钢箱梁在安装过程中的偏差补偿措施研究

罗强强

上海浦兴路桥建设工程有限公司 上海 201210

随着我国城市建设的高速发展和钢箱梁拼装、焊接及桥梁下部结构设计、制造、施工等技术的日益成熟，钢箱梁已被广泛应用于铁路、公路的建设中。钢箱梁自重轻、跨越能力大，且在制造厂内预制，能够实现工程现场的快速安装，因此，被广泛用于线形复杂、跨径大的跨线和城市立交工程中。

钢箱梁制作、安装等过程中产生的各种误差，直接影响桥梁的安装质量，并且对后续使用过程中桥梁的线形观赏性、受力均衡性以及桥梁的振动、支座、自然伸缩性能等产生质量和安全隐患。为避免问题的出现，一般仅在设计阶段对钢箱梁结构模型中的伸缩缝、预拱度、剪力滞效应等误差进行计算补偿，但在实际施工中，除设计考虑范围内的误差外，还需要对钢箱梁二次优化设计、制作、运输、安装、自重以及温度等各类因素引起的误差进行补偿。本文以上海沪南公路（康花路—上南路）道路改建工程3标为背景，通过在安装过程中的各个施工阶段采用合理的施工工艺、流程以及方法来弥补钢箱梁在施工阶段产生的偏差，最终使钢箱梁在成桥后满足设计的线形要求。

1 工程背景

上海沪南公路（康花路—上南路）道路改建工程3标段位于浦东新区沪南公路，起止桩号为K2＋529—K3＋237，本标段主线全长708 m，K2＋529—S20规划红线宽40 m，S20—K3＋237规划红线宽50 m，道路断面形式为双向6快2慢。

沪南公路跨线桥共十四跨，墩号25#—26#为27.5 m小箱梁，墩号26#—27#为50 m钢混叠合梁，墩号27#—35#为8跨29 m小箱梁，墩号35#—39#为4跨连续钢箱梁。跨线桥面积总共12 250 m2。其中跨S20外环线钢箱梁桥宽度为17.5 m，跨S20外环线连续梁跨径布置为（80.0＋120.0＋110.0＋80.5）m，梁高4.0～8.0 m。本钢箱梁结构形式为单箱四室等截面，两侧挑翼下部开口。

2 安装过程中的补偿措施

2.1 伸缩缝对温度的补偿

目前，桥梁伸缩缝的破坏成为高等级公路桥梁的一大病害，如：广深高速公路通车仅几个月，就开始更换维修所有桥梁的伸缩缝，极大地影响了该高速公路的正常使用；深圳市梅林—观澜高速公路通车不到1 a，伸缩缝就遭到不同程度的破坏，面临着更换和维修的难题，其在安装时预留的伸缩缝间隙不满足桥梁有效伸缩的要求是主要原因。

在里程方向的伸缩，钢箱梁要比混凝土桥梁更加敏感，因此在钢箱梁安装时，一定要确保预留的伸缩缝达到设计要求。在安装时，首先要清楚施工图标注的伸缩缝间隙的设计温度，然后根据安装现场的实际温度计算出该温度下钢箱梁的实际伸缩缝间隙，并根据换算后的伸缩缝间隙进行钢箱梁的安装。

温度变化引起钢箱梁伸缩量的计算方法为：根据桥梁的设计使用温度范围（桥梁建造地区的最低温度及最高温度，分别用Tmin、Tmax表示）及桥梁安装时的温度Tset，计算钢梁的伸长量和收缩量，最终确定伸缩缝的安装宽度。钢箱梁伸缩与温度的关系见下列公式：

式中：ΔLt——温度变化引起的伸缩量；

ΔL＋——温度变化引起的伸长量；

ΔL－——温度变化引起的收缩量；

γ——钢箱梁温度膨胀系数，取12×10-6K-1；

L——桥梁长度。

本工程中120 m跨径钢箱梁的设计伸缩缝为100 mm（温度范围为－10～45 ℃），在现场温度为20 ℃时，安装伸缩缝的预留长度需要减去已经存在的温升伸长量54 mm，实际伸缩缝安装宽度仅需要45 mm即可。

