復(fù)雜環(huán)境條件下大跨度變截面連續(xù)鋼箱梁拼裝施工技術(shù)

龍國(guó)輝

（中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

1 工程概況

鑒湖大橋處于紹興市二環(huán)西路跨域鑒湖處，主橋長(zhǎng)195m、寬27m、總質(zhì)量3100t，為（55+85+55）m變截面三跨連續(xù)鋼箱梁。橋梁跨中梁高2.4m，中墩位置梁高4.8m，邊墩位置梁高1.8m，最大墩高22.7m，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用群樁水中承臺(tái)，如圖1所示。

圖1 鑒湖大橋立面圖

工程的重難點(diǎn)有3個(gè)：1）鋼箱梁分段與吊裝綜合考慮因素多。受施工場(chǎng)地狹窄，鑒湖主橋水中支架須利用老橋拆除支架管樁進(jìn)行接高，支架的施工精度及質(zhì)量要求高且鋼箱梁分段須兼顧既有支架位置、構(gòu)件運(yùn)輸及起重機(jī)械吊裝性能。2）大跨度變截面鋼箱梁制造、焊接要求高。該工程鋼箱梁橋面鋪裝僅3cm，成橋后的表面線形與平整度要求高，受橋梁豎曲線、預(yù)拱度、縱橫坡及變截面的影響，須合理預(yù)留裝配間隙、克服現(xiàn)場(chǎng)焊接應(yīng)力集中、控制豎曲線與起拱問(wèn)題。3）施工風(fēng)險(xiǎn)高。鑒湖屬通航水域，施工須避讓過(guò)往客、貨船，施工場(chǎng)地狹窄，陸上支架須留有運(yùn)輸通道，支架存在撞擊風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，箱梁內(nèi)部有限空間焊接難度大、過(guò)程中的安全問(wèn)題多。

2 施工方案確定

鑒湖大橋采用主、輔分離式設(shè)計(jì)，主橋一座，輔橋二座，橋長(zhǎng)與跨徑相同。建設(shè)期需拆除既有鑒湖大橋，再原位新建鑒湖主橋。主橋建設(shè)期，鑒于兩側(cè)輔橋須保證通行，水上不封航，主、輔橋凈距僅1m，水深較淺等因素，大型流動(dòng)式起重機(jī)、浮吊無(wú)法完成吊裝作業(yè)[1]，同時(shí)兼顧既有鑒湖大橋拆除，最終確定采用舊橋拆除支架接高后，利用龍門(mén)吊吊裝的方案完成主橋鋼箱梁施工[2]，橫斷面位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 鑒湖大橋鋼箱梁安裝橫斷面圖

3 鋼箱梁吊裝支架設(shè)計(jì)

鋼箱梁臨時(shí)支撐架由φ630×10mm鋼管、φ219×10mm剪刀撐、雙拼I40b主橫梁及φ180×10mm調(diào)節(jié)鋼管組成。根據(jù)鋼箱梁吊裝安排，通過(guò)MIDAScivil建模，對(duì)14個(gè)吊裝施工階段進(jìn)行計(jì)算，確定每個(gè)吊裝階段的支點(diǎn)反力及變形情況，如圖3、圖4所示。

圖3 鋼箱梁模型圖

圖4 支架彈性壓縮及拆架后梁體自重作用下的變形圖

經(jīng)匯總確定地面管樁體系頂部最大支撐反力3424kN；水中管樁體系頂部最大支撐反力2824kN；55m邊跨跨中下?lián)?3.96mm；85m中跨跨中下?lián)?9.73mm。

根據(jù)地面及水中管樁體系最大支撐反力采用MIDASGen對(duì)單個(gè)獨(dú)立支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，其位移、強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足使用要求，如圖5所示。

圖5 鋼箱梁支架模型分析

4 鋼箱梁施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鋼箱梁制造與運(yùn)輸

主橋長(zhǎng)度方向分14段，除第一段作為定位段，其余13段橫向分7節(jié)，節(jié)段內(nèi)、節(jié)段間、頂?shù)装迤唇游恢镁e(cuò)開(kāi)設(shè)置，最大分節(jié)質(zhì)量61.6t。圖紙深化時(shí)考慮豎曲線、設(shè)計(jì)起拱及施工工藝起拱量，并繪制鋼箱梁制造三維圖形，確定頂板、底板、腹板、隔板等零件大樣圖及吊裝吊耳布置圖；加工構(gòu)件采用拼裝胎架（保證橋梁加工的縱坡、橫坡），反變形胎架（有效抵消板單元焊接變形，如圖6所示），并配合火工校正，避免因焊接應(yīng)力導(dǎo)致的板面變形；各節(jié)段鋼箱梁加工完成后至少縱向每三段進(jìn)行預(yù)拼裝，以保證現(xiàn)場(chǎng)安裝接頭精度。

