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(huì)(簡稱“花博會(huì)”)是我國規(guī)模最大、規(guī)格最高、影響最廣、內(nèi)容最豐富的國家級(jí)花事盛會(huì)。第十屆中國花博會(huì)選址上海市崇明區(qū)東平鎮(zhèn)，計(jì)劃于2021年5月21日正式開幕?；ㄎ桦p橋是第十屆花博會(huì)最重要的一座景觀橋，為雙幅飄帶狀異形鋼結(jié)構(gòu)箱梁橋，中間為人車通道，兩側(cè)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(jié)構(gòu)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(shè)置截面1 000mm×800mm系梁，橋臺(tái)為埋置式橋臺(tái)(見圖1)。

圖1 花舞雙橋

花舞雙橋?yàn)榈桶匦武撓淞篬1]，梁高僅500mm，人車通道區(qū)域采用閉口截面，綠化帶區(qū)域采用開口截面，鋼箱梁頂、底板厚16mm，縱、橫隔板厚12mm(除墩臺(tái)頂橫隔板厚20mm)?？v隔板間距1m，橫隔板間距2m。頂、底板上設(shè)置厚10mm加勁板。橋梁兩側(cè)綠化帶設(shè)置16個(gè)樹池，樹池尺寸為2 000mm×2 000mm，樹池底板及腹板設(shè)置雙向加勁板(見圖2)。

圖2 花舞雙橋矩形鋼箱梁細(xì)部構(gòu)造

2 水文地質(zhì)

花舞雙橋擬建場(chǎng)區(qū)屬于上海地區(qū)河口砂嘴砂島地貌類型的沉積地層，地基土均屬第四紀(jì)沉積物，主要由砂性土、粉性土、黏性土構(gòu)成，屬Ⅲ類場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度為7度。園區(qū)為水位獨(dú)立控制區(qū)，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(fēng)速3.4m/s，最高風(fēng)速26.3m/s。

3 施工重難點(diǎn)

1)花舞雙橋梁高僅500mm，人工無法在箱體內(nèi)進(jìn)行焊接作業(yè)，如頂板封蓋后無法施焊頂板與其他板的連接部分。同時(shí)，從結(jié)構(gòu)受力角度，鋼箱梁的縱、橫向隔板設(shè)計(jì)要求必須焊接連續(xù)。因此，常規(guī)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(gè)節(jié)段吊裝，然后再做頂、底板封縫焊接。因箱梁端部與橋臺(tái)臺(tái)背重疊，故局部底板順橋向焊縫無法焊接。

3)橋址場(chǎng)地以高含水率的淤泥質(zhì)土、黏土為主，地下水位高，地質(zhì)條件差。若采用常規(guī)的落地式臨時(shí)支架，地基處理成本高、耗時(shí)長，無法滿足工期節(jié)點(diǎn)要求。

綜上所述，本工程提出“工廠預(yù)制頂板和底板單元、現(xiàn)場(chǎng)反序組拼頂板和底板單元、雙機(jī)抬吊節(jié)段箱梁原地翻身、雙機(jī)抬吊節(jié)段箱梁拼裝連續(xù)、節(jié)段間頂板和底板封縫焊接、最后安裝異形飄帶結(jié)構(gòu)”的新工藝。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 箱梁節(jié)段劃分

花舞雙橋橋梁全長100m，共10跨，單孔跨徑10m。箱梁節(jié)段劃分主要考慮兩點(diǎn)：①拼接焊縫處連續(xù)梁負(fù)彎矩最?。虎趩蝹€(gè)梁段落位后能保持自穩(wěn)[2]。因此，順橋向?qū)⒒ㄎ桦p橋分為10節(jié)，首跨12.5m，標(biāo)準(zhǔn)跨10m，末跨7.5m；橫橋向只將首跨梁分為2個(gè)節(jié)段，其余跨為1個(gè)節(jié)段，異形飄帶結(jié)構(gòu)成橋后單獨(dú)安裝。節(jié)段箱梁的分塊尺寸和質(zhì)量如表1所示。

表1 單幅鋼箱梁分段統(tǒng)計(jì)

4.2 施工現(xiàn)場(chǎng)布置

在雙幅橋中間和外側(cè)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(jié)構(gòu)層自下而上為壓實(shí)土基、20cm磚渣、滿鋪路基箱，以保證100t履帶式起重機(jī)正常行走。此外，在0號(hào)橋臺(tái)外側(cè)用50cm厚磚渣鋪設(shè)50m×80m存梁區(qū)，用20cm厚道渣和35cm厚C25混凝土硬化20m×15m拼裝區(qū)并搭設(shè)胎架。施工現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。

圖3 橋址現(xiàn)場(chǎng)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(shù)控等離子切割機(jī)下料，直條采用等離子多頭切割機(jī)下料。對(duì)于重要零件的邊緣或焊接邊緣應(yīng)進(jìn)行機(jī)械加工，以保證零件的尺寸和焊接坡口精度，下料時(shí)預(yù)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(tǒng)一優(yōu)化成T形排樣式[5]，如圖4所示。

圖4 頂板單元節(jié)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(yù)留1排塞焊孔，如圖5所示。

圖5 底板單元節(jié)段縱面

4.4 現(xiàn)場(chǎng)板單元組拼

頂、底板單元成批運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)工廠編號(hào)在胎架上實(shí)施預(yù)拼裝，并用馬板或定位焊臨時(shí)固定[6-7]。現(xiàn)場(chǎng)板單元組拼時(shí)，先焊接頂板單元間的縱橫隔板豎向焊縫，形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，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(dāng)節(jié)段箱梁的頂板焊接完成后，再實(shí)施底板單元塞焊完成封板。需要注意的是，首跨2個(gè)節(jié)段合龍?zhí)幒推溆嗫绲目v向連接處需預(yù)留1m寬底板做最后封板(見表2)。

