鋼桁梁支架法拼裝施工的質量控制措施研究

霍敬德

(甘肅公航旅路業有限公司 蘭州 730000)

0 引言

鋼結構橋梁具有輕質高強、施工周期短、施工成本低、可塑性強等優點,在公路工程中廣泛應用[1-4]。傳統的閉口鋼箱梁橋依靠箱體的抗力為整個結構提供足夠承載力,雖然結構的整體性較強,但存在剪力滯后、局部扭轉、維護成本高等問題,是制約其承載力和耐久性的控制性因素[3-6]。相比之下,鋼桁梁的主要受力構件為桁架結構,可以根據地形條件、設計要求、跨越能力等因素靈活調整桁架的高度,從而保證鋼桁梁的服役能力及橋梁跨度與現場條件相匹配,能滿足不同地質與環境條件下的交通需求,且具有足夠的承載力和耐久性[5-9]。鋼桁梁橋常見的施工方法包括懸臂法、浮拖法、頂推法、轉體法等,我國幅員遼闊,氣候條件復雜,地形起伏大,受現場條件及施工技術與設備的制約,許多施工方法往往難以滿足施工需求,且不符合經濟與環保性要求[7-11]。支架拼裝施工法對機械設備和地形條件要求較低,在80m以下跨徑的中小型橋梁施工中應用極為廣泛[12-13]?，F有的研究大多關注支架拼裝施工的施工設計、安全生產、環境保護等方面的內容,而鋼桁梁以鋼材為主要原材料,其制作與施工的質量控制對耐久性影響極大,尤其在環境腐蝕、疲勞應力、荷載效應、應力集中等聯合作用下,原材料與加工過程導致的初始缺陷會進一步加速鋼材的劣化進程,導致鋼桁梁出現銹蝕、開裂等問題,嚴重降低了鋼桁梁橋的使用壽命與服役能力[10-14]。因此,以我國西北地區某公路改造段跨越主線的鋼桁梁橋支架拼裝施工為例,研究鋼桁梁橋的結構與施工質量控制措施,以期降低初始缺陷對鋼桁梁橋工作性能的影響,進而提高橋梁耐久性。

1 鋼桁架結構的質量控制

1.1 項目概況

項目為我國西北地區某公路改造段跨越主線的橋梁,橋址區總體地勢較為開闊,地形起伏較小,屬溫帶大陸性季風氣候,氣溫變化較劇烈。根據地質勘探結果,橋址處地層巖性主要為風積粉砂層與薩拉烏蘇黃土層。風積粉砂層分布于沖溝及坡面上,整體呈淺黃色,松散—稍密,砂質較均勻,以石英、長石為主,含土量10%,揭露厚度為3.2～10.5m。橋址區地震峰值加速度為015g,地震反應譜特征周期為0.45s。橋址區無不良地質發育,特殊性巖土為濕陷性黃土。

綜合考慮橋址地質條件及施工經濟性,全橋分三聯設計,橋跨布置為13m+71.08m+13m,上部結構第一、三聯采用預應力混凝土后張空心板,第二聯采用鋼桁梁。荷載等級為公路-Ⅰ級,橋面寬度為0.5×(2 +11)m。鋼桁梁橫斷面寬14.8m,高5.95m,由上下弦桿、腹桿、橫梁組成,鋼桁梁結構如圖1所示。

圖1 鋼桁梁結構圖

鋼桁梁的主梁為不帶豎桿的華倫式桁架,由兩片主桁組成,主桁間距13.9m,桁高5m,斜腹桿與橋面夾角為53°。上弦桿總長67m,采用直徑1.0m的等直徑鋼管,距端頭0～155m段壁厚為18mm,中間段壁厚為24mm。下弦桿總長71m,采用等高度鋼箱斷面,梁高0.9m,寬0.9m,距端頭0～215m段下弦桿頂板、底板、腹板厚度均為26mm,中間段下弦桿頂板、底板、腹板厚度均為30mm。端橫梁為等高度鋼箱斷面,中橫梁為工字斷面,垂直于下弦桿布設,中心間距為4m。

1.2 原材料的質量控制

項目所用鋼材均為新購材料,鋼板和型鋼的材質與規格按設計要求進行采購。項目所用鋼材質量控制指標如表1所示。

表1 鋼材質量控制指標

如表1所示,對所用鋼材進行拉伸實驗和V型沖擊試驗鑒定其原材料質量。項目所用鋼材應成批驗收,每個驗收批次的鋼材由同一規格、同一軋制工藝的材料組成,力學性能檢驗結果須符合表1所示的質量控制指標,降低由原材料導致的初始缺陷對鋼桁架施工過程與服役性能的影響。

焊接材料的種類和型號根據焊接工藝評定試驗結果確定,焊接材料除進廠時必須有生產廠家的出廠質量證明外,并應按現行有關標準進行復驗,做好復驗檢查記錄。涂裝材料的選取依據橋梁實際服役環境,并參考《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》(JT/T 722—2008)規定的腐蝕環境與涂裝配套體系,選定對應的防腐涂裝材料,涂裝材料經檢測單位檢測合格后才能使用。所有材料應妥善存放,避免積水積塵,防止腐蝕。