2.2 焊接收缩的补偿

在钢箱梁安装现场施焊过程中，焊缝的横向收缩在整个桥梁安装过程中具有累加效应，因此在桥梁安装定位前需考虑横向对接焊缝的施焊收缩量，通过对拼接缝间隙的调整来弥补焊缝的横向收缩[1]。

焊缝的横向收缩是指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短，因此该收缩量将会影响桥梁在里程方向的安装精度。在焊接过程中，影响焊缝横向收缩的因素有很多，如材质、板厚、坡口形式、装配间隙、焊接工艺、环境温度等。为估算焊接收缩量的大小，避免复杂的计算，在实际工作中，计算对接焊缝的横向收缩量可用如下经验公式计算：

式中：Δy——焊缝的横向收缩量；

AH——焊缝的横截面积；

δ——母材板厚；

b ——装配间隙。

以往工程中大多采用增加焊接接头对缝间隙的方法来补偿焊接引起的收缩变形，装配间隙必须满足GB 50661—2011《钢结构焊接规范》中关于焊接接头的装配技术要求。

2.3 有效截面系数对剪力滞效应的补偿

箱型截面的梁在弯曲载荷作用下，由于翼缘板中平面剪应变的作用，翼缘板中的正应力将不再符合初等桥梁理论。初等梁弯曲理论是基于平面变形假定，则翼板剪应力沿宽度方向是均匀分布的。但对翼缘板较宽的箱梁，由于翼缘板剪切变形横向分布的非均匀性，导致梁弯曲时翼缘板远离腹板位置处的剪应力滞后于接近腹板位置处的纵向位移，从而造成翼缘板弯曲纵向应力沿其宽度方向不均匀的剪力滞后现象。

剪力滞效应在设计过程中已经充分考虑，在施工阶段若采用悬臂法分段安装，在施工阶段分析时一定要将每一个分段截面的有效截面系数考虑进去，确保节段施工过程中桥梁的力学性能满足悬臂要求。在利用Midas Civil等分析软件计算时，一定要对有效截面进行计算[2]。

有效截面系数的规律：有效宽度系数基本上都是宽跨比的函数，而且都随宽跨比的增大而减小；任一截面的翼缘板有效宽度系数总是小于箱室部分有效宽度系数。

需要特别强调的是，拉弯、压弯构件的弯曲应力较大时，剪力滞效应的影响较大，有效面积应该考虑剪力滞的影响。针对受弯、压构件的受拉或受压翼缘的剪力滞效应的强度校核，可参照规范中的相关规定及设计要求。

2.4 悬臂施工对桥梁预拱度的补偿

钢箱梁的悬臂施工是整个安装过程中的难点，其施工质量及对线形的预控制是桥梁安装的关键环节。

为了保证桥梁建成后，实际线形达到设计线形的要求，必须在设计、制作、施工等过程中充分考虑桥梁的预拱度。设计院给出的预拱度仅考虑一次落架以及二期恒载的作用；深化设计提供的预拱度仅仅考虑胎架制作完成下胎后的自重作用；现场采用支架法施工时可以不考虑增设施工预拱度，但若采用悬臂施工，则需考虑悬臂段的预抛高，以满足卸载后的线形要求。因此在钢箱梁加工之前，需要按照悬臂施工的方案重新计算制作预拱度。

本工程在钢箱梁施工时，将悬臂施工段的预拱度与深化设计预拱度进行叠加合并，统一放进制作过程中，这样就避免了现场安装时，顶底板拼缝间隙出现三角缝，造成焊缝的拼接间隙过大。

