趙 鈺
(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016)
襄陽東津站樞紐綜合配套工程北側(cè)匝道橋由西側(cè)匝道部分、中間平臺部分及東側(cè)匝道部分組成,兩個匝道橋均為(28+32+28)m異型變截面鋼箱梁,兩聯(lián)匝道也均位于緩和曲線與圓曲線的銜接段上,圓曲線半徑45 m,匝道橋?qū)挒?~11 m。每個匝道鋼箱梁設(shè)計重量為603.3 t,鋼梁材質(zhì)Q345qD,匝道鋼箱梁斷面為4箱室結(jié)構(gòu),箱梁頂、底板平行,頂寬9~11 m,底寬4.48~6.48 m,頂?shù)装逯g采用半徑為2.4 m的圓弧懸臂板連接,鋼箱梁梁高1.7 m,頂板板面厚度16 mm,底板板面厚度20 mm,腹板板面厚度16 mm,圓弧懸臂板厚度14 mm。頂、底板設(shè)置U肋及 I肋,U肋截面280 mm×300 mm,厚度8 mm,I肋截面尺寸12 mm×150 mm,挑臂處U肋間距300 mm,中間箱室處U肋間距300~570 mm,U肋之間設(shè)置I肋。異型橫斷面結(jié)構(gòu)形式見圖1。
圖1 異型鋼箱梁橫斷面結(jié)構(gòu)
由于兩聯(lián)匝道位于緩和曲線與圓曲線的銜接段上,圓曲線半徑45 m,且鋼箱梁斷面結(jié)構(gòu)復(fù)雜,頂板較寬、底板較窄,梁頂面有2%橫坡,西匝道鋼箱梁5.1%縱坡,東匝道鋼箱梁5.8%縱坡,翼緣下部采用14 mm厚雙曲線型懸臂板封閉裝飾,按照常規(guī)方法加工難度大,施工質(zhì)量不易控制。
總體加工方案:采用工廠分段加工運輸?shù)浆F(xiàn)場逐段拼裝。根據(jù)梁體結(jié)構(gòu)結(jié)合汽車運輸限制,將梁體進行節(jié)段劃分。鋼箱梁縱橋向分9個節(jié)段,每個節(jié)段橫橋向分4個塊。工廠內(nèi),按照整體制作胎模,頂板在下底板在上反向加工,懸臂板卷圓后采用馬板強行擠壓焊接于翼緣下部。具體方案:鋼梁為全焊鋼結(jié)構(gòu),焊縫密集,施工過程中所發(fā)生的變形和殘余應(yīng)力較大,為控制鋼梁的焊接質(zhì)量,加快施工進度,制造采用“板單元→板塊單元→塊體單元→預(yù)拼裝→涂裝→橋位組拼→橋位焊接→涂裝”方式進行施工生產(chǎn),即車間生產(chǎn)加工各單體塊,并組焊成塊體單元?,F(xiàn)場采用吊車分塊按一定順序進行塊體吊裝,橫向分塊、縱向分段焊接成整體,形成鋼箱梁梁體結(jié)構(gòu)。鋼箱梁在廠內(nèi)進行整體胎膜反向加工見圖2。
圖2 整體胎模反向加工
2.1.1 工藝試驗
原材料進場后,首先進行原材抽樣檢測。然后進行工藝試驗,根據(jù)工藝試驗確定加工制造工藝。
2.1.2 鋼箱梁焊接工藝
2.1.2.1 焊接方法
鋼箱梁主要材料為Q345qD,主要采用手工焊、埋弧自動焊和二氧化碳氣體保護焊。
(1)手工焊。主要用于工地焊接的腹板的對接縫,與頂板、底板之間的角焊縫,T形肋、水平肋,縱肋之間的角焊縫。
(2)埋弧自動焊。主要用于廠內(nèi)焊接的頂板、底板及其他拼板的對接焊。
(3)二氧化碳氣體保護焊。用于各類角焊縫的焊接。
2.1.2.2 焊接工藝及順序
(1)手工焊。焊條采用 E5015,直徑為 φ3.2、φ5,電極采用直流反接。先用φ3.2焊條打底,電流為110~150 A,電壓20~22 V,再用φ5焊條蓋面,電流為170~230 A,電壓20~22 V。
