鋼箱組合梁橋施工工藝及質(zhì)量控制分析

高海斌

（河北交通投資集團(tuán)張石高速保定段有限公司，河北 保定 071000）

0 引言

鋼箱-混凝土組合梁橋能夠節(jié)省材料，還可以簡化施工工序，具有經(jīng)濟(jì)性突出和利于工業(yè)化建造等優(yōu)點(diǎn)。鋼箱梁的截面由鋼腹板和底板及較小的翼緣頂板組成，屬于開口鋼箱。該類結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，在施工期間，橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前，扭轉(zhuǎn)剛度相比建造成型后低，這使得混凝土橋面板在施工期間對(duì)側(cè)向失穩(wěn)更加敏感，因此，有必要對(duì)組合梁橋施工過程中的力學(xué)性能以及施工工藝等方面開展深入研究。因此，本文以某匝道橋?yàn)橐劳?，選取單跨簡支梁，以有限元軟件ABAQUS構(gòu)建了有限元模型，對(duì)其施工工藝和質(zhì)量控制進(jìn)行了分析，可為類似項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

某匝道橋?yàn)楹喼Я簶颍淞洪L57m，寬3.9m，高2.0m。該橋下部由一個(gè)鋼箱制成，鋼箱上安裝波形板頂板，作為現(xiàn)澆混凝土澆筑的模板，頂板上現(xiàn)澆混凝土車道，波形板同時(shí)起到提高施工期間箱梁的整體穩(wěn)定性的作用。鋼箱采用Q345D型鋼材；波形板分別采用0.774mm、0.86mm和0.946mm三種厚度，波寬×波長×波高尺寸為0.95m×3.4m×0.045m或0.95m×2.8m×0.045m，鋼箱內(nèi)設(shè)間距5m的橫隔板。對(duì)該簡支梁橋進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗(yàn)，得到其一階彎曲自振頻率，試驗(yàn)結(jié)果主要用于驗(yàn)證建模方法的正確性。

2 施工過程有限元模擬

2.1 有限元計(jì)算

采用ABAQUS建模，鋼箱梁材料采用Q345D，應(yīng)力-應(yīng)變曲線用雙折線模型模擬。為了更好地模擬鋼材的局部屈曲現(xiàn)象，鋼板采用殼體單元S4R，全局網(wǎng)格尺寸為0.24m。在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)估算的結(jié)構(gòu)應(yīng)力梯度，對(duì)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密或稀疏。橋梁兩端的支座約束為：橋梁一端的支座約束所有平移自由度，而另一端的支座僅約束軸向和橫向平移。

2.2 施工過程模擬

鋼箱混凝土組合梁橋的整體剛度主要由鋼箱橋、波形鋼頂板、混凝土橋面板貢獻(xiàn)，在施工過程中鋼箱梁的受力及鋼箱梁的扭轉(zhuǎn)翹曲約束隨施工進(jìn)程而改變，結(jié)構(gòu)的整體剛度隨施工進(jìn)度而變化。為保證橋梁施工安全，需對(duì)施工順序、施工過程荷載變化進(jìn)行合理的施工模擬分析。

考慮的荷載主要包括模板、施工荷載、自重、風(fēng)荷載和澆筑混凝土荷載。在澆筑過程中，活荷載為風(fēng)荷載和橋面混凝土板澆筑混凝土荷載。構(gòu)建三類模型進(jìn)行分析，用于研究結(jié)構(gòu)剛度及彎扭穩(wěn)定性的影響因素：MD1由鋼箱梁組成；MD2由鋼箱梁MD1及通過可靠連接方式與MD1翼緣頂板連接的波形板組成；除橋臺(tái)處；MD3由鋼箱梁MD1頂部的波形頂板組成。有限元模擬的施工過程主要包括以下步驟：施加結(jié)構(gòu)重力，結(jié)構(gòu)模板荷載為5kN/m2的壓力荷載；風(fēng)荷載為橫向作用于結(jié)構(gòu)上的1.5kN/m2的壓力荷載；分級(jí)施加澆筑混凝土設(shè)計(jì)荷載，每級(jí)加載為混凝土橋面板自重設(shè)計(jì)荷載的10%，每級(jí)分5個(gè)分步。為模擬真實(shí)的加載情況及保證有限元計(jì)算能夠快速收斂，加載方式采用分步加載，并對(duì)3個(gè)模型分別加載分析。

