中交第四公路工程局有限公司
摘要：本文对鳌江四桥钢梁节段工厂加工制造、现场安装等几个方面的施工技术进行研究。主要介绍了钢梁节段在厂内预拼装、防腐涂层施工、现场安装、精调、焊接工艺等施工技术；有效解决了大型钢结构梁段厂内制作精度、现场吊装精度、桥面线形、轴线偏差等问题，为同类型桥梁的钢梁制造与安装提供施工经验。
关键词：温州鳌江四桥 斜拉桥 钢梁 预拼装 制造安装
1 工程概况
鳌江四桥工程设计桩号为 K0 +000 ～ K1 +400，全长 1400m，其中跨江大桥长 1105m，接线长 295m。主桥采用独塔双索面钢-混凝土组合梁斜拉桥，桥跨布置为 130 +150m，整体结构为塔梁固结体系，主桥标准段桥宽：2.25m 人行道+3.5m 非机动车道+2m 挂索区+11.5m 机动车道+0.5m 隔离+11.5m 机动车道+2m 挂索区+3.5m 非机动车道+2.25m 人行道=39m。索塔处桥梁宽度为47.5m，桥面横坡为双向 2%。桥塔为钻石形混凝土索塔，塔高 99. 4m。
2 钢梁构造及钢梁制造
2.1钢梁结构
2.1.1选用组合梁形式
主桥断面采用钢主梁结合桥面板的整体断面形式，主桥由钢纵梁、钢横梁、小纵梁、悬臂梁以及风嘴连接形成钢构架，并在其上部铺设预制桥面板，现浇混凝土湿接缝，与钢梁上的剪力钉形成整体，组成钢-混组合梁体系（图1）。组合梁纵梁、横梁、悬臂梁、小纵梁均采用“工”字型钢梁，纵梁梁高 2.8m，纵梁横向中心间距 25.5m，桥面横向标准段宽 39.0m，桥塔处桥面最宽 47.5m，两侧再各设置一道 1.0m 宽风嘴顺桥向通长布置。钢主梁采用工厂分节段，分块件制造，运输至现场采用栓焊结合的方式进行连接。钢梁共37个节段，标准段长 8m，合拢段长 3m，钢横梁顺桥向 4m 设置一道。这种结构具有自重轻，工地现场安装简便快捷，跨越能力大和节省材料等优点，但要建造这种类型的桥梁，必须按有关力学理论进行精确计算，对材料的选用以及制造等要求较高。
2.1.2材料及材质要求
主梁钢材选择主要是基于梁体承受动载荷，对钢材碳、硫、磷特别是碳含量等控制要求较高，以及钢梁设计选用大厚度、大规格板材而考虑的。本项目钢梁除风嘴采用 Q235C 钢材外其余均采用 Q345qD 钢桥梁用结构钢，为了保证材料的焊接性能及冲击韧性，其化学成分如下：钢材碳含量≤0.18%、磷含量≤0.025%、硫含量≤0.015%。碳含量应≤0.43%。板厚有80、50、45、35、30、25、20、16、15、12、10、8mm，全桥钢梁重量4971.3t。
图1 主梁标准节段示意图
2.2钢梁节段制造
2.2.1钢梁制造工艺
钢结构的制造工艺是保证工程质量的关键，为保证钢梁制造质量，除了必须满足设计要求外，下列各个制作工序还必须符合国家钢桥梁制造的技术规范要求：
⑴ 钢板工艺排版、进场见证取样、钢材预处理、放样下料切割
⑵ 板单元加工、装配、焊接及焊缝修整
⑶ 板单元焊缝无损探伤
⑷ 板单元校正
⑸ 钢梁立体预拼装、焊接施工
⑹ 剪力钉焊接
⑺ 钢梁节段焊缝无损探伤
⑻ 钢梁防腐涂装施工
2.2.2原材工艺排版、数控下料，减少损耗
原材钢板订货前，根据钢梁节段组成及设计图纸要求进行深化设计、工艺排版，考虑了钢板进场抽样复检、板边直线度、焊接工艺评定用试板以及不同板厚零件下料时，火焰切割和数控等离子切割等影响因素，全桥钢板采用定尺供货，钢板原材利用率能达93% 以上，反映了原材钢板订货以及零件下料的控制是非常重要的，它可以减少损耗，节省资源。
