青州航道橋邊跨大節(jié)段鋼箱梁組拼控制技術(shù)研究＊

劉 鵬 賀拴海 趙英策

（長安大學(xué)公路學(xué)院1） 西安 710064）（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司2） 北京 100088）

0 引 言

青州航道橋為港珠澳大橋主體工程3個通航孔橋之一.青州航道橋及附近深水區(qū)通航孔橋位于伶仃洋海域繁忙海運航道之上，毗鄰珠江入?？?，常年大風(fēng)天氣較多，臺風(fēng)影響嚴(yán)重，傳統(tǒng)施工方法難以滿足施工工期要求.大節(jié)段吊裝架設(shè)方法能夠大幅縮短工期，減小惡劣施工環(huán)境的影響，因此該方法在港珠澳大橋建設(shè)上應(yīng)用廣泛［1-3］.

文中以青州航道橋邊跨大節(jié)段工廠拼裝為例，著重研究了鋼箱梁大節(jié)段焊接施工中拼裝線形控制方法，分析了主要影響參數(shù)，如焊縫收縮量、溫度和組拼支撐條件對拼裝線形的影響；對鋼箱梁組拼、存放、轉(zhuǎn)運過程中局部受力進行分析，研究了鋼箱梁支撐位置、面積和場地不均勻沉降對其局部受力和穩(wěn)定性的影響，探尋合理、有效的大節(jié)段鋼箱梁拼裝監(jiān)控技術(shù)，確保大節(jié)段組拼線形和局部受力處于可控狀態(tài)，為鋼箱梁從無應(yīng)力狀態(tài)向設(shè)計成橋狀態(tài)轉(zhuǎn)換奠定基礎(chǔ)，并總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗為今后類似工程實踐提供有益參考.

1 工程概述

1.1 總體概況

青州航道橋為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，全橋采用半漂浮體系.橋跨布置為110m+236m+458m+236m+110m=1150m.僅在中跨和次邊跨布設(shè)斜拉索，標(biāo)準(zhǔn)索距為15 m.主梁采用流線型扁平鋼箱梁，鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)除邊跨跨中處梁段采用Q420qD 外，其余均為Q345qD.鋼箱梁梁頂寬33.8m（不計風(fēng)嘴），底板寬21.2m，梁高4.5m，風(fēng)嘴長度為2.6m.

1.2 施工方案

根據(jù)構(gòu)造，青州航道橋全橋鋼箱梁劃分A～S共18種類型、85個梁段，索區(qū)梁段采用懸臂拼裝法安裝，索塔塔區(qū)節(jié)段和邊跨區(qū)梁段安裝采用大節(jié)段整體吊裝法架設(shè)，圖1所示為青州航道橋大節(jié)段梁段劃分示意.

大節(jié)段整體吊裝法安裝鋼箱梁需要經(jīng)歷小節(jié)段制造、大節(jié)段拼裝、裝船運輸、吊裝架設(shè)和梁段安裝5個節(jié)段，具體施工流程見圖2.對于大節(jié)段鋼箱梁制造細(xì)分3個階段：板單元制造、小節(jié)段組裝、大節(jié)段拼裝.

圖1 青州航道橋邊跨大節(jié)段劃分示意（單位：m）

1）板單元制造 鋼箱梁由頂板單元、底板單元、斜底板單元、隔板單元、腹板單元組成.板單元在工廠進行加工，其加工精度為控制重點.

2）小節(jié)段制造 采用多節(jié)段連續(xù)匹配組裝方案，在節(jié)段制造中，按照自下向上、自中間向兩邊的順序.組裝時以胎架為外胎，以橫隔板、腹板為內(nèi)胎.小節(jié)段組裝完成后運輸至涂裝廠房內(nèi)進行打砂、涂裝，再運至拼裝廠房進行大節(jié)段拼裝.

