馬元學(xué)

(甘肅省科工建設(shè)集團(tuán)有限公司 ，甘肅 蘭州 730300)

0 引言

隨著我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁行業(yè)的快速發(fā)展，一些地標(biāo)性鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)在加速推進(jìn)，其作為重要的交通設(shè)施，對我國的交通發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，并且地標(biāo)性鋼結(jié)構(gòu)橋梁也可作為重要的旅游景點(diǎn)，可供全國各地的游客進(jìn)行旅游觀光，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)橋梁材料主要為鋼材，其強(qiáng)度高、耐腐蝕性好，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用中最為廣泛。同時鋼材的應(yīng)用也符合我國低碳、綠色發(fā)展的理念，可以大幅度降低建筑垃圾的產(chǎn)生[1]。然而，嚴(yán)控鋼結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)指標(biāo)一直是工程建設(shè)中的重點(diǎn)，比如鋼板組合梁橋中工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁，加工過程中就存在精度不足，拱度值為負(fù)值的問題。本文以敦當(dāng)高速K177+650排沙溝大橋工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程為例，探討工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度的控制方法。

1 工程概況

敦煌至當(dāng)金山口高速公路項(xiàng)目路線起于敦煌北呂家堡楊家梁村，與柳格公路瓜州至敦煌段順接，途經(jīng)敦煌西七里鎮(zhèn)、沙棗園、阿克塞、當(dāng)金山，止于當(dāng)金山南，順接青海省已建當(dāng)金山至大柴旦高速公路起點(diǎn)(即G215線三道班K275+000)，線路長度196.35km。該項(xiàng)目是聯(lián)系甘青兩省又一重要運(yùn)輸通道，在國家和區(qū)域路網(wǎng)中居重要地位。實(shí)施該項(xiàng)目對貫徹落實(shí)西部大開發(fā)和“一帶一路”國家發(fā)展戰(zhàn)略，完善國家和區(qū)域高速公路網(wǎng)，改善區(qū)域交通條件和區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。其中DD1合同段起訖里程K116+900.396～K176+000,全長59.099km，采用雙向四車道，路寬26m。DD1合同段共計鋼混梁6座，其中大橋2座，分別為黨河大橋、孟家橋大橋；中橋4座，分別為呂家堡中橋、北干渠中橋、孔家莊中橋、沙洲中橋，該項(xiàng)目總用鋼量約3870t。

K177+650排沙溝大橋：橋面寬度12.75m（雙幅橋），全橋長為100m，共5聯(lián)：5×20m工字鋼-混凝土組合橋梁，主梁由5片鋼箱梁與混凝土橋面板通過剪力釘連接而成。橋梁主要鋼材有Q345E、Q390E及Q235C。鋼板對接、頂板與腹板、底板與腹板均采用全熔透焊縫；端箱梁腹板與頂板、底板與腹板全熔透雙面坡口焊縫等。

該工程鋼梁設(shè)計分別為20m工字鋼-混凝土組合梁簡支箱梁、30m波形腹板鋼箱-混凝土組合簡支箱梁、30m波形腹板鋼箱-混凝土組合連續(xù)箱梁等。橋面板按壓型鋼板的布置及位置分別按雙向正交異形板、單向板、懸臂板設(shè)計。

鋼板組合梁橋通常由H型鋼梁和混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)合組成，其應(yīng)用比較廣泛。鋼板組合梁橋效果圖如圖1所示。

圖1 鋼板組合梁橋效果圖

2 鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用

組合梁橋是指采用剪力連接件將鋼板梁、鋼箱梁、鋼桁梁等鋼構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件結(jié)合起來共同工作的一種復(fù)合梁式結(jié)構(gòu)梁橋。鋼板組合梁橋由工型鋼梁和混凝土共同受力，鋼材的抗拉性能優(yōu)良，而混凝土的抗壓性能優(yōu)良，兩者的結(jié)合正好將他們的優(yōu)點(diǎn)凸顯了出來，使鋼板組合梁橋具有承載高、抗震強(qiáng)的特點(diǎn)[2]。組合梁橋一般結(jié)構(gòu)受力分布合理，節(jié)約鋼材，噪音也較鋼梁橋小，并且容易調(diào)整坡度和外超高，近年來廣泛應(yīng)用于公路、鐵路和城市高架橋中。

