鋼桁梁支架法拼裝施工的質(zhì)量控制措施研究

霍敬德

(甘肅公航旅路業(yè)有限公司 蘭州 730000)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工周期短、施工成本低、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在公路工程中廣泛應(yīng)用[1-4]。傳統(tǒng)的閉口鋼箱梁橋依靠箱體的抗力為整個(gè)結(jié)構(gòu)提供足夠承載力,雖然結(jié)構(gòu)的整體性較強(qiáng),但存在剪力滯后、局部扭轉(zhuǎn)、維護(hù)成本高等問(wèn)題,是制約其承載力和耐久性的控制性因素[3-6]。相比之下,鋼桁梁的主要受力構(gòu)件為桁架結(jié)構(gòu),可以根據(jù)地形條件、設(shè)計(jì)要求、跨越能力等因素靈活調(diào)整桁架的高度,從而保證鋼桁梁的服役能力及橋梁跨度與現(xiàn)場(chǎng)條件相匹配,能滿足不同地質(zhì)與環(huán)境條件下的交通需求,且具有足夠的承載力和耐久性[5-9]。鋼桁梁橋常見(jiàn)的施工方法包括懸臂法、浮拖法、頂推法、轉(zhuǎn)體法等,我國(guó)幅員遼闊,氣候條件復(fù)雜,地形起伏大,受現(xiàn)場(chǎng)條件及施工技術(shù)與設(shè)備的制約,許多施工方法往往難以滿足施工需求,且不符合經(jīng)濟(jì)與環(huán)保性要求[7-11]。支架拼裝施工法對(duì)機(jī)械設(shè)備和地形條件要求較低,在80m以下跨徑的中小型橋梁施工中應(yīng)用極為廣泛[12-13]?，F(xiàn)有的研究大多關(guān)注支架拼裝施工的施工設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等方面的內(nèi)容,而鋼桁梁以鋼材為主要原材料,其制作與施工的質(zhì)量控制對(duì)耐久性影響極大,尤其在環(huán)境腐蝕、疲勞應(yīng)力、荷載效應(yīng)、應(yīng)力集中等聯(lián)合作用下,原材料與加工過(guò)程導(dǎo)致的初始缺陷會(huì)進(jìn)一步加速鋼材的劣化進(jìn)程,導(dǎo)致鋼桁梁出現(xiàn)銹蝕、開(kāi)裂等問(wèn)題,嚴(yán)重降低了鋼桁梁橋的使用壽命與服役能力[10-14]。因此,以我國(guó)西北地區(qū)某公路改造段跨越主線的鋼桁梁橋支架拼裝施工為例,研究鋼桁梁橋的結(jié)構(gòu)與施工質(zhì)量控制措施,以期降低初始缺陷對(duì)鋼桁梁橋工作性能的影響,進(jìn)而提高橋梁耐久性。

1 鋼桁架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目為我國(guó)西北地區(qū)某公路改造段跨越主線的橋梁,橋址區(qū)總體地勢(shì)較為開(kāi)闊,地形起伏較小,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,氣溫變化較劇烈。根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果,橋址處地層巖性主要為風(fēng)積粉砂層與薩拉烏蘇黃土層。風(fēng)積粉砂層分布于沖溝及坡面上,整體呈淺黃色,松散—稍密,砂質(zhì)較均勻,以石英、長(zhǎng)石為主,含土量10%,揭露厚度為3.2～10.5m。橋址區(qū)地震峰值加速度為015g,地震反應(yīng)譜特征周期為0.45s。橋址區(qū)無(wú)不良地質(zhì)發(fā)育,特殊性巖土為濕陷性黃土。

綜合考慮橋址地質(zhì)條件及施工經(jīng)濟(jì)性,全橋分三聯(lián)設(shè)計(jì),橋跨布置為13m+71.08m+13m,上部結(jié)構(gòu)第一、三聯(lián)采用預(yù)應(yīng)力混凝土后張空心板,第二聯(lián)采用鋼桁梁。荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí),橋面寬度為0.5×(2 +11)m。鋼桁梁橫斷面寬14.8m,高5.95m,由上下弦桿、腹桿、橫梁組成,鋼桁梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼桁梁結(jié)構(gòu)圖

鋼桁梁的主梁為不帶豎桿的華倫式桁架,由兩片主桁組成,主桁間距13.9m,桁高5m,斜腹桿與橋面夾角為53°。上弦桿總長(zhǎng)67m,采用直徑1.0m的等直徑鋼管,距端頭0～155m段壁厚為18mm,中間段壁厚為24mm。下弦桿總長(zhǎng)71m,采用等高度鋼箱斷面,梁高0.9m,寬0.9m,距端頭0～215m段下弦桿頂板、底板、腹板厚度均為26mm,中間段下弦桿頂板、底板、腹板厚度均為30mm。端橫梁為等高度鋼箱斷面,中橫梁為工字?jǐn)嗝?垂直于下弦桿布設(shè),中心間距為4m。

