复杂环境下钢箱梁上跨高速公路模块化安装施工技术

复杂环境下钢箱梁上跨高速公路模块化安装施工技术1、前言随着国家对装配式建筑的大力支持以及相关政策的实施，我国房屋建筑、道路桥梁的钢结构比例将会大大提高，钢结构建筑、桥梁作为天生的装配式结构，具有非常大的发展潜能，我国现阶段钢结构桥梁占桥梁总数的1%左右，而且随着我国跨海、跨江以及城市快速路、高速公路的建设，钢结构桥梁将会快速发展，钢桥比例将会快速增大。为了加快交通效率，现阶段城市市政道路、高速公路向着立交化发展，钢箱梁及钢桥施工中，存在大量上跨既有市政道路及高速公路等情况，且钢箱梁线型复杂、重量、体积大，既有道路车辆流量大，安全要求高，如何保证安全、高效、符合规范要求地安装，保证跨线施工安全，对现有道路影响降到最低，对工程施工组织、施工方法都有较高要求，需要进一步深化研究。中铁六局集团建筑安装工程有限公司钢结构分公司在多项公路钢箱梁上跨既有道路工程施工中，积累了丰富的施工经验与工艺方法，针对钢箱梁上跨高速公路、城市快速路、既有道路车流量大、行车行人及导改安全压力大等复杂情况，并结合太原二环高速公路工程凌井店至龙白段路基ZBLJ1合同段钢箱梁施工开展了工艺方法、施工方案等研究，合理优化支架布置、桥梁分段、吊装方案，保证了钢箱梁上跨高速公路安全质量稳定运行，工期进度按期完成，保证了行车安全，对道路的影响降到了最低。并形成了工法，取得了一定的技术效益与经济效益。2、工法原理2.1工艺原理结合上跨既有高速公路钢箱梁施工现场桥墩布置与地形地貌，进行前期合理分段，根据钢箱梁结构形式及尺寸把钢箱梁或钢横梁进行模块划分，划分为相同加工制作模数及现场安装模数，以划分的钢箱梁模块进行厂内组装及现场安装，采用纵横向同时分段，横向以箱体为基本单元，纵向分段在避开墩顶及跨中前提下、加大吊装段梁长为原则，尽力减少吊装梁段结合面，避开高速路面，大跨度钢梁在高速中央隔离带设置分段。2.2关键技术对临时支架及临时支架基础针对不同跨径、重量进行计算与优化；对占用高速位置临时基础采用预制方式并进行二次浇筑以形成整体。对较长钢箱梁吊装进行研究，对宽3-4米、长20余米梁段吊装稳定性进行研究，采用梁段加固、预先加大设计预拱度方式来保证梁段不下挠，保证对吊装方法、吊耳形式、位置进行计算。高速公路在钢箱梁吊装时段进行导改，当日施工结束后恢复道路交通，对高速公路及快速路等的影响降到最低。钢箱梁的制造采用板单元制造、多节梁段连续匹配组装、焊接和预拼装同时完成的工艺。3、工法特点2.1可操作性：针对钢箱梁上跨既有高速公路钢箱梁施工，进行了临时支架优化、临时基础支架优化，并对钢箱梁分段进行科学合理设置，对既有高速公路影响降到了最低。对此类工程施工具有指导性。2.2安全性：针对施工场地狭小、高速公路车流量大、钢箱梁跨径、重量大等复杂环境下上跨既有高速公路钢箱梁施工，进行了施工工艺与方法研究，对关键施工要点进行了重点说明。2.3经济性：采用本施工工法进行钢箱梁上跨既有高速公路安装，减少了临时支架用量与基础混凝土用量，保证了钢箱梁安装稳定性，降低了支架施工时间，加快了施工进度，并显著降低了工程施工成本。4、适用范围本工法适用于中等跨度、大重量钢箱梁、钢横梁等上跨既有繁忙高速公路及城市快速路安装等施工。