市政橋梁鋼箱梁梁段安裝方法研究

摘 要：大型市政鋼箱梁橋梁具有跨度大、質(zhì)量大的特點，在施工過程中需要將箱梁劃分為若干個梁段，以便運輸、吊裝、組對以及焊接。研究過程旨在探索此類工程的施工方法，以國內(nèi)某跨河橋梁為分析對象，重點探討了鋼箱梁節(jié)段劃分方法、臨時支撐體系的設(shè)計方法與力學(xué)驗算、鋼箱梁分段吊裝、合龍測量、合龍過程控制、鋼梁焊接工藝和焊接順序等內(nèi)容，形成了較為全面的梁段安裝施工工藝。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁橋梁；節(jié)段劃分；臨時支架

中圖分類號：U 445 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鋼箱梁大橋施工具有一定的難度和特殊性，與現(xiàn)澆混凝土橋梁不同，鋼結(jié)構(gòu)需要預(yù)制，如果按照設(shè)計方案整體制造，其質(zhì)量通常就會超過吊裝機械、運輸車輛、路面和地基的承載力，在現(xiàn)實中難以實現(xiàn)，因此分段制作與安裝成為解決問題的有效手段。在具體實施的過程中，應(yīng)該重視地基、臨時支架、吊具的設(shè)計或者選型，并進(jìn)行必要的理論計算。隨著此類橋梁施工技術(shù)的大范圍應(yīng)用，探究其分段安裝方法有重要的工程價值。

1 工程概況

某城市跨河公路橋為雙向8車道設(shè)計方案，橫斷面的寬度為50m，跨徑為45m+50m+37m=132m。橋面分為A幅和B幅，寬度分別為23.38m、26.62m，均為單箱鋼箱梁結(jié)構(gòu)，A幅設(shè)計有4個箱室，B幅有5個箱室。以分幅中心線為基準(zhǔn)，兩側(cè)向下設(shè)置2%的坡度，以便降雨時進(jìn)行排水。兩幅橋面的功能布局完全一致，從中心線向外分別為機動車道、綠化帶、非機動車道和人行道。

2 鋼箱梁節(jié)段劃分

2.1 節(jié)段劃分的基本原則

由于鋼箱梁整體寬度、長度以及質(zhì)量都非常大，難以整體吊裝就位，因此需要分段制作、分段吊裝，再進(jìn)行組裝和焊接，分段時應(yīng)該遵循以下原則。1）分段位置應(yīng)規(guī)避彎矩大的部位和鋼箱梁的支點位置。2）頂板、腹板和底板間的接縫應(yīng)相互錯開且錯開的距離應(yīng)≥200mm。3）分段時要考慮地基、吊機、運輸車輛、吊具、臨時支撐結(jié)構(gòu)的承載力。4）分段時要考慮運輸、吊裝、合龍以及焊接的便捷性。5）分段制作不應(yīng)破壞鋼箱梁的整體線形。

2.2 節(jié)段劃分結(jié)果

A、B兩幅共9個箱室，每個箱室的結(jié)構(gòu)包括頂板、底板、腹板等，將每個箱室沿橫向劃分成7個節(jié)段，共計7×9=63個節(jié)段，表1為鋼箱梁分段結(jié)果示例。63個節(jié)段的質(zhì)量在33.5t～89.4t，寬度在4.728m～6.523m。節(jié)段高度有兩種規(guī)格，分別為2.0m和2.02m，長度在8.8m～26.11m。

3 臨時支撐系統(tǒng)設(shè)計與驗算

3.1 臨時支墩設(shè)計方案及力學(xué)驗算

3.1.1 臨時支墩的設(shè)計方案

鋼梁節(jié)段須架設(shè)至設(shè)計標(biāo)高，在臨時支撐系統(tǒng)上進(jìn)行合龍和焊接，因此臨時支墩成為保證施工的重要設(shè)施。為滿足節(jié)段組裝需求，本項目沿橋梁縱向設(shè)置了6個臨時支墩，每個支墩由并排分布的鋼管柱組成，每排10根鋼管柱，鋼管直徑為0.529m，壁厚為8mm。相鄰的鋼管柱設(shè)置橫梁和斜支撐。水平連接機構(gòu)（橫梁）的數(shù)量取決于鋼管柱的高度，如果鋼管柱高度＜8m，那么橫梁數(shù)量為2道。如果鋼管柱高度＞8m，那么設(shè)置4道橫梁。使用16#槽鋼制作橫梁。

3.1.2 力學(xué)驗算的關(guān)鍵參數(shù)

