钢板组合梁桥中工型钢结构桥梁拱度控制方法

马元学

(甘肃省科工建设集团有限公司 ，甘肃 兰州 730300)

0 引言

随着我国钢结构桥梁行业的快速发展，一些地标性钢结构桥梁的建设在加速推进，其作为重要的交通设施，对我国的交通发展做出了重要的贡献，并且地标性钢结构桥梁也可作为重要的旅游景点，可供全国各地的游客进行旅游观光，促进区域经济的发展。钢结构桥梁材料主要为钢材，其强度高、耐腐蚀性好，在钢结构桥梁的应用中最为广泛。同时钢材的应用也符合我国低碳、绿色发展的理念，可以大幅度降低建筑垃圾的产生[1]。然而，严控钢结构桥梁技术指标一直是工程建设中的重点，比如钢板组合梁桥中工型钢结构桥梁，加工过程中就存在精度不足，拱度值为负值的问题。本文以敦当高速K177+650排沙沟大桥工型钢结构桥梁工程为例，探讨工型钢结构桥梁拱度的控制方法。

1 工程概况

敦煌至当金山口高速公路项目路线起于敦煌北吕家堡杨家梁村，与柳格公路瓜州至敦煌段顺接，途经敦煌西七里镇、沙枣园、阿克塞、当金山，止于当金山南，顺接青海省已建当金山至大柴旦高速公路起点(即G215线三道班K275+000)，线路长度196.35km。该项目是联系甘青两省又一重要运输通道，在国家和区域路网中居重要地位。实施该项目对贯彻落实西部大开发和“一带一路”国家发展战略，完善国家和区域高速公路网，改善区域交通条件和区域经济建设具有重要意义。其中DD1合同段起讫里程K116+900.396～K176+000,全长59.099km，采用双向四车道，路宽26m。DD1合同段共计钢混梁6座，其中大桥2座，分别为党河大桥、孟家桥大桥；中桥4座，分别为吕家堡中桥、北干渠中桥、孔家庄中桥、沙洲中桥，该项目总用钢量约3870t。

K177+650排沙沟大桥：桥面宽度12.75m（双幅桥），全桥长为100m，共5联：5×20m工字钢-混凝土组合桥梁，主梁由5片钢箱梁与混凝土桥面板通过剪力钉连接而成。桥梁主要钢材有Q345E、Q390E及Q235C。钢板对接、顶板与腹板、底板与腹板均采用全熔透焊缝；端箱梁腹板与顶板、底板与腹板全熔透双面坡口焊缝等。

该工程钢梁设计分别为20m工字钢-混凝土组合梁简支箱梁、30m波形腹板钢箱-混凝土组合简支箱梁、30m波形腹板钢箱-混凝土组合连续箱梁等。桥面板按压型钢板的布置及位置分别按双向正交异形板、单向板、悬臂板设计。

钢板组合梁桥通常由H型钢梁和混凝土结构复合组成，其应用比较广泛。钢板组合梁桥效果图如图1所示。

图1 钢板组合梁桥效果图

2 钢板组合梁桥的结构特点及应用

组合梁桥是指采用剪力连接件将钢板梁、钢箱梁、钢桁梁等钢构件和钢筋混凝土构件结合起来共同工作的一种复合梁式结构梁桥。钢板组合梁桥由工型钢梁和混凝土共同受力，钢材的抗拉性能优良，而混凝土的抗压性能优良，两者的结合正好将他们的优点凸显了出来，使钢板组合梁桥具有承载高、抗震强的特点[2]。组合梁桥一般结构受力分布合理，节约钢材，噪音也较钢梁桥小，并且容易调整坡度和外超高，近年来广泛应用于公路、铁路和城市高架桥中。

组合梁桥早期采用最多的是钢梁与钢筋混凝土行车道板结合起来的结构形式，工型钢结构桥梁的上翼缘板为受压面、工型钢结构桥梁的下翼缘板为受拉面，其结构特点既满足受压又满足受拉，即梁上翼缘板是适宜受压的混凝土板，下翼缘板是利于受拉的钢梁。

组合梁桥技术在连续梁桥、拱桥和斜拉桥等多种复杂体系中也得到了应用。组合梁桥中的钢梁部分由早先单一的钢板梁拓宽到钢箱梁、钢槽形梁和钢桁梁等多种形式，也有预应力混凝土箱梁的腹板采用槽形波纹钢板结构形式。

有资料表明，混凝土和钢材用量百分比适当时，采用组合梁桥比同条件下的钢桥和混凝土桥，最多可节省钢结构费用近50%，节省混凝土桥费用的30%以上。

3 工型钢结构桥梁拱度控制方法

敦当高速K177+650排沙沟大桥工型钢加工主要材质为Q390E，工型钢结构桥梁截面图如图2所示，上翼缘板板厚为12mm，下翼缘板板厚为38mm，腹板厚度为12mm，板长均为17000mm。在加工过程中，工型钢结构桥梁翼缘板与腹板在埋弧焊接过程中容易产生变形，造成工字钢拱度发生变化。经测量，工型钢结构桥梁拱度值均为-5～-15mm，不满足施工要求。工型钢结构桥梁焊接工艺参数见表1，工型钢结构桥梁拱度值抽检数据见表2。