組合梁橋早期采用最多的是鋼梁與鋼筋混凝土行車道板結(jié)合起來的結(jié)構(gòu)形式，工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的上翼緣板為受壓面、工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的下翼緣板為受拉面，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)既滿足受壓又滿足受拉，即梁上翼緣板是適宜受壓的混凝土板，下翼緣板是利于受拉的鋼梁。

組合梁橋技術(shù)在連續(xù)梁橋、拱橋和斜拉橋等多種復(fù)雜體系中也得到了應(yīng)用。組合梁橋中的鋼梁部分由早先單一的鋼板梁拓寬到鋼箱梁、鋼槽形梁和鋼桁梁等多種形式，也有預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的腹板采用槽形波紋鋼板結(jié)構(gòu)形式。

有資料表明，混凝土和鋼材用量百分比適當(dāng)時，采用組合梁橋比同條件下的鋼橋和混凝土橋，最多可節(jié)省鋼結(jié)構(gòu)費(fèi)用近50%，節(jié)省混凝土橋費(fèi)用的30%以上。

3 工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度控制方法

敦當(dāng)高速K177+650排沙溝大橋工型鋼加工主要材質(zhì)為Q390E，工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁截面圖如圖2所示，上翼緣板板厚為12mm，下翼緣板板厚為38mm，腹板厚度為12mm，板長均為17000mm。在加工過程中，工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁翼緣板與腹板在埋弧焊接過程中容易產(chǎn)生變形，造成工字鋼拱度發(fā)生變化。經(jīng)測量，工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度值均為-5～-15mm，不滿足施工要求。工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接工藝參數(shù)見表1，工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度值抽檢數(shù)據(jù)見表2。

表1 工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接工藝參數(shù)

表2 工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度值抽檢數(shù)據(jù)

圖2 工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁截面圖

從表2抽檢數(shù)據(jù)可以看出，按傳統(tǒng)焊接順序和焊接規(guī)范要求下，橋梁工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度大多數(shù)不滿足規(guī)范要求，拱度上下浮動范圍較大，無法滿足現(xiàn)場施工要求。

為滿足工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁加工制造驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（Q∕CR 9211-2015）要求，工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度控制在25～35mm之間，特制定以下三種方法進(jìn)行工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度控制。

3.1 采用改變工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接順序改變工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度

鋼結(jié)構(gòu)工型梁在焊接過程中由于大量的熱輸入，會使鋼結(jié)構(gòu)工型梁產(chǎn)生焊接變形[3]。但是只要合理地控制好焊接順序及制定好合理的焊接工藝來控制工型梁變形是比較好的辦法。傳統(tǒng)工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接順序如圖3所示，改變焊接順序進(jìn)行焊接如圖4所示，改變焊接順序工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度值數(shù)據(jù)見表3所示。

表3 改變焊接順序工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度值數(shù)據(jù)

圖3 傳統(tǒng)焊接順序圖

圖4 改變焊接順序圖

根據(jù)表3，通過對不同焊接順序方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與工藝要求的焊接順序?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，在焊接過程中隨著焊縫長度的增加，焊接后的工件存在很大應(yīng)力，還存在變形，工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度值較之前有提高，但效果不明顯，數(shù)值仍不符合規(guī)范要求，說明焊接順序?qū)ば弯摻Y(jié)構(gòu)橋梁拱度值的影響不是特別大。

3.2 采用火校方法改變工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度

火校指在焊接鋼結(jié)構(gòu)中，消除鋼板扎制、熱切割、焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形，對焊接變形進(jìn)行校正。采用火校方法（見圖5所示）注意事項(xiàng)如下：