2.2.3优选钢梁焊接工艺，提高生产效率
本桥钢梁节段所有对接焊缝及连接焊缝均为开坡口熔透焊缝，焊接是钢梁制造质量控制的关键，焊接施工过程中严格按 《铁路钢桥制造规范》（TB 10212—2009）、《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2004）和《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205—2001）标准执行，钢梁在焊接前对采用的钢材和焊接材料的品种规格、化学成份及力学性能进行了试验检测以及各种接头型式的焊接工艺评定试验，同时完成了焊接变形火焰校正的专项工艺试验和工字型钢梁面剪力钉的专项焊接试验。
经过试验及生产实践证明，二氧化碳气保焊焊接头的力学性能、外观检验均符合要求，而且二氧化碳气保焊焊丝较细、电流密度大、热量集中、电弧穿透力强、熔深大可以减小坡口角度，增加钝边厚度，降低焊接应力与变形同时焊接热影响区较窄，节省了材料和能源，提高了劳动生产率，提高了焊接质量，所以本桥焊接采用了二氧化碳气体保护焊。焊接过程中，所有板单元及钢梁节段在专用台座或胎架上按尺寸装配焊接，焊接完成后经无损检测均达到了一级焊缝的要求。
2.2.4钢梁节段预拼装精度及线形控制措施
钢梁共37个节段，分8轮进行预拼装（图2），节段间依次首尾相接，保证所有接口均进行匹配。端头梁段在当轮预拼装完成继续参加下一轮次的预拼装，以确保大桥整体纵向线形的连续性。钢梁节段构件组拼和每轮多节段预拼装均在预拼装胎架（图3）上完成，沿用一套基线系统。钢梁竖曲线的变坡通过调节胎架高低和节段之间上、下翼板的接口间隙差实现（上翼板接口间隙大于下翼板）。梁面基准测控点布置于上翼板表面与斜拉索锚拉板中心线交点向桥边侧 300mm 处，一般测控点布置于钢主梁横向中心线上，纵向距各节段端头 1000mm。
图2 钢梁节段预拼装
图3 钢梁节段预拼胎架
每轮预拼装步骤为：①板单元构件验收完成；②场地胎架标高、轴线放样，验收合格；③测量定位；④钢梁节段板单元依次组装、码板固定；⑤节段整体测量验收；⑥施焊组装焊缝，标记梁段号；⑦焊缝无损探伤，验收合格；⑧拆分下胎，当轮基本节段逐段涂装；⑨匹配节段进入下轮次拼装。板单元组成梁段的顺序为：钢纵梁→钢横梁→小纵梁→悬臂梁→风嘴，若节段整体测量验收不合格，重复步骤 ②～④。
预拼装质量标准为：节段拼接缝两侧主梁高差≤±2.0mm；横梁间距 ≤±1.5mm；两主梁中心距 ≤±3.0mm；每轮梁段总体旁弯 ≤L/5 000（L 为预拼装梁段全长）、横截面对角线差 ≤5.0 mm、水平对角线差≤3.0 mm；主梁端口垂直度≤ 3.0 mm；设计竖曲线与制造线形差（拱度）≤±3.0mm；锚拉板定位纵向偏差 ≤±2.0 mm、横向偏差≤± 1.0 mm、索导管角度偏差 ≤5′；主梁胎架上线形与理论线形偏差 ≤±1.0mm。
每节段钢梁定位完成后，依次测量节段两主梁之间的中心间距、断面对角线差、端口垂直度，在该节段相临板单元匹配高差、接缝宽度符合规范要求后才开始施焊组装焊缝，直至该轮所有标准节段预拼装完成，再进行该轮钢梁整体线形检查和调整，然后进行梁面复测。在拼装过程中完成各节段主梁拼接缝的预留并消除匹配高差过大的梁段，对钢梁节段进行标记及检测点复核。为消除钢梁因制造和安装误差对整体架设线形带来的影响，前期安装的结合段钢梁与后期工厂制作的钢梁需进行比较精密的匹配测量。该桥结合段钢梁桥位匹配测量主要采用检定钢尺多测回测量的方法，辅以高精全站仪进行补充和复核测量。
