→支座定位安裝→上部結構安裝?，F(xiàn)代橋梁施工過程中預制構件的占比越來越大，大部分城市立交都要求快速施工，地面以上均為預制結構。所有的預制件在工廠加工以及現(xiàn)場安裝的過程中均存在不同程度的安裝偏差，尤其是大跨度的鋼箱梁，由于其跨度大，且在制作拼裝、焊接、運輸以及內(nèi)部應力的交互作用下，鋼箱梁在現(xiàn)場安裝時將會產(chǎn)生不同程度的變形。最終在安裝上部結構時，由于各工序偏差的累計疊加，導致橋面結構不能與下部結構進行有效連接，會出現(xiàn)支座角位移偏移、支座墊塊與蓋梁及鋼箱梁底部墊塊脫空等現(xiàn)象（圖2）。

圖2 支座與鋼梁出現(xiàn)脫空現(xiàn)象

為解決上述問題，通過采用支座后裝的方法來彌補上部結構與下部結構的連接沖突問題，取得了很好的效果。

具體方法是：在安裝完成下部結構后，進行支座墊塊的澆筑，支座墊塊比設計標高低3～5 cm，將支座臨時放置于設計坐標處，并進行粗定位；然后安裝鋼箱梁，在上部結構安裝完成后，將支座托起與鋼梁底面貼緊，最后進行模板支護，對支座進行二次灌漿。需要特別注意的是，支座后裝法確保了橋梁的支座與鋼箱梁接觸密實，不會發(fā)生支座脫空現(xiàn)象，但在進行支座的二次灌漿時，必須選擇比支座墊石高一個級別的無收縮微膨脹灌漿料進行澆筑。

3 結語

上海滬南公路（康花路—上南路）道路改建工程3標跨S20外環(huán)線鋼箱梁在安裝過程中的補償措施研究與應用，已形成一套成熟的鋼箱梁制作、安裝誤差補償機制[3-7]。從完成的鋼箱梁安裝情況來看，綜合補償措施的應用滿足本工程鋼箱梁的安裝需要，能夠適用于各類鋼箱梁的制作、安裝，有效解決了鋼箱梁制作、安裝過程中產(chǎn)生各類誤差的問題，大大提高了鋼箱梁現(xiàn)場安裝質量和效率，有效延長橋梁的使用壽命，對鋼結構橋梁的安裝具有重要的現(xiàn)實意義，可為類似橋梁工程鋼箱梁的安裝施工提供參考。