3）大節(jié)段組拼 大節(jié)段鋼箱梁總拼由于受裝船和運輸條件的限制，多數(shù)在外場完成，也有少數(shù)在車間內(nèi)完成.青州航道橋大節(jié)段的總拼在拼裝車間的專用胎架上進行，采用縱橫基準(zhǔn)線、測量塔控制組拼線形和環(huán)口傾角.

圖2 大節(jié)段鋼箱梁架設(shè)流程

1.3 鋼箱梁大節(jié)段組拼控制

無應(yīng)力構(gòu)形是現(xiàn)場施工和工廠預(yù)制的重要信息，無應(yīng)力狀態(tài)控制法（幾何控制法）要求對鋼箱梁進行嚴(yán)格幾何控制［4-6］.大節(jié)段吊裝法鋼箱梁的無應(yīng)力線形是在大節(jié)段組拼期間實現(xiàn)的，須重點對大節(jié)段組拼施工節(jié)段實施控制.

圖3 大節(jié)段鋼箱梁組拼胎架線形設(shè)置示意

鋼箱梁大節(jié)段在車間總拼時，鋼箱梁胎架上設(shè)置拱度應(yīng)考慮無應(yīng)力線形、焊接收縮量，以及胎架的彈性變形量設(shè)置胎架預(yù)拱度，見圖3.其拱度關(guān)系如下：胎架拱度=無應(yīng)力線形+焊接收縮+胎架的彈性變形量.設(shè)計整體拼裝胎架時，胎架縱向各點標(biāo)高根據(jù)施工監(jiān)控方提供的制造線形，并應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)底板的高度變化、焊接收縮量和胎架變形量因素.結(jié)合大節(jié)段組拼施工特點，大節(jié)段工廠組拼的重點包括以下3個方面.

1）大節(jié)段組拼縱向線形控制 大節(jié)段組拼線形控制是組拼監(jiān)控的關(guān)鍵.影響拼裝線形的主要因素有焊縫收縮量、梁重的不確定性和總拼支撐條件等，須調(diào)整大節(jié)段組拼線形使其達到制造精度，這也是幾何控制法的內(nèi)在要求.

2）大節(jié)段梁長控制 大節(jié)段組拼線形控制是組拼監(jiān)控的重點.以小節(jié)段制造階段梁長的初步控制為基礎(chǔ)，大節(jié)段對其進行精確控制：精確控制大節(jié)段環(huán)縫的焊縫寬度和收縮量，前一環(huán)縫的焊縫誤差在下一環(huán)縫中進行有效調(diào)整，確保梁長可控.影響梁長的因素較多，主要因素是無應(yīng)力尺寸精度和焊縫預(yù)留寬度及收縮.

3）大節(jié)段接縫夾角監(jiān)測 為保證大節(jié)段與合攏段之間在安裝時能夠平順對接，在制造時大節(jié)段接縫處夾角應(yīng)為無應(yīng)力夾角，并對接縫夾角進行幾何控制，保證大節(jié)段的順利連接.

2 組拼線形控制

2.1 焊縫收縮量

為避免仰焊帶來的焊接質(zhì)量不可控，青州航道橋邊跨大節(jié)段采用栓焊結(jié)合構(gòu)造，頂板縱向U型加勁肋采用栓接，斜底板、腹板和底板加勁肋均采用焊接.鋼箱梁焊接環(huán)縫底板焊接工作量要比頂板要大，其焊縫收縮量較頂板也偏大.一般地，大節(jié)段環(huán)縫焊接在環(huán)口處布置一定量的定位止推板或馬板，以對焊縫收縮量進行強制控制.港珠澳大橋青州航道橋在大節(jié)段焊接過程采用了無馬板焊接施工工藝，這避免了設(shè)置馬板帶來的焊接殘余應(yīng)力，但也對焊接施工工藝和節(jié)段拼裝線形控制提出了更高的要求.

