飘带状低矮钢箱梁焊接加工与安装工艺

赵 辉，蔡晓男，林墨翰，赵春国

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200122)

1 工程概况

中国花卉博览会(简称“花博会”)是我国规模最大、规格最高、影响最广、内容最丰富的国家级花事盛会。第十届中国花博会选址上海市崇明区东平镇，计划于2021年5月21日正式开幕。花舞双桥是第十届花博会最重要的一座景观桥，为双幅飘带状异形钢结构箱梁桥，中间为人车通道，两侧为绿化带。桥梁全长100m，共10跨，单孔跨径10m，单幅桥梁宽15～25m，单跨钢箱梁最重90t。桥梁下部结构采用柱式墩，桩基采用φ600 PHC管桩，桩长45m，共144根，桥墩采用φ600圆形柱式墩，连接墩柱设置截面1 000mm×800mm系梁，桥台为埋置式桥台(见图1)。

图1 花舞双桥

花舞双桥为低矮矩形钢箱梁[1]，梁高仅500mm，人车通道区域采用闭口截面，绿化带区域采用开口截面，钢箱梁顶、底板厚16mm，纵、横隔板厚12mm(除墩台顶横隔板厚20mm)。纵隔板间距1m，横隔板间距2m。顶、底板上设置厚10mm加劲板。桥梁两侧绿化带设置16个树池，树池尺寸为2 000mm×2 000mm，树池底板及腹板设置双向加劲板(见图2)。

图2 花舞双桥矩形钢箱梁细部构造

2 水文地质

花舞双桥拟建场区属于上海地区河口砂嘴砂岛地貌类型的沉积地层，地基土均属第四纪沉积物，主要由砂性土、粉性土、黏性土构成，属Ⅲ类场地，抗震设防烈度为7度。园区为水位独立控制区，控制高水位3.4m，控制低水位2.5m，常水位2.8～3.0m。多年平均气温15.4℃，历史最高气温40.2℃，极端最低气温-12.1℃；年平均降雨量1 074.1mm；年平均风速3.4m/s，最高风速26.3m/s。

3 施工重难点

1)花舞双桥梁高仅500mm，人工无法在箱体内进行焊接作业，如顶板封盖后无法施焊顶板与其他板的连接部分。同时，从结构受力角度，钢箱梁的纵、横向隔板设计要求必须焊接连续。因此，常规的钢箱梁焊接工艺并不适用。

2)首跨钢箱梁自重约90t，横桥向分2个节段吊装，然后再做顶、底板封缝焊接。因箱梁端部与桥台台背重叠，故局部底板顺桥向焊缝无法焊接。

3)桥址场地以高含水率的淤泥质土、黏土为主，地下水位高，地质条件差。若采用常规的落地式临时支架，地基处理成本高、耗时长，无法满足工期节点要求。

综上所述，本工程提出“工厂预制顶板和底板单元、现场反序组拼顶板和底板单元、双机抬吊节段箱梁原地翻身、双机抬吊节段箱梁拼装连续、节段间顶板和底板封缝焊接、最后安装异形飘带结构”的新工艺。

4 关键施工技术

4.1 箱梁节段划分

花舞双桥桥梁全长100m，共10跨，单孔跨径10m。箱梁节段划分主要考虑两点：①拼接焊缝处连续梁负弯矩最小；②单个梁段落位后能保持自稳[2]。因此，顺桥向将花舞双桥分为10节，首跨12.5m，标准跨10m，末跨7.5m；横桥向只将首跨梁分为2个节段，其余跨为1个节段，异形飘带结构成桥后单独安装。节段箱梁的分块尺寸和质量如表1所示。

表1 单幅钢箱梁分段统计

4.2 施工现场布置

在双幅桥中间和外侧分别施工10m和8m宽的施工便道，长度160m(两端各延伸30m)。施工便道结构层自下而上为压实土基、20cm砖渣、满铺路基箱，以保证100t履带式起重机正常行走。此外，在0号桥台外侧用50cm厚砖渣铺设50m×80m存梁区，用20cm厚道渣和35cm厚C25混凝土硬化20m×15m拼装区并搭设胎架。施工现场布置如图3所示。

