城市高架桥钢箱梁制作安装关键技术

吴仉华，郑永阳

(抚州市城市建设集团有限公司，江西 抚州 344099)

0 引言

近年来，国民经济快速发展，城市机动车保有量也快速增加，从而导致城市出现拥堵现象，因此越来越多的城市为了缓解交通压力，开始修建城市高架桥快速路[1]。

本快速路改造工程主要是在现状城市道路的基础上，按城市快速路标准进行改造。项目道路全长约7.8 km，标准段道路红线宽度50 m，上下匝道合流处加宽，设计速度为80 km/h。全线主线采用高架形式，高架桥桥宽25 m(整幅桥布置)，双向六车道，高架桥长7.6 km。

桥梁工程包括新建主线高架1座，上下匝道桥8对，起讫桩号为K1+180.000～K8+790.000，全长7.61 km。主线与多条横向道路相交，主要节点有跨越铁路、地铁(1号、2号、3号线)、地下综合管廊、现状河流等。

本文从钢箱梁的原材料、制造工艺、焊接工艺、运输方案、安装方案及线性控制等多方面，研究钢箱梁的制作及安装的关键技术[2-4]，施工单位采取相关措施后，经验收，钢箱梁施工满足各项规范值要求。

1 工程概况

该快速路改造工程主线共7联连续钢箱梁，采用钢结构设计。

横断面采用分箱式断面，中箱采用直腹板，边箱外腹板与混凝土标准等宽段外观统一，为斜腹板，斜率统一，随桥宽变化，腹板间距为 3.9 m～4.5 m，箱室个数不变，箱室宽度过宽处，增加箱室中腹板，箱梁顶板与道路横坡相同，底板保持水平，挑臂长2.65 m，梁高采用全联等高，在端支点处做等高构造，与相邻混凝土梁顺接。

横桥向采用高低相间工字型横梁连接，横梁间距2.4 m，在支点处，底板封闭，与横隔板组成闭式箱室，如图1所示。

支座处箱梁底设楔形垫块调整坡度，保证支座水平设置，为了增大钢结构的抗倾覆安全度和使支座不脱空，在梁段4 m～5 m的范围的箱室内填筑C30混凝土以保证边支座有一定的压力储备，如图2所示。

本文主要阐述主线某一联连续钢箱梁制造及安装方案，其桥宽和跨径如表1所示。

表1 主线钢箱梁参数表

2 桥梁主要技术标准

1)设计车速：主线高架为城市快速路，设计速度80 km/h，地面辅道为城市主干道，设计速度50 km/h。

2)荷载等级：汽车荷载为城-A级；地面桥涵人群荷载：3.5 kN/m2，覆土不大于2.0 m。

3)桥梁设计基准期：100 a。

4)桥梁设计使用寿命，主线高架及匝道桥：100 a；地面桥涵：50 a。

5)设计安全等级：一级。

6)桥面宽度：主线高架桥标准宽度：0.5(防撞护栏)+11.75(机动车道)+0.5(中央分隔带)+11.75(机动车道)+0.5(防撞护栏)=25.0 m；上下匝道桥处加宽；匝道桥：0.5(防撞护栏)+7.5(机动车道)+0.5(防撞护栏)=8.5 m；地面桥梁宽度同桥位两侧路基断面宽度。

7)抗震设防标准：地震动峰值加速度值为0.05g，抗震设防烈度6度。根据《城市桥梁抗震设计规范》，主线高架桥抗震设防类别为乙类，抗震构造措施按7度设置。

8)耐久性设计环境类别：Ⅰ类。

9)设计洪水频率：1/100。

10)桥梁净空：箱涵顶板底高出计算水位不小于0.5 m[5]。

3 主要材料

3.1 钢材

钢箱梁主体结构采用Q345qD，其技术条件符合GB/T 714—2008桥梁用结构钢的规定。厚度不小于20 mm的钢板要求100%探伤检验，厚度小于20 mm的钢板要求50%探伤检验。探伤方法按GB/T 2970—2004厚钢板超声波检验方法标准执行，钢板质量等级为Ⅱ级。