钢梁预拼装按照相关标准及规范要求进行检验，检验过程中出现不满足预拼装线形和梁段接口匹配精度的项目时进行钢主梁线形调整。调整技术措施如下：
⑴ 通过纵、横向基线修正各节段梁体在胎架上的位置和姿态时，各节段校调顺序为：标高调校、轴线调整、垂直度校正。
⑵ 前期测量的较大偏差主要体现在钢主梁中心距的偏差（如：BZL1、MZL1#梁段，设计腹板厚度渐变段 由35mm渐变50mm，旁弯偏差较明显），采取如下措施进行调整：
调整装配、施焊顺序，确保接头的焊接应力最小，减小焊接变形；
严格控制施焊环境，避免空气湿度大和风雨天气；
对钢主梁腹板垂直度加大检验频率，发现焊接变形的及时火焰校正。
⑶ 钢梁对环境影响敏感，在第1、第 2 轮工厂预拼装检查时与出厂测量数据存在差异，通过对各种影响因素的分析，调整了测量条件，严格限定了工厂质检的检测时机，并统一了仪器精度级别。
2.3.4钢梁节段防腐涂装施工工艺
鳌江四桥工程环境类别为Ⅰ类，空气中腐蚀介质含量较高，为较彻底全面地对钢梁进行防腐，本桥采用了二次表面喷砂处理、冷喷锌、冷喷锌封闭剂 2 道、改性氟碳面漆复合涂层保护，这种防腐配套，经盐雾试验结果推算，防腐寿命可达三十年甚至更长时间。
采用冷喷锌、冷喷锌封闭剂 2 道、改性氟碳面漆复合涂层的施工，关键是要保证冷喷锌对基层 钢材的表面处理要求和改性氟碳面漆复合涂层的施工环境条件。由于冷喷锌膜锌含量不低于 96%，对基层钢材处理要求较高，严格要求采用喷砂、抛丸等方法彻底除锈将构件表面的毛刺、铁锈、氧化皮、油污及附着物彻底清除干净，喷砂后钢板面的清洁度达到Sa2.5 级或 St3级，粗糙度 55～80μm（图4）。经验表明，钢板除锈在达到Sa2.5级或 St3级以后，如果环境相对湿度大于75 %，4小时后钢板表面即出现返锈情况，大面积的防腐涂装施工，保证喷涂的环境湿度与温度条件是防腐涂装质量控制的关键；同时在大气温度较低的情况下冷喷锌封闭剂固结速度较慢，影响后续改性氟碳面漆复合涂层工序进行，若条件允许则可在大型封闭恒温恒湿车间封闭施工，不过要特别防止冷喷锌操作工人锌中毒倾向，保证操作工人的人身安全。
为达到冷喷锌钢板表面的处理标准，除锈一般应分喷砂和扫砂、抛丸二步进行，同时进行磨料的选择和配比试验，选择好喷砂用的磨料以达到磨料干燥、清洁以及棱角、粒度、硬度、强度适中的要求，喷砂完成后有部分区域未达到要求时可采用手工机械修补除锈。
防腐涂装施工完成后，经目测检查构件表面无误涂、漏涂、涂层无脱皮和返锈，涂层均匀，无明显皱皮、流挂、针孔和气泡现象。用漆膜测厚仪取每处的数值为3个相距 50mm 测点检测涂层干漆膜厚度的平均值（图5），涂层厚度均满足设计规定膜厚＞260μm的要求。
图5 钢梁节段漆膜厚度检测
3 钢梁节段现场安装施工
钢梁节段出厂前在工厂模拟桥型竖曲线进行立体预拼装，重点检查主纵梁间轴线尺寸，节段梁长、梁高以及各节段梁端匹配高差，检查节段接缝码板间距情况等，以确保工地现场安装焊接的顺利进行。以本桥钢梁2#节段施工为例，讲述钢梁节段的现场吊装施工技术。
3.1钢梁2#梁段吊装
