超危大钢结构桥梁施工工艺及焊接质量控制——以西湖大学建设工程三期为例.pdf

20239Building Construction1858超危大钢结构桥梁施工工艺及焊接质量控制以西湖大学建设工程三期为例黄永亮上海建工集团股份有限公司总承包部 上海 200080摘要：钢结构桥梁凭借其成本低、施工速度快、结构性能优良等优势，已在施工中被广泛应用，与此同时，超危大钢结构桥梁在施工及管理中，分段钢结构焊接时较易出现质量隐患。以西湖大学建设工程三期为例，阐述该类超危大钢结构桥梁施工过程中的施工工艺及拼接焊接质量控制措施，总结的经验可为今后同类型超危大钢结构桥梁施工提供借鉴。关键词：超危大；钢结构桥梁；施工工艺；拼接焊接；质量控制中图分类号：U445.47 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)09-1858-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.09.036Construction Technology and Welding Quality Control of Super Risky-large Steel Structure Bridge Taking the Third Phase of West Lake University Construction Project as an ExampleHUANG YongliangShanghai Construction Group General Contracting Department,Shanghai 200080,ChinaAbstract:With the advantages of low cost,fast construction speed and excellent structural performance,steel structure bridges have been widely used in construction.At the same time,in the construction and management of super risky-large steel structure bridges,the welding of segmented steel structures is prone to quality hazards.Taking the third phase of the construction project of West Lake University as an example,the construction technology and quality control measures of splicing welding in the construction process of this kind of super risky-largesteel structure bridge are expounded,and the experience summarized can provide reference for the construction of the same type of super risky-largesteel structure bridge in the future.Keywords:super risky-large;steel structure bridge;construction technology;splicing welding;quality control3 700常水位常水位3 7007 800200200北南130图1 18#桥梁整体立面示意横断面采用单箱3室截面，箱梁顶板厚度均为16 mm，跨中底板厚度为16 mm，梁端底板厚度为20 mm，腹板厚度为14 mm，纵向加劲肋设置于箱梁顶、底和腹板，选用一字肋，高10 cm、宽1 cm（图2）。图2 18#钢桥三维图1 工程概况本文以本项目18#、19#钢桥为例，18#钢桥设计使用年限为50 a，19#钢桥设计使用年限为100 a，2座桥均为人行桥。