钢桁梁支架法拼装施工的质量控制措施研究

霍敬德

(甘肃公航旅路业有限公司 兰州 730000)

0 引言

钢结构桥梁具有轻质高强、施工周期短、施工成本低、可塑性强等优点,在公路工程中广泛应用[1-4]。传统的闭口钢箱梁桥依靠箱体的抗力为整个结构提供足够承载力,虽然结构的整体性较强,但存在剪力滞后、局部扭转、维护成本高等问题,是制约其承载力和耐久性的控制性因素[3-6]。相比之下,钢桁梁的主要受力构件为桁架结构,可以根据地形条件、设计要求、跨越能力等因素灵活调整桁架的高度,从而保证钢桁梁的服役能力及桥梁跨度与现场条件相匹配,能满足不同地质与环境条件下的交通需求,且具有足够的承载力和耐久性[5-9]。钢桁梁桥常见的施工方法包括悬臂法、浮拖法、顶推法、转体法等,我国幅员辽阔,气候条件复杂,地形起伏大,受现场条件及施工技术与设备的制约,许多施工方法往往难以满足施工需求,且不符合经济与环保性要求[7-11]。支架拼装施工法对机械设备和地形条件要求较低,在80m以下跨径的中小型桥梁施工中应用极为广泛[12-13]。现有的研究大多关注支架拼装施工的施工设计、安全生产、环境保护等方面的内容,而钢桁梁以钢材为主要原材料,其制作与施工的质量控制对耐久性影响极大,尤其在环境腐蚀、疲劳应力、荷载效应、应力集中等联合作用下,原材料与加工过程导致的初始缺陷会进一步加速钢材的劣化进程,导致钢桁梁出现锈蚀、开裂等问题,严重降低了钢桁梁桥的使用寿命与服役能力[10-14]。因此,以我国西北地区某公路改造段跨越主线的钢桁梁桥支架拼装施工为例,研究钢桁梁桥的结构与施工质量控制措施,以期降低初始缺陷对钢桁梁桥工作性能的影响,进而提高桥梁耐久性。

1 钢桁架结构的质量控制

1.1 项目概况

项目为我国西北地区某公路改造段跨越主线的桥梁,桥址区总体地势较为开阔,地形起伏较小,属温带大陆性季风气候,气温变化较剧烈。根据地质勘探结果,桥址处地层岩性主要为风积粉砂层与萨拉乌苏黄土层。风积粉砂层分布于冲沟及坡面上,整体呈浅黄色,松散—稍密,砂质较均匀,以石英、长石为主,含土量10%,揭露厚度为3.2～10.5m。桥址区地震峰值加速度为015g,地震反应谱特征周期为0.45s。桥址区无不良地质发育,特殊性岩土为湿陷性黄土。

综合考虑桥址地质条件及施工经济性,全桥分三联设计,桥跨布置为13m+71.08m+13m,上部结构第一、三联采用预应力混凝土后张空心板,第二联采用钢桁梁。荷载等级为公路-Ⅰ级,桥面宽度为0.5×(2 +11)m。钢桁梁横断面宽14.8m,高5.95m,由上下弦杆、腹杆、横梁组成,钢桁梁结构如图1所示。

图1 钢桁梁结构图

钢桁梁的主梁为不带竖杆的华伦式桁架,由两片主桁组成,主桁间距13.9m,桁高5m,斜腹杆与桥面夹角为53°。上弦杆总长67m,采用直径1.0m的等直径钢管,距端头0～155m段壁厚为18mm,中间段壁厚为24mm。下弦杆总长71m,采用等高度钢箱断面,梁高0.9m,宽0.9m,距端头0～215m段下弦杆顶板、底板、腹板厚度均为26mm,中间段下弦杆顶板、底板、腹板厚度均为30mm。端横梁为等高度钢箱断面,中横梁为工字断面,垂直于下弦杆布设,中心间距为4m。

1.2 原材料的质量控制

项目所用钢材均为新购材料,钢板和型钢的材质与规格按设计要求进行采购。项目所用钢材质量控制指标如表1所示。

表1 钢材质量控制指标

如表1所示,对所用钢材进行拉伸实验和V型冲击试验鉴定其原材料质量。项目所用钢材应成批验收,每个验收批次的钢材由同一规格、同一轧制工艺的材料组成,力学性能检验结果须符合表1所示的质量控制指标,降低由原材料导致的初始缺陷对钢桁架施工过程与服役性能的影响。

焊接材料的种类和型号根据焊接工艺评定试验结果确定,焊接材料除进厂时必须有生产厂家的出厂质量证明外,并应按现行有关标准进行复验,做好复验检查记录。涂装材料的选取依据桥梁实际服役环境,并参考《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》(JT/T 722—2008)规定的腐蚀环境与涂装配套体系,选定对应的防腐涂装材料,涂装材料经检测单位检测合格后才能使用。所有材料应妥善存放,避免积水积尘,防止腐蚀。