(2)埋弧自動焊。焊絲采用 H08MnA,直徑φ4 mm,焊劑采用SJ101,電極采用直流反接。先用手工焊進行封底,用埋弧自動焊焊正面焊縫,電流630~650 A,電壓36~38 V,速度約25 m/h,反面清根,用埋弧自動焊焊反面焊縫,速度約45 m/h。
(3)二氧化碳氣體保護焊。焊絲采用ER50-6,直徑φ1.2 mm,電極采用直流反接。采用φ1.2 mm焊絲焊第一、二層正面焊縫,電流230~280 A,電壓25~30 V,氣體流量10~15 L/min,焊接速度20~30 m/h。用碳弧氣刨反面焊縫,焊第一、第二層反面焊縫。
2.1.3 焊接質(zhì)量控制措施
(1)焊工必須持有資格證,現(xiàn)場安全教育和培訓(xùn)合格后進行工作。
(2)鋼箱梁焊接施工前,必須進行試焊確定焊接工藝,經(jīng)檢驗合格后方可正常施焊。
(3)嚴格執(zhí)行焊接工藝,焊接工藝評定應(yīng)符合規(guī)范要求。
(4)焊接應(yīng)在室內(nèi)進行,環(huán)境濕度應(yīng)小于80%。
2.1.4 對接環(huán)縫裝配質(zhì)量控制
首先,保證焊縫兩側(cè)的高差水平,再臨時定位固定;二是校對錯邊量,再鎖定臨固;三是清洗打磨后,打底焊填充,再用自動焊焊接。
鋼箱梁加工焊縫需全面探傷檢測,質(zhì)量符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)[1]。
2.2.1 檢測方法
選用專業(yè)的檢測單位對鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量進行射線及超聲波探傷檢查和磁粉檢測。
2.2.2 檢測標(biāo)準
焊縫超聲波標(biāo)準為《焊縫無損檢測 超聲檢測技術(shù)、檢測等級和評定》(GB/T 11345-2013)[2]。射線檢驗標(biāo)準為《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質(zhì)量分級》(GB 3323-2005)[3]。磁粉的檢驗標(biāo)準為《無損檢測焊縫磁粉檢測》(JB/T 6061-2007)[4]。
2.3.1 現(xiàn)場準備
(1)根據(jù)鋼箱梁節(jié)段重量及現(xiàn)場吊裝施工條件,選擇150 t汽車吊進行現(xiàn)場吊裝作業(yè),配選符合質(zhì)量要求的鋼絲繩、吊環(huán)等吊具。
(2)根據(jù)梁體分段,進行鋼管柱支撐的設(shè)計驗算,鋼管柱采用“井”字形結(jié)構(gòu),根據(jù)設(shè)計檢算,現(xiàn)場制作條形基礎(chǔ),并安裝鋼管柱及分配梁、調(diào)整墊塊。復(fù)測鋼管柱的標(biāo)高及位置是否準確。
(3)根據(jù)吊裝方案,硬化吊車作業(yè)場地,供吊車車站位及梁段運輸進場需求。
2.3.2 節(jié)段吊裝順序
以3#段為例,每節(jié)段橫橋向吊裝順序:吊裝外側(cè)節(jié)段(3-1#)→吊裝內(nèi)側(cè)節(jié)段(3-2#)→吊裝兩側(cè)懸臂塊(3-3#/3-4#),吊裝順序見圖3。
圖3 橫橋向吊裝順序