1.3 焊接工藝的質量控制

焊接工藝評定試驗是編制焊接工藝的依據,與鋼桁架的制作、施工焊接工序等有關,應充分考慮焊接的方法、材料、坡口形式、焊接參數、后熱措施等。焊接工藝評定試驗如圖2所示。

圖2 焊接工藝評定試驗

項目主要采用埋弧自動焊的方式進行構件的焊接,對于構件的表面缺陷修補及埋弧自動焊操作難度大的位置,采用CO2半自動焊、焊條手工電弧焊。依據焊接工藝評定試驗結果,結合《建筑鋼結構焊接技術規程》(JGJ 81—2002)、《鋼結構焊接規范》(GB 50661—2011)等,得到各焊接方式的焊接參數,如表2所示。

表2 焊接參數

鋼桁架桿件焊接與拼裝時,依據材料及焊接位置選擇對應的焊接方式,并嚴格依據表2所示的焊接參數進行操作,確保焊接質量滿足施工與服役需求,并符合規范要求。

1.4 防腐涂裝的質量控制

鋼結構防腐涂裝是保護鋼材免受外界介質與荷載聯合腐蝕作用的有效手段之一,為鋼桁梁設計的重要工序。根據《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》(JT/T 722—2008),并結合本項目鋼桁架橋的實際服役環境,設計鋼桁架外表面的涂裝體系為環氧富鋅底漆(60μm)1道+環氧云鐵中涂(140μm)2道+氟碳面漆(80μm)2道的組合形式,總干膜厚度>280μm。對應規范的C3腐蝕環境,最大壽命為25a。鋼桁架橋的防腐涂裝工藝設計如圖3所示。

圖3 鋼桁架橋防腐涂裝工藝設計

其中,取樣試件從2m2到10m2的鋼材中得到,以反映主要鋼構件的力學性能與材料狀態?，F場噴涂采用高壓無氣噴涂方式,噴槍與基材距離300mm,環境濕度<80%,鋼板表面溫度高于露點3℃以上,噴涂后外觀平整、光滑、均勻成膜,保證涂裝質量滿足JT/T 722—2008的規定,確保涂裝對鋼桁架的防護能力。

1.5 加工工藝的質量控制

依據項目鋼桁梁的設計細節及加工方案,并結合《鋼結構工程施工質量驗收標準》(GB 50205—2020)、《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTGD 64—2015)等規范的相關規定,得到項目鋼桁架的弦桿制造精度要求,如表3所示。

表3 弦桿加工精度(mm)

由于下弦桿采用等高度鋼箱斷面,包含下弦桿頂板、底板、腹板等零部件,且頂板和底板均按照標準化設計,因此對下弦桿的腹板及加勁板的加工精度進行專門的設計,下弦桿腹板及加勁板對應的加工精度如表4所示。

上弦桿和腹桿下料完成后使用專用模壓設備加工成半圓,焊接采用專用埋弧焊機進行對接焊接。上弦桿焊接后進行定位加工相貫線,采用相貫線切割機進行切割,而后在對接端使用鋼管坡口機進行坡口加工處理。腹桿焊接完成后使用鋸床進行斜接頭加工,并使用鋼管坡口機對腹桿加工坡口。下弦桿頂板、底板、腹板及加勁肋的組裝通過PBL開孔板實現。下弦桿加工時,在底板上依據設計圖紙在PBL開孔板上確定加勁板的焊接位置,而后焊接下弦桿加勁板、PBL開孔板并進行校正,完成下弦桿的組裝焊接。

根據本橋鋼桁架結構特點及施工條件,鋼桁架加工方案采取“零件下料—零件制作—桿件焊接—胎架預拼裝—涂裝—運輸”的總體工藝流程進行加工制作,加工流程圖如圖4所示。

圖4 鋼桁架加工流程圖

基于圖4所示的鋼桁架加工流程,嚴格控制各流程的加工質量,確保鋼桁架的產品質量,為鋼桁梁的施工質量提供保障。

2 鋼桁梁支架法施工質量控制

2.1 支架搭設及預壓

項目鋼桁梁支架自上而下分別為砂筒、柱頂分配梁、鋼管柱、聯結系、擴大基礎。砂筒為拼裝完成后支架拆除時的卸落裝置。柱頂分配梁采用2HN600×200型鋼,通過加勁板焊接固定在管柱頂。鋼管柱采用φ529×8mm鋼管,鋼管柱支撐于擴大基礎上。聯結系弦桿采用2[16型鋼對扣焊接,腹桿采用2[12.6型鋼對扣焊接,通過加勁板與鋼管柱連接。拼裝支架的檢查項目與允許偏差如表5所示。

表5 拼裝支架的檢查項目與允許偏差(mm)