5、施工工艺流程及各工序操作要点5.1施工工艺流程复杂环境下钢箱梁上跨既有高速公路安装施工流程如下：5.2操作要点5.2.1施工现场勘测在接到施工图纸后，对钢箱梁上跨既有高速公路及城市快速路进行现场调查与勘测，对施工现场场地地形地貌，地质状况，周边道路交通，桥址与现有建构筑物关系等进行测绘，根据调查结果进行钢箱梁上跨初步施工方案与钢箱梁分段进行划分。5.2.2钢箱梁深化、分段制造以太原东二环凌井店至龙白段凌井店枢纽主线2号桥钢箱梁上跨G5高速工程为例，来说明钢箱梁分段原则：主线桥采取纵、横向同时分段的原则，横向分段时，主箱体作为基本的分段单元，主箱体之间的顶板及横向联结梁均制作成单元件，左、右侧悬臂与最外侧主箱梁因宽度达7.5米，道路运输不便，所以在厂内制作时分开，主箱体最大分段宽度5.4m以内；纵向分段时，考虑运输条件，长度控制在18.5m以内。因此钢箱梁最大平面尺寸：≤5.4mX18.5m。主线钢箱梁横向、纵向分段截面图如下图：桥梁分段示意图5.2.3钢箱梁现场组拼5.2.3.1钢箱梁运达现场后，带挑臂段及左幅两侧隔板断开处在地面现场拼装胎架上进行组装，将横向分块组装成整体，长度按照纵向2出厂段组拼。组装时测量放样出每段的外边线及接口的端头线，严格按照测量放样边线进行拼装，保证拼装精度。5.2.3.2根据现场实际情况、出厂构件在现场总组装的实际条件，计划在工地现场制作2个长24米、宽24米的总拼装平台,作为钢箱梁的专用拼装钢平台。1个设置在施工现场高速路北侧，平台先在小里程侧进行梁段拼装，待左右幅及B匝道钢箱梁跨过高速公路后，拆除平台安装至太阳高速以南（大里程侧）拼装剩余梁段。平面布置及立面如图所示（以左幅为例）5.2.3.3平台硬化地面尺寸为50米*30米，做法为：平整场地，地面开挖，开挖深度0.5米，对原土进行夯实，然后三七灰土分层回填碾压，最后用压路机碾压，压实系数达到0.97。上部用C20混凝土进行硬化，硬化层厚200mm。5.2.3.4组装平台利用I30工字钢及I20工字钢搭设，30工字钢布置距离以箱梁腹板基线一致，上部20工字钢以箱梁横隔板距离一致。平台与地面用预埋钢板连成整体，整体焊接后，保持一定刚度。组拼平台示意图钢箱梁组拼5.2.4临时支架优化计算5.2.4.1临时支架与钢箱梁分段线对应，采用钢管墩支架系统。钢管柱采用φ630mm×9mm钢管；钢管间设剪刀撑横向联系，横向联系水平撑采用φ325mm×5mm钢管，斜撑采用L75*8mm角钢。钢管柱上设工45A双拼工字钢横向分配梁。支架系统钢材均采用Q235。基础采用C30混凝土，基础内布置承压钢筋，高速中央及两侧基础尺寸为4米*5米*1.4米高，高速路两侧临时支架基础尺寸为6*4.2*0.8米临时支架基础长度方向与里程方向一致，以保证基础稳定性。5.2.4.2为了加强支架稳定性，并确保不破坏高速公路设施，除了高速路中央一组临时支架及左右幅高速路2侧临时支架外，其余基础混凝土基础埋在土里，基础上表面标高与现地面标高一致，基础做法为：测量基础标高后，进行机械开挖，开挖尺寸比基础尺寸略小1-2CM，然后人工进行修铲；高度根据标高确定，按设计图纸布设钢筋网片与预埋钢板，C20砼浇筑，养护达到75%设计强度后再按照钢管柱。混凝土基础按照设计图布置钢筋，浇捣时确定其编号、标高和钢箱位置。中间临时支架基础设置在高速公路路基上，采用钢模板搭设，现场浇筑或者进行场外预制后吊装至基础位置。高速公路与临时支架位置临时支架示意图临时支架基础5.2.5临时支架制作组立5.2.5.1单片组对，钢管柱组对时应制作工装胎具，保证钢管柱高度、钢管柱与法兰垂直度，及相邻两钢管之间平面度。