其中，18#桥为两跨连续钢梁，跨度为37 m，19#桥为连续三连跨钢桥，最大跨度为40 m，均超出钢结构工程超危大工程跨度要求36 m。1.1 18#桥概况18#桥跨越下确桥港和校内河，为一座两跨连续钢桥，跨径为237 m，桥梁全长78 m，桥宽为9.31316.049 m（图1）。18#桥采用钢箱梁截面，梁板高度1.3 m，底板宽度为7.49314.229 m，顶板宽度为9.31316.049 m，悬臂长1.5 m，采用斜腹板。桥面横坡为1.5%。作者简介：黄永亮（1986），男，本科，工程师。通信地址：上海市东大名路666号（200080）。电子邮箱：收稿日期：2023-06-27市政工程MUNICIPAL ENGINEERING建筑施工第45卷第9期18591.2 19#桥概况19#桥跨越下确桥港和校内河，为40 m25 m32 m变宽连续钢桥，全长102 m，桥面宽10.4316.18 m。桥梁位于曲线段，桥台径向设置，桥墩斜向设置，1#墩里程控制线与道路中心线斜交角45.5，2#墩里程控制线与道路中心线斜交角60（图3）。常水位10 1002 5004 0003 200西东常水位图3 19#桥梁整体立面示意19#桥采用钢箱梁截面，梁板高度1.4 m，底板宽度为8.5214.27 m，顶板宽度为10.4316.18 m，悬臂长1.5 m，采用斜腹板。桥面横坡为1.5%。横断面采用单箱3室截面，箱梁顶底板在中支座附近厚度为20 mm，其余位置厚度均为14 mm，中腹板厚度为16 mm，边腹板厚度为14 mm，纵向加劲肋设置于箱梁顶、底和腹板，U形肋高28 cm、厚0.8 cm，一字肋高10 cm、宽1 cm（图4）。图4 19#钢桥三维图2 工程重、难点按危险性较大的的分部分项工程安全管理规定，对于采用非常规设备、方法，且单件起吊质量在100 kN及以上的起重吊装工程；起重量300 kN及以上或搭设总高度200 m及以上，或搭设基础标高在200 m及以上的起重机械安装和拆卸工程，即判定为超危大工程吊装作业。本项目18#、19#钢桥最大分段钢梁自重61.2 t，考虑吊钩、钢丝绳、索具等质量为2.5 t，合计为63.7 t，为常规起重方法，超过起重量300 kN的限定，因故按超危大工程处理。考虑到起重量之大，施工过程中应确保按照安全专项施工方案要求施工，同时严格落实施工前准备，施工过程中严格按照步骤施工。本文将从吊装前的稳固措施开始介绍，并对拼装、焊接这类对吊装质量产生关键影响的步骤，采用多项措施调整控制，确保桥梁施工整体稳固，质量达标。3 施工工艺流程18#、19#桥总体施工顺序为：钢箱梁深化设计方案设计、论证备料、材料选购钢箱梁工厂加工施工道路平整，施工场地回填、硬化处理运输至现场支撑架安装，管桩打设平台安装吊机进场组装、报验钢桥吊装、焊接卸载、平台及管桩拆除现场防腐处理。3.1 现场工装施工3.1.1 临时支撑设置本施工段桥梁中，18#钢桥和19#钢桥现场安装时，采取分段吊装方法，故需设置临时支撑，待钢桥焊接完成后便可拆除临时支撑架，结合本施工段钢桥特点，钢桥每个箱式下均设置一道临时支撑架，临时支撑架采取格构式，平面尺寸为2 m3 m（图5）。支撑架支撑架支撑架支撑架支撑架常水位北南常水位图5 18#、19#钢桥支撑布置立面示意1）支撑架安装。安装支撑胎架之前，需进行定位，并划定位线，划好后复核。安装时，使用一定规格的汽车吊组装支撑胎架，根据不同的位置及高度进行组拼，待拼装完成后，吊机安装就位1。临时支撑架支撑于地面上，为了确保支撑架在施工过程中无倾覆、移动等不良现象，因此将临时支撑架立柱与底部地面进行临时固定，并将相邻的支撑架采用槽钢进行连接。2）支撑架顶底细部处理。支撑架底部支撑于现场地面上，故将地面素土压实，再铺设300 mm厚建筑垃圾，并予以压实，并在建筑垃圾上铺设钢板；支撑架底部采用H型钢作为底座，底座直接搁置于钢板上，并与钢板电焊临时固定（图6）。图6 支撑架底座做法大样支撑架顶部设置型钢小立柱（500 mm高），其搁置于支撑架顶部分配梁上，为确保钢桥整体线形，方便对钢桥对接口标高进行微调，故在型钢小立柱顶部垫多层钢板，同时在分配梁顶部设置液压千斤顶，以方便对钢桥标高进行微调和卸载使用（图7）。