支架投入使用之前的預壓工作可以有效消除非彈性變形和地基的壓縮沉降對其承載力和穩定性的影響,本項目采用砂袋作為壓重物,預壓荷載為最大施工荷載的1.2倍,按總荷載的50%、120%均勻、對稱、分級加載,加載位置和順序與施工保持一致。

為進一步確定支架預壓后各測點的變形情況,定義加載的初始標高為H1,加載后的標高為H2,卸載前各點的標高為H3,卸載后的標高為H4,則非彈性變形εp為:

εp=H1-H4

(1)

對比式(1)所述的非彈性變形εp值與支架驗算報告的模擬值,若εp小于模擬值,則認為預壓之后非彈性變形已經消除。

彈性變形εe為:

εe=H4-H3

(2)

根據式(2)所述的彈性變形值εe,可以設置砂箱高度,使支架變形完成之后的梁體線形滿足設計要求。

2.2 鋼桁架的吊裝與拼裝

鋼桁架吊裝順序為下弦桿、橫梁、上弦桿臨時支架、上弦桿、腹桿。下弦桿焊接2個20mm厚的鋼板吊耳,焊接于鋼箱上口中軸線處,間距8m,吊耳兩側設置橫向加勁板。起吊采用φ28mm雙繩起吊,緩慢起勾、旋轉大臂至對應位置,落在砂箱上部,軸線誤差≤5mm。單個節段完成后,對應吊裝另外一側相同節段,兩側交替向前安裝。其中,端橫梁與下弦桿焊接連接,中橫梁與下弦桿采用M30高強螺栓連接。

節段拼裝時,上弦桿吊裝前采用16號槽鋼分節段搭設吊裝支架,槽鋼底部焊接于下弦桿及橫梁上,在鋼管上部焊接吊耳,采用鋼絲繩卡環吊裝,落于槽鋼支撐架上,并用千斤頂進行標高調整。上下弦桿節段間采用鋼連接板臨時固定,腹桿采用2.5×104kg汽車吊進行吊裝定位,定位時事先采用腋板確定吊裝位置,腋板與上下構件點固焊接。采用手拉葫蘆調整腹桿角度位置,緩慢精準定位,安裝到位后進行點固焊接。節段拼裝時不同位置的精度要求如表6所示。

表6 鋼桁梁節段拼裝精度要求(mm)

落梁平面位置、高程檢測無誤后,在梁段兩端采用腳手架搭設臨時支撐,待另一側吊裝到位后,采用型鋼支架將上弦桿進行固定,防止傾覆。

2.3 上、下弦桿內混凝土施工

混凝土澆筑采用泵送壓注法,澆筑前檢查拱腳已固結的鋼管拱肋的焊接質量、幾何尺寸、高程、軸線位置?；炷翝仓┕r的環境溫度應>5～<30℃,施工氣溫>30℃后,采取措施降低弦桿溫度,以保證混凝土水化熱的釋放。管內混凝土除滿足強度要求外,應具有低泡、高流動性、低收縮、緩凝、早強、坍落度衰減慢等性能?；炷僚浜媳韧ㄟ^試驗優選。當已澆筑的混凝土強度達到設計強度的80%以上時,方可進行下一批混凝土的澆筑施工。上下弦桿混凝土實測項目如表7所示。

表7 弦桿內混凝土澆筑實測項目

當端橫梁、上下弦桿混凝土澆筑完成且強度不低于設計值的80%后,用2.5×104kg汽車吊配合人工切割拆除支架。拆除順序為墩頂砂箱卸載、拆除墩頂橫梁、鋼管柱分節拆除。臨時支墩支架拆除順序原則上按照先裝后拆、后裝先拆的順序進行,拆除切割作業前,吊車站位,并對擬拆除件進行預吊,鋼絲繩拉緊并輕微受力,之后按3～6m分段切割,由吊車起吊至存放區。

3 結論

以我國西北地區某公路改造段跨越主線的鋼桁梁橋支架拼裝施工為例,研究了鋼桁梁橋的質量控制措施,研究結論包括:

(1)結合規范要求與施工條件,從原材料、焊接工藝、防腐涂裝、加工工藝四個方面分析鋼桁架結構質量控制措施與指標;為確保焊接加工質量,通過焊接工藝評定試驗確定埋弧自動焊、CO2半自動焊及手工電弧焊的關鍵焊接參數。

(2)為提高鋼桁架結構的耐久性,基于對現場環境條件的分析,選定滿足規范要求的長效型鋼桁梁外表面防腐涂裝體系;結合設計細節及加工方案,總結上弦桿、腹桿、下弦桿的加工工藝質量控制標準,通過設計鋼桁架的標準化分步加工流程,確保鋼桁架加工質量。

(3)通過分析鋼桁梁支架法拼裝施工過程,討論支架搭設及預壓時的施工細節與質量控制標準,歸納鋼桁架的吊裝與拼裝、弦桿內混凝土施工對應的質量保證措施。