图3 桥址现场施工便道及胎架平面布置

4.3 工厂板单元加工

板单元是钢箱梁加工的最小单元，包括顶板单元和底板单元。板单元采用3m×2.5m成品钢板加工而成。主要零件、异形零件通过数控等离子切割机下料，直条采用等离子多头切割机下料。对于重要零件的边缘或焊接边缘应进行机械加工，以保证零件的尺寸和焊接坡口精度，下料时预留加工余量[3-4]。

1)顶板单元 顶板单元由顶板、纵横隔板和加劲肋板组成，顶板与纵横隔板采用双面角焊缝，与加劲板采用单面角焊缝。为保证底板封板箱体外焊接，此处将纵横隔板统一优化成T形排样式[5]，如图4所示。

图4 顶板单元节段划分剖面

2)底板单元 底板单元由底板与加劲肋板组成，底板与加劲肋板采用单面角焊缝。为保证底板与T形排有效连接，此处每隔1m预留1排塞焊孔，如图5所示。

图5 底板单元节段纵面

4.4 现场板单元组拼

顶、底板单元成批运至现场，根据工厂编号在胎架上实施预拼装，并用马板或定位焊临时固定[6-7]。现场板单元组拼时，先焊接顶板单元间的纵横隔板竖向焊缝，形成稳定的框架结构，再完成顶板单元间的坡口焊(满焊)，这样可减少焊接变形量[7]。当节段箱梁的顶板焊接完成后，再实施底板单元塞焊完成封板。需要注意的是，首跨2个节段合龙处和其余跨的纵向连接处需预留1m宽底板做最后封板(见表2)。

表2 节段箱梁现场组拼的焊缝要求

4.5 首跨梁段安装

首跨钢箱梁长12.5m，重约90t，横桥向分为2个节段，主要施工流程为：搭设墩顶临时支架→节段箱梁原地翻身→节段箱梁吊装与拼装→节段间顶、底板封缝焊接→拆除临时支架→首跨钢箱梁落梁。

1)搭设墩顶临时支架 首跨钢箱梁由2个节段拼装而成，节段间底板封缝局部受桥台阻挡无法焊接，所以需搭设墩顶临时支架，将整跨钢箱梁顶起架空创造焊接作业面。具体地，在0号桥台和1号桥墩的顶部设置300mm×300mm型钢支墩，高80cm，型钢支墩间采用φ400钢管连接，间距3m，累计12根。墩顶临时支架需与桥台、地面连接固定，此处地基土松软，应避免使用落地支架，节约地基处理的费用和时间。

2)节段箱梁原地翻身 现场钢箱梁组拼时，采用“先顶板后底板、顶板在下、底板在上”的反序焊接工艺[1]，所以，当底板封板后，须将钢箱梁节段整体翻转。具体地，在节段箱梁两端的主纵隔板处焊接翻身吊耳，由2台100t履带式起重机通过移动位置和操作吊臂相互配合完成节段抬吊与空中翻身。

3)节段箱梁吊装与拼装 节段箱梁翻转后，在顶板上焊接吊耳(应焊在主纵横隔板的交接处)，然后由2台100t履带式起重机抬吊至墩顶临时支架上[8]。起吊前，应在桥台处做好节段箱梁的合龙中心线标记。双机抬吊将节段箱梁水平吊起，平稳移动至与临时支架面平行，此时吊机站定不动，缓慢下放节段箱梁至一定高度。节段箱梁合龙中心线处设置3个测点，利用手拉葫芦精确校准，保证节段箱梁精准落位[9]。另一节段箱梁采用同样的施工方法，待两大节段箱梁就位后，梁顶设置拼装限位装置。