1.3 焊接工艺的质量控制

焊接工艺评定试验是编制焊接工艺的依据,与钢桁架的制作、施工焊接工序等有关,应充分考虑焊接的方法、材料、坡口形式、焊接参数、后热措施等。焊接工艺评定试验如图2所示。

图2 焊接工艺评定试验

项目主要采用埋弧自动焊的方式进行构件的焊接,对于构件的表面缺陷修补及埋弧自动焊操作难度大的位置,采用CO2半自动焊、焊条手工电弧焊。依据焊接工艺评定试验结果,结合《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ 81—2002)、《钢结构焊接规范》(GB 50661—2011)等,得到各焊接方式的焊接参数,如表2所示。

表2 焊接参数

钢桁架杆件焊接与拼装时,依据材料及焊接位置选择对应的焊接方式,并严格依据表2所示的焊接参数进行操作,确保焊接质量满足施工与服役需求,并符合规范要求。

1.4 防腐涂装的质量控制

钢结构防腐涂装是保护钢材免受外界介质与荷载联合腐蚀作用的有效手段之一,为钢桁梁设计的重要工序。根据《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》(JT/T 722—2008),并结合本项目钢桁架桥的实际服役环境,设计钢桁架外表面的涂装体系为环氧富锌底漆(60μm)1道+环氧云铁中涂(140μm)2道+氟碳面漆(80μm)2道的组合形式,总干膜厚度>280μm。对应规范的C3腐蚀环境,最大寿命为25a。钢桁架桥的防腐涂装工艺设计如图3所示。

图3 钢桁架桥防腐涂装工艺设计

其中,取样试件从2m2到10m2的钢材中得到,以反映主要钢构件的力学性能与材料状态。现场喷涂采用高压无气喷涂方式,喷枪与基材距离300mm,环境湿度<80%,钢板表面温度高于露点3℃以上,喷涂后外观平整、光滑、均匀成膜,保证涂装质量满足JT/T 722—2008的规定,确保涂装对钢桁架的防护能力。

1.5 加工工艺的质量控制

依据项目钢桁梁的设计细节及加工方案,并结合《钢结构工程施工质量验收标准》(GB 50205—2020)、《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD 64—2015)等规范的相关规定,得到项目钢桁架的弦杆制造精度要求,如表3所示。

表3 弦杆加工精度(mm)

由于下弦杆采用等高度钢箱断面,包含下弦杆顶板、底板、腹板等零部件,且顶板和底板均按照标准化设计,因此对下弦杆的腹板及加劲板的加工精度进行专门的设计,下弦杆腹板及加劲板对应的加工精度如表4所示。

上弦杆和腹杆下料完成后使用专用模压设备加工成半圆,焊接采用专用埋弧焊机进行对接焊接。上弦杆焊接后进行定位加工相贯线,采用相贯线切割机进行切割,而后在对接端使用钢管坡口机进行坡口加工处理。腹杆焊接完成后使用锯床进行斜接头加工,并使用钢管坡口机对腹杆加工坡口。下弦杆顶板、底板、腹板及加劲肋的组装通过PBL开孔板实现。下弦杆加工时,在底板上依据设计图纸在PBL开孔板上确定加劲板的焊接位置,而后焊接下弦杆加劲板、PBL开孔板并进行校正,完成下弦杆的组装焊接。

根据本桥钢桁架结构特点及施工条件,钢桁架加工方案采取“零件下料—零件制作—杆件焊接—胎架预拼装—涂装—运输”的总体工艺流程进行加工制作,加工流程图如图4所示。

图4 钢桁架加工流程图

基于图4所示的钢桁架加工流程,严格控制各流程的加工质量,确保钢桁架的产品质量,为钢桁梁的施工质量提供保障。

2 钢桁梁支架法施工质量控制

2.1 支架搭设及预压

项目钢桁梁支架自上而下分别为砂筒、柱顶分配梁、钢管柱、联结系、扩大基础。砂筒为拼装完成后支架拆除时的卸落装置。柱顶分配梁采用2HN600×200型钢,通过加劲板焊接固定在管柱顶。钢管柱采用φ529×8mm钢管,钢管柱支撑于扩大基础上。联结系弦杆采用2[16型钢对扣焊接,腹杆采用2[12.6型钢对扣焊接,通过加劲板与钢管柱连接。拼装支架的检查项目与允许偏差如表5所示。

表5 拼装支架的检查项目与允许偏差(mm)