1)所有钢材进厂，除必须有材料出厂质量证明书外，还应按《制造规则》对进厂材料的力学性能和化学成分进行复验。

2)材料种类和规格的变更，应经设计单位同意。

3)本桥钢箱梁使用的焊接材料除有质量保证书外，对焊条、焊丝还应进行化学成分和熔敷金属的力学性能试验，对焊剂进行化学成分的检验，经检验合格后方可使用。

4)钢材的管理：

a.钢材应做到分类堆放、标识明确、专料专用、随用随取，其搬运和堆放应必须注意不使钢材出现永久变形和损伤。

b.钢材在加工过程中，如发现缺陷，必须由质检部门和技术部门处理。

c.物资部门发料和车间号料下料必须严格按配料单所列材质、规格进行，做到专批专料专用。下料人员应负责将材质色标、炉(批)号和排板号移植到剩余钢板上，并要保证标识的完整性，不清楚或掉色的要重新补涂标识；对因拆封后无标识的其他材料，应及时补标标识，以便追溯。

d.钢材识别色的规定。钢材识别色：如：Q370qE蓝色+白色+蓝色各一道。钢材识别色的涂色方法：原则上在钢材一端头适当位置涂上条状识别色，识别色的线条单根宽度为50 mm以上。

e.钢箱梁及其零部件制造使用的钢材，必须符合规定的标准及设计图纸要求。

3.2 焊接材料

工厂连接、现场连接均为焊接。节段间顶板、底板的对接均为V形坡口熔透焊缝，腹板对接采用X形坡口熔透焊缝。节段间的环缝处，底板、斜底板加劲对接采用嵌补，嵌补段长400 mm(环缝两侧合计)。

焊接材料按照焊接工艺评定执行。

1)焊接材料应根据焊接工艺评定试验结果确定。

2)选定焊接材料，不可使用电渣焊及熔弧焊。

3)焊接材料进厂时必须有生产厂家的出厂质量证明，并应按现行有关标准进行复验，做好复验检查记录。

4)焊接材料如有变化，应重新进行焊接工艺研究和评定，并经监理工程师批准后，方可使用。

3.3 涂装材料

本桥钢箱梁防腐涂装方案应满足JT/T 722—2008公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件的要求。

1)涂装材料应兼有耐候、防腐蚀、美化结构等多种功能。

2)涂装材料应根据图纸要求,禁止使用过期产品、不合格产品和未经试验的替代产品。

3)钢箱梁的不同涂层应选用同一厂家的产品。涂装材料进厂后，应按出厂的材料质量保证书验收，并做好复验检查记录备查。涂装材料生产厂家未经监理工程师批准不得改变。

4 钢箱梁制造工艺

4.1 钢箱梁结构

根据本桥结构特点，充分考虑制作、运输等因素，总体制造思路如下：

工厂板单元制造：下料→U肋制作→板单元组拼、焊接→节段总拼→节段除锈、涂装→汽车将小节段运输至架设现场→完成工地连接、涂装及收尾等全部工作。主桥钢箱梁支座节段板块如图3所示。

4.2 钢箱梁板单元制作

单元件的划分在满足公路运输长度、宽度要求的前提下，根据市场上钢板的幅宽，工厂处理和下料加工设备能力，纵肋布置，焊缝间隔及相应原理来决定，尽量减少对接焊缝数量，能形成批量生产，容易控制质量等因素确定宽度；纵向根据现场施工工况和架设方案来决定。一个节段划分成若干板单元，包括顶板单元、底板单元、腹板单元、横隔板单元等。

钢箱梁制造实现板单元化。所有板单元可按类型在专用胎架上形成流水作业制造，实现生产规范化，产品标准化，质量稳定化。

1)零件的下料加工。

板件下料前，根据零件的具体形状和大小确定下料方法，对较长矩形板件采用多嘴头门式切割机精切下料，对如隔板等形状复杂的板件采用数控切割机精切下料，对较薄的主要零件，采用等离子切割，切割边缘进行机加工；钢板对接坡口采用火焰精密切割、刨边机或铣边机加工。