1.2 原材料的質(zhì)量控制

項(xiàng)目所用鋼材均為新購(gòu)材料,鋼板和型鋼的材質(zhì)與規(guī)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行采購(gòu)。項(xiàng)目所用鋼材質(zhì)量控制指標(biāo)如表1所示。

表1 鋼材質(zhì)量控制指標(biāo)

如表1所示,對(duì)所用鋼材進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)和V型沖擊試驗(yàn)鑒定其原材料質(zhì)量。項(xiàng)目所用鋼材應(yīng)成批驗(yàn)收,每個(gè)驗(yàn)收批次的鋼材由同一規(guī)格、同一軋制工藝的材料組成,力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果須符合表1所示的質(zhì)量控制指標(biāo),降低由原材料導(dǎo)致的初始缺陷對(duì)鋼桁架施工過(guò)程與服役性能的影響。

焊接材料的種類和型號(hào)根據(jù)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果確定,焊接材料除進(jìn)廠時(shí)必須有生產(chǎn)廠家的出廠質(zhì)量證明外,并應(yīng)按現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)驗(yàn),做好復(fù)驗(yàn)檢查記錄。涂裝材料的選取依據(jù)橋梁實(shí)際服役環(huán)境,并參考《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》(JT/T 722—2008)規(guī)定的腐蝕環(huán)境與涂裝配套體系,選定對(duì)應(yīng)的防腐涂裝材料,涂裝材料經(jīng)檢測(cè)單位檢測(cè)合格后才能使用。所有材料應(yīng)妥善存放,避免積水積塵,防止腐蝕。

1.3 焊接工藝的質(zhì)量控制

焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)是編制焊接工藝的依據(jù),與鋼桁架的制作、施工焊接工序等有關(guān),應(yīng)充分考慮焊接的方法、材料、坡口形式、焊接參數(shù)、后熱措施等。焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

項(xiàng)目主要采用埋弧自動(dòng)焊的方式進(jìn)行構(gòu)件的焊接,對(duì)于構(gòu)件的表面缺陷修補(bǔ)及埋弧自動(dòng)焊操作難度大的位置,采用CO2半自動(dòng)焊、焊條手工電弧焊。依據(jù)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 81—2002)、《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661—2011)等,得到各焊接方式的焊接參數(shù),如表2所示。

表2 焊接參數(shù)

鋼桁架桿件焊接與拼裝時(shí),依據(jù)材料及焊接位置選擇對(duì)應(yīng)的焊接方式,并嚴(yán)格依據(jù)表2所示的焊接參數(shù)進(jìn)行操作,確保焊接質(zhì)量滿足施工與服役需求,并符合規(guī)范要求。

1.4 防腐涂裝的質(zhì)量控制

鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝是保護(hù)鋼材免受外界介質(zhì)與荷載聯(lián)合腐蝕作用的有效手段之一,為鋼桁梁設(shè)計(jì)的重要工序。根據(jù)《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》(JT/T 722—2008),并結(jié)合本項(xiàng)目鋼桁架橋的實(shí)際服役環(huán)境,設(shè)計(jì)鋼桁架外表面的涂裝體系為環(huán)氧富鋅底漆(60μm)1道+環(huán)氧云鐵中涂(140μm)2道+氟碳面漆(80μm)2道的組合形式,總干膜厚度>280μm。對(duì)應(yīng)規(guī)范的C3腐蝕環(huán)境,最大壽命為25a。鋼桁架橋的防腐涂裝工藝設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 鋼桁架橋防腐涂裝工藝設(shè)計(jì)

其中,取樣試件從2m2到10m2的鋼材中得到,以反映主要鋼構(gòu)件的力學(xué)性能與材料狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)噴涂采用高壓無(wú)氣噴涂方式,噴槍與基材距離300mm,環(huán)境濕度<80%,鋼板表面溫度高于露點(diǎn)3℃以上,噴涂后外觀平整、光滑、均勻成膜,保證涂裝質(zhì)量滿足JT/T 722—2008的規(guī)定,確保涂裝對(duì)鋼桁架的防護(hù)能力。

1.5 加工工藝的質(zhì)量控制

依據(jù)項(xiàng)目鋼桁梁的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及加工方案,并結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50205—2020)、《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD 64—2015)等規(guī)范的相關(guān)規(guī)定,得到項(xiàng)目鋼桁架的弦桿制造精度要求,如表3所示。

