高速公路钢箱梁制作及安装关键技术研究

王霄雄

(中国铁建昆仑投资集团,四川 成都 610040)

1 高速公路钢箱梁加工制作设计

1.1 工区概况

黄桥枢纽互通B匝道桥15#(BK0+883.408)～18#(BK1+037.408)墩为(42+70+42)m钢混组合梁上跨渝荣高速公路;线路平面位于曲线半径R=500 m的左偏圆曲线上,桥面横坡为4%;线路纵断面位于半径R=11 000 m的凸型竖曲线上。主桥与渝荣高速公路斜交,交角为38°。制作时按设计节段划分,吊装时现场地面拼接为吊装节段;制作节段划分为17×2个节段,横联梁42件,合计共76个主要构件;最长及最重段规格为10 m×1.4×2.8 m重约14.3 t。匝道共分为17×2个节段,横联梁42件,合计共76个主要构件,最重节段约26.1 t。施工区域地下及空中均无管线。

1.2 加工制造方案

工程钢箱梁的制造包括三个阶段:首先是工厂单元构件制造,其次是在胎架上匹配组装,并对箱梁节段进行焊接,最后是在工地现场的配合下安装箱梁节段,并焊接各个箱体[3]。根据工程的箱梁结构特点,需要对公司的资源及运输等影响因素予以充分的考虑,确定本钢桥在重庆永川制造基地生产,现场跨渝蓉高速路钢箱梁采用多点步履式顶推及非跨高速采用原位吊装进行安装,即在公司车间内完成单元构件制作;预拼在公司总拼胎架区完成;现场地面拼接吊装节段;在支架上节段吊装焊接完成步履顶推+非跨高速原位吊装就位后完成。

钢箱梁纵向、横向分段必须符合设计和相关规范要求,横向环缝底板与腹板为高强螺栓连接,面板为现场焊接。小箱梁划分单元构件时,直线连接纵横向分段交点,采用以直代曲的方式,使中间的小箱梁构件单元均为直线形,所有的纵向焊缝均为直线[4]。

1.3 结构形式及加工工艺

(1)根据本项目总体施工方案及结构特点,将该桥钢箱梁制作分为单元构件制作、节段匹配制造、钢箱梁工地安装高强螺栓连接及焊接三个阶段[5]。小箱梁构件单元由顶板单元、底板单元、腹板单元、隔板单元等五个单元组成;桥梁由小箱梁+横梁+顶模板组成。(2)结合大型钢箱梁制造的经验,本桥钢箱梁制造拟采用“钢板→板单元→块体单元(或部件)→钢箱梁总拼→桥位连接”的方式生产,即在钢结构车间内生产零件、构件单元及部件,在总拼场地(厂房)组焊钢箱梁、多段连续匹配预拼装,桥位将梁段逐节吊装、步履顶推连接成整体[6]。(3)钢板赶平及零部件下料[7]。①在钢板大型零件下料之后,同时在除锈之前通过板材矫正机赶平,确保单元的平面度。接着通过磁力吊进行上下料配合工作,防止钢板发生局部变形。②零件放料必须进行号料,手工放样的宽度、长度、曲线样板上任意点、对角线的允许偏差分别为+0.5 mm、-1.0 mm、1.0 mm、±1.0 mm;计算机放样的宽度、曲线样板上任意点、长度的允许偏差分别为±0.5 mm、1.0 mm、±0.5 mm。(4)板单元制作关键的工艺技术主要包括五类,一是数控精确下料,二是赶平及预处理,三是防止变形焊接方法,四是尺寸控制;五是CO2焊接技术。(5)横隔板制造精度关系到梁段的尺寸和箱口间的匹配度,需要在横隔板上下将顶板I形肋和底板I形肋直接插入。其中,先试制不同厚度的横隔板,进而了解焊接和修整收缩量各个步骤,之后再进行批量生产[8]。