計算時須將最重的節(jié)段作為分析對象，支墩鋼管柱的材質(zhì)為Q235，將其許用應(yīng)力記為σ，則有σ=140×1.3=182MPa，其中1.3為提高系數(shù)，其他重要的計算參數(shù)見表2。

3.1.3 力學(xué)驗算方法

3.1.3.1 仿真建模

支撐體系的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用Midas軟件建立鋼立柱支撐體系的三維模型，將臨時結(jié)構(gòu)的材質(zhì)設(shè)定為Q235，剪應(yīng)力、壓應(yīng)力、拉應(yīng)力分別設(shè)置為120MPa、182MPa、182MPa。項目臨時支墩體系的建模結(jié)果如圖1所示。

3.1.3.2 載荷計算

載荷分為動載荷和靜載荷，動載荷包括人機材的質(zhì)量和風(fēng)載荷，靜載荷主要為鋼箱梁和支架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，將風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值記為ωk，其計算方法如公式（1）所示。

ωk=ωo·μZ·μS·βZ （1）

式中：ωo為當(dāng)?shù)厥暌挥龌撅L(fēng)壓，取值為0.3kN/m2；μZ為結(jié)構(gòu)粗糙度，取值為1.0；μS為結(jié)構(gòu)體型系數(shù)，取值為1.8；βZ為風(fēng)振系數(shù)，取值為0.7[1]。將這些參數(shù)代入公式中，可求得ωk=0.378kN/m2。其他參數(shù)按照載荷質(zhì)量與重力加速度的乘積進(jìn)行計算。

3.1.3.3 臨時支墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗算結(jié)果

將所有計算參數(shù)和載荷輸入仿真模型中，由軟件工具求出分配梁的最大應(yīng)力、連接結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、鋼管柱的最大強度應(yīng)力，結(jié)果見表3。

3.1.3.4 臨時支墩結(jié)構(gòu)變形驗算結(jié)果

模擬結(jié)果顯示，分配梁的最大變形量為11.4mm，允許值為分配梁長度的1/400（15mm），符合要求。連接結(jié)構(gòu)的模擬最大變形量為1.1mm，允許值為連接結(jié)構(gòu)長度的1/400（5mm），符合要求。

在臨時支墩體系中，鋼管支架的最大高度為10m，橋面寬度達(dá)到50m，高寬比為0.2。當(dāng)高寬比不超過3時，可忽略側(cè)向風(fēng)載荷對結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的影響。在這種情況下，決定臨時支墩體系穩(wěn)定性的主要影響因素為豎向應(yīng)力。經(jīng)屈曲分析，臨時支墩鋼管架的臨界載荷系數(shù)為40.06，超過4.0的最低限值，穩(wěn)定性符合技術(shù)要求。

3.2 支架基礎(chǔ)設(shè)計方案及力學(xué)驗算

鋼管柱的基礎(chǔ)采用獨立承臺，每個承臺為4根鋼管柱提供支承力，承臺的厚度為1.0m，長寬均為2.0m，用C30混凝土進(jìn)行澆筑，承臺受到鋼管柱的最大作用力為564.167kN。承臺基礎(chǔ)配筋為HRB335。

3.2.1 地基承載力驗算

承臺作為臨時支墩和鋼梁節(jié)段的主要承載結(jié)構(gòu)，其下方的地基必須具備足夠的承載力。將承臺基礎(chǔ)的地基在單位面積上的受力記為Pk，其計算方法如公式（2）所示。

Pk=（Fk+Gk）/A " （2）

式中：Fk為承臺上受到的最大作用力，取值為567.167kN；Gk為承臺自重；A為承臺的水平截面積，A=2×2=4m2；將所有參數(shù)代入公式中，可求得Pk=166.041kN，地基的設(shè)計承載力為180kN，由于Pklt;180kN，因此地基承載力滿足要求。

3.2.2 基礎(chǔ)受剪承載力驗算

鋼管柱與承臺基礎(chǔ)的交接面存在一定的剪切作用力，因此要驗算基礎(chǔ)的抗剪切性能[2]。由于本項目基礎(chǔ)底面短邊的長度（2m）小于鋼管柱的寬度加2倍基礎(chǔ)有效高度（1m），根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011），基礎(chǔ)交接面的受剪承載力驗算方法如公式（3）、公式（4）所示。

Vs≤0.7βhsftA0 " （3）

βhs=（800/h0）1/4 （4）

式中：Vs為鋼管柱與基礎(chǔ)交接處的剪力設(shè)計值；βhs為受剪切承載力截面高度影響系數(shù)；A0為驗算截面處基礎(chǔ)的有效截面積；h0為截面高度；ft為混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值[3]。經(jīng)計算，Vs=169kN，0.7βhs·ft·A0=1760kN，符合使用要求。