表3 弦桿加工精度(mm)

由于下弦桿采用等高度鋼箱斷面,包含下弦桿頂板、底板、腹板等零部件,且頂板和底板均按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),因此對(duì)下弦桿的腹板及加勁板的加工精度進(jìn)行專門的設(shè)計(jì),下弦桿腹板及加勁板對(duì)應(yīng)的加工精度如表4所示。

上弦桿和腹桿下料完成后使用專用模壓設(shè)備加工成半圓,焊接采用專用埋弧焊機(jī)進(jìn)行對(duì)接焊接。上弦桿焊接后進(jìn)行定位加工相貫線,采用相貫線切割機(jī)進(jìn)行切割,而后在對(duì)接端使用鋼管坡口機(jī)進(jìn)行坡口加工處理。腹桿焊接完成后使用鋸床進(jìn)行斜接頭加工,并使用鋼管坡口機(jī)對(duì)腹桿加工坡口。下弦桿頂板、底板、腹板及加勁肋的組裝通過(guò)PBL開(kāi)孔板實(shí)現(xiàn)。下弦桿加工時(shí),在底板上依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)赑BL開(kāi)孔板上確定加勁板的焊接位置,而后焊接下弦桿加勁板、PBL開(kāi)孔板并進(jìn)行校正,完成下弦桿的組裝焊接。

根據(jù)本橋鋼桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工條件,鋼桁架加工方案采取“零件下料—零件制作—桿件焊接—胎架預(yù)拼裝—涂裝—運(yùn)輸”的總體工藝流程進(jìn)行加工制作,加工流程圖如圖4所示。

圖4 鋼桁架加工流程圖

基于圖4所示的鋼桁架加工流程,嚴(yán)格控制各流程的加工質(zhì)量,確保鋼桁架的產(chǎn)品質(zhì)量,為鋼桁梁的施工質(zhì)量提供保障。

2 鋼桁梁支架法施工質(zhì)量控制

2.1 支架搭設(shè)及預(yù)壓

項(xiàng)目鋼桁梁支架自上而下分別為砂筒、柱頂分配梁、鋼管柱、聯(lián)結(jié)系、擴(kuò)大基礎(chǔ)。砂筒為拼裝完成后支架拆除時(shí)的卸落裝置。柱頂分配梁采用2HN600×200型鋼,通過(guò)加勁板焊接固定在管柱頂。鋼管柱采用φ529×8mm鋼管,鋼管柱支撐于擴(kuò)大基礎(chǔ)上。聯(lián)結(jié)系弦桿采用2[16型鋼對(duì)扣焊接,腹桿采用2[12.6型鋼對(duì)扣焊接,通過(guò)加勁板與鋼管柱連接。拼裝支架的檢查項(xiàng)目與允許偏差如表5所示。

表5 拼裝支架的檢查項(xiàng)目與允許偏差(mm)

支架投入使用之前的預(yù)壓工作可以有效消除非彈性變形和地基的壓縮沉降對(duì)其承載力和穩(wěn)定性的影響,本項(xiàng)目采用砂袋作為壓重物,預(yù)壓荷載為最大施工荷載的1.2倍,按總荷載的50%、120%均勻、對(duì)稱、分級(jí)加載,加載位置和順序與施工保持一致。

為進(jìn)一步確定支架預(yù)壓后各測(cè)點(diǎn)的變形情況,定義加載的初始標(biāo)高為H1,加載后的標(biāo)高為H2,卸載前各點(diǎn)的標(biāo)高為H3,卸載后的標(biāo)高為H4,則非彈性變形εp為:

εp=H1-H4

(1)

對(duì)比式(1)所述的非彈性變形εp值與支架驗(yàn)算報(bào)告的模擬值,若εp小于模擬值,則認(rèn)為預(yù)壓之后非彈性變形已經(jīng)消除。

彈性變形εe為:

εe=H4-H3

(2)

根據(jù)式(2)所述的彈性變形值εe,可以設(shè)置砂箱高度,使支架變形完成之后的梁體線形滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 鋼桁架的吊裝與拼裝

鋼桁架吊裝順序?yàn)橄孪覘U、橫梁、上弦桿臨時(shí)支架、上弦桿、腹桿。下弦桿焊接2個(gè)20mm厚的鋼板吊耳,焊接于鋼箱上口中軸線處,間距8m,吊耳兩側(cè)設(shè)置橫向加勁板。起吊采用φ28mm雙繩起吊,緩慢起勾、旋轉(zhuǎn)大臂至對(duì)應(yīng)位置,落在砂箱上部,軸線誤差≤5mm。單個(gè)節(jié)段完成后,對(duì)應(yīng)吊裝另外一側(cè)相同節(jié)段,兩側(cè)交替向前安裝。其中,端橫梁與下弦桿焊接連接,中橫梁與下弦桿采用M30高強(qiáng)螺栓連接。