2 涂装方案及工艺

根据工程的设计标准,钢板预处理采用钢板预处理线抛丸除锈,除锈等级Sa2.5级,粗糙度Rz40～80 μm,喷涂无机硅酸锌车间底漆一道20 μm,涂装工艺流程见图1。钢箱梁及附属设施均在厂内完成除焊缝部位外的所有内、外表面的涂装[9];焊缝接头部位两侧50 mm范围内不涂装,底漆、中间漆和面漆涂层的边缘分别错开50 mm形成渐进式遮盖,待焊接完毕后再进行补涂;最后一道面漆涂装工艺。

图1 钢箱梁涂装工艺流程

工程在正式涂装施工前,由施工单位进行专项涂装工艺试验,监理和油漆供应商应全过程跟踪监督涂装工艺试验过程及质量检验[10]。涂装工艺试验合格,并经监理工程师签字认可后方可开始涂装施工。当涂装施工的主要人员或关键设备进行更换时,应重新进行工艺试验。表面准备:构件外露边须磨成半径为2 mm左右的圆弧,表面缺陷须修补并磨平。在二次除锈前必须对钢结构件表面进行清理,包括去除油污、可溶性盐份(如Cl<0.7 μg/cm2可不清除)、粉尘及其他附着物。喷砂除锈时,喷砂磨料必须清洁、干燥;金属磨料符合GB/T18838(ISO11124),非金属磨料符合GB/T17850(SO11126)的要求。喷涂工艺参数,如表1所示。

表1 喷涂工艺参数

工程依据现行的国家标准对防腐涂层材料的质量进行检测,并在使用之前提供检验报告材料。(1)防腐材料必须要确保防腐的效果,由于不同的厂家提供的材料具有不同的工艺兼容性,因此需要由同一个厂家提供相同位置油漆的底、中、面材料。(2)防腐材料必须具有较高的知名度和品牌度,并且在以往的大型工程中具有较好的应用业绩。(3)本次工程的钢结构主要应用了氟碳面漆的长效防腐体系。为了再次确保涂装质量,在工程中还需要严重控制涂装材料和工艺流程。综合以上分析,工程在喷涂防锈材料之前,必须将梁段表面进行清理,对锈蚀的表面进行除锈处理,做好焊缝的打磨工作,保证焊缝的平滑度,使防锈层喷涂的均匀且与梁体连接可靠。配合精密测量仪器对涂层进行检测,确保涂层厚度满足规范要求。

3 高速公路钢箱梁现场安装关键技术

3.1 顶推支架布置

为了方便钢箱梁的架设和安装,需要在施工现场搭设临时承重支架。根据前期的地质勘测结果,本工程在整平地面后,根据现场及多方面实际进度情况,采用中间80 m(设计节段为:5～13段)+17 m导梁顶推一段距离吊装一段箱梁吊装节段;顶推完成后原位吊装(15～16轴、17～18轴)(设计节段为:1～4段、14～17段)。顶推采用步履式多点顶推方案,步进距离0.4～0.5 m。顶推过程中需对梁体受力状态进行控制,对梁体应力状态进行监控,防止梁体受力不均匀的发生。监控采用在梁体内表面安装反光片,随时测量扰度与理论计算数值进行比较,以确定梁体应力状态是否安全。

顶推支架是由立柱钢管φ426×10和柱间支撑槽钢16#a焊接而成,顶部采用工字钢36#a三拼焊接而成。拼装支架由立柱钢管φ426×10与柱间支撑槽钢16#a焊接而成,顶部采用工字钢36#a双拼焊接而成。

