城市高架桥曲线段钢箱梁的制作与吊装技术

城市高架桥曲线段钢箱梁的制作与吊装技术
一、工程概况ﻫ广州市内环路改造工程位于广园路与永福路地段,其中交叉路口的第１5＃～18#墩上部结构采用钢结构连续箱梁结构,见“钢箱梁平面位置图”。

ﻫ钢箱梁中心线全长为
128m，主梁为单箱三室结构,桥面变宽从９.0ｍ到9．７5ｍ，单侧悬臂长2.0m。

箱梁内顶、底板净距保持1．９4４米，支座处顶、底钢板厚均为２8ｍm,钢箱梁高2．0米,其余部位梁高随顶、底钢板厚度不同略有不同。

腹板为直腹板。

边跨不设预拱度，中跨按二次抛物线规律设顶点在跨中的预拱最大上拱值为39mm。

钢箱梁总重约600T,每米约４.69T。

原设计钢箱梁沿总长度分为三段,分别为３７m+54m＋３7m。

ﻫ该工程钢箱梁制作及吊装具有如下特点和难点：１．钢箱梁位于曲线段内和变坡点段,对线型、超高、外观的要求高。

2．16#~17＃墩跨在两座高架桥中间(两座桥高差约1２m）穿过，钢箱梁的厂内制作、工艺设计要求高。

现场将没有制作场地，一旦设计不合理,将造成极大浪费和无法实现工期目标。

ﻫ3．钢构件对焊接质量、涂装工艺要求高,必须通过严格控制工序质量、规范操作程序、检验程序，确保结构达到国家标准。

ﻫ
4．16#~1８#墩与广园路上下两层桥梁空间立交,吊装作业
5.钢箱梁段重量大,最重的20
6.36T,最轻的达到19２.29T，最短长条件受到了很大的限制。

ﻫ
6．段与段通过临时支撑于空中现场焊接，给安装施工提度达到４1m,运输与吊装特别困难。

ﻫ
出更高的要求。

ﻫ
二、钢箱梁分段制作规划ﻫ制作前,需根据结构合理性、运输线路与车载能力、吊装环境与吊装能力等方面审核图纸,进行钢箱梁的分段制作规划，以便分段长度及重量在结构合理的前提下
能满足运输及现场吊装的要求。

1、原设计分段
原设计图纸分段如下图:
ﻫ经计算,三段钢箱梁最重的达到20６.36Ｔ，最轻的达到１９2．２9T，最短长度达到41m，无法运输及吊装，需对原设计分段进行变更，重新细分多段。

2、分段规划分析
钢箱梁分段考虑了如下几方面因素：
（1）运输路线与车载能力
箱梁分段需根据厂家到现场的运输线路确定长度,同时需考虑现有车辆的载重能力，还要顾及到施工场地的临时放置等，上述4０多米的钢箱梁根本无法运到安装场地,而且,施工现场车道分流复杂，车辆流量大,无法放置40多米长的钢箱梁,因此，需进行细分多段，每段长度不大于20m,单段单片重量不大于5０T才能满足运输的要求。

（2）吊装环境与吊装能力。

现场由于高架桥从钢箱梁底下穿过，地面桥墩密度较大,加上车道分流复杂，车辆流量大,地面用作吊装的位置较窄，40多米的钢箱梁吊装所需的空间无法满足，根据现场环境，一次吊装的钢箱梁长度不能大于30米。

