安家莊特大橋墩柱鋼管冬季施工措施

蔡紀(jì)偉，賈通，張續(xù)彬，徐向軍，喬新旺

中鐵山橋集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066200

1 序言

安家莊特大橋位于北京市門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)安家莊村西南，線路為東西走向，橋梁起于豐沙鐵路北側(cè)、黃臺(tái)隧道出口，先后跨越豐沙鐵路、永定河及現(xiàn)G109國(guó)道。左幅采用（248+248）m 鋼桁斜拉橋結(jié)構(gòu)，中墩兩片主桁上對(duì)應(yīng)設(shè)置兩片A形塔柱，塔總高70m；右幅采用（171+171+75）m 連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)。左右幅轉(zhuǎn)體段梁體均在豐沙鐵路的南側(cè)拼架，轉(zhuǎn)體質(zhì)量分別為15000t、9000t。

主橋鋼結(jié)構(gòu)下部的L3、L4、R4、R5、R6號(hào)墩采用鋼管混凝土橋墩，其中L3、R4間橫向設(shè)置蓋梁形成雙柱框架墩：L4、R6號(hào)墩間橫向設(shè)置蓋梁形成三柱框架墩；R5為獨(dú)柱墩，5根墩柱材質(zhì)及規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 墩柱材質(zhì)及規(guī)格

2 墩柱鋼管制造方案

墩柱鋼管制造分三步進(jìn)行：首先，將每根墩柱鋼管分成若干長(zhǎng)度為2～3m的短管柱，分段采用鋼板卷制，焊接管縱縫；然后，再將短管柱進(jìn)行“二接一”或“三接一”焊接環(huán)焊縫，成為長(zhǎng)管柱節(jié)段；最后，在橋位將長(zhǎng)管柱節(jié)段由下至上逐一吊裝，進(jìn)行環(huán)縫焊接。下面以L3和R4墩柱為例進(jìn)行說(shuō)明，L3和R4墩柱如圖1所示。

圖1 L3和R4墩柱

在制造廠將L3鋼管柱分為12節(jié)短管柱卷制，R4鋼管柱分為14節(jié)短管柱卷制，焊接縱向?qū)雍缚p；然后將分別進(jìn)行“二接一”或“三接一”焊接環(huán)焊縫，L3鋼管柱共焊接成6個(gè)長(zhǎng)管柱節(jié)段，R4鋼管柱共焊接成5個(gè)長(zhǎng)管柱節(jié)段；再將長(zhǎng)管柱節(jié)段運(yùn)往工地。采用1臺(tái)450t履帶吊，進(jìn)行橋位長(zhǎng)管柱節(jié)段逐一吊裝及焊接。

根據(jù)鋼管柱分段吊裝長(zhǎng)度，分段安裝鋼筋、采用混凝土泵車分段澆筑的施工方法，每吊裝段鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑面比該吊裝段鋼管柱頂?shù)?m，管內(nèi)豎向鋼筋預(yù)留長(zhǎng)度比該吊裝段鋼管柱頂?shù)?.7m，以便于混凝土終凝后作為與下一節(jié)段鋼管柱連接時(shí)工人焊接的操作平臺(tái)。

3 保溫棚熱工計(jì)算

保溫棚內(nèi)熱量消耗計(jì)算需要根據(jù)暖棚尺寸、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地面導(dǎo)熱系數(shù)與室內(nèi)換氣次數(shù)等來(lái)計(jì)算確定（按照保溫棚內(nèi)焊接環(huán)境≥10℃進(jìn)行資源配置）[1，2]。

3.1 計(jì)算參數(shù)

保溫棚熱工計(jì)算主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 保溫棚熱工計(jì)算主要參數(shù)

3.2 L3鋼管柱承臺(tái)保溫棚熱工計(jì)算

1）保溫棚表面系數(shù)為

式中M——保溫棚表面系數(shù)（m-1）；

S——保溫棚冷卻面積（m2）；

V——外部量度保溫棚的體積（m3）。

2）保溫棚結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為

式中K——保溫棚結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)（W/m2·K）；

α1——保溫材料的厚度（m），取0.05m；

λ1——保溫材料的熱阻系數(shù)[W/（m·K）]，按照石棉取0.22[W/（m·K）]。

3）保溫棚的耗熱量計(jì)算（保溫棚選取密實(shí)模板，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱系數(shù)β=1.3）

4）需要布設(shè)暖風(fēng)機(jī)數(shù)量計(jì)算

由3600kJ/h=1kW，推算1kJ/h =0.000278kW，則

由此可知，選用P2=30kW暖風(fēng)機(jī)一臺(tái)。因R4承臺(tái)保溫棚體積比L3小，故布置一臺(tái)30kW暖風(fēng)機(jī)也可滿足要求。