黄永亮:超危大钢结构桥梁施工工艺及焊接质量控制以西湖大学建设工程三期为例20239Building Construction1860多层厚10钢板高500型钢立柱千斤顶钢箱梁支撑架或管桩顶部分配梁图7 支撑架顶部做法大样3.1.2 施工分段拼装对接中采用分段措施，为确保后期焊接顺利进行，焊接前可先进行预装，通过仪器检验预装时钢结构构件的定位、尺寸、连接处是否存在误差，经检验合格后，即可在对应钢结构构件上标注定位线，并在拼装时按照预装结果施工。深化设计中对构件进行分段，需要综合考虑分段制作生产的经济条件、各单元的质量和运输环境需要，是否满足吊机使用要求、安装便捷、国家及行业要求的规范要求、设计要求、焊缝形变等。详图设计应在充分了解原材料、运输条件及安拆方案之后进行。3.2 现场拼装工艺3.2.1 汽车吊吊装先按预定路线入场，布置好吊机吊装位置，为确保拼装质量，布置前需采用压实机械平整场地，确保地基承载力满足要求，接着运输车将钢箱梁运输至指定位置，用钢丝绳均匀固定将钢箱梁段吊起（图8）。第一次吊装主梁节段前需进行地面荷载试验，采用钢丝绳吊起后，先于空中静止约10 min，其间回落2次试验，梁段应保持平稳状态，安全起见，起吊时，梁段离放置位置高度不得大于200 mm，该过程中，梁段应始终保持平稳状态，待确认汽车吊机械性能无明显异常后，即可正式开始吊装。起吊过程中，吊钩控制缓慢起升，采用缆风绳进行牵引，防止自然风力造成的水平转动，待吊至高于支墩1 m的空中时，停止并观察构件，确认吊装构件保持静止后，再次观察基础，并控制吊钩回转构件，过程中起升机构不动，接着进行初步定位。接下来进行线形调整，确保主梁节段位置落在支座连接处，过程中用千斤顶调整，全站仪进行同步测量，测量点位选在主梁端部中心及两侧腹板，各个端头选择3个点进行测量。测量无误后，将主梁节段平稳放置于桥墩上，待落梁就位，分别在两桥墩布置2组起重工辅助进行精细调整2。待梁段就位后，即可将钢丝绳上的连接扣件取下，初次吊装完成，接着缓慢起升吊钩，待钢丝绳自然垂直，即可回转吊车。3.2.2 现场梁段线形控制施工现场中，拼装和安装钢梁过程中需设临时支墩，其放置方式按图纸设计钢梁标高及线形进行。在钢梁段拼装和吊装过程中，可按如下方法调整：1）线形平曲线（平面位置）的调整。首先采用全站仪进行放线，并在钢梁外部两侧安放定位限块，用于吊装过程中的一次定位，钢梁内侧及两端安放定位线，用于观察及调整钢梁吊装过程中的空间位置，值得注意的是，若采用GPS定位系统，在精细定位方面误差较大，不能满足质量要求，因此应杜绝此类定位，对复杂的构件进行定位时，可采用三维放样，进行多点精确定位，控制线条，确保整体流畅3。2）线形标高（高程）的调整方法。在各个支座连接点，需确保各段钢梁标高位置统一，采用千斤顶进行调整，同时需用全站仪测量钢梁中部及两侧腹板，以确保位置准确。由于现场选用支撑易导致梁段发生柔性变形，因此吊装完后需及时根据形变量对钢梁进行复核调整，待整段钢梁吊装完成后，再整体复核4，采用大型码板固定环口，待确认无误后方可进行焊接工艺。3.2.3 临时固定钢箱梁分段吊装完成后，用连接耳板临时固定，根据西湖大学项目特征，底板设置2组、腹板各设置1组、顶板亦各设置1组。钢箱梁分段吊装就位后，若各单元存在高差和左右偏位，则采用千斤顶进行调整。钢箱梁临时固定后，选取温差较小的白天进行焊接。3.3 分段拼接及焊接质量保证措施3.3.1 钢箱梁现场拼接施工工艺如上所述分段制作钢箱梁，其中连接接头处均为焊透对接。其中，桥身部分区域需进行临时支撑或钢管桩搭设，其连接施工应在临时支撑或钢管桩上进行。首先取相邻两梁段，预备好一定间距供其施工，并将其连接口调准，预留部分间隙用于施工，同时用大型定位码板定位。对接过程中形成的偏差和错边，采用高温火焰烘烤（控制温度）消除。对焊缝坡口的处理，可用CO2自动焊打底焊。拼接过程中，环焊应先焊底板，再焊梁段侧面，焊接侧面时，需侧向两边对称施工，以减少形变（图9）。焊接完成后，即可采用超声波进行探伤检测5。图8 现场汽车吊吊装 图9 现场钢梁拼接黄永亮:超危大钢结构桥梁施工工艺及焊接质量控制以西湖大学建设工程三期为例建筑施工第45卷第9期18613.3.2 钢箱梁接装总长的精度控制钢箱梁在接装过程中，总会有各类环境误差及设备误差，最终对钢箱梁总长造成影响，进而给整体性能及使用带来较大的影响。