2#梁段位于索塔两侧，安装采用在索塔承台处搭设临时支架进行原位吊装，共包括二个块体分别为主跨及边跨的2#梁段。MZL2#与BZL2#节段重120.5t，块体吊装采用260t浮吊进行吊装，将块体大致就位后浮吊松钩，采取在临时支架分配梁上设置调节段及三向千斤顶对2#节段标高、轴线、里程进行调整，使之达到目标精度（图6、图7）。确认达到目标高程、里程、轴线后连接临时连接固定其相对位置，之后进行焊接作业。
图7钢梁节段吊装施工
3.2 钢梁2#梁段精调
3.2.1精调装置及布置
钢梁精调是指将已经吊装完成的钢梁通过三向千斤顶进行钢梁轴线和里程等的调节，使其满足设计和监控的要求。钢梁精调装置包括：液压三向千斤顶系统、千斤顶底座、调节段等。
液压三向千斤顶系统：最重梁段为125t，每个梁段下设4个三向千斤顶，每个三向千斤顶受力约31.25t。因此精调时采用50t三向千斤顶，每个千斤顶配三套手动泵站。三向千斤顶垂直向为竖直顶升，纵向横向千斤顶通过顶动竖直方向千斤顶调整纵横向位置，垂直千斤顶与下部为四氟乙烯板摩擦接触，其摩擦系数小于千斤顶下部钢板与分配梁摩擦系数，故能够保证垂直千斤顶先于整体开始滑动。千斤顶主要持力为垂直千斤顶部分，纵向方向千斤顶宽度相较分配梁长度偏长，在分配梁布置千斤顶处设置小牛腿托住纵向千斤顶方便操作。
千斤顶底座：千斤顶底座选用双拼I36a型钢或强度更大的型钢进行制作，放在支架顶部并在梁中和梁端设置加劲板，此外为防止千斤顶侧翻，在底座双拼工字钢与钢管桩接触位置需添加横向限位。
调节段：安装前设置好标高，正好调整至设计标高并考虑施工预拱度。
钢梁节段精调需要4个三向千斤顶系统，每一侧支架每个节段上有两个三向千斤顶系统，千斤顶理论布置于钢纵梁与横梁对接处腹板正下方。
3.2.2精调施工步骤
在开展钢梁精调施工步骤前，钢梁安装过程中使节段大致就位完成，保证精调过程不超过三向千斤顶调整范围。此外在钢梁吊装前按照图纸布置好调节段，标高精调通过调节段来进行控制。
施工步骤以BZL2#梁段为例进行说明：
1、精调2#梁段横桥向位置，使之符合轴线要求
粗调完成后，先同时操作四个三向千斤顶竖向手动泵站，将钢梁从调节段上微微顶起。而后操作横桥向千斤顶手工泵站使2#节段符合轴线要求，调整过程中测量人员随时对桥体位置进行监控确保整个精调的精确度（图8）。
2、精调2#梁段纵桥向位置，使之符合里程要求
完成轴线调整后进里程调整，具体操作步骤与轴线调整类似，操作纵桥向千斤顶手工泵站调整纵向位置。对里程以及拼缝宽度调整完成并测量符合要求后，需对梁段轴线位置重新进行复测，若存在偏移需重新进行轴线调整，轴线调整完成后，在复验里程，如此反复，使得轴线、里程满足要求（图9）。
3、2#梁段调整完成后的位置固定
调整完成后，将2#梁段与1#梁段临时连接安装完成用以固定2#梁段位置；精调完成后，开展1#梁段、2#梁段焊接作业，焊接完成后进行下一步施工。
图9 精调梁段纵桥向位置
3.3钢梁现场焊接
本工程现场焊接工程量较大，钢梁材质主要为Q345Qd。现场焊接主要截面为“工字型”截面，最大板厚为80mm，最长焊缝为3.1m立焊焊缝。现场焊接技术要求高，焊接难度大。现场焊接以高空组装焊接为主，焊接方法主要是CO2气体保护焊。所有现场焊缝皆为一级焊缝在正式施工前现场系统的开展了焊接工艺试验及评定工作，优选出合适的焊接工艺。