组装时每组钢管柱分为2片进行组装焊接，待整体就位时把2片钢管柱进行横向连接。组装时采用线锤吊线方法对法兰上下位置、左右位置进行找正，找正后进行点焊并校正，校正后进行焊接。5.2.5.2焊接应对称施焊、采用较小电流，防止钢管柱变形。法兰与加劲板、法兰与钢管采用角焊缝，hf=8mm。5.2.5.3支柱组装焊接完成后质量要求项目质量要求高度公差6M±1mm3M±1mm1M\0.5M±1mm上下法兰盘螺栓孔位置同心度±1mm法兰盘与钢管壁垂直度±1mm焊缝不得有气孔、裂纹、夹渣等缺陷5.2.5.4构件除锈和涂装工作应在构件尺寸、外观质量检验合格后进行。采用喷涂或刷涂，涂装防锈底漆一道，厚度≥40μm。5.2.5.5支架就位，待单片组装焊接完成后，利用25吨吊机进行钢管柱就位，采用吊锤、水准仪等进行垂直度、标高的测量，保证钢管柱垂直度与标高。垂直度偏差小于等于5mm，标高偏差小于等于2mm。边跨临时支架组立5.2.6钢箱梁吊装焊接5.2.6.1根据梁段制作分段及分批次进场计划顺序，左右幅为6个吊装段，B匝道为10个吊装段，全部分3轮进行吊装，吊装次序为从小里程至大里程。为了减少对高速公路行车影响，保证安全及加快施工进度，高速公路绿化带中央布置一组临时支架，其中左右幅为在组装平台整体组装为横向5段；纵向2个运输段组拼后并进行吊装。按照现场桥梁下部结构完工状态，计划先进行左幅、接着右幅、最后B匝道的顺序依次进行。5.2.6.2跨高速路吊装待高速路半幅交通导改封闭后进行，吊装占用高速公路半幅道路，按横向顺序进行，待吊装完半幅后，车辆导改至已吊装完车道，吊机转移至另半幅车道进行剩余箱梁吊装。5.2.6.3高速路面上施工时，采用一条车道封闭，另一条单向行车变双向行车的方式进行交通疏导。5.2.6.4全桥贯穿高速公路后，恢复通车。在距施工区1.5km处开始设置警告标示，限速标示，并在桥面两侧搭设防护网、防火布。5.2.6.5钢箱梁拼装定位好后，清理接缝，进行正式焊接，顶板焊接要搭设防雨防风棚，防雨棚用架子管搭设，用防火、防雨苫布封闭。施工时，棚内安装行灯照明，应在环境达到规定的情况下才能进行施工。焊接顺序，焊接时纵向按照先跨中后跨边，横向焊接顺序为：腹板→焊箱体顶板底板→悬挑梁→检查焊缝的外观质量→无损探伤。钢箱梁顶板和底板的焊接应按照先焊接受压区后焊接受拉区顺序焊接，如跨中位置，应先焊接顶板后焊接底板，在弯矩基本一致时，可采用顶板和底板同步等速焊接。6、施工机具与材料6.1主要用材料：主材钢板（Q345qD）、油漆；焊丝、焊剂、CO2气体、氧气丙烷、喷砂钢丸等。6.2机具设备本工法采用的机具设备见表6.1。表6.1机具设备序号设备、仪器名称制造厂规格、型号数量状况备注1门式切割机4台良好2埋弧焊机5台良好3数控等离子切割机1台良好4端铣机1台良好5液压剪板机1台良好6液压折弯机1台良好7数控平面钻床2台良好8车床1台良好9钻床1台良好10CO2焊机10台良好11交流电焊机2台良好12碳刨机1台良好13除锈抛丸设备1套良好14汽车吊徐工QAY260t2台良好15汽车吊徐工25t2台良好16汽车吊徐工120t1台良好17运梁车100t2台良好18CO2焊机15台良好19埋弧焊机5台良好20直流电焊机ZX5-5003台良好21千斤顶100t20台良好22千斤顶50t10台良好23喷涂机1台良好24焊条烘干箱HY704-11台良好25栓