3.2 吊装工艺

(1)钢箱梁的安装。在支撑体系安装到位后,钢箱梁节段以支撑体系上的纵横向控制点为定位基准安装。项目中钢箱梁为纵向分段,应先横向定位安装,在纵向推进,安装时应根据各个箱段的重量、定位要求、方便吊机站位、利于交通疏导等多种因素制订钢箱梁的详细架设方案后才能开始钢箱梁的安装。钢箱梁采取顺吊方案,每个节段的主体的横向分段吊装、找正、调整完后再进行下一节段的安装。(2)箱梁安装测量控制。钢箱梁安装到位后需再次进行测量以确保钢箱梁线形准确无误,如有偏差需安装调整直至符合设计要求。钢箱梁的测量点一般取支座处和跨中各段箱梁上沿中间里程线和两侧外腹板上布置的径向3个点,直线段钢箱梁纵向每12～16取一个测量点,曲线梁每5 m设测量点,视钢箱梁桥的结构特点而定。(3)钢箱梁现场栓接。现场钢箱梁栓接内容主要为各节段间的横向环缝及箱梁之间横梁。

吊车就位后,两幅双向封闭,施工完成后,双向正常运。梁段停在中间隔离带附近,2台300 t汽车吊抬吊,此工况下300 t汽车吊最大回转半径为13 m,最大起重量为57 t。为了保证施工进度,跨高速公路段的钢箱梁,采用左右两侧同时进行的方式。其中,左、右侧的底板、横隔板、顶板等按照顺序依次完成拼装和焊接。焊接后检查强度达标之后,再进行下一道工序。出于安全考虑,在钢箱梁底部分别设有猫道和挂篮,防止高空作业有坠物掉落而影响地面人员及车辆的安全。

3.3 现场施工作业

由于桥梁为跨越既有线高速公路禁止封闭,不能采用传统方案汽车吊施工,桥梁设计为在既有高速路的外侧采用箱梁节段运输至现场整体拼装,拼装施工后,然后采用顶推将梁体顶推至设计位置。工程应用了步履式多点顶推技术,该技术可在顶推过程中调节梁体应力,使得桥墩水平反力得到降低。其中,步进距离0.4～0.5 m,顶推过程中要严格控制梁体受力和梁体应力状态,避免梁体受力不均。监控采用在梁体内表面安装反光片,随时测量扰度与理论计算数值进行比较,以确定梁体应力状态是否安全。

临时支架分为拼装支架和顶推支架(顶推支架兼做拼装支架),共包含10组支架,其中2#3#4#5#7#8#组为顶推支架,1～68～10#组为拼装支架。顶推支架是由立柱钢管φ426×10和柱间支撑槽钢16#a焊接而成,顶部采用工字钢36#a三拼焊接而成。拼装支架由立柱钢管φ426×10与柱间支撑槽钢16#a焊接而成,顶部采用工字钢36#a双拼焊接而成。临时支架的安装步骤为:(1)在钢梁吊装前,支架应该安装到位。(2)临时支架要先对下部承台进行浇筑,再进行工字钢的安装焊接工作,接着调平钢管,安装过程需要25 t汽车吊配合。(3)安装支架之前,需要在地面对支墩定位点进行标识,之后在工字钢顶部上标注钢梁安装就位和标高控制点。(4)观察现场路面,对地面承载力进行考察,进一步调查路面硬化、地基、坡度等情况。若地面情况较差,可通过浇筑混泥土平整作业面等方法提升支架体系的稳定性。(5)支撑体架在使用过程中要定期检查。检查工字钢的绕度、焊缝的质量、千斤顶安全可靠性,支撑体系系统的整体稳定性,并做好沉降观测记录。

4 结 论

高速公路桥梁建设中钢箱梁应用较为广泛,但其施工技术要求也较为严格,施工单位需在充分获取现场地质资料的前提下,做好钢箱梁加工方案的设计,并按照规范进行钢箱梁的安装,严格控制好结构强度及质量,以确保高速公路桥梁营运安全。在黄桥枢纽互通B匝道桥高速公路钢箱梁施工中,由于前期对施工进行了合理的规划,并且所有工作人员的协作下,对钢箱梁进行了制作和顺利安装至设计位置,最终满足了施工前制定的施工要求。该工程所采取的钢箱梁制作与安装施工工艺具有可行性,但是研究内容或许存在一些不足之处,可从中汲取经验,并灵活应用于类似的钢箱梁施工中。