高架桥钢箱梁构造及制造工艺探讨

2022-02-11谭敏刚

山西建筑 2022年3期

谭敏刚

(中铁宝桥集团有限公司，陕西宝鸡 721006)

1 概述

1987年广州建成了中国内地第一座城市高架桥——人民路高架桥。此后，随着改革开放的持续深入，我国城市建设得到了高速发展，城市人口规模及车辆大幅增长，人们对交通状况的改善需求越来越高，因此，高架桥在许多城市快捷通道中承担着重要作用。钢箱梁因具有自重较轻、材质均匀，易于工厂化制造，施工周期短，易于维修，便于加固改造和回收利用等优点，已广泛应用于城市高架桥梁建设中(见图1)。

2 高架桥钢箱梁结构特点及施工难点

1)跨径小(一般为20 m～50 m)，单体工程量较小，项目较为分散，施工组织难度大。

2)梁高较小，一般梁高为1.2 m～2.0 m，内部作业空间小，箱内操作困难。

3)截面形式多样。高架桥钢箱梁一般采用单箱室、两箱室、三箱室等多种构造，加之受线路影响，钢箱梁平面常有曲线或变宽设计，导致钢箱梁制造、安装精度控制难度较大。

4)桥址多位于市区，现场施工受交通、场地、周围建筑物等影响较大，给安全和质量管控带来了一定的难度。

3 总体施工方案设计

应结合项目所处环境及结构特点，分析运输、制造、安装环节的难点，综合工期、经济、资源等因素，选择一种合理的施工方案，是确保桥梁优质高效完成的关键。

1)对于具备钢箱梁节段运输条件的项目，宜采用“厂内单元件制作→节段制作→运输→桥位安装”的施工流程，此方案投入小，质量有保证。

2)对于不具备钢箱梁节段运输条件，但现场具备建设总拼及涂装厂房条件的项目，可采用“厂内单元件制作→运输→节段制作→桥位安装”的施工流程，此方案虽投入较大，但质量有保证。

3)对于不具备钢箱梁节段运输条件，且现场不具备建设总拼及涂装厂房条件的项目，宜采用“厂内单元件制作→块体制作→运输→桥位安装”的施工流程(见图2)，目前多数钢箱梁高架桥采用此方案。此方案投入较小，但制造及安装质量控制难度较大。

4 高架桥钢箱梁常见问题及原因分析

高架桥钢箱梁在运营过程中，也发现一些钢箱梁项目由于设计、施工等原因造成桥梁特定部位耐久性差，工程质量打折扣的问题[1]。

4.1 钢桥面板的疲劳病害

钢桥面板产生疲劳裂纹的原因分为外因和内因，外因就是反复作用的汽车活载，特别是超载车辆,内因就是构造细节本身(包括制造因素的影响),外因和内因的共同作用使得其在特定构造细节处产生较大的循环应力集中，从而萌生裂纹[2-4]。其疲劳破坏主要部位如图3所示。

4.2 内部锈蚀

锈蚀使钢箱梁截面削弱，产生病坑、缺陷和裂纹，裂纹扩展，引起寿命降低甚至断裂，对钢箱梁安全性产生影响[5]。钢箱梁内部出现锈蚀的主要原因如下：

1)箱梁内部缺少排水细节设计，施工过程中的箱内积水无法排除干净(见图4(a));

2)钢箱梁外露孔洞细节处理不合理，在运营期间出现箱内积水现象(见图4(b));

3)制造过程中未能严格执行施工工艺，涂装质量较差(见图4(c));

4)钢箱梁内涂装体系与梁外涂装体系不同，箱内涂装体系适用于相对封闭的环境，但是一些项目在钢箱梁制作完成后存放时间过长，在阳光、雨、雪等作用下造成钢箱梁内部涂层劣化(见图4(d))，涂层防腐机能下降。

5 构造细节优化

5.1 桥面板抗疲劳设计

1)桥面板行车道顶板板厚不应小于14 mm，人行道部分顶板板厚不应小于10 mm[6]，在工程实例中，行车道顶板厚度多采用16 mm。同时，还应注意确定合理的板厚允许偏差，以避免实际板厚偏差对设计安全冗余度的影响。

同一厚度钢板，当采用不同宽度及厚度允许偏差时，实际板厚与理论值偏差很大，如表1所示。

2)桥面板加劲肋合理选择。

钢箱梁加劲肋一般采用U肋、T肋、板肋三种形式，其中，采用U肋的正交异性板承载力最强、应用最广泛。高架桥钢箱梁加劲肋设计一般按以下三点原则：

a.平面线形为直线的钢箱梁，应选用U肋作为主要加劲形式。

b.平面线形为曲线钢箱梁设计中，应选用板肋作为主要加劲形式；若选用U肋，则会因曲线矢高影响组装精度及焊接质量。

c.不宜选用T肋作为钢箱梁主要加劲形式。一般采用T肋的钢箱梁，盖板宽度约为100 mm，T肋腹板高度约为156 mm，制造过程中主要存在以下难点：

T肋焊接后盖板会发生向内变形，因T肋盖、腹板尺寸小，机械矫正变形效果不佳。

T肋在板单元制作时因焊接变形影响，T肋腹板与面板的垂直度不易保证，T肋嵌补段组装后与两端连接的T肋会出现错台现象；因T肋高度较小，一般设计T肋间距为300 mm，现场T肋嵌补段焊接操作空间小，且存在操作盲区，因此,在T肋嵌补段角部位置焊接质量不易保证(见图5)。