縱橋向節(jié)段安裝順序:按1#段→2#段→3#段~9#段,逐段順序吊裝完成。每相連兩個節(jié)段(塊)完成后,必須采用鋼板焊接進行臨時鎖定,防止安裝過程中鋼梁橫向移位。最后經(jīng)檢測全部合格后,再拆除臨時支架,落梁成橋。
2.3.3 鋼梁現(xiàn)場焊接
2.3.3.1 焊接前檢查
鋼箱梁節(jié)段吊裝完畢后,復(fù)測梁體標(biāo)高及線形,達到要求后,進行現(xiàn)場焊接作業(yè)。焊接前仔細核對坡口尺寸,清除銹濁和油污。
2.3.3.2 焊接順序
現(xiàn)場焊接時,根據(jù)吊裝順序安排詳細的焊接順序,主要按以下順序進行焊接:第一步,頂板與底板縱縫焊接;第二步,腹板及隔板角焊縫焊接;第三步,橫向環(huán)縫焊接。環(huán)縫焊接時,同樣首先焊接頂板與底板焊縫,按照由中間向兩側(cè)的順序進行,再焊接兩側(cè)腹板位置焊縫,按照由下向上的原則進行;第四步,縱肋嵌補段的焊接。
2.3.3.3 焊接方法
根據(jù)焊接位置和現(xiàn)場施工條件進行方法選擇。
(1)優(yōu)先采用埋弧自動焊。
(2)焊接順序。先長后短,先大后小。
(3)橋段連接焊縫。先焊頂、底板,后焊腹板,最后焊U肋和嵌補段的焊縫[5]。
2.3.3.4 焊接要求
(1)應(yīng)嚴格執(zhí)行焊接工藝,評定應(yīng)符合《鐵路鋼橋制造規(guī)范》(TB 10212-2009)[6]。
(2)梁段間環(huán)縫是主要傳力焊縫,要求做到100%的熔透和無損檢測。
(3)在鋼箱內(nèi)采用二氧化碳氣體保護焊時,操作人員要佩戴防護面罩,通風(fēng)和安全防護,以免產(chǎn)生的一氧化碳影響人身安全。
(4)焊接環(huán)境出現(xiàn)下列情況時,要采取防護措施,否則禁止施焊:①氣焊風(fēng)速大于2 m/s,其他焊大于8 m/s;②相對濕度大于90%;③雨雪;④溫度低于-20℃等[7]。
(5)焊接后除去焊道上的飛濺、焊瘤、咬裂紋等缺陷。
2.3.4 現(xiàn)場焊縫檢測
在焊接結(jié)束24 h后,進行無損探傷檢驗的打磨工作,再由現(xiàn)場人員對焊縫做100%超聲波探傷自檢,自檢合格后向由監(jiān)理和第三方專業(yè)檢測單位提出檢驗,合格后出具的無損探傷檢驗報告。
2.3.5 焊接安全保護措施
在確保橋下車輛和行人通行的作業(yè)區(qū)段施工,在鋼梁施工的橋下支架不低于5 m高度位置在上方搭設(shè)成一個鋼管防護平臺,確保焊花濺不到下方行人和車輛,在箱梁內(nèi)部焊接時(底板、隔板以及縱肋嵌補段焊接),因焊絲燃燒產(chǎn)生有毒氣體,在箱內(nèi)操作前確保箱內(nèi)照明和排風(fēng)良好。
鋼箱梁一聯(lián)所有節(jié)段吊裝并焊接完成,焊接經(jīng)檢測全部合格后方可進行臨時支架的拆除。
2.4.1 卸載方法
根據(jù)規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)拼裝完成后,由于自重原因,臨時支撐位置鋼箱梁結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生3~4 mm下?lián)?,因此在進行卸載施工時,可通過火焰切割的下部支架調(diào)節(jié)管的方法進行鋼箱梁卸載[8]。
2.4.2 卸載注意事項