為分析焊縫對大節(jié)段拼裝線形的影響，以青州航道橋邊跨大節(jié)段為例，其鋼箱梁梁高4.5m，梁段節(jié)段長度見圖1.待焊接工藝穩(wěn)定工藝穩(wěn)定后，同時測量頂、底板焊縫預(yù)留寬度S、焊縫收縮量ΔS，并計算焊縫收縮率η=（ΔS／S）×100%，實測數(shù)據(jù)見表1.

表1 大節(jié)段鋼箱梁架設(shè)流程

由實測數(shù)據(jù)可知：頂板焊縫收縮為33.1%，底板焊縫收縮率為43.0%，底板焊縫收縮率比底板要大9.9%.假使頂?shù)装搴缚p預(yù)留量均為10 mm，則底板焊縫將會比頂板多收縮1 mm.圖4為鋼箱梁節(jié)段拼接幾何關(guān)系.由圖4可知，若按相對幾何控制則下個梁段將發(fā)生arctan（2.2×10-4）的轉(zhuǎn)角，頂、底板焊縫不均勻收縮將導(dǎo)致下一梁段前段下?lián)?

圖4 鋼箱梁組拼幾何關(guān)系示意

假定ES25與ES24焊接時頂、底板發(fā)生1.0 mm 的不均勻收縮，則在ES24梁段端頭將會產(chǎn)生2.9mm 的下?lián)?

若按此線形繼續(xù)進行拼裝，假定不對拼裝線形進行控制在其余節(jié)段拼裝不發(fā)生焊縫不均勻收縮，則將在大節(jié)段末端產(chǎn)生29.6mm 的下?lián)?

若大節(jié)段拼裝每處焊縫環(huán)口均發(fā)生1.0mm 不均勻收縮量，則大節(jié)段端頭將會下?lián)?60.5mm.

由式（1）～（3）知，拼裝進行時若不對焊縫不均勻收縮進行適當(dāng)?shù)睾附有Ｕ脱a償，這將會改變梁段間的相對幾何關(guān)系，并對大節(jié)段拼裝線形產(chǎn)生較大影響.事實上，由于對焊縫工藝和拼裝線形的控制及胎架的限制，大節(jié)段拼裝絕對幾何線形將不會發(fā)生式（3）計算所得的下?lián)狭?但對于兩個相鄰梁段來說，焊縫不均勻收縮導(dǎo)致2.9 mm的變形也是不容忽視的.焊縫收縮量不均勻性為大節(jié)段拼裝最重要的誤差因素.應(yīng)從焊接工藝和線形控制兩方面入手，有效控制鋼箱梁大節(jié)段線形的幾何控制精度：（1）在焊接工藝設(shè)計上，應(yīng)尋求鋼箱梁節(jié)段長度最大化，減少對接縫數(shù)量；應(yīng)合理選擇焊接參數(shù)和方法，如焊接接頭形式、輸入線能量（J／cm）、焊縫斷面積、焊接順序等；多節(jié)段箱梁制造中，應(yīng)保持各節(jié)段的組裝精度、約束條件、焊接工藝、施焊順序相同，以便確保所有節(jié)段幾何精度一致；（2）在拼裝幾何線形控制上，應(yīng)在預(yù)制場對鋼箱梁的幾何要素進行嚴(yán)格地控制和測量：梁段長度、梁段間環(huán)縫傾角、切焊縫預(yù)留量等；應(yīng)對焊縫寬度、焊接收縮量（焊縫收縮率）進行監(jiān)控，對焊縫收縮誤差可能引起的幾何誤差進行監(jiān)測，并對焊縫寬度進行校正、補償.

2.2 梁重偏差

鋼箱梁恒載誤差在無應(yīng)力線形計算中為重要的結(jié)構(gòu)誤差參數(shù).由于鋼箱梁節(jié)段實際重量與設(shè)計參數(shù)存在差別，將導(dǎo)致后成橋線形的偏差.梁段重量偏差應(yīng)通過對大節(jié)段組拼期間的無應(yīng)力拼裝線形進行調(diào)整來消除，可行的方法為調(diào)節(jié)頂、底板組拼焊縫寬度來調(diào)整線形.