3、分段数的确定
综合上述分析，最终确定将钢箱梁在工厂横向分为五部分共4０片,制作成九段。

运到现场后，则共合并成七段进行吊装。

（１)纵向分段长度
从15#墩开始,依次分段如下:17m+１6m+1６m+2６ｍ(1４ｍ+12m)＋26m(１２ｍ+１４m)＋1４m＋13ｍ。

上述2６ｍ(14m+12m)是指在工厂制成14ｍ和1２m两段，而在安装现场拼装成一个26m吊装段。

分段原则是：分段时上下翼缘板错开大于50０mm。

便于焊接,尽量减少仰焊。

详见“纵向分段制作示意图”。

（2）横向分片
每段均分成:左端挑臂翼板＋边箱体+中间箱体＋边箱体+右端挑臂翼。

（３)单段单片长度与重量
经计算，按上述分段及分片后,单段单片最重约42t，运输最长为1７m，吊装最长26m，可以满足运输和施工要求。

４、分段及分片焊接
吊装就位后,采用现场焊接将纵向七段横向五片焊接形成一孔三联的钢箱梁结构。

顶、底板纵向采用“Ｕ”肋加劲，工厂预制箱和挑臂加劲肋间距为４00ｍm;中间现场焊接箱加劲间距从
450mm随梁体加宽逐渐变到82５mm。

为保证顶、底板刚度要求，在曲线段,又各设两条加密“U”肋。

钢箱梁在纵向采用强弱加劲肋横隔进行加劲，强弱加劲肋间距为200０mm。

三、钢箱梁的的制作
根据钢箱梁的分段分片数量及安装顺序逐个段逐片按工艺流程进行制作。

１、工艺流程
ﻫ
ﻫﻫ2、材料
⑴钢材
主受力板件Q３45C,次受力板为Q235C热轧钢板、型钢。

进场钢材的表面质量处理:1表面麻点：用砂轮打磨光顺或补焊并将表面磨平后使用；2表面伤痕及修补：经打磨修整之后,局部厚度削减量不应大于轧制厚度的公差。

⑵焊接材料
通过充分的焊接工艺评定试验后焊条牌号选用E50１5、E５016或Ｅ5018等，埋弧焊选用H Ｏ8ＭnA焊丝配合中锰或高锰型焊剂。

ﻫ3、钢材拼接
钢材长宽尺寸不足，需要焊接拼接者必须在钢梁组装前进行。

梁腹板纵横向拼接间距不宜小于10倍的腹板厚度（交叉焊缝除外）。

配料和组装时应使焊缝错开，错开最小距离应符合相关规定和下列要求:
⑴主要构件的对接,应使钢板的轧制方向与部件主要受力方向一致。

⑵腹板的纵向拼接焊缝,原则上应布置在受压区。

⑶盖板和腹板的最小拼接尺寸,长度为10０0㎜,宽度为300㎜。

⑷拼接焊缝的布置应避开孔群。

⑸主纵梁(连接段除外)的上下翼缘板及其腹板原则上只允许采用整板结构；
4、放样
⑴制作专用钢样条时，必须考虑刨(铣）边加工量及焊接收缩量。

⑵样板、样杆、样条制作允许偏差应符合相关规定。

⑶对形状复杂的零、部件，在图中不易确定的尺寸，将通过放样校对后确定。

⑷在样板、样杆、样条上注明:产品名称、杆号、材料号、规格、数量、孔的直径、孔列轴线与基准面距离等。

5、号料
⑴号料前应检查的钢料的牌号、规格、质量，确定无误和合格后,方可号料。

⑵发现钢料不平直,有锈及油漆等污物，影响号料及切割质量时,应矫正清理后再号料。

⑶样板、样杆、样条必须与工艺文件核对,相符后方可号料。

⑷号料所划的切割线必须准确、清晰。

在零、部件上作明显标记(包括焊接辅助用引板),并打上钢印，为识别主要零件的板料轧向，规定钢印标记方向与钢板轧制方向一致。

料头上必须标明钢材的牌号和检号。

⑸号料的量具必须使用专用的钢巻尺。

ﻫ6、切割
钢板（Q345C）只能进行氧-乙炔火焰切割，采用ＣG1—30自动气割机和CG-150仿型气割机进行自动切割，切割大弧度曲线时辅以手动控制或将轨道改为弧线。