3 施工工藝

3.1 材料進(jìn)場

材料按照計(jì)劃到廠后，由專人負(fù)責(zé)對(duì)其外觀、材質(zhì)和規(guī)格等進(jìn)行檢驗(yàn)，填寫材料驗(yàn)證記錄，并檢查質(zhì)量合格證明文件、中文標(biāo)識(shí)及檢驗(yàn)報(bào)告等質(zhì)量保證資料。鋼箱梁采用Q345d鋼板，手工焊時(shí)采用E5015、E5016焊條焊接，自動(dòng)或半自動(dòng)焊（埋弧焊）時(shí)采用F4A2一H08MnA焊絲并配以相應(yīng)的焊劑焊接，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊時(shí)采用1.2mm（新牌號(hào)為ER49—1）焊絲，其氣體純度大于99.7%。高強(qiáng)螺栓性能等級(jí)為10.9S級(jí)，大六角形，連接處構(gòu)件接觸面采用噴砂處理，其抗滑移系數(shù)不得小于0.55。

3.2 制作箱梁樣胎

依據(jù)鋼梁的平面幾何關(guān)系和豎向高度計(jì)算所需技術(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并制作箱梁樣胎。

3.3 切割和下料

下料前查驗(yàn)材料牌號(hào)、規(guī)格型號(hào)、質(zhì)量合格證書等，并使切割方向與零件受力方位一致。為確保工件的生產(chǎn)制造加工質(zhì)量，定尺切割時(shí)，擋板應(yīng)固定不動(dòng)，確定切割構(gòu)件的規(guī)格型號(hào)滿足要求后，方可開展大批量切割。全部零件應(yīng)先開展精密切割，對(duì)于矩形板，應(yīng)與此同時(shí)沿長、短兩個(gè)方位切割，以避免向板平面內(nèi)側(cè)彎折；對(duì)于外觀復(fù)雜的零件，應(yīng)通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行放樣，創(chuàng)建幾何規(guī)格型號(hào)和模型，并應(yīng)用數(shù)控切割機(jī)開展精切割和下料，以消除熱變形的影響。切割前，鋼板應(yīng)豎直、平整。若鋼材不平且不直，影響標(biāo)識(shí)或切割質(zhì)量時(shí)，應(yīng)給予改正。工件切割后，應(yīng)對(duì)切割造成的凹坑等缺點(diǎn)開展修補(bǔ)和拋光。下料時(shí)，應(yīng)預(yù)留主梁和弦桿的長度開展切割，在預(yù)裝配時(shí)開展切割。留意切割槽的脊部，特別是鈍邊應(yīng)符合要求。切割后構(gòu)件長寬誤差不超過±2mm，剪切構(gòu)件邊緣齊整，無毛刺、倒口等問題。

3.4 板模塊生產(chǎn)

隔板、主梁頂板和腹板產(chǎn)生一個(gè)T形梁，根據(jù)標(biāo)識(shí)部位點(diǎn)焊在裝配結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生裝配焊接板模塊，隨后在箱梁上對(duì)準(zhǔn)底板部位后點(diǎn)焊到每個(gè)板模塊。全部點(diǎn)焊后，查驗(yàn)箱梁全部構(gòu)件的型號(hào)規(guī)格及其拋光和頂升狀況。

3.5 制孔

鉆孔模板與工件之間采用夾具連接，不允許將鉆孔模板直接點(diǎn)焊在工件上。鉆孔群中距離最遠(yuǎn)的2個(gè)孔中各插入定位銷，定位銷直徑比鉆頭直徑大0.05～0.1mm，然后鉆其余的孔。加工完一件工件，立即用?24-0.05通孔器和24+0.25止孔器檢查鉆孔直徑。鉆孔完畢，采用電動(dòng)砂輪機(jī)或風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)清除鉆孔雙面毛刺。

3.6 節(jié)段連續(xù)拼裝制作

從A段到E段單梁逐條制作，同時(shí)進(jìn)行A～E節(jié)段上胎組裝，完成A到B節(jié)段制孔后開始進(jìn)行連續(xù)拼裝制作。

3.7 焊接剪力釘

剪力連接器焊接前，清除上翼緣板表面鐵銹等污物，上翼板不得涂漆。

3.8 涂裝

為提高結(jié)構(gòu)的使用壽命，需要對(duì)鋼梁進(jìn)行防腐處理。防腐處理的流程為：首先進(jìn)行鋼板預(yù)處理，對(duì)鋼板上面的雜物進(jìn)行清除，接著在鋼板上刷一遍底漆，制作完成后對(duì)表面進(jìn)行清理，按照涂裝要求進(jìn)行涂裝，最后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，若在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)某些部位出現(xiàn)破損，則需要再進(jìn)行一遍面漆的處理。