節(jié)段拼裝時(shí),上弦桿吊裝前采用16號(hào)槽鋼分節(jié)段搭設(shè)吊裝支架,槽鋼底部焊接于下弦桿及橫梁上,在鋼管上部焊接吊耳,采用鋼絲繩卡環(huán)吊裝,落于槽鋼支撐架上,并用千斤頂進(jìn)行標(biāo)高調(diào)整。上下弦桿節(jié)段間采用鋼連接板臨時(shí)固定,腹桿采用2.5×104kg汽車吊進(jìn)行吊裝定位,定位時(shí)事先采用腋板確定吊裝位置,腋板與上下構(gòu)件點(diǎn)固焊接。采用手拉葫蘆調(diào)整腹桿角度位置,緩慢精準(zhǔn)定位,安裝到位后進(jìn)行點(diǎn)固焊接。節(jié)段拼裝時(shí)不同位置的精度要求如表6所示。

表6 鋼桁梁節(jié)段拼裝精度要求(mm)

落梁平面位置、高程檢測(cè)無(wú)誤后,在梁段兩端采用腳手架搭設(shè)臨時(shí)支撐,待另一側(cè)吊裝到位后,采用型鋼支架將上弦桿進(jìn)行固定,防止傾覆。

2.3 上、下弦桿內(nèi)混凝土施工

混凝土澆筑采用泵送壓注法,澆筑前檢查拱腳已固結(jié)的鋼管拱肋的焊接質(zhì)量、幾何尺寸、高程、軸線位置。混凝土澆筑施工時(shí)的環(huán)境溫度應(yīng)>5～<30℃,施工氣溫>30℃后,采取措施降低弦桿溫度,以保證混凝土水化熱的釋放。管內(nèi)混凝土除滿足強(qiáng)度要求外,應(yīng)具有低泡、高流動(dòng)性、低收縮、緩凝、早強(qiáng)、坍落度衰減慢等性能。混凝土配合比通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選。當(dāng)已澆筑的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上時(shí),方可進(jìn)行下一批混凝土的澆筑施工。上下弦桿混凝土實(shí)測(cè)項(xiàng)目如表7所示。

表7 弦桿內(nèi)混凝土澆筑實(shí)測(cè)項(xiàng)目

當(dāng)端橫梁、上下弦桿混凝土澆筑完成且強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)值的80%后,用2.5×104kg汽車吊配合人工切割拆除支架。拆除順序?yàn)槎枕斏跋湫遁d、拆除墩頂橫梁、鋼管柱分節(jié)拆除。臨時(shí)支墩支架拆除順序原則上按照先裝后拆、后裝先拆的順序進(jìn)行,拆除切割作業(yè)前,吊車站位,并對(duì)擬拆除件進(jìn)行預(yù)吊,鋼絲繩拉緊并輕微受力,之后按3～6m分段切割,由吊車起吊至存放區(qū)。

3 結(jié)論

以我國(guó)西北地區(qū)某公路改造段跨越主線的鋼桁梁橋支架拼裝施工為例,研究了鋼桁梁橋的質(zhì)量控制措施,研究結(jié)論包括:

(1)結(jié)合規(guī)范要求與施工條件,從原材料、焊接工藝、防腐涂裝、加工工藝四個(gè)方面分析鋼桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制措施與指標(biāo);為確保焊接加工質(zhì)量,通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)確定埋弧自動(dòng)焊、CO2半自動(dòng)焊及手工電弧焊的關(guān)鍵焊接參數(shù)。

(2)為提高鋼桁架結(jié)構(gòu)的耐久性,基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的分析,選定滿足規(guī)范要求的長(zhǎng)效型鋼桁梁外表面防腐涂裝體系;結(jié)合設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及加工方案,總結(jié)上弦桿、腹桿、下弦桿的加工工藝質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)設(shè)計(jì)鋼桁架的標(biāo)準(zhǔn)化分步加工流程,確保鋼桁架加工質(zhì)量。

(3)通過(guò)分析鋼桁梁支架法拼裝施工過(guò)程,討論支架搭設(shè)及預(yù)壓時(shí)的施工細(xì)節(jié)與質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),歸納鋼桁架的吊裝與拼裝、弦桿內(nèi)混凝土施工對(duì)應(yīng)的質(zhì)量保證措施。