ﻫ７、零件矫正和弯曲
⑴钢料在切割后用６kg大锤锤击矫正。

矫正时,应在钢板上面放置垫板,防止矫正后钢料表面带有明显的凹痕。

⑵热矫温度应控制在600~８00℃(用测温笔测定），温度尚未降至室温时,不得锤击钢料。

⑶热煨弯曲温度控制在9０0～10００℃(用测温笔测定)之间。

ﻫ８、边缘加工
⑴零件的切割边缘用电动角向磨光机进行打磨修整。

⑵零件磨边、磨头、磨弧时，用电动角向磨光机磨去边缘的飞刺、气割边缘的挂渣及切口棱角的波纹，并应将崩坑等缺陷部位磨修匀顺。

⑶边缘加工后，将边缘刺屑清除干净。

⑷将钢箱梁所有永久外露自由边的边缘直角打磨成R＞1.0㎜的圆弧，以防止喷涂后在棱角处最先腐蚀。

ﻫ9、除刺和铣头
⑴孔边的飞刺、板层间刺屑、边缘的飞刺、电焊熔渣飞溅、杆件边缘和端部的允许缺陷等,用风动角向磨光机或电动角向磨光机铲磨匀顺。

⑵钢梁端部及有磨光顶紧要求的杆件端部用铣床、刨床铣头，对不能铣头的切角部分铲磨。

1０、组装
⑴组装前应熟悉施工图和工艺文件,准备好工艺装备和零件，核对无误后方可组装。

⑵组装焊接区包括埋弧焊剂可能接触部位必须彻底清除铁锈、氧化皮、油污、水分、显露出钢材金属光泽。

⑶组装必须在规定的工作台上或工艺装备内进行。

⑷对复杂的杆件，应分部组装,部件焊接修整后再装成整体。

⑸埋弧自动焊,半自动焊的部件应焊引弧板及引出板，引板的要求与正式杆件相同。

⑹组装后的杆件，打上杆件编号钢印,填写组装检查纪录。

ﻫ１1、焊接及检验
⑴各部位焊接方法
①主纵梁、横梁、上下翼板与腹板、与横梁连接的主纵梁肋板的焊接要求全熔透焊缝，按图纸开坡口,采用手工直流电弧焊；
②其它有横向连接的肋板或传力板与主要零部件的连接采用坡口角焊缝;
③无横向连接的肋板(包括水平肋板）的焊接采用不开坡口贴角焊;
④所有与水平加肋板连接的竖向加肋板(工字梁外侧）端部应开设“包角焊”专用倒角坡口。

⑤所有拼板均采用埋弧自动焊全熔透焊缝；
⑥与顶板连接的腹板、纵横向加劲肋均应开坡口，采用埋弧焊自动全熔透焊缝；
⑦与底板连接的纵横向加劲肋可不开坡口，采用双面角焊缝；
⑧与腹板连接的竖向加劲肋和水平加劲肋可不开坡口，采用双面角焊缝;
⑨竖向加劲肋角焊缝应采用包角焊;K:U肋可抬高1~2mｍ作为焊接间隙,以保证全熔透;
⑩现场组拼顶底板主受力纵横焊缝采用陶瓷衬垫单向施焊双向成型工艺保证其全熔透;采用手工直流电弧焊和自动埋弧焊。

⑾所有的对接焊缝都应从熔合面两侧对称完全熔透；
⑵焊接环境
①主要零部件应在组装后24小时内焊接。

②风速：气体保护焊时小于2m/s,其他焊接方法小于10 m/ｓ。

③相对湿度不小于85%;
④母材焊接区域干燥时；
⑤室内温度大于5°时;
⑥多层焊的每一层必须将熔渣及缺陷清除干净再焊下一层。

⑶焊接修整
①埋弧自动焊
在距杆件端部８0㎜以外的引板上起、熄弧，埋弧自动焊焊接中不应断弧，如有断弧则必须将停弧处创成1：5斜坡后再继续搭接５0㎜施焊,埋弧自动焊焊剂覆盖厚度不应小于20㎜,埋弧半自动焊不应小于10㎜。