4 鋼箱梁現(xiàn)場安裝施工方法

4.1 地基處理

4.1.1 方案選型

梁段和車輛的質(zhì)量都較大，因此對地基的穩(wěn)定性、承載力提出了一定的要求。在地基方案選型階段，初步提出兩種技術(shù)方案：采用混凝土便道，優(yōu)點為安全可靠、承載力大，缺點為成本高，后期須拆除；采用簡單的施工便道，鋪設(shè)級配碎石，并且對吊車的行駛路徑進(jìn)行碾壓和夯實，該方案的優(yōu)點為成本低、施工便捷、效率高，缺點為承載力較混凝土便道略差。本項目地基基礎(chǔ)條件較好，為降低施工成本、提高施工效率，決定采用吊車支腿位置設(shè)置路基板的施工方案，路基板的尺寸為2m×2m×0.3m，為鋼筋混凝土澆筑而成。吊車行駛的施工便道用50cm厚的級配碎石進(jìn)行填筑。

4.1.2 地基處理的技術(shù)要點

地基處理采用換填工藝，整體的施工流程為檢驗回填材料質(zhì)量→按照每層300mm厚度鋪筑、整平→夯填密實→設(shè)計指標(biāo)檢驗→驗收合格。在級配碎石質(zhì)量檢驗階段，要求石子粒徑≤50mm，含泥量應(yīng)控制在5%內(nèi)。級配填料分層虛鋪的厚度為300mm，夯實后每層的厚度應(yīng)為250mm。在檢驗階段，要求臨時道路的含水率≤12%，同時≥8%，其密度＞1.8g/cm3。

4.2 鋼梁吊裝施工

4.2.1 吊裝設(shè)備選型

吊裝設(shè)備主要包括吊機、鋼絲繩、吊耳等。當(dāng)選擇吊機時，既要考慮最大載重，又要考慮梁段的幾何尺寸。本項目最重的梁段為89.4t，其長度為26.11m，如果使用單機吊裝方案，那么滿足載荷需求，但是受梁段長度的影響，難以進(jìn)行現(xiàn)場操作，因此采用雙機吊裝方案，分別為1臺200t汽車吊和1臺150t的履帶吊。吊耳選型主要考慮其承載力，每個梁段上應(yīng)設(shè)計4個吊耳，將吊耳幾何尺寸設(shè)計為300mm×300mm×30mm，孔徑為70mm。經(jīng)驗算，吊耳最不利位置的強度為51.8MPa，小于最大許用應(yīng)力182MPa，設(shè)計方案可行。吊裝用鋼絲繩的公稱直徑為60.5mm，纖維芯數(shù)量為6×37，其容許拉力為345kN，4根鋼絲繩在不利情況下僅有3根發(fā)揮作用，每根承受的最大拉力為89.4×10/3=297.77kNlt;345kN，滿足要求。

4.2.2 吊裝施工順序

鋼箱梁共63個節(jié)段，縱向劃分為9段，橫向劃分為7段。橫向節(jié)段按照A～F進(jìn)行編號，除C段外，其他節(jié)段均采用雙機吊裝。整體的施工順序為A段→B段→G段→F段→E段→D段→C段，其中C段是鋼箱梁的合龍段。

4.3 鋼梁合龍施工

4.3.1 確定合龍位置

合龍位置的確定與鋼箱梁的吊裝方式存在緊密的聯(lián)系，本項目中確定橋臺、橋墩的位置，將兩側(cè)梁段吊裝完成后，再對最后一段進(jìn)行合龍。根據(jù)實際情況，將合攏段選在橋梁正負(fù)彎矩最小的位置，即C段。

4.3.2 合龍測量與控制

4.3.2.1 建立測量基準(zhǔn)點

測量基準(zhǔn)點包括鋼箱梁軸線基準(zhǔn)點和高程基準(zhǔn)點，前者用于控制梁段的水平位置，后者用于控制梁段的標(biāo)高。該橋梁較短，因此在橋頭的兩側(cè)各設(shè)置一個測控點，作為軸線基準(zhǔn)點。

高程基準(zhǔn)點須足夠穩(wěn)定，避免出現(xiàn)沉降，將其設(shè)置在地基沉降變形范圍外。水準(zhǔn)點數(shù)量為4個，每公里誤差控制在0.5mm內(nèi)。