钉焊机2台良好26磁力钻4台良好27角磨机10台良好7、质量措施7.1工程质量控制验收标准该施工技术的施工验收质量依据有《铁路钢桥制造规范》（Q/CR9211-2015）、《钢结构施工质量验收规范》（GB50205-2001）、《桥梁用结构钢》（TB/T714-2015）、《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）、《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011。7.2.质量保证措施(1)焊接质量控制：在焊接过程中保证合适的环境气候，确保环境气候对焊接质量无影响；焊接作业人员须持证上岗，焊前要熟悉有关图纸和工艺文件，严格遵守焊接工艺进行作业，焊接过程中管理人员全过程旁站；质检人员应定期及不定期检查焊接工艺指导书的贯彻执行情况。并对焊缝外观、内部质量进行检测、发现问题及时反映、解决；无损检测，锤击试验进行全面检查，若发现问题及时整改。（2）钢箱梁因焊接产生纵向和横向变形，要对焊接变形进行测量，掌握变形数据及变形规律，以提高控制精度的准确性，一般情况下，环缝焊接产生的纵向收缩为3~5mm，横向变形为1.5mm。在钢箱梁下料时，应考虑纵向变形和横向变形，长度和宽度方向增加3~5mm及1.5mm。中心轴线和起拱高度应每天都做好施工记录，确保符合设计要求和规范。全站仪和水准仪应随时进行跟踪检测，并做好检测记录。（3）为了保证桥梁总长和成桥线型，要编制具体的线型控制要求和各阶段各分段的线型控制数据。在施工中，采用信息化施工技术，在箱梁施工全过程进行线型监控，监控内容包括整体中心偏位、纵坡高程、横坡高差、预拱弧线偏位、节段长度以及总长等，监控方法是通过精密全站仪、水平仪进行精密测量，在每个节段完成后及时按照规范进行验收，并检查是否符合线型要求，如发现问题，应及时调整高差、焊接顺序及间隙。8、安全措施8.1对各种施工机械编制操作规程和操作人员岗位责任制，专机专人使用保管，特殊工作必须持证上岗。8.2安全用电，所有电缆、用电设备的拆除、车间照明灯均由专业电工担任，要使用的电动工具，必须安装漏电保护器，值班电工要经常检查、围护用电线路及机具。8.3切实搞好防火工作。氧气、乙炔、二氧化碳气要放在规定的安全处，并按规定正确使用，车间、工具房、操作平台等处设置足够的灭火器材。8.4施工现场设安全工长进行现场安全措施的落实与管理，对现场施工人员、现场机械设备及现场用电进行统一管理。要求参加施工的特工作业人员必须是经过培训，持证上岗。施工前对所有施工人员进行安全技术交底。进入施工现场的人员必须戴安全帽、穿防滑鞋，电工、电气焊工应穿绝缘鞋，高空作业必须系好安全带。8.5作业前应对使用的钢丝绳、工具、机具、设备进行检查，安全装置齐全有效，吊车应配置保险装置。8.6起吊钢构件时，提升或下降要平稳，避免紧急制动或冲击，严禁歪拉斜吊。专人指挥，信号清楚、响亮、明确，严禁违章操作。构件安装后必须检查其质量，确实安全可靠后方可卸扣。每天工作必须达到安全部位，方可收工。8.7钢箱梁在路上交叉焊接时，箱梁底部应搭设临时防护网，防止焊渣、材料、人员下落。钢箱梁及支架两侧临路边要设置临时护栏，护栏高度1.2米，采用5cm钢管骨架，细部采用密目安全网围挡。9、环保措施9.1严格按照国家环境保护法和地方性法规的规定执行。9.2做到文明施工，施工材料、机具要存放整齐、场地要清洁。