支架投入使用之前的预压工作可以有效消除非弹性变形和地基的压缩沉降对其承载力和稳定性的影响,本项目采用砂袋作为压重物,预压荷载为最大施工荷载的1.2倍,按总荷载的50%、120%均匀、对称、分级加载,加载位置和顺序与施工保持一致。

为进一步确定支架预压后各测点的变形情况,定义加载的初始标高为H1,加载后的标高为H2,卸载前各点的标高为H3,卸载后的标高为H4,则非弹性变形εp为:

εp=H1-H4

(1)

对比式(1)所述的非弹性变形εp值与支架验算报告的模拟值,若εp小于模拟值,则认为预压之后非弹性变形已经消除。

弹性变形εe为:

εe=H4-H3

(2)

根据式(2)所述的弹性变形值εe,可以设置砂箱高度,使支架变形完成之后的梁体线形满足设计要求。

2.2 钢桁架的吊装与拼装

钢桁架吊装顺序为下弦杆、横梁、上弦杆临时支架、上弦杆、腹杆。下弦杆焊接2个20mm厚的钢板吊耳,焊接于钢箱上口中轴线处,间距8m,吊耳两侧设置横向加劲板。起吊采用φ28mm双绳起吊,缓慢起勾、旋转大臂至对应位置,落在砂箱上部,轴线误差≤5mm。单个节段完成后,对应吊装另外一侧相同节段,两侧交替向前安装。其中,端横梁与下弦杆焊接连接,中横梁与下弦杆采用M30高强螺栓连接。

节段拼装时,上弦杆吊装前采用16号槽钢分节段搭设吊装支架,槽钢底部焊接于下弦杆及横梁上,在钢管上部焊接吊耳,采用钢丝绳卡环吊装,落于槽钢支撑架上,并用千斤顶进行标高调整。上下弦杆节段间采用钢连接板临时固定,腹杆采用2.5×104kg汽车吊进行吊装定位,定位时事先采用腋板确定吊装位置,腋板与上下构件点固焊接。采用手拉葫芦调整腹杆角度位置,缓慢精准定位,安装到位后进行点固焊接。节段拼装时不同位置的精度要求如表6所示。

表6 钢桁梁节段拼装精度要求(mm)

落梁平面位置、高程检测无误后,在梁段两端采用脚手架搭设临时支撑,待另一侧吊装到位后,采用型钢支架将上弦杆进行固定,防止倾覆。

2.3 上、下弦杆内混凝土施工

混凝土浇筑采用泵送压注法,浇筑前检查拱脚已固结的钢管拱肋的焊接质量、几何尺寸、高程、轴线位置。混凝土浇筑施工时的环境温度应>5～<30℃,施工气温>30℃后,采取措施降低弦杆温度,以保证混凝土水化热的释放。管内混凝土除满足强度要求外,应具有低泡、高流动性、低收缩、缓凝、早强、坍落度衰减慢等性能。混凝土配合比通过试验优选。当已浇筑的混凝土强度达到设计强度的80%以上时,方可进行下一批混凝土的浇筑施工。上下弦杆混凝土实测项目如表7所示。

表7 弦杆内混凝土浇筑实测项目

当端横梁、上下弦杆混凝土浇筑完成且强度不低于设计值的80%后,用2.5×104kg汽车吊配合人工切割拆除支架。拆除顺序为墩顶砂箱卸载、拆除墩顶横梁、钢管柱分节拆除。临时支墩支架拆除顺序原则上按照先装后拆、后装先拆的顺序进行,拆除切割作业前,吊车站位,并对拟拆除件进行预吊,钢丝绳拉紧并轻微受力,之后按3～6m分段切割,由吊车起吊至存放区。

3 结论

以我国西北地区某公路改造段跨越主线的钢桁梁桥支架拼装施工为例,研究了钢桁梁桥的质量控制措施,研究结论包括:

(1)结合规范要求与施工条件,从原材料、焊接工艺、防腐涂装、加工工艺四个方面分析钢桁架结构质量控制措施与指标;为确保焊接加工质量,通过焊接工艺评定试验确定埋弧自动焊、CO2半自动焊及手工电弧焊的关键焊接参数。

(2)为提高钢桁架结构的耐久性,基于对现场环境条件的分析,选定满足规范要求的长效型钢桁梁外表面防腐涂装体系;结合设计细节及加工方案,总结上弦杆、腹杆、下弦杆的加工工艺质量控制标准,通过设计钢桁架的标准化分步加工流程,确保钢桁架加工质量。

(3)通过分析钢桁梁支架法拼装施工过程,讨论支架搭设及预压时的施工细节与质量控制标准,归纳钢桁架的吊装与拼装、弦杆内混凝土施工对应的质量保证措施。