表1 工型钢结构桥梁焊接工艺参数

表2 工型钢结构桥梁拱度值抽检数据

图2 工型钢结构桥梁截面图

从表2抽检数据可以看出，按传统焊接顺序和焊接规范要求下，桥梁工型钢结构桥梁拱度大多数不满足规范要求，拱度上下浮动范围较大，无法满足现场施工要求。

为满足工型钢结构桥梁加工制造验收标准应符合《铁路钢桥制造规范》（Q∕CR 9211-2015）要求，工型钢结构桥梁拱度控制在25～35mm之间，特制定以下三种方法进行工型钢结构桥梁拱度控制。

3.1 采用改变工型钢结构桥梁焊接顺序改变工型钢结构桥梁拱度

钢结构工型梁在焊接过程中由于大量的热输入，会使钢结构工型梁产生焊接变形[3]。但是只要合理地控制好焊接顺序及制定好合理的焊接工艺来控制工型梁变形是比较好的办法。传统工型钢结构桥梁焊接顺序如图3所示，改变焊接顺序进行焊接如图4所示，改变焊接顺序工型钢结构桥梁拱度值数据见表3所示。

表3 改变焊接顺序工型钢结构桥梁拱度值数据

图3 传统焊接顺序图

图4 改变焊接顺序图

根据表3，通过对不同焊接顺序方案实验数据与工艺要求的焊接顺序实验数据对比发现，在焊接过程中随着焊缝长度的增加，焊接后的工件存在很大应力，还存在变形，工型钢结构桥梁拱度值较之前有提高，但效果不明显，数值仍不符合规范要求，说明焊接顺序对工型钢结构桥梁拱度值的影响不是特别大。

3.2 采用火校方法改变工型钢结构桥梁拱度

火校指在焊接钢结构中，消除钢板扎制、热切割、焊接产生的残余应力和变形，对焊接变形进行校正。采用火校方法（见图5所示）注意事项如下：

图5 火校法现场图

（1）钢结构工型梁在北方冬季加工过程中不能使用液压机进行液压冷弯曲矫正，因北方冬季环境温度较低，通常在零下20℃左右。在低温环境下，钢结构工型梁的塑性和韧性降低得非常厉害，如果使用液压机进行外力冷弯曲矫正，钢结构工型梁焊接位置处容易产生冷裂纹，钢结构工型梁的强度将会大大降低，构件的质量无法达到规范的要求，安全隐患无法排除，容易造成安全事故。

（2）火校热矫正利用物体热胀冷缩的原理，采用天然气烘枪对钢结构工型钢的翼缘板、腹板进行火焰加热，加热时根据经验选定变形量大的部位进行加热，而后对各个部位采用三角形加热法进行集中加热，加热温度控制在 800～900℃，但不得超过 900℃，同一部位加热不得超过2次，加工过程中采用实时检测变形量，防止过度变形，直至符合要求。冷却时自然冷却，严禁使用浇水降温的方式。

（3）矫正后的拱结构工型钢结构桥梁不得有损伤，保证构件质量要求。

火校后工型钢结构桥梁拱度数据见表4所示。

表4 火校后工型钢结构桥梁拱度数据

采用火校法改变工型钢结构桥梁拱度结果如下：

（1）采用火校法时，每根工型钢结构桥梁需要2名工人进行8个工时的校正，工件加热和冷却的时间过长，人工和材料成本过高且效果没有明显提高；

（2）校正过程中需要压铁（重量为7t）进行配重压弯，存在一定安全隐患；

（3）当工期较紧时，采用火校法无法满足生产需要；

（4）火校时对温度要求严格，一般控制在800～900℃，但在实际加热过程中全凭工人的经验，温度不好严格控制，温度过高会造成12mm厚的腹板变形，温度过低校正效果不明显。

3.3 采用液压机进行模压改变工型钢结构桥梁拱度

液压机模压控制工型钢结构桥梁拱度试验见图6所示，液压机模压控制工型钢结构桥梁拱度数据见表5所示。

表5 液压机模压控制工型钢结构桥梁拱度数据

图6 液压机模压控制工型钢结构桥梁拱度试验图

液压机模压控制工型钢结构桥梁拱度试验结果如下：

（1）采用液压机模压方法时，每根工型钢结构桥梁需要2名工人进行1h工时的校正，人工成本相对较低且效果明显提高；

（2）为检测模压是否会造成焊缝裂纹的产生，模压后进行超声波探伤检测，均未发现焊缝裂纹。

4 结束语

综上所述，结论如下：

（1）对改变焊接顺序方案试验数据与工艺要求的焊接顺序试验数据进行对比，发现没有明显提高工型钢结构桥梁拱度值，说明焊接顺序对工型钢结构桥梁拱度值的影响不大；

（2）对火校方案试验数据分析发现，火校可以改变拱形梁拱度值，但变化范围不是很大，分析原因发现火校对于薄板变形的控制效果比较明显，但对于38mm的厚板效果不是特别明显，而且每根工型钢结构桥梁需要2名工人进行8个工时的校正，人工成本过高；

（3）对液压机模压试验数据分析发现，模压可以明显提高工型钢的拱度值，每根工型钢结构桥梁需要2名工人进行1h工时的校正，人工成本相对较低，且效果明显，焊缝经超声波探伤未发现裂纹产生，但液压机模压时无法精确控制工型钢结构桥梁的拱度值，只能控制在一定的范围内，相比其它两种方法，液压机模压控制工型钢结构桥梁拱度值效率最高，成本最低。