橋位抱箍保溫棚熱工計(jì)算過(guò)程同上。

4 橋位節(jié)段焊接冬季施工措施

為了保證大橋施工進(jìn)度，L3和R4墩柱需要冬季施工。Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》和JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，橋梁鋼結(jié)構(gòu)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接環(huán)境溫度≥5℃，環(huán)境濕度≤80%。而當(dāng)環(huán)境溫度＜5℃、環(huán)境濕度＞80%時(shí)，應(yīng)采取必要的工藝措施后才能進(jìn)行焊接。因?yàn)樵诙臼┕?，所以必須采取有效的防護(hù)措施才能保證焊接質(zhì)量和施工安全[3-6]。

4.1 首條鋼管柱環(huán)縫焊接

鋼管柱橋位分段拼裝時(shí)，橋位L3管柱第一條環(huán)縫比承臺(tái)頂面高0.6m，R4管柱第一條環(huán)縫比承臺(tái)頂面高3m，在主墩承臺(tái)澆筑完成終凝后直接在承臺(tái)頂面上搭建保溫棚，直接利用承臺(tái)頂面作為工人焊接鋼管對(duì)接環(huán)縫的操作平臺(tái)，首條環(huán)縫焊接保溫棚三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 首條環(huán)縫焊接保溫棚三維結(jié)構(gòu)

在承臺(tái)頂面距離鋼管柱1.2m位置，采用扣件式鋼管圍繞鋼管柱周圈搭設(shè)雙排腳手架間距1m，L3腳手架高度3.5m，R4腳手架高度1.6m，步距均為1m，首條環(huán)縫焊接保溫棚立面布置如圖3所示。

圖3 首條環(huán)縫焊接保溫棚立面布置

采用保溫石棉將腳手架全封閉，作為外壁環(huán)縫焊接防風(fēng)保溫棚。根據(jù)熱工計(jì)算，L3和R4保溫棚內(nèi)均放置1臺(tái)30kW暖風(fēng)機(jī)輸送熱量，可保證棚內(nèi)溫度≥5℃，滿足焊接環(huán)境要求，且保溫棚內(nèi)配備LED照明燈，保證棚內(nèi)工作明亮，設(shè)置1臺(tái)360°攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)工作狀況。在鋼管柱頂部設(shè)置5cm厚保溫巖棉板作為防護(hù)罩，開設(shè)4個(gè)φ20cm的排風(fēng)口，預(yù)留一個(gè)60cm×60cm的過(guò)人天窗，在內(nèi)壁焊接時(shí)，用以防風(fēng)保溫及空氣循環(huán)。管柱內(nèi)外設(shè)軟爬梯和簡(jiǎn)易架子，供工人上下及施工作業(yè)。

4.2 高空鋼管柱環(huán)縫焊接

橋位首條環(huán)縫焊接后，在第二段以上拼裝段鋼管柱，因?yàn)榫鶠楦呖兆鳂I(yè)，所以需要搭設(shè)施工平臺(tái)和焊接保溫棚。在下一個(gè)鋼管柱節(jié)段吊裝就位后，在對(duì)接環(huán)縫下方1m位置設(shè)置鋼抱箍，抱箍高度80cm，上鋪花紋板，作為操作平臺(tái)，緊貼鋼抱箍下側(cè)圍繞管柱平均焊接4塊5cm×5cm×1cm的Q235鋼板作為鋼抱箍承重保險(xiǎn)塊。操作平臺(tái)寬度1m，防護(hù)欄桿高2m，外設(shè)5cm厚保溫巖棉板作為保溫棚用以防風(fēng)保溫，巖棉板外側(cè)均勻開設(shè)4個(gè)30cm×50cm的側(cè)窗用以透光和通風(fēng)換氣。鋼抱箍及操作平臺(tái)如圖4所示，鋼管柱抱箍體系平面如圖5所示。

圖4 鋼抱箍及操作平臺(tái)

圖5 鋼管柱抱箍體系平面

根據(jù)熱工計(jì)算，在L3和R4保溫棚內(nèi)均放置1臺(tái)5kW暖風(fēng)機(jī)輸送熱量，可保證棚內(nèi)溫度≥5℃，滿足焊接環(huán)境要求，且保溫棚內(nèi)配備LED照明燈保證棚內(nèi)工作明亮，設(shè)置1臺(tái)360°攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)工作狀況。

在焊接內(nèi)壁環(huán)縫之前，鋼管柱內(nèi)部已經(jīng)澆筑混凝土，混凝土面距離環(huán)焊縫1.2m，縱向鋼筋端頭距離對(duì)接環(huán)縫0.7m，可直接將管內(nèi)混凝土面作為操作平臺(tái)，在其上停放設(shè)備，工人進(jìn)行內(nèi)壁焊縫焊接作業(yè)。在鋼管柱頂設(shè)置5cm厚保溫巖棉板作為防護(hù)罩，開設(shè)4個(gè)φ30cm的排風(fēng)口，預(yù)留一個(gè)60cm×60cm的過(guò)人天窗，用以防護(hù)保溫管柱內(nèi)壁焊縫焊接。在每一段鋼管柱吊裝前，環(huán)縫1m范圍外纏電加熱帶（見(jiàn)圖6）和保溫石棉，加熱到20℃，兼顧混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)和保證管柱內(nèi)焊接環(huán)境溫度≥5℃，環(huán)縫1m范圍內(nèi)利用鋼抱箍保溫棚。