因鋼箱梁頂板為栓焊構(gòu)造，頂板焊縫寬度可調(diào)節(jié)的最大值為2 mm.為確定頂板焊縫最大調(diào)節(jié)量2mm 內(nèi)可調(diào)節(jié)的梁重偏差范圍，計算了不同的梁重偏差下焊縫寬度調(diào)節(jié)量.

圖5中列出了梁重偏差在正誤差（實際施工中梁重往往存在正誤差）5%～30%之間時對應(yīng)的焊縫寬度調(diào)節(jié)量.由圖5可見，焊縫應(yīng)調(diào)節(jié)量隨著梁重偏差的增大而增大，兩者線性比例關(guān)系.同時從圖中還可看出，在梁重偏差為23.9%時，對應(yīng)的調(diào)節(jié)焊縫寬度量為2mm.由此可知，梁重施工偏差在23.9%內(nèi)時，可以通過有效調(diào)節(jié)焊縫寬度以消除梁重偏差對制造線形的影響，而不影響頂板拼接板的栓接工藝實施.

圖5 梁重偏差引起的焊縫寬度調(diào)節(jié)量

鋼箱梁大節(jié)段在工廠拼裝完成意味著成橋線形的初定，為實現(xiàn)設(shè)計成橋線形，在大節(jié)段拼裝過程中需通過小節(jié)段稱重來了解準(zhǔn)確的梁重信息以通過調(diào)節(jié)焊縫寬度來修正大節(jié)段鋼箱梁無應(yīng)力線形.

2.3 組拼支撐條件

青州航道橋邊跨大節(jié)段寬跨比為0.307，為典型超寬鋼箱箱梁，面內(nèi)剛度較柔、大節(jié)段組拼支撐條件下鋼箱梁縱向撓度和橫向變形相對幾何關(guān)系和絕對幾何關(guān)系在大節(jié)段拼裝線形監(jiān)控中就顯得非常重要.

為分析組拼支撐線形在組拼支撐條件的變形，采用ABAQUS 6.13建立青州航道道橋邊跨大節(jié)段中典型小節(jié)段ES23 板殼單元計算模型［7］，板單元采用S8R8節(jié)點減縮積分板殼單元，網(wǎng)格劃分采用高效精確的四邊形網(wǎng)格.邊界條件模擬組拼胎架支撐，大節(jié)段組拼胎架支撐與調(diào)位裝置設(shè)置如圖所示.鋼箱梁節(jié)段采用單層、多支點支撐.鋼箱梁胎架支撐與調(diào)位裝置設(shè)置于橫隔板或橫肋板處，典型小節(jié)段拼裝采用千斤頂4點支撐調(diào)位，調(diào)位完畢后采用6點支撐存放.

由計算結(jié)果可知，鋼箱梁小節(jié)段在組拼胎架支撐下鋼箱梁局部變形最大為-2.2mm，轉(zhuǎn)角變形最大8.1×10-4rad.在大節(jié)段鋼箱梁組拼線形監(jiān)測中，拼裝線形測點布置和基準(zhǔn)線的定義應(yīng)排除這些局部變形的影響，大節(jié)段端頭切角測量應(yīng)扣除鋼箱梁一期恒載下的變形，組拼線形控制應(yīng)以絕對幾何關(guān)系控為主.