2)板单元拼装工艺。

用无码组拼胎架在板块上组装纵向加劲肋，出胎前以胎架上所设线为基准在板块上划出纵横基准线、接板位置线。

在液压式回转反变形焊接胎架上按焊接工艺施焊纵向加劲肋焊缝，并按要求探伤。

采用冷矫正和火焰矫正的方法，矫正板块焊接翘曲变形，重点矫正边缘的波浪变形，满足对接对平面度的要求。

以纵基线为基准修正横基线。按线组焊横隔板连接板。

3)板单元焊接工艺。

施焊时采用线能量较小的CO2气体保护自动焊机对称施焊加劲肋焊缝，以尽量减小焊接变形。焊接时重点控制焊丝角度、工艺参数，保证熔深、焊缝外观成型，避免咬边等缺陷。

为了控制焊接变形，板块的焊接设计制作专用的回转式焊接反变形胎架，根据不同的板块宽度、厚度，横向设置不同的反变形量，板块置于胎架上后周边用丝杠压紧，实现无码焊接。

所有焊缝焊接时都保持焊接方向一致，根据纵向加劲肋数量以及焊缝焊接时产生侧向弯曲的倾向安排合理的焊接顺序，减小产生扭曲变形和侧向弯曲变形的倾向。

4.3 钢箱梁节段组装及预拼装

工厂生产的零部件、板单元件运输到总拼场地进行总装，总拼焊接、涂装完毕、检验合格后，用汽车运输至桥位进行架设。

1)组装及预拼装胎架。总装胎架设计应满足下列要求：

a.胎架纵向各点标高按桥梁线形设计；横向应考虑焊接变形、恒载引起的下挠及重力的影响，设置适当的上拱度。

b.胎架基础必须有足够的承载力，确保在使用过程中不发生沉降。胎架要有足够的刚度，避免在使用过程中变形。

c.在胎架上设置纵、横基线和基准点，以控制梁段的位置和高度，确保各部尺寸和立面线形。胎架外设置独立的基线、基点，以便随时对胎架进行检测。

d.胎架应满足运梁台车进出方便和安全的要求。

e.每批次梁段下胎后，应重新对胎架进行检测，做好检测记录，确认合格后方可进行下一轮次的组装。

2)组装及预拼装工艺要求。

a.节段制作及预拼在同一胎架上一次完成。组装采用“正装法”，以胎架为外胎，以中腹板、横隔板为内胎，各板单元按纵、横基线就位，辅以加固设施以确保精度和安全。为使梁段对接时易于调校各板的相互位置，将中腹板、外腹板等端部焊缝留200 mm长暂不焊，待安装架设时再施焊。梁段组装按照桥底板→横隔板→腹板→顶板→挑臂→附属结构等单元的顺序；实现立体阶梯形推进方式逐段组装与焊接。