焊接后待焊缝稍冷却后再敲去熔渣。

②焊接完成处理
焊接后的杆件应对名称、杆号、焊接日期及参数、质量状况等作出记录，并应在杆件上打焊工钢印。

③返修焊
返修预热温度应比原焊接预热温度提高5０℃,焊缝整修返修次数不超过二次。

焊缝咬边深超过1㎜,或外观检查超出负偏差的缺陷，应用手工电弧焊进行返修焊。

气孔、裂纹、夹渣、未焊透等超出无损检验规定时,用碳弧气刨清除缺陷，用原焊接方法进行补焊。

返修焊采用埋弧自动焊、半自动焊时，将清除部位的焊缝两端刨成不陡于1：５的斜坡,并用砂轮磨掉坡口表面的氧化皮，露出金属光泽后再进行焊接。

返修焊后的焊缝随即打磨匀顺,并按原质量要求进行复检。

④不同焊接头处理
箱梁顶底板和腹板对接焊时,板厚不同时，厚板按１:1０铣边；顶、底、腹板的拼接焊缝采用丁字接头;顶、底、腹板的对接焊缝V形坡口下的衬垫采用陶瓷衬垫来单向施焊双向成型。

⑷焊接顺序
①挑臂焊接顺序
③工厂预制箱部分焊接顺序
⑸焊接检验
对所有焊缝均按相关规定进行外观检验及超声波探伤检验。

本工程超声波探伤检验采用斜角单探头法来检测。

1２、涂装
⑴除锈
采用抛丸(砂)除锈,风压不小于0.5MPａ，喷射角为65～８5,喷射距离为200～400㎜,根据杆件锈蚀程度，调整杆移动速度;对抛丸不到处,应喷丸补充清除之后，再用干净的压缩空气或毛刷将灰尘清理洁净，确保钢表面清洁度、粗糙度须符合相关要求。

⑵涂装体系
①钢梁涂料涂装
钢梁的涂装防腐应确保２5年的使用寿命，最后一道面漆在吊装后重漆。

②钢梁与砼接触部分
在喷砂处理后,采用一道车间底漆。

在浇筑砼前再对该防腐底漆进行喷砂除底漆处理。

③涂装工艺参数
空气压力 0.4～0.6 MPa;
喷嘴选择0.１６~30或02０～30(视不同涂料定）;
喷枪距离 3０0～500㎜；
运行速度 1ｍ/s；
④涂层保护
对已涂装完毕的节段在起吊运输时不允许直接用钢丝绳捆扎,避免涂层损伤;严禁碰撞擦伤涂层;构件推放要垫高,避免接触水;尽量减少重新电主火工作业;吊运应在构件涂层实干后进行。