垃圾、废弃物集中堆放，并用车运至指定地点抛弃。9.3施工基地及生活区严格执行安全值日制度和门卫登记制度，动火审批制度。易燃、易爆作业现场，生活小区等要害部位要设置消防器材和明显的防火警示标志。9.4作业现场保持清洁整齐，安全防护设施完善，垃圾不得乱堆乱放、防止尘土飞扬，做到工完料净场地清，垃圾日产日清。9.5施工现场作业人员严禁随意倾倒垃圾、废料，采取有效措施，防止施工区域的废油、污水污染。10、效益分析以太原东二环凌井店至龙白段钢箱梁制作安装工程为例，本工程为太原东二环高速钢箱梁跨越G5京昆高速太阳段，经过实践，总结该技术的经济效益和社会效益如下：10.1经济效益采用本工法及关键安装技术进行施工，工艺方法、施工方案等研究，合理优化支架布置、桥梁分段、吊装方案，保证了钢箱梁上跨高速公路安全质量稳定运行，工期进度按期完成，保证了行车安全，对道路的影响降到了最低。采用该项施工技术进行施工，安装施工工期比顶推技术缩短1个月；劳动力减少30人；并节约了顶推设备投入。具体经济效益对比见下表。表10.1经济效益对比表序号对比项目其他施工方法本工法节约费用1钢梁安装人工投入2800工日1800工日30万元2施工工期4个月2个月节约工期2个月，节约费用40万元3顶推等其他设备50万050万4高速封闭时间100天52天减少高速封闭48天节约费用合计120万元采用本施工技术跨既有高速吊装钢箱梁与以往顶推、满堂支架等工艺相比，人工费成本减少30万元，设备投入减少50万元，因进度加快2个月节余成本40万元，总共产生经济效益120万元，同时保证了产品质量及施工安全。10.2社会效益通过此种复杂环境下上跨既有高速公路钢箱梁安装施工技术，保证了钢箱梁上跨既有繁忙高速公路施工质量安全及进度，圆满完成了施工任务。对上跨城市快速路、高速公路的钢箱梁制作安装工艺进行了总结，在城市市政快速路、高速公路钢箱梁等类似结构的制作安装工程建设中具有较强的使用性和指导意义；加快了钢结构桥梁的推广及运用，有一定的社会效益。11工程实例实例一：太原东二环高速公路凌井店至龙白段钢箱梁工程太原二环高速公路凌井店枢纽位于山西省太原市阳曲县凌井店乡凤咀新村北侧约260m,主线及B匝道上跨太阳高速（G5京昆高速阳泉至太原段）。钢箱梁分为主线与B匝道2部分。主线分左右幅，孔跨布置为35+50+35m,桥梁全长128m,左幅中心桩号-0+004.5，右幅中心桩号-K0+002。上部采用钢箱梁，下部桥墩为柱式墩，板台采用肋板台，基础均为钻孔灌注桩。B匝道位于太原二环高速公路凌井店至龙白段枢纽在寿阳县凌井店村东南100米处，上跨太阳高速，中心里程BK1+134,上部采用40+56+40m钢箱梁下部桥墩为柱式墩,桥台为肋板台,墩台均采用灌注桩基础。施工工期为2018年8月至2018年12月。本工程通过此安装施工技术，保证了主线2号桥及B匝道钢箱梁上跨既有G5京昆高速公路主线施工质量安全及进度，加快了施工进度，降低了对高速公路的行车影响，节余了工程成本，降低了环境污染，圆满完成了施工任务。实例二：G2003太原绕城高速公路（太原西北二环）义望至凌井店段钢箱梁工程。G2003太原绕城高速公路（太原西北二环）义望至凌井店段钢箱梁工程，太原西北二环工程凌井店枢纽F匝道在FK0+593.728处上跨B匝道；在FK0+818.237上跨平阳高速公路；在FK0+856.853上跨H匝道；在FK0+1083.76