鋼箱梁的表面應(yīng)進(jìn)行金屬噴涂，噴涂前應(yīng)該對(duì)表面進(jìn)行除銹處理，再分層次進(jìn)行噴涂，噴涂的厚度應(yīng)該保持均勻。在高強(qiáng)度螺栓連接處也應(yīng)該進(jìn)行噴砂處理，應(yīng)保證高強(qiáng)度螺栓連接的摩擦面干燥。在每次噴涂前應(yīng)將構(gòu)件的表面清除干凈，對(duì)于涂裝的材料品種、涂裝的施工環(huán)境、噴涂的厚度都應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)于噴涂的顏色應(yīng)滿足業(yè)主和規(guī)范的要求，不能有明顯的色差。

3.9 運(yùn)輸、安裝

3.9.1 吊裝機(jī)械選擇

根據(jù)該工程特點(diǎn)及安裝現(xiàn)場、構(gòu)件重量，本著技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理并確保工期、安全、質(zhì)量的原則選擇吊裝機(jī)械。該工程最重構(gòu)件為27.364m，約45.7t，采用2臺(tái)100t汽車吊。

3.9.2 場地處理

吊車行走道路應(yīng)推平壓實(shí)，保證地耐力符合吊車行進(jìn)安全要求。

3.9.3 構(gòu)件的運(yùn)輸、存放

為了減少空間運(yùn)輸對(duì)交通的影響，對(duì)于構(gòu)件的運(yùn)輸最好安排在晚上進(jìn)行，并且應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況設(shè)計(jì)路線，對(duì)于現(xiàn)場路線應(yīng)進(jìn)行實(shí)地考察，確保能夠運(yùn)輸大構(gòu)件結(jié)構(gòu)，對(duì)一些超長的構(gòu)件在轉(zhuǎn)彎時(shí)需要有專門的人員指揮，運(yùn)輸途中應(yīng)該確保車輛的穩(wěn)定。構(gòu)件進(jìn)場以后應(yīng)合理存放，對(duì)構(gòu)件上面的編號(hào)進(jìn)行確認(rèn)，檢查產(chǎn)品的合格證，查看構(gòu)件是否出現(xiàn)變形、油漆是否脫落，按照統(tǒng)一的順序進(jìn)行存放。

3.9.4 吊裝前的準(zhǔn)備

在吊裝前，應(yīng)該對(duì)現(xiàn)場的高層和坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，專業(yè)的人員需要對(duì)橋墩承臺(tái)的定位軸線尺寸、標(biāo)高等做好記錄。并且施工人員需要對(duì)照?qǐng)D紙和構(gòu)件進(jìn)行反復(fù)的檢查和確認(rèn)，確保構(gòu)件的尺寸外觀都符合設(shè)計(jì)的要求，對(duì)不滿足要求的構(gòu)件應(yīng)做處理。

3.9.5 鋼箱梁安裝

鋼梁按設(shè)計(jì)要求在生產(chǎn)制造廠制作、加工、焊接成段后運(yùn)至安裝現(xiàn)場，在公路橋梁現(xiàn)場按設(shè)計(jì)要求制作臨時(shí)性鋼支架。每節(jié)鋼梁選用兩臺(tái)100t吊車進(jìn)行吊裝，分段鋼梁通過支架上的高強(qiáng)度螺栓連接成一整根梁，并連接箱體之間的橫梁，產(chǎn)生純鋼截面的連續(xù)梁。在鋼箱梁安裝之前，需要查驗(yàn)鋼構(gòu)件連接處的摩擦面，連接板務(wù)必平整并且沒有出現(xiàn)彎曲。浮銹用鋼絲刷消除，油污需要清除干凈。結(jié)構(gòu)中心部位調(diào)節(jié)完成后，需要穿入高強(qiáng)度螺栓，高強(qiáng)度螺栓應(yīng)朝同一方向穿入。