2.4.1 “简支-拉杆”法悬臂段精调整工艺

钢箱梁在悬臂安装过程中由于悬臂段下方没有支架，因此无法采用常规方法调整桥梁线形。针对悬臂施工特点，设计了“简支-拉杆”法悬臂施工工艺。

“简支-拉杆”悬臂段精调整工艺如下：将悬臂段钢箱梁顶、底板进行加固；在钢箱梁顶板上安装拉杆座，在钢箱梁底板上安装支撑座，其中固定端支座为悬臂的L形，悬臂端为与底板平齐的方形；待浮吊将悬臂段吊装至安装工位后，将L形支座搭接在方形支座上，采用10.9级M32 mm高强双头螺杆将悬臂侧梁段与固定侧梁段通过拉杆座进行拉结；通过调整双头螺杆的锁紧长度，实现对悬臂段线形的精确调整（图1）。

图1 悬臂段安装工装

2.4.2 悬臂施工线形控制

在悬臂施工过程中，随着悬臂的不断安装，桥梁悬臂的竖向曲线呈动态变化直至合龙段施工完毕。为确定每一个悬臂的安装姿态，采用Midas Civil软件对悬臂施工过程进行有限元分析，精确计算每一段的安装预拱度。计算方式为：制作预拱度＝悬臂施工中钢梁自重变形＋二期恒载变形＋1/2活载。

2.5 合龙段安装余量补偿

为弥补在小节段安装过程中产生的累计误差，钢箱梁合龙段需设置预留的切割余量，切割余量为0.05%～ 0.10%。在合龙段安装前，需根据合龙温度确定合龙段需要切割的长度。吊装一般选择在气温较低时进行，然后随着气温的上升，在钢结构热膨胀的原理下，合龙段同两侧间距会逐渐缩小，当达到设计尺寸时，安装定位码板，焊接锁定，完成合龙安装。

合龙段焊接顺序要严格按照焊接方案执行，总体原则是：两侧合龙口顺次进行焊接，每个合龙口先进行底板焊接，其次进行两侧腹板焊接，最后进行顶面板的焊接。通过合理的焊接顺序来控制、补偿合龙段因收缩而产生的焊接应力及焊接形变。

2.6 支座后装对累计偏差的补偿

桥梁施工的正常流程是：桩基础施工→承台扩大基础施工→立柱盖梁施工→支座垫石浇筑→支座定位安装→上部结构安装。现代桥梁施工过程中预制构件的占比越来越大，大部分城市立交都要求快速施工，地面以上均为预制结构。所有的预制件在工厂加工以及现场安装的过程中均存在不同程度的安装偏差，尤其是大跨度的钢箱梁，由于其跨度大，且在制作拼装、焊接、运输以及内部应力的交互作用下，钢箱梁在现场安装时将会产生不同程度的变形。最终在安装上部结构时，由于各工序偏差的累计叠加，导致桥面结构不能与下部结构进行有效连接，会出现支座角位移偏移、支座垫块与盖梁及钢箱梁底部垫块脱空等现象（图2）。

图2 支座与钢梁出现脱空现象

为解决上述问题，通过采用支座后装的方法来弥补上部结构与下部结构的连接冲突问题，取得了很好的效果。

具体方法是：在安装完成下部结构后，进行支座垫块的浇筑，支座垫块比设计标高低3～5 cm，将支座临时放置于设计坐标处，并进行粗定位；然后安装钢箱梁，在上部结构安装完成后，将支座托起与钢梁底面贴紧，最后进行模板支护，对支座进行二次灌浆。需要特别注意的是，支座后装法确保了桥梁的支座与钢箱梁接触密实，不会发生支座脱空现象，但在进行支座的二次灌浆时，必须选择比支座垫石高一个级别的无收缩微膨胀灌浆料进行浇筑。

3 结语

上海沪南公路（康花路—上南路）道路改建工程3标跨S20外环线钢箱梁在安装过程中的补偿措施研究与应用，已形成一套成熟的钢箱梁制作、安装误差补偿机制[3-7]。从完成的钢箱梁安装情况来看，综合补偿措施的应用满足本工程钢箱梁的安装需要，能够适用于各类钢箱梁的制作、安装，有效解决了钢箱梁制作、安装过程中产生各类误差的问题，大大提高了钢箱梁现场安装质量和效率，有效延长桥梁的使用寿命，对钢结构桥梁的安装具有重要的现实意义，可为类似桥梁工程钢箱梁的安装施工提供参考。