焊接收缩及温差，便是误差的主要因素之一6。加工厂制作车间与现场施工的温度各有不同，且焊接时收缩量有较大差异。为避免误差积累，最终导致无法消除的质量隐患，因此须定期测量，确保钢箱梁总长在可控范围内，从钢箱梁材料制作开始，到钢箱梁拼接完成，进行全过程精控。本文采用倒推法，用以确认无余量下料切割尺寸。在保证执行设计尺寸的前提下，须考虑如下因素：钢箱梁外板对接焊缝收缩量；钢箱梁拼装时的收缩量；单元件热矫正收缩量；单元件焊接时的收缩量；切割的自耗量；拼装后整体起拱斜长及水平投影差值。梁段对接总长控制误差的最后一步，即现场钢箱梁拼接前，须调整环隙间隙，根据环缝焊后收缩量与梁段对接焊所需尺寸以及温度影响来确定每条环缝间隙。钢箱梁拼接前，须于焊缝两侧300 mm处，采用钢化针进行定位标记，钢箱梁底板、面板、侧板两边均须做此标记，用以控制测量对接环焊缝间隙。对接环缝焊接完成后，检测距离标记，即可测得环缝焊接收缩量控制效果，通过此法不断记录数据，并进行调整。3.3.3 焊接变形控制 本项目钢梁安装现场所需的焊接工作量大，对焊工的技术要求高，同时整个施工的周期长，因此并不适宜作为焊接现场。针对上述情况，选择在工厂进行加工，同时在满足运输条件的前提下，对钢箱梁进行焊接工作，施工现场焊接进行如下控制7：1）采用CO2气体半自动保护焊药芯焊丝及手工焊接组合焊接。2）采用快速度、小电流、多层、多道焊接工艺措施，减少热输入。3）选用小直径焊条、焊丝，且焊材应具有良好焊接电弧稳定性。若选择工地焊接，需对焊接部位进行有效防护，确认防水条件并做好预配置，恶劣天气下应严格禁止焊接，确保在风力小于5级、温度不小于5、湿度不大于80%的条件下焊接施工。3.3.4 焊接应力应变控制措施1）焊缝较多时，对收缩量较大的部分先行焊接组装，同时先焊接拘束度较大、无法自由收缩的焊缝，后焊接可自由收缩的焊缝。2）采用锤击法，用以减小焊接残余应力带来的影响，对重要节点，应在每道焊接工艺完成后，立即用锤击工具均匀敲打金属焊缝，产生塑性延伸形变，从而消除焊缝冷却的残余影响。此法不适用于根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口的两侧焊道，易出现熔合线和近缝区的硬化及裂纹。3）为防止两端偏差，可两端同时开工，施工速度尽量保持一致，以减小因焊接不均匀导致的焊接结构变形。3.4 工程应用效果西湖大学建设工程三期项目实施过程中，注重对焊接以及施工技术的控制，根据自身钢箱梁应用特点，采用吊装同步测量控制及现场梁段线形控制施工工艺，保持桥身整体线形平滑流畅，能够将钢桥的结构尺寸控制在规范要求内，且施工过程中无安全隐患，全程顺利进行；对焊接采用多项控制及超声波检测工艺，在检测前，根据钢梁采用的材质、尺寸，预计可能发现的缺陷种类、发生部位，同时，检测需在焊缝完成24 h，并经外观检测合格后，方可进行。本文中技术的应用成果，经实际工程应用证明，符合国家标准和法规的需要，能够指导超危大钢桥吊装过程中的施工工艺以及解决焊接施工质量问题。4 结语本文针对超危大钢结构桥梁施工，结合行业经验，阐述分析了西湖大学建设工程18#、19#桥梁的施工过程，超危大钢桥工程是一项危险且复杂的施工工序，所有工序应按步骤依次执行，过程中应严格把控，以确保吊装作业准确安全。本文总结的经验可为同类型超危大钢结构桥梁施工提供理论及方法支持。1 张习亮.钢结构桥梁制作与安装技术探讨J.工程技术,2022(8):57-582 王洋.关于钢结构桥梁施工的控制要点分析J.工程技术,2022(3):54-553 白晓方,勾应林.钢结构拼装与焊接施工的质量控制要点J.山西建 筑,2018(44):2004 郭栋.钢结构桥梁施工管理及安装质量控制措施J.中国科技期刊 数据库 工业A,2022(9):8-105 邓君,王富强.钢结构桥梁焊缝无损检测技术研究J.现代物业,2023(1):32-336 潘振虎.钢结构桥梁施工质量控制体系分析J.现代工程科技,2022(7):57-597 李海龙,梁永强.钢结构桥梁焊接施工技术研究J.企业科技与发 展,2022(7):115-116.黄永亮:超危大钢结构桥梁施工工艺及焊接质量控制以西湖大学建设工程三期为例