b.相邻梁段匹配端口的相同位置尺寸，其装配公差尽可能趋向一致，特别是腹板的上下缘公差方向同向，避免出现焊后交叉的尺寸，以利于梁段预拼。

c.组装节段时，板单元顶、底板相邻两板单元间的纵向焊缝、相邻两节段间顶、底板的横向对接缝，采用半自动焊+自动焊，其余位置均采用半自动焊。

d.预拼装作业的主要内容有：确定桥面线形，确定并控制钢箱梁的总长度、拱度、旁弯，修整顶板、底板的长度和环缝坡口，检查并矫正环缝两侧构件的匹配性。

3)标准钢箱梁拼装工艺流程。

a.拼装底板单元，底板按桥梁立面线形布置。在常温下，以纵基线和横基线为基准定桥轴线处的底板板块，再按纵、横基准线以桥轴中心线向两侧对称组装底板单元。

b.拼装两腹板单元。按顺序将腹板单元吊装至胎架上，与底板点固焊连接，并利用马板等辅助措施进行刚性固定。

c.拼装两腹板单元上的小隔板。按顺序将小隔板吊装至胎架上，与腹板点固焊连接，并利用马板等辅助措施进行刚性固定。

d.拼装顶板单元。组装过程中辅以定位夹具、顶拉工具控制隔板位置精度和垂直度等项点，使顶板隔板腹板、底板匹配满足标准要求。

e.拼装两侧挑臂单元。

5 钢箱梁运输方案

5.1 装载方案及加固方案

装载方法是保障构件运输安全的重要设施，而加固捆扎是保证构件安全的重要环节，因此为使本次项目的全部构件安全、完整地运输至施工现场，采用以下措施装载、加固。

结合本次项目运输的节段尺寸及重量相对应地选择车型进行装载，在构件装车前必须在装载车辆的平板与构件相接触的位置铺设垫木以防止杆件在运输过程中与车辆平板发生摩擦。

加固捆扎是保证节段安全的重要环节，为顺利到达施工现场，在运输途中使用手动葫芦及钢丝绳将构件和装载车辆的平板(大梁)之间进行锁定，以保证运输的稳定性及安全。

5.2 钢箱梁运输

考虑到城市白天交通车流量大，构件的运输与现场的安装作业相匹配，本次工程安排在晚上 24:00～凌晨5:00间进行桥梁构件运输。

本次钢结构的运输均经过城市主要交通道路，并经过跨江桥梁，在选定运输线路之前，安排专人专车对道路进行运输过程模拟，对主要道路转弯点、车流密集处、易发险情处进行现场实施勘查，对车道宽度、转弯半径、道路周围护栏、市政管网、路灯、草丛植被绿化带、广告牌、灯箱、公交站台等公共设施均进行了运输过程模拟，并安排具有同类工程运输经验的驾驶员进行了路况模拟，沿线道路交通状况满足此次运输要求。

6 安装方案

6.1 总体施工方案

本项目下部结构施工完毕后，在施工区域逐跨施工墩旁临时支架，安装防护平台，然后安装墩顶钢箱梁，依次向跨中安装临时中支架并吊装相应纵梁、盖梁及挑梁，最终完成本跨钢箱梁的安装。

6.2 纵桥向施工步骤

1)在桥位各墩位搭设墩旁支架，支架横向与桥梁中心线垂直；利用履带吊在支架上拼装墩顶钢箱梁。

2)通过支架的千斤顶和导链葫芦微调就位，线型满足设计要求后焊接固定，全桥所有杆件均通过此方法就位固定。

3)本跨墩顶钢箱梁安装完成后，安装跨中临时支架；在支架上拼装第二、三节段的钢箱梁。

4)拆除拼装支架，支架拆除顺序：由跨中支架向两端支架拆除。采用火焰切割，施工时不得伤害钢梁油漆。拆除过程中用导链葫芦作为安全措施防止立柱倾倒，造成安全隐患。同时杆件拆除时不得碰撞钢箱梁。

6.3 横桥向施工步骤

依照本项目钢箱梁节段划分特点，按墩顶钢箱梁及跨中钢箱梁两种工况分别进行：

1)设置围挡，待墩旁支架安装完成后，吊装墩顶中段横梁，分两阶段，履带吊分别在该墩大小里程侧，吊装两侧钢箱梁，完成本墩墩顶横梁的施工作业。

跨中支架安装完成后，履带吊于两支架间吊装中部纵梁，通过靠山、千斤顶等临时结构及工具调整纵梁位置至符合设计要求。

2)以步骤一相似方式分两阶段分别封闭单侧交通，并吊装该侧纵梁。

3)安装中部盖梁。安装外侧挑梁，本节段钢箱梁横向各部位安装完毕。

7 线型控制

7.1 钢梁架设原则

1)在拼装支架上拼装钢箱梁时，除保证支架有足够的承载力和预留压缩下沉量外，应特别注意钢箱梁的拼装拱度曲线。

2)临时支墩及墩顶布置，严格按施工设计图纸办理，架设前要进行全面检查，并办理签认。其上均设置水平、中线观测点，随时观测架梁过程中沉陷和变位情况，以便及时调整。临时支墩的标高应考虑钢结构弹性压缩和非弹性压缩的预留量。

7.2 钢箱梁平面线型控制

1)通过测控网把桥梁中心线放出，中心线返到支座(支架)顶面上并打上样冲做永久标记。

2)根据桥梁中心线放样各箱室腹板安装控制线，并在支架顶部打上样冲做永久标记。

3)根据腹板安装控制线安装各箱室。

8 结语

钢箱梁由工厂制造完成后，分成单箱室节段运输至架设场地处，在桥位搭设拼装支架，采用150 t履带吊拼装；整体拼装焊接完成后，吊机退场。体系转换，拆除支架，将钢梁支撑体系转化在永久支墩上。采取相关技术措施后，施工取得良好效果；该工程建成后缓解了城市的交通压力，完善了路网结构，进一步促进了当地的经济和社会快速发展，开始发挥较好的社会效益。