在鋼箱梁安裝時(shí)，螺栓、螺母和墊圈只允許在本項(xiàng)目工程中使用。在實(shí)際操作過程中，螺栓不能被泥沙、油和其他物質(zhì)污染。在連接和安裝高強(qiáng)度螺栓時(shí)，應(yīng)用的臨時(shí)性固定螺栓和沖孔釘應(yīng)穿入每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，并且臨時(shí)性固定螺栓不少于總數(shù)量的1/3。沖孔釘壓實(shí)時(shí)，不得用大錘敲擊。連接節(jié)點(diǎn)施工時(shí)，先用沖子對(duì)孔位進(jìn)行校正，隨后插入高強(qiáng)度螺栓，用專用型初擰扳手?jǐn)Q緊。先用臨時(shí)性固定螺栓連接，隨后插入高強(qiáng)度螺栓。首次擰緊第一個(gè)高強(qiáng)度螺栓后，應(yīng)拆卸臨時(shí)性固定螺栓，并全部換成高強(qiáng)度螺栓。用鉸孔機(jī)鉸孔時(shí)，應(yīng)消除孔周圍的毛刺，隨后用鉸孔機(jī)將螺栓鉸入孔中。高強(qiáng)螺栓接頭緊固后，應(yīng)馬上封閉，在連接板、螺釘、螺母和墊圈附近涂刷一層封閉的底漆，避免水進(jìn)入到螺栓的摩擦面。

4 鋼箱組合梁橋施工質(zhì)量控制措施

4.1 橋面板混凝土澆筑順序

為分析施工順序引起的分層加載影響，橋面板混凝土澆筑順序分為兩種方案。方案1：從橋梁中心開始澆筑，逐步向兩側(cè)橋臺(tái)展開。方案2：從橋梁端部開始澆筑。通過計(jì)算分析，方案2可增加結(jié)構(gòu)施工期間的扭轉(zhuǎn)翹曲約束，提高結(jié)構(gòu)彎扭穩(wěn)定性。因此，橋面板混凝土澆筑從橋梁端部開始，逐步向橋梁中心進(jìn)行。

4.2 波形鋼頂板鋪設(shè)

在恒載+活載工況下，采用結(jié)構(gòu)的一階屈曲模態(tài)作為初始缺陷分布模態(tài)，初始幾何缺陷系數(shù)為0.01，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載-位移全過程屈曲分析，隨著初始缺陷的增加，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)和橫向位移相對(duì)較大，而極限荷載相應(yīng)降低。因此，做好波形鋼頂板鋪設(shè)工作至關(guān)重要，對(duì)鋼箱組合梁橋的施工質(zhì)量有著直接的影響。

4.3 波形頂板厚度控制

在相同邊界條件和相同荷載作用下，針對(duì)MD2，在相同波紋型號(hào)下，以波形頂板厚度變化作為影響因素，進(jìn)行了屈曲特征值分析，結(jié)果表明：在經(jīng)濟(jì)厚度范圍內(nèi)，隨著波形頂板厚度的增加，抗屈曲性能提高。對(duì)計(jì)入結(jié)構(gòu)尺寸初始缺陷的影響進(jìn)行非線性分析，結(jié)果表明：將初始缺陷從0.01增加到0.05可使橫向位移增加36%。進(jìn)一步從0.05增加到0.1，側(cè)向位移增加24%，從0.1增加到0.2，最終側(cè)向位移增加52%。結(jié)果表明：初始缺陷的增加會(huì)顯著增加側(cè)向位移。

5 結(jié)語

當(dāng)使用波形頂板創(chuàng)建閉合橫截面時(shí)，與開口的橫截面相比，扭轉(zhuǎn)和橫向位移顯著減少。為增加結(jié)構(gòu)的可靠性冗余度，在波形板整體失穩(wěn)情況下，要保證開口橫截面的箱梁持續(xù)工作。初始缺陷的大小對(duì)橋梁性能有很大影響，初始缺陷的增加會(huì)導(dǎo)致較大的扭轉(zhuǎn)、橫向位移以及極限荷載的降低。如果扭轉(zhuǎn)變大，未凝固的混凝土將向橋梁一側(cè)移動(dòng)，作為偏心荷載，進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)增大。因此，需要做好橋面板混凝土澆筑，做好波形鋼頂板鋪設(shè)，控制波形頂板厚度，才能更好地確保鋼箱組合梁橋的施工質(zhì)量。