3)钢箱梁横向加劲肋间距及挠跨比应满足下列要求：

a.对于闭口纵向加劲肋，横向加劲肋或横隔板的间距不宜大于4 m。

b.对于开口纵向加劲肋，横向加劲肋或横隔板的间距不宜大于3 m。

c.桥面板的挠跨比(如图6所示)应不大于1/700。

5.2 箱内防腐设计

1)应考虑设置箱内排水设计。

结合钢箱梁纵向及横向坡度特点，在每个墩顶段内侧底板处应置设排水管，通过中腹板、隔板及加劲肋等过焊孔将雨水导流、排出，待施工结束可封堵排水管(如图7所示)。

2)对钢箱梁外露过焊孔、管线孔等需设计合理的封堵措施，避免雨水进入。

3)应根据环境及施工特点，选用合理、可靠的涂装体系。对于采用分块制作、安装周期较长的项目，钢箱梁内表面涂装体系应考虑增设抗劣化性较好的面漆层。

6 制造工艺及质量控制分析

提高钢箱梁耐久性、降低桥面疲劳及内部锈蚀病害出现的概率及频率，需从以下三方面重点控制：

1)选择合理的分块设计及总拼方案。

2)尽可能采用机械化、自动化设备，避免人工操作受技能、环境等因素影响。

3)注重过程质量控制及细节处理。

6.1 分块设计及总拼方案

由于钢箱梁高架桥多位于市区，运输受限、现场场地狭小，一般采用“厂内单元件制作→块体制作→运输→桥位安装”施工组织模式，因此，合理选择此类项目的分块设计、总拼方案对总体质量控制而言极为重要。

6.1.1 分块设计

对于运输受限的钢箱梁分块应遵循以下原则：

1)结合运输车辆及超限运输的要求，一般钢箱梁单个运输块体高度应小于3.5 m、宽度应小于3.75 m、长度应小于18 m、质量应小于40 t。

2)钢箱梁平面分块宜采用纵、横结合的方式，即：在一跨内墩顶位置钢箱梁采用横向分块，其余钢箱梁采用纵向分块(见图8(a))，以提高安装匹配精度。

3)钢箱梁立面节段划分宜采用搭接错缝设计，即：节段间顶板应错开腹板150 mm～200 mm、腹板应错开底板150 mm～200 mm(见图8(b))，以保证安装作业的精度及安全。

4)对采用纵向分块的钢箱梁横截面亦宜采用搭接错缝设计，即：块体的顶板错开隔板100 mm～150 mm、隔板应错开底板100 mm～150 mm(见图8(c))。

6.1.2 总拼方案

钢箱梁宜采用“倒装法”进行总拼作业，“倒装法”总拼工艺流程如图9所示。

采用“倒装法”总拼作业具有以下优点：

1)总拼胎架制作简单，有利于控制制造线形，提高钢箱梁各块体间的匹配精度。

2)可保证顶板与隔板、U肋与隔板的组装间隙，而且使得这些部位的焊接作业处于平位，降低焊接作业难度，对于防止疲劳开裂具有重要意义。

6.2 制造质量控制要点

6.2.1 零件下料、加工

1)下料前应对钢板进行辊平及预处理，以释放钢板轧制应力，提高构件临时防腐能力。

2)下料应选用门式或数控切割设备，切割过程中注意控制行走速度及相关气体压力，主要零件切割面表面粗糙度不大于25 μm[8]。

3)对U肋等组装精度要求高的零件，应对其边缘及坡口进行机加工。

4)对变形超差的零件需进行矫正，方可进入下一道工序。

6.2.2 板单元

1)组装应在平台上进行，对组装位置打磨后方可进行划线作业(见图10)，划线偏差应小于0.5 mm。

2)板单元宜采用机械化或自动化设备进行组装、焊接(如图11，图12所示)，其中，顶、底板单元纵肋组装间隙应小于0.5 mm。

6.2.3 总拼施工

1)胎架制作完成后需对轴线、平面线形、拱度等全面检测，其中，牙板顶端与拱度偏差应小于1.0 mm(见图13)。

2)隔板定位需检测纵、横向及垂直度偏差，合格后对其支撑固定(见图14)。

3)总拼作业应采用分步“阶梯式”进行，并遵循“先内后外、先下后上、由中心向两边”的原则施焊(见图15)。

4)预拼装作业主要项点要求如表2所示。

表2 预拼装允许偏差 mm

6.2.4 涂装

1)打砂施工前应对箱内外杂物清理，油污必须清除干净，并对焊缝外观进行检查、修整。2)箱内尽可能采用喷砂除锈，并使用真空吸尘器或无油、无水的压缩空气，清除构件内外表面灰尘及残砂。3)钢结构表面清理后宜在4 h内完成涂装，不应在相对湿度80%以上，雨天或风沙环境施工。4)对于钢箱梁隐蔽部位或不易施工部位可采用机械除锈，并预涂装。