四、构件运输方案
1、运输线路
加工厂→西丽→１07国道→东莞市→广州市至甲方指定的永福路段内环路改造工程钢箱梁安装现场。

运输前办理准运证。

２、运输车辆和机具
构件运输主要采用拖车运输,辅用大平板车，厂内上车主要采用行车，辅以10ｔ龙门吊车。

构件装好后,用5t倒链和钢丝绳把构件牢牢地捆在车上,防止构件前后左右移动,危及行驶安全。

3、构件堆放
构件运至现场后，按不同规格分类堆放，并靠近吊装位置,以免不必要的二次倒运和翻动。

现场存放时应以枕木或基地材料垫高存放,不能将构件直接与地面接触, 并以防水布加以完全覆盖。

4、防变形措施
将构件按受力大的方向垂直放置,且构件在车上不得移动,装车时构件要堆放紧密。

五、钢箱梁吊装方法
1、钢箱梁吊装施工总体流程
2、临时支墩的设计与施工
⑴临时支墩的设计
根据钢箱梁分段安装的要求，钢梁架设采用临时支墩、分段吊装架设的方法。

为确保安装顺利进行，在每个分段接头处设临时支墩,起到支撑作用。

全桥共设临时支墩６个,布置如“临时支墩平面布置图”所示:
临时支墩采用φ６0０mm(δ＝8ｍｍ)的钢管立撑,立撑的高度根据梁底面与原地面的高度来确定。

临时支墩由4根钢管立撑及角钢组成，形成四边形,支墩沿桥面横向宽为4米，纵向宽为３米。

钢管立撑节段之间用螺栓栓接,立撑之间用L75×75角钢联接，并在临时支墩顶面设８０×80×３ｃm的钢板,作为钢梁的支撑平台。

详见“临时支墩大样图”及“1—1剖面图”。

⑵临时支墩的受力验算
临时支墩由支架及基础组成，因此，需对支架及基础进行受力验算。

根据钢箱梁分段情况，最长与最重在同一段上，长2６m,梁体重120ｔ（9ｔ+4０
t+22t+40t+9t)，最重单片梁体重42t。

1、支架承载力
A：强度验算
根据临时支架平面布置图及采用材料,单根钢管立撑可承受轴向荷载80T，一个支墩可承受竖向荷载320ｔ。

a:２6m段半幅安装时，单根钢管立撑受力,42／2=21t梁自重<８0t钢管轴向容许荷载。

b：全段焊接就位后,２根立钢管立标受力，120/2=60t梁体自重＜320/２＝１6０支墩容许荷载。

B :稳定性
根据线路纵坡坡度对梁自重进行力分解，将对支架产生的水平推力,线路纵坡
１.619％,梁重12０t。

根据连续梁受力，水平力可忽略不计。

考虑支墩安装及风力，每个支墩将采用４根缆风以增强稳定。

2、地基承载力检算
最高支墩自重约5t。

全部安装后２6m跨支墩受力约１25ｔ。

一个支墩4根钢管下各垫一块０.8m×0.8m×0.0２m钢板。

单根钢管立杆下地基受力约:1２5÷4÷(0.8×0．8）＝４8.8ｔ/m2=0.49MPａ
而一般砼路面可承受20MPａ，一般粘性土经夯实后可承受０.２MＰa,小于０.3１MPa，可以将粘性土经夯实后再铺上２0cｍ厚混凝土层,可满足受力要求。

⑶临时支墩的施工
1临时支墩
先测量准确定出临时支墩的位置,然后对钢支撑下的地基进行处理。

钢支撑的高度根据现场位置的标高进行配制,先在加工场加工拼装成由两根钢支撑组成的单榀,运到临时支墩位置处，再将两单榀用角钢拼装成一个整体的支架。

拼装时采用35吨吊车进行。

２安全设施
临时支墩安装好后,在临时支墩上架设操作平台，使用的材料为ＨＮ3４6×1７４和HN２48×1２4等,将临时支墩连接成一个整体，同时要在操作平台的边缘预留人行道作为安全通道。

在地面与操作平台中间还要设置可移动式钢筋爬梯，将地面与操作平台上的安全通道连接起来。

3临时支墩的拆除
在全桥钢梁安装定位并全部焊接完成之后,先使临时支墩上千斤顶卸载,然后拆除千斤顶。

千斤顶拆除之后,用氧气逐步割掉钢支撑之间的联接角钢，保留单榀之间的连接角钢,而后分段逐步拆除钢支撑。

2、吊装方法
①安装方案技术交底，分段分片钢箱梁运输到桥位后,由１5＃向18#墩逐段安装,先行贯通,后安装翼板，使用2台50吨吊车对抬将钢箱梁放置到桥墩永久支点和临时支墩上，在吊装前,应充分考虑吊车的合理摆放位置，在吊装过程中,应由专人指挥,并用测量仪器同步进行校核。

②吊装YＮ-４、 YN-5段时，由于受现有高架桥墩柱限制，增加１台50吨吊车共3台吊车吊车，马路面摆放2台,桥面上摆放１台接驳。

先由地面吊机抬至一层桥面上，再由桥面吊机与地面吊机配合,两端起吊至临时支墩上。

此两段钢梁的安装是本次吊装最大难度。

③起吊准备工作必须充分,吊机站位必须预先设定，并提前到位,确保以最快速度在最短的时间占用桥面交通。

ﻫ３、线型控制
钢箱梁的线型控制首先应在工厂内进行,吊装前，在桥墩永久支点和临时支墩上设置控制点和线，并在钢箱梁上相应地设置设控制点和线，钢梁安装时，中线和纵向距离通过预先在支墩上设的控制点和线与钢梁上设置的点和线相对应来控制，同时用测量仪器同步进行监控,钢箱梁的标高则通过支墩上安置的两台50吨千斤顶来调节控制,中线、纵向距离和梁的标高调整好后,在接头处用牛腿和螺栓将各小段连接牢固,然后进行每段箱体接头处的焊接，以保证钢箱梁线型的流畅。