圖5 火校法現(xiàn)場圖

（1）鋼結(jié)構(gòu)工型梁在北方冬季加工過程中不能使用液壓機(jī)進(jìn)行液壓冷彎曲矯正，因北方冬季環(huán)境溫度較低，通常在零下20℃左右。在低溫環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)工型梁的塑性和韌性降低得非常厲害，如果使用液壓機(jī)進(jìn)行外力冷彎曲矯正，鋼結(jié)構(gòu)工型梁焊接位置處容易產(chǎn)生冷裂紋，鋼結(jié)構(gòu)工型梁的強(qiáng)度將會大大降低，構(gòu)件的質(zhì)量無法達(dá)到規(guī)范的要求，安全隱患無法排除，容易造成安全事故。

（2）火校熱矯正利用物體熱脹冷縮的原理，采用天然氣烘槍對鋼結(jié)構(gòu)工型鋼的翼緣板、腹板進(jìn)行火焰加熱，加熱時根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定變形量大的部位進(jìn)行加熱，而后對各個部位采用三角形加熱法進(jìn)行集中加熱，加熱溫度控制在 800～900℃，但不得超過 900℃，同一部位加熱不得超過2次，加工過程中采用實(shí)時檢測變形量，防止過度變形，直至符合要求。冷卻時自然冷卻，嚴(yán)禁使用澆水降溫的方式。

（3）矯正后的拱結(jié)構(gòu)工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁不得有損傷，保證構(gòu)件質(zhì)量要求。

火校后工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度數(shù)據(jù)見表4所示。

表4 火校后工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度數(shù)據(jù)

采用火校法改變工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度結(jié)果如下：

（1）采用火校法時，每根工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁需要2名工人進(jìn)行8個工時的校正，工件加熱和冷卻的時間過長，人工和材料成本過高且效果沒有明顯提高；

（2）校正過程中需要壓鐵（重量為7t）進(jìn)行配重壓彎，存在一定安全隱患；

（3）當(dāng)工期較緊時，采用火校法無法滿足生產(chǎn)需要；

（4）火校時對溫度要求嚴(yán)格，一般控制在800～900℃，但在實(shí)際加熱過程中全憑工人的經(jīng)驗(yàn)，溫度不好嚴(yán)格控制，溫度過高會造成12mm厚的腹板變形，溫度過低校正效果不明顯。

3.3 采用液壓機(jī)進(jìn)行模壓改變工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度

液壓機(jī)模壓控制工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度試驗(yàn)見圖6所示，液壓機(jī)模壓控制工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度數(shù)據(jù)見表5所示。

表5 液壓機(jī)模壓控制工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度數(shù)據(jù)

圖6 液壓機(jī)模壓控制工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度試驗(yàn)圖

液壓機(jī)模壓控制工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）采用液壓機(jī)模壓方法時，每根工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁需要2名工人進(jìn)行1h工時的校正，人工成本相對較低且效果明顯提高；

（2）為檢測模壓是否會造成焊縫裂紋的產(chǎn)生，模壓后進(jìn)行超聲波探傷檢測，均未發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋。

4 結(jié)束語

綜上所述，結(jié)論如下：

（1）對改變焊接順序方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)與工藝要求的焊接順序試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)沒有明顯提高工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度值，說明焊接順序?qū)ば弯摻Y(jié)構(gòu)橋梁拱度值的影響不大；

（2）對火校方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，火?？梢愿淖児靶瘟汗岸戎?，但變化范圍不是很大，分析原因發(fā)現(xiàn)火校對于薄板變形的控制效果比較明顯，但對于38mm的厚板效果不是特別明顯，而且每根工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁需要2名工人進(jìn)行8個工時的校正，人工成本過高；

（3）對液壓機(jī)模壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，模壓可以明顯提高工型鋼的拱度值，每根工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁需要2名工人進(jìn)行1h工時的校正，人工成本相對較低，且效果明顯，焊縫經(jīng)超聲波探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生，但液壓機(jī)模壓時無法精確控制工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的拱度值，只能控制在一定的范圍內(nèi)，相比其它兩種方法，液壓機(jī)模壓控制工型鋼結(jié)構(gòu)橋梁拱度值效率最高，成本最低。