表2 節(jié)段箱梁現(xiàn)場(chǎng)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(gè)節(jié)段，主要施工流程為：搭設(shè)墩頂臨時(shí)支架→節(jié)段箱梁原地翻身→節(jié)段箱梁吊裝與拼裝→節(jié)段間頂、底板封縫焊接→拆除臨時(shí)支架→首跨鋼箱梁落梁。

1)搭設(shè)墩頂臨時(shí)支架 首跨鋼箱梁由2個(gè)節(jié)段拼裝而成，節(jié)段間底板封縫局部受橋臺(tái)阻擋無法焊接，所以需搭設(shè)墩頂臨時(shí)支架，將整跨鋼箱梁頂起架空創(chuàng)造焊接作業(yè)面。具體地，在0號(hào)橋臺(tái)和1號(hào)橋墩的頂部設(shè)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(jì)12根。墩頂臨時(shí)支架需與橋臺(tái)、地面連接固定，此處地基土松軟，應(yīng)避免使用落地支架，節(jié)約地基處理的費(fèi)用和時(shí)間。

2)節(jié)段箱梁原地翻身 現(xiàn)場(chǎng)鋼箱梁組拼時(shí)，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(dāng)?shù)装宸獍搴?，須將鋼箱梁?jié)段整體翻轉(zhuǎn)。具體地，在節(jié)段箱梁兩端的主縱隔板處焊接翻身吊耳，由2臺(tái)100t履帶式起重機(jī)通過移動(dòng)位置和操作吊臂相互配合完成節(jié)段抬吊與空中翻身。

3)節(jié)段箱梁吊裝與拼裝 節(jié)段箱梁翻轉(zhuǎn)后，在頂板上焊接吊耳(應(yīng)焊在主縱橫隔板的交接處)，然后由2臺(tái)100t履帶式起重機(jī)抬吊至墩頂臨時(shí)支架上[8]。起吊前，應(yīng)在橋臺(tái)處做好節(jié)段箱梁的合龍中心線標(biāo)記。雙機(jī)抬吊將節(jié)段箱梁水平吊起，平穩(wěn)移動(dòng)至與臨時(shí)支架面平行，此時(shí)吊機(jī)站定不動(dòng)，緩慢下放節(jié)段箱梁至一定高度。節(jié)段箱梁合龍中心線處設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，利用手拉葫蘆精確校準(zhǔn)，保證節(jié)段箱梁精準(zhǔn)落位[9]。另一節(jié)段箱梁采用同樣的施工方法，待兩大節(jié)段箱梁就位后，梁頂設(shè)置拼裝限位裝置。

4)節(jié)段間頂板封縫焊接 待兩個(gè)節(jié)段箱梁拼裝合龍后，采用馬板對(duì)合龍縫進(jìn)行限位固定。頂板拼縫經(jīng)過碳刨處理后采用埋弧自動(dòng)焊完成焊接。埋弧自動(dòng)焊焊劑為SJ101氟堿性燒結(jié)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(qiáng)度好，電弧燃燒穩(wěn)定，脫渣容易。

5)節(jié)段間底板封縫焊接 底板設(shè)1m寬合龍封板，節(jié)段吊裝前先將底板封板放置于鋼箱梁底部合龍縫下方。節(jié)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(shí)平臺(tái)，便于對(duì)頂板合龍縫和縱橫隔板進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢測(cè)。焊縫檢測(cè)合格后完成底板合龍封板焊接。

6)拆除臨時(shí)支架 底板封板結(jié)束后，采用2臺(tái)100t履帶式起重機(jī)和1臺(tái)85t汽車式起重機(jī)將整跨梁段吊起。待梁段保持平穩(wěn)后，拆除臨時(shí)支架，將橡膠支座放置在支座墊石上。拆除支架時(shí)，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(cè)身捆綁木方，以免掉落的臨時(shí)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(shí)時(shí)檢測(cè)箱梁頂板高程，直至達(dá)到設(shè)計(jì)高程為止。同時(shí)，在橋臺(tái)與梁段端頭處用5cm厚木方對(duì)伸縮縫寬度粗定位。梁段位置輔以手拉葫蘆進(jìn)行定位精調(diào)。

4.6 其余跨梁段安裝

1～10號(hào)梁段(不包括飄帶狀結(jié)構(gòu))實(shí)施整跨組拼，原地翻身并逐跨安裝。安裝前，預(yù)先在1～2號(hào)梁段端頭頂板上焊接卡板作為定位及臨時(shí)支撐。落架時(shí)，箱梁節(jié)段有卡板的一端搭在0～1號(hào)梁段上，另一端落在2號(hào)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(yè)流程與首跨梁段基本一致。

5 效益分析

鋼箱梁的設(shè)計(jì)梁高往往≥800mm，這是滿足人工箱體內(nèi)焊接連續(xù)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(shè)備等方面節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本512.1萬元，其中由于工藝創(chuàng)新、工期縮短節(jié)約人工費(fèi)28.5萬元、場(chǎng)地硬化費(fèi)105.1萬元、支架材料租賃費(fèi)24.3萬元、機(jī)械設(shè)備租賃費(fèi)30萬元，鋼箱梁原材縮減節(jié)約324.2萬元，經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比如表3所示。由于梁高降低、用鋼量減少，在不增加起重設(shè)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(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

6 結(jié)語

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