圖6 電加熱帶

鋼管柱分段安裝及焊接環(huán)焊縫，抱箍隨節(jié)段安裝提升到相應(yīng)焊接段，工人通過(guò)定型梯籠作為上下進(jìn)入抱箍及管柱內(nèi)通道，抱箍和通道相連處設(shè)置1.8m ×1m的巖棉板開關(guān)門。定型梯籠基礎(chǔ)固定在承臺(tái)上，梯籠每隔6m與鋼管柱設(shè)一道連墻件，管柱內(nèi)設(shè)軟爬梯和簡(jiǎn)易架子供工人上下及施工作業(yè)。鋼管柱上下通道及防護(hù)體系如圖7所示。

圖7 鋼管柱上下通道及防護(hù)體系

5 通風(fēng)換氣措施

由于焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO、氮氧化物、臭氧等有害氣體和煙塵，所以防護(hù)保溫棚內(nèi)及管內(nèi)焊接需要通風(fēng)換氣至關(guān)重要。

5.1 首條環(huán)縫保溫棚換氣措施

橋位首段鋼管柱保溫棚總體積為128m3，施工高峰期間保溫棚內(nèi)氣體保護(hù)焊工人同時(shí)焊接鋼管外壁環(huán)縫的達(dá)4人，每人半天的用氣量為1瓶CO2氣體，氣體質(zhì)量約20kg，4名焊工半天的用氣量達(dá)80kg。棚內(nèi)設(shè)置一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)版壁掛式氣體檢測(cè)終端，可與氣體探頭、換氣扇串聯(lián)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警、數(shù)據(jù)查看等功能。待保溫棚內(nèi)有害氣體濃度指標(biāo)接近報(bào)警值時(shí)，終端自動(dòng)聯(lián)控啟動(dòng)換氣扇進(jìn)行通風(fēng)換氣排煙，保證棚內(nèi)空氣指標(biāo)維持在安全范圍。在焊接區(qū)域附近布置2個(gè)氣體探頭，保證能準(zhǔn)確有效地覆蓋檢測(cè)有害氣體。

保溫棚內(nèi)換氣措施是在棚頂避開鋼管柱位置安裝2臺(tái)換氣扇，選用屋頂式換氣扇，風(fēng)量為12500m3/h，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保溫棚內(nèi)換氣次數(shù)為每小時(shí)195次。

5.2 高空鋼管柱環(huán)縫焊接保溫棚換氣措施

高空鋼管柱環(huán)縫焊接抱箍保溫棚體積為61m3，與首條環(huán)縫保溫棚換氣措施相同。

焊接鋼管外壁環(huán)縫時(shí)，為防止抱箍保溫棚內(nèi)有害氣體堆積太多，導(dǎo)致工人窒息，在抱箍操作平臺(tái)上開4個(gè)孔，并設(shè)置2個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，向外抽取氣體。換氣采用60W軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)量600m3/h，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保溫棚內(nèi)換氣次數(shù)為每小時(shí)20次。

5.3 焊接管柱內(nèi)換氣措施

鋼管柱內(nèi)焊接空間體積為80m3，施工高峰期間保溫棚內(nèi)氣體保護(hù)焊工人同時(shí)焊接鋼管外壁環(huán)縫的達(dá)2人，每人半天的用氣量為1瓶CO2氣體，氣體質(zhì)量約20kg，2名焊工半天的用氣量達(dá)40kg。換氣措施同上。

通過(guò)在柱頂防護(hù)罩設(shè)置1臺(tái)負(fù)壓風(fēng)機(jī)抽氣管，將鋼管內(nèi)底部氣體抽走，新鮮空氣從鋼管上部進(jìn)入管內(nèi)，保證空氣循環(huán)，避免有害氣體堆積過(guò)多導(dǎo)致工人窒息。焊接管柱內(nèi)換氣狀態(tài)如圖8所示。

圖8 焊接管柱內(nèi)換氣狀態(tài)

采用380型負(fù)壓風(fēng)機(jī)，功率為180W，風(fēng)量為2500m3/h，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鋼管柱內(nèi)換氣次數(shù)為每小時(shí)41次。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取搭設(shè)保溫棚和鋼管柱抱箍操作平臺(tái)的施工方案，同時(shí)采取保溫及通風(fēng)措施，既保證了鋼管柱焊接對(duì)溫度及濕度的要求，又保證了作業(yè)人員的人身安全。通過(guò)精心組織，嚴(yán)密施工，確保了安家莊特大橋墩柱鋼管焊接工作得以在冬季順利進(jìn)行，保證了焊接質(zhì)量。