3.3.1焊接材料使用注意事项
1、使用的焊材和辅材符合本工程焊接工艺试验合格结果及原材料复检合格报告要求。
2、清除干净焊丝上的油锈。
3、检查焊剂中是否混入熔渣和杂物。
4、焊丝焊剂及陶瓷衬垫干燥使用。
5、CO2气体纯度不低于99.5%，使用前需经倒置放水处理。
3.3.2 避免施工环境影响措施
1、在工地放风速仪，定时测量及记录施工期间的风速；在焊接作业区风速超过2m/s时，及时在施焊位置设置防风棚。雨天施工时，为避免雨水直接落在刚焊接的焊缝表面，顶板的焊接工作在临时工作棚内进行，CO2气体保护焊在防风棚内进行。
2、施工现场湿度≥80%时，出现不利于焊接工况，采取对焊接位置附近进行除湿处理，用局部加热的方法，减小焊接区域的湿度。
3、施工现场准备足够的雨具，在雨天施焊时，要求施焊人员戴绝缘手套，穿绝缘鞋，做好防漏电工作；同时尽量避免在雨天的高空的焊接。
4、由于受日照温度梯度的影响，夏季在日照环境下，焊接施工容易造成钢梁变形量不均，引起精度超差，故选择在气温低、温度较稳定时间段进行焊接施工，避免较强阳光照射的影响。
3.3.3钢梁节段焊接顺序
本桥标准段焊缝主要为节段间纵梁对接焊缝，位置位于每个节段纵梁的两端。
1、安装就位完成后，对东西两侧纵梁腹板进行对称焊接。
2、进行对称焊接顶板焊缝。
3、进行底板焊接，底板焊接也需对称焊接。
4、进行小纵梁与横梁的焊接。
钢梁2#节段现场焊缝焊接过程中，选择了合适的焊接工艺，有效解决了鳌江流域上风速大、雨水密集等环境影响问题；焊接完成后，经无损检测（图10）所有现场焊缝皆符合图纸设计要求，桥面线形、轴线位置复测（图11）满足设计要求。主桥斜拉索在现场安装时采用标高、索力双向施工控制，同时测量控制主桥塔的水平偏移和钢梁的内应力，在钢梁吊装、斜拉索安装以及桥面板吊装等不同步骤及时发出标高、索力等施工控制指令指导施工。
图10 焊缝无损检测
图11 复测桥面线形、轴线位置
结束语
钢梁具有材质均匀、强度高、承载能力强、工厂化加工程度高、施工周期短、回收利用率高、可循环利用等诸多优点。鳌江四桥主桥钢梁节段采用工厂预拼装和桥位必要部位匹配测量相结合的方法对钢梁线形进行控制，为全桥钢梁安装工作的顺利进行奠定了坚实基础。传统手段和高精度仪器相结合的匹配测量，为钢—混凝土结合段及相邻钢主梁节段之间的拼装提供了可靠的匹配数据，并修正了相邻节段钢主梁工厂制作尺寸，由于钢梁制作精度较高，斜拉索索导管定位准确，保证了现场钢梁吊装工作按预定目标顺利进行。
参考文献
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［2］TB 10212—2009，铁路钢桥制造规范。
［3］JTG F80/1—2004，公路工程质量检验评定标准。
［4］ GB 50205—2001，钢结构工程施工质量验收规范。
［5］ GB8923，涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级。
论文作者:张明军,程鹏飞,杜伟,夏芝明
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第9期
论文发表时间:2018/8/28
标签：钢梁论文; 千斤顶论文; 轴线论文; 线形论文; 测量论文; 现场论文; 桥面论文; 《建筑学研究前沿》2018年第9期论文;