2.4 溫度

溫度是大節(jié)段鋼箱梁組拼的幾何控制中的重要影響因素.溫度對鋼箱梁大節(jié)段拼裝線形總體上可分為2種：（1）溫度梯度的影響，由于大節(jié)段拼裝在預(yù)制場車間內(nèi)進行，溫度梯度影響不明顯.此階段主要對大節(jié)段鋼箱梁車間外存梁期間的端頭接口處的溫度梯度變形進監(jiān)測，掌握接縫傾角隨溫度梯度的變化規(guī)律，以指導(dǎo)邊跨大節(jié)段鋼箱梁與合攏段之間環(huán)口的橋位處焊接；（2）整體升降溫的影響.整體升降溫影響大節(jié)段鋼箱梁梁長控制和支座預(yù)偏量的設(shè)置.由于鋼箱梁設(shè)計基準(zhǔn)溫度為22.7℃，以此溫度為基態(tài)對拼裝車間溫度進行實時監(jiān)測，以修正溫度影響確保對梁長的有效控制；通過拼裝時刻的溫度與橋位架設(shè)時刻溫度進行對比，確定鋼箱梁支座的預(yù)偏量.支座預(yù)偏量設(shè)置見圖6，其計算方法見式（4）.

圖6 支座預(yù)偏量設(shè)置圖示

式中：Δf為支座預(yù)偏量；f1為實際安裝溫度與設(shè)計基準(zhǔn)溫度不一致引起的預(yù)偏量值；f2為安裝支座時箱梁底板尚未發(fā)生的變形引起的預(yù)偏量值.

3 局部受力分析

3.1 支撐位置

為考察鋼箱梁組拼調(diào)位過程中在四點支撐下鋼箱梁的局部受力，對采用ABAQUS 6.13建立典型小節(jié)段ES23在組拼調(diào)位工況時的板殼單元計算模型，位于橫肋板與中腹板交匯處，支撐面積為500mm×200mm，計算時考慮1.3的啟頂動力系數(shù).

為考察鋼箱梁組拼調(diào)位時不同支撐位置對四點支撐下鋼箱梁的局部受力影響，將支撐位置在縱向分別偏離橫肋板150，250，350 和450 mm，分析其對鋼箱梁局部受力的影響.計算結(jié)果見圖7.由圖7可見，在支撐中心位置偏離橫隔板450 mm 時，局部Mises應(yīng)力達到293.5 MPa，接近設(shè)計容許應(yīng)力.因此調(diào)位支撐須嚴(yán)格設(shè)置于設(shè)計規(guī)定的部位，以避免鋼箱梁在存放過程中因局部剛度不足變形破壞.

圖7 不同支撐位置下鋼箱梁局部受力

3.2 支撐面積

為考察鋼箱梁組拼調(diào)位時不同支撐面積下的鋼箱梁的局部受力，計算在支撐面積為500 mm×100mm～500mm×500mm 和500mm×200 mm～500 mm×900 mm 時的鋼箱梁Mises應(yīng)力，計算結(jié)果見圖8.由圖8 可見，鋼箱梁局部應(yīng)力隨支撐面積變化影響不大，考慮鋼箱梁局部受力安全性及施工可行性，采用500mm×200mm支撐形式.

圖8 不同支撐面積下的鋼箱梁局部受力

3.3 場地不均勻沉降

大節(jié)段組拼基地位于人工填筑島之上，地基承載能力較差，極易發(fā)生地基沉降現(xiàn)象.因此施工中應(yīng)對地面沉降現(xiàn)象引起格外重視，對地基較差的場地進行加固處理，以保證局部受力安全.

4 結(jié) 論

針對青州航道橋邊跨采用大節(jié)段整體吊裝架設(shè)方法中的鋼箱梁大節(jié)段組拼為關(guān)鍵控制工序，研究了鋼箱梁大節(jié)段焊接施工中拼裝線形控制方法，得到以下結(jié)論.

1）焊縫收縮量為鋼箱梁焊接組拼線形、梁長控制的重點，梁重偏差可通過焊縫寬度進行有效修正.

2）超寬鋼箱梁大節(jié)段拼裝線形控制時應(yīng)考慮組拼支撐條件的影響.

3）鋼箱梁局部受力對支撐位置敏感，且在組拼過程應(yīng)嚴(yán)格控制支撐局部沉降.

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