4)节段间顶板封缝焊接 待两个节段箱梁拼装合龙后，采用马板对合龙缝进行限位固定。顶板拼缝经过碳刨处理后采用埋弧自动焊完成焊接。埋弧自动焊焊剂为SJ101氟碱性烧结焊剂，碱度为1.8，颗粒度为10～60目。该工艺具有良好的抗潮性、较高的低温冲击韧性，颗粒强度好，电弧燃烧稳定，脱渣容易。

5)节段间底板封缝焊接 底板设1m宽合龙封板，节段吊装前先将底板封板放置于钢箱梁底部合龙缝下方。节段箱梁顶板封缝完成后，将底板封板用手拉葫芦吊起作为临时平台，便于对顶板合龙缝和纵横隔板进行焊缝质量检测。焊缝检测合格后完成底板合龙封板焊接。

6)拆除临时支架 底板封板结束后，采用2台100t履带式起重机和1台85t汽车式起重机将整跨梁段吊起。待梁段保持平稳后，拆除临时支架，将橡胶支座放置在支座垫石上。拆除支架时，将纵向连接梁与型钢支墩割离，横向连接梁与型钢支墩一同拉离桥墩立柱，并在桥墩立柱侧身捆绑木方，以免掉落的临时支架损坏桥墩立柱。

7)首跨钢箱梁落梁 落梁过程中，用水平仪实时检测箱梁顶板高程，直至达到设计高程为止。同时，在桥台与梁段端头处用5cm厚木方对伸缩缝宽度粗定位。梁段位置辅以手拉葫芦进行定位精调。

4.6 其余跨梁段安装

1～10号梁段(不包括飘带状结构)实施整跨组拼，原地翻身并逐跨安装。安装前，预先在1～2号梁段端头顶板上焊接卡板作为定位及临时支撑。落架时，箱梁节段有卡板的一端搭在0～1号梁段上，另一端落在2号桥墩立柱上。类似地，起吊前先将第2跨梁与首跨梁的横向底板封板放于箱梁下方，封板宽2m，横向封板焊缝为全熔透焊缝。其他作业流程与首跨梁段基本一致。

5 效益分析

钢箱梁的设计梁高往往≥800mm，这是满足人工箱体内焊接连续的最低高度。本工程提出高度500mm钢箱梁的焊接加工成套工艺，从人工、材料、设备等方面节约经济成本512.1万元，其中由于工艺创新、工期缩短节约人工费28.5万元、场地硬化费105.1万元、支架材料租赁费24.3万元、机械设备租赁费30万元，钢箱梁原材缩减节约324.2万元，经济效益对比如表3所示。由于梁高降低、用钢量减少，在不增加起重设备的条件下，低矮钢箱梁可整跨吊装，本工程缩短工期约14d。

表3 钢箱梁优化前后经济效益对比

6 结语

花舞双桥是第十届花博会上最重要的一座景观桥，采用双幅飘带状钢结构箱梁，梁高500mm，全长100m，累计10跨。虽然低矮钢箱梁结构自重减小、造价降低，但对钢结构的焊接加工与节段拼装造成很大困难，尤其是人工无法进入箱梁体内焊接且需保证纵横隔板焊接连续。施工过程中，首先，合理划分箱梁分段，纵桥向分为10节(12.5m+10m×8+7.5m)，横桥向只有首跨分为2节，其余跨都是1节。然后，工厂预制箱梁顶、底板单元，现场胎架上定位组拼，通过T形排实现顶、底板单元的反序焊接。最后，借助2台100t履带式起重机原地翻身并吊装至预定位置，通过预留横向或纵向底板封板解决节段箱梁之间的纵横隔板连续难题。施工中，充分利用马板的临时限位、临时支撑作用，避免使用落地支架，节约费用与工期。截至2020年9月，花舞双桥钢结构箱梁已安装完成，上述新工艺解决了低矮钢结构箱梁的焊接加工与安装难题。