圖6 廠內(nèi)加工制造控制

鋼箱梁構(gòu)件運(yùn)輸應(yīng)該確保安全性和運(yùn)輸次序科學(xué)合理，避免由于構(gòu)件運(yùn)輸順序混亂導(dǎo)致工期延誤。臨時(shí)存儲(chǔ)應(yīng)保證環(huán)境干燥并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行下墊上蓋，放置地點(diǎn)應(yīng)有足夠的支撐力，避免構(gòu)件發(fā)生形變。鋼箱梁在運(yùn)輸前經(jīng)由運(yùn)輸部門(mén)完成超寬運(yùn)輸手續(xù)的辦理；分段運(yùn)輸每3m臨時(shí)焊接一道交叉圓鋼或者槽鋼，以便對(duì)箱體整段進(jìn)行固定。

4.2 鋼箱梁支架施工

舊橋拆除完成后，利用2臺(tái)25t吊車(chē)站位于輔橋上將拆橋支架主橫梁拆除，鋼管頂口切平后進(jìn)行接高處理，接高后的鋼管及時(shí)施做鋼管剪刀撐連接系；并與龍門(mén)吊基礎(chǔ)管樁連成整體。支架主橫梁與梁底間留20cm~30cm作為調(diào)節(jié)鋼管安裝，方便鋼箱梁底部焊接施工與精調(diào)。

4.3 鋼箱梁吊裝

4.3.1 吊裝設(shè)備

吊裝設(shè)備應(yīng)滿足安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、因地制宜。要求吊裝設(shè)備有一定的安全儲(chǔ)備，避免對(duì)人員和設(shè)備造成傷害；最大限度利用已有設(shè)備或材料，吊裝設(shè)備滿足要求即可，避免過(guò)高的安全系數(shù)造成成本增加；根據(jù)周邊環(huán)境條件選擇吊裝設(shè)備，對(duì)支撐基礎(chǔ)穩(wěn)定性進(jìn)行充分考慮，并根據(jù)分節(jié)重量與尺寸，合理選擇吊具、設(shè)置吊點(diǎn)，保證吊裝安全、防止構(gòu)件變形。

根據(jù)該工程最大構(gòu)件質(zhì)量61.6t、長(zhǎng)度21.6m，按60°鋼絲繩吊裝夾角作業(yè)最小高度37m的要求，舊橋拆除85t龍門(mén)吊兼顧主橋鋼箱梁吊裝的安裝凈高在水面以上38.8m。吊耳材質(zhì)為Q345B，主板厚度25mm，外側(cè)加強(qiáng)板厚度10mm（如圖7所示），吊耳布置應(yīng)保證鋼絲繩之間的夾角不超過(guò)60°并且在吊耳下方位置有U肋或?qū)嵏拱?；鋼絲繩選擇6*37纖維芯鋼絲繩，公稱(chēng)直徑為60mm、公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度1770MPa；卸扣選用6級(jí)32t卸扣。

圖7 吊耳構(gòu)造（單位：mm）

4.3.2 吊裝順序

吊裝方向從北向南進(jìn)行。首段鋼箱梁整體吊裝后在邊墩精確定位，先箱室主體后挑臂，從中間向兩端依次吊裝，如圖8所示。

圖8 鋼箱梁分節(jié)吊裝

4.3.3 吊裝就位

工藝流程：起吊鋼箱梁與前一段平齊→對(duì)齊主腹板→安裝頂板對(duì)拉螺栓/臨時(shí)連接件→測(cè)量箱梁高程及軸線→調(diào)整箱梁前端高程及軸線→安裝底板對(duì)拉螺栓/臨時(shí)連接件→測(cè)量主梁前端高程及軸線調(diào)整箱梁前端高程及軸線至設(shè)計(jì)位置。

鋼箱梁分節(jié)除支座處外，其他節(jié)段均由調(diào)節(jié)鋼管臨時(shí)支撐，各調(diào)節(jié)管高度應(yīng)根據(jù)計(jì)算好的標(biāo)高提前安裝就位。在提升過(guò)程中通過(guò)溜繩調(diào)整構(gòu)件方向，放置構(gòu)件應(yīng)緩慢、平穩(wěn)。