(1)制定安全技術(shù)應(yīng)急方案。為了確保支撐體系結(jié)構(gòu)和操作人員的安全,在確定鋼梁施工方案時制定安全技術(shù)應(yīng)急方案,必須考慮卸載支撐方案。
(2)結(jié)構(gòu)預(yù)驗收,達到規(guī)范要求。
(3)布置觀測點。卸載中、完后與驗算數(shù)據(jù)進行比對,以便控制卸載應(yīng)力與變形[9]。
(4)試卸載。必須先進行試卸載,掌握卸載工序和操作流程,再次確定結(jié)構(gòu)與支撐系統(tǒng)是否具備卸載的全部條件[10]。
鋼箱梁架設(shè)完成后,現(xiàn)場按設(shè)計要求進行涂裝修補和面漆涂裝。
按照鋼箱梁曲線造型及縱坡、橫坡要求,采用計算機三維建模,以鋼箱梁頂板為底面,以梁端為基點,旋轉(zhuǎn)放平后,獲取梁頂面在各橫隔板位置的坐標(biāo)。以此坐標(biāo)作為胎模的放樣坐標(biāo),完成整體胎模的制作。以西匝道為例,各點坐標(biāo)放樣見圖4。
圖4 鋼箱梁胎膜坐標(biāo)放樣
由于懸臂板為雙曲線造型,首先采用計算機三維建模[11],然后按照2 m/節(jié)劃分后展開,已展開料造型,編寫程序采用等離子數(shù)控切割機下料,再進行卷圓處理。采用馬板強行擠壓焊接于翼緣下部,焊接完成后割除馬板,角磨機磨平馬板焊疤。懸臂板加工過程見圖5。
圖5 懸臂板加工
鋼箱梁焊接屬于大構(gòu)件鋼結(jié)構(gòu)焊接,焊接變形控制是保證鋼梁架設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵,采取了以下措施進行焊接變形控制,保證施工質(zhì)量。
(1)對稱截面的,采用對稱的順序焊接。
(2)雙面非對稱坡口焊接,宜先焊深坡口側(cè)、后焊淺坡口側(cè)的順序。
(3)長焊縫采用分段退焊法。
(4)拼接板焊縫宜預(yù)置反變形,加強其鋼性拘束。
(5)組裝前要將變形部件矯正后,方可進行總裝焊接[12]。
曲線異型變截面鋼箱梁平面曲線小,上、下底面為空間曲面,線形復(fù)雜,并對溫度環(huán)境非常敏感,因此,對鋼箱梁的線形控制顯得非常重要,針對性采取了以下措施:
(1)選擇科學(xué)合理的焊接順序,防止因焊接順序不當(dāng)造成彎扭變形[13]。
(2)采用冷矯正和火焰矯結(jié)合的辦法矯正各種焊接變形。
(3)鋼箱梁在塊單元加工制作時應(yīng)考慮設(shè)計預(yù)留預(yù)拱度[14]。
(4)鋼箱梁拼裝時用臨時定位加固件能較好地保證拼裝精度。
(5)加強測量控制。事前、過程中、架完后再復(fù)核、矯正、調(diào)整,從而確保整體橋梁的線形準確。
曲線異型變截面鋼箱梁制造及架設(shè)較常規(guī)方法施工難度大,采用工廠內(nèi)固定胎膜加工及預(yù)拼裝工藝,提高了工廠加工精度,簡化了橋位施工難度,而且很好地控制了鋼箱梁的幾何尺寸及整體外觀線形,保證了鋼箱梁的整體質(zhì)量。施工中又從結(jié)構(gòu)分塊、焊接技術(shù)、橋位拼裝架設(shè)、鋼箱梁變形控制等方面控制,較好地掌握了變截面鋼箱梁加工及架設(shè)施工技術(shù)工藝,取得了良好的經(jīng)驗。今后在實踐中不斷的研究探索和總結(jié),針對性解決和預(yù)防鋼箱梁質(zhì)量通病和質(zhì)量缺陷,從而確保鋼箱梁施工質(zhì)量和施工安全,為類似工程積累經(jīng)驗。