4、吊装期间交通疏导
由于钢箱梁吊装期间，占用马路及其空间较大，对通过的交通车流、人流造成较大的影响，因此,在施工前需作好应对措施。

⑴向相关部门申请办理全部或部分车道封路;
⑵选择夜间进行吊装作业。

⑶有条件的地方,增加临时便道引导车流、人流避开吊装作业区。

七、钢箱梁现场焊接
1、现场焊接工作的特点
⑴本工程现场焊接工作量大,顶板及底板上长约128m的纵缝就有６条，段与段之间的长约2４m的对接缝有8条,另外还有一部分立焊缝及仰焊缝,总长近１00０m。

⑵现场焊接的工作条件差,如多风,高空作业,在进行钢箱内对接缝的焊接作业时,通风条件较差。

2、现场焊接措施
⑴现场焊接方法
顶板及底板上的纵缝及顶板上的对接横缝采用自动埋弧焊接,立焊缝、仰焊缝、底板上的对接横缝及其它不适宜采用自动埋弧焊接的焊缝采用直流电弧焊接。

⑵现场焊接顺序
在焊接现场焊接箱体部分时,应遵循先下后上、先里后外的焊接顺序。

⑶焊接保护
设置防雨防风封闭作业棚、焊前坡口及周围清理污渣、焊前焊口部位预热、焊后保温等措施保护焊接。

焊后焊缝表面自检和后热：焊接后采用氧炔中性焰沿焊缝中上下各１00 mm范围均匀加热至150°C，并在此温度保持60秒后立即封闭作业棚,防止冷风吹拂焊接缝。

八、预防焊接变形及矫正的应对措施
1、预防焊接变形的措施
⑴设计方面
①合理地选择焊缝的尺寸和形式;
②从工艺上的可能性出发，在保证焊接质量的前提下，选取工艺上可能的最小焊缝尺寸;C:在焊接结构中力求焊缝数量少;
⑵工艺措施
①反变形法
事前估计好结构变形的大小和方向,然后在装配时给予一个相反方向的变形与焊接变形相对抵消,使焊后构件保持设计的要求。

②刚性固定法
在没有反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形。

③合理地选择焊接方法和规范
④选用线能量较低的焊接方法，可以有效地防止焊接变形。

⑤选择合理的装配焊接顺序
⑥把结构中各条焊缝引起的变形加以综合考虑，尽量使其产生的变形相互抵消，使变形降到最低。

在焊接构件时,遵循焊接工艺规定的焊接顺序，尽量做到对称（见箱梁部件焊接顺序图）。

在焊接焊接量较大的复杂节点时，由多名焊工同时施焊,尽量做到分散对称焊。

２、矫正焊接变形的方法
⑴机械矫正法
利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者互相抵消。

其他焊接变形的构件根据具体情况也可用矫正机进行矫正。

还可利用锤击法来延展焊缝及其周围压缩塑性变形区域的金属，达到消除焊接变形的目的。

⑵火焰加热矫正法
对于无法用矫正机进行矫正的构件节点等焊接变形部位,采用火焰加热矫正,利用火焰局部加热时产生的压缩塑性变形，使金属在冷却后收缩,来达到矫正变形的目的。

九、结语
钢箱梁制作与吊装技术方案的确定，必须对施工图纸、现场条件、设备能力进行充分的研究、调查、实测,一旦确定，不可更改，否则将会造成人力、材料、工期和质量等的重大影响。

本工程从加工详图设计、制作至现场吊装及焊接完成共用了８３天,由于分段设计、制作工艺合理、现场吊装及焊接工序安排得当,比广州市政府要求压缩的工期提前一天通车,配合其它专业施工，在三个月内完成了大约1０００m的高架桥施工，创造了广州市高架桥施工的最短工期记录,录入２006年度“广东企业创新纪录年鉴”。