4.3.4 鋼箱梁臨時(shí)連接

相鄰節(jié)段鋼箱梁就位后進(jìn)行接口粗匹配，調(diào)整箱梁線形確保中心軸線。調(diào)整程序如下：1）梁段的傾斜度與高度需要與頂板的中軸線齊平。2）梁段的高度需要和頂板的U肋齊平，調(diào)整好之后要測(cè)量出吊裝梁段的前后點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)高度。3）測(cè)量梁段底板處縫隙，確保其縫隙寬度的最大值為15mm。4）使用千斤頂調(diào)整主腹板的平衡狀態(tài)。5）復(fù)測(cè)。

匹配好接口是焊接施工的前提條件，包括節(jié)段的標(biāo)準(zhǔn)高度、預(yù)拱度、橫坡度；接口面板最大的差距須達(dá)到0.5mm；調(diào)整約束時(shí)要遵循由硬到弱的規(guī)律；調(diào)整腹板和頂?shù)装褰唤缣幍木嚯x，之后調(diào)整接口距離；精調(diào)時(shí)可使用千斤頂，固定時(shí)使用碼板壓平。

4.3.5 鋼箱梁焊接

完成鋼箱梁的精準(zhǔn)定位后，根據(jù)相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)縫口，對(duì)未達(dá)標(biāo)的進(jìn)行打磨修正至符合規(guī)范才可以開(kāi)展焊接工作。

先焊接縱向?qū)雍缚p，后焊接節(jié)段間環(huán)向?qū)雍缚p。根據(jù)全橋成橋后的彎矩圖，先焊受拉焊縫，后焊受壓焊縫。先焊節(jié)段內(nèi)的鋼箱梁，節(jié)段內(nèi)的構(gòu)件先在橫向行成整體后，再進(jìn)行縱橋向相鄰的節(jié)段焊接工作。盡可能先吊裝完成所有節(jié)段后，從橋墩中間節(jié)段向兩側(cè)焊接，能夠有效控制焊接變形，保證橋梁整體線形。

5 質(zhì)量控制

鋼箱梁的拼裝質(zhì)量是工程質(zhì)量控制的關(guān)鍵，該工程采用的質(zhì)量控制措施有7點(diǎn)：1）梁寬度方向分段時(shí)每節(jié)段內(nèi)橫隔做成整體，可減少現(xiàn)場(chǎng)橫隔板對(duì)接錯(cuò)口的發(fā)生。2）U肋加工定位以腹板為基準(zhǔn)線定位；鋼箱梁一端U肋留400mm廠內(nèi)不焊，等U肋連接板用高強(qiáng)螺栓初擰后再現(xiàn)場(chǎng)焊接；U肋連接板留一端六個(gè)孔廠內(nèi)不鉆，接頭處孔距實(shí)量后用搖臂鉆現(xiàn)場(chǎng)鉆孔；頂板U肋接頭位置一端預(yù)留一小段不焊接，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整后再焊接，方便接頭對(duì)正，可保證頂板接頭高強(qiáng)螺栓穿孔率。3）對(duì)接打底后，碼板割除后再焊第二道焊縫，保證后續(xù)焊縫無(wú)約束狀態(tài)下焊接，減少焊接應(yīng)力。4）箱外焊接須設(shè)置防風(fēng)防雨棚，減少焊接氣孔等缺陷，提高焊接質(zhì)量；對(duì)接接口焊接采用陶瓷襯墊，單面焊接背面成型好。5）各鋼箱梁段內(nèi)拼裝采用碼板進(jìn)行固定，保證頂板接頭、底板接頭位置錯(cuò)邊控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。6）根據(jù)鋼箱梁主材材質(zhì)，選擇合適的焊接材料，按焊接工藝評(píng)定來(lái)控制焊接順序和焊接參數(shù)，以控制焊接變形提高加工精度。7）舊橋拆除鋼管支架的承載力大于新建主橋鋼管支架承載力要求，支架接高利用消除了支架沉降對(duì)鋼箱梁拼裝的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

鑒湖大橋作為S308省道智慧快速路改造工程重難點(diǎn)，受施工條件及周邊復(fù)雜環(huán)境的限制，架橋機(jī)、移動(dòng)式大型起重機(jī)和大型浮吊等常規(guī)施工方法均無(wú)法滿足鋼箱梁安裝要求，同時(shí)，3cmECO面層對(duì)鋼箱梁拼裝后的線形、平順度要求高。該文通過(guò)闡述大跨度變截面鋼箱梁各施工階段的控制要點(diǎn)，解決狹窄空間架梁的難題，整個(gè)施工過(guò)程安全平穩(wěn)，吊裝就位方便快捷，定位精度高，保證了施工質(zhì)量滿足驗(yàn)收要求，最大限度地減少了對(duì)社會(huì)車(chē)輛及通航影響，為今后類(lèi)似工程起到借鑒作用。