4.3.2.2 合龍過程測量

首先，在鋼箱梁吊裝前，按照1次/3h的頻率觀察接頭段的空間參量，包括標(biāo)高、仰角等，持續(xù)時間為48h。

其次，在鋼箱梁就位后，等待2h，測量各跨跨中變形量。

最后，在完全合龍后，按照1次/3h的頻率測量全橋主要控制斷面，測量持續(xù)時間為24h[4]。

4.3.3 合龍施工技術(shù)要點

根據(jù)合龍方式的特點，最后一段合龍時有可能出現(xiàn)長度略長的情況，因此要預(yù)留足夠的二次切割量，切割位置包括合龍口的面板、底板以及腹板，最大切割量為200mm。在鋼梁起吊后，應(yīng)該檢查其預(yù)設(shè)拱度，保證滿足設(shè)計要求。合龍口端面應(yīng)該垂直于橋梁的軸線且不可出現(xiàn)端面扭轉(zhuǎn)。鋼箱梁熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異且具有顯著的熱脹冷縮效應(yīng)，要在適宜的環(huán)境溫度下進(jìn)行合龍施工，溫度控制在20℃～25℃[5]。

4.3.3.1 測量、控制支座標(biāo)高

在落梁前，應(yīng)測量支座頂面的標(biāo)高，以此保證梁體的底部標(biāo)高。如果檢測發(fā)現(xiàn)支座標(biāo)高不足，就可支墊不銹鋼板，鋼板厚度為支座頂部標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高的差值。

4.3.3.2 跨中落梁的控制方法

梁體落在專門制作的胎架上，在胎架底部提前布置2臺50t的千斤頂，如果胎架高程不足，就同步控制2臺千斤頂，實現(xiàn)頂升。千斤頂落距應(yīng)保持等比例線性控制，在過程中要進(jìn)行實時監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控結(jié)果調(diào)整、控制落距。當(dāng)落距非線性變化時，應(yīng)將單次落梁的行程控制在10mm內(nèi)，最終使中間的支撐結(jié)構(gòu)不再受力。

4.3.3.3 整體落梁的控制方法

當(dāng)整體落梁時，要求箱梁保持相同的高差，提前在橋墩頂部安裝4臺千斤頂，其最大負(fù)荷均為100t，控制過程采用同步聯(lián)動的液壓泵，實現(xiàn)4臺千斤頂同步控制。落梁后，應(yīng)該嚴(yán)格檢查箱梁的縱向軸線和標(biāo)高。

4.4 鋼梁焊接施工

本項目鋼箱梁的連接方式包括兩種，分別為焊接和螺栓連接，整體以焊接為主。

4.4.1 作業(yè)環(huán)境要求

焊接施工的環(huán)境要素包括溫度和濕度，環(huán)境溫度≥5℃，環(huán)境濕度≤80%，因此要避免雨天施工和低溫施工。

4.4.2 焊接方法

本項目需要綜合運用3種焊接工藝，分別為手工電弧焊、埋弧自動焊以及CO2氣體保護焊，各種焊接工藝的基本參數(shù)見表4。主要的焊接方式為CO2氣體保護焊，當(dāng)頂板對接焊時，以CO2氣體保護焊進(jìn)行打底，蓋面采用埋弧自動焊，如果需要補焊，就采用手工電弧焊[6]。

4.4.3 梁段焊接順序和要求

為消除焊接應(yīng)力、避免焊接部位受力變形，在施焊的過程中要按照合理的順序，基本原則為對稱焊接、先長后短以及均勻施焊，整體的焊接順序和要求如下。

首先，進(jìn)行縱向焊縫的施工，形成縱向節(jié)段。其次，在縱向焊縫施工完成后，焊接橫向節(jié)段。焊接作業(yè)要滯后于各分段拼裝。再次，所有焊接完成后，進(jìn)行無損檢測。最后，焊接完成后，應(yīng)將焊縫打磨平整，將焊縫高度控制在0.8mm內(nèi)，打磨方向與焊縫焊接方向一致。

5 結(jié)語

綜合整個研究過程，可得到以下結(jié)論。1）大型鋼箱梁橋梁應(yīng)采用分段制作與組裝的施工方案，分段時遵循一定的原則，例如便于吊裝和運輸，規(guī)避大彎矩部位。根據(jù)分段結(jié)果和施工特點對梁段進(jìn)行編號。2）鋼箱梁具有一定的設(shè)計標(biāo)高，施工時應(yīng)搭設(shè)臨時支撐體系，必須驗算支架的承載力、抗剪切力、理論變形量等參數(shù)，保障結(jié)構(gòu)安全性。3）梁段吊裝前應(yīng)合理選擇吊機、吊具，重點考察起吊能力、作業(yè)半徑、吊耳和鋼絲繩的應(yīng)力可靠性。4）在梁段合龍的過程中，要精確控制其軸線和標(biāo)高。5）選擇適宜的梁段焊接工藝，嚴(yán)格檢查焊接質(zhì)量。

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