钢箱梁吊装焊接工艺改进方法和质量控制研究及钢箱梁线型控制技术

钢箱梁吊装焊接工艺改进方法和质量控制研究及钢箱梁线型控制技术

吕澈

武汉城建集团建工市政工程有限公司 湖北武汉 432200

摘要：本文针对钢箱梁的焊接施工作业进行研究。采用案例分析法、实地调查法，结合某立交桥工程的实际情况，介绍了钢箱梁的焊接工艺改进方法，指出焊接作业的质量控制措施，并阐述了钢箱梁现场施工中的线型控制技术。结果表明：针对钢箱梁内部空间较小的问题，通过改进焊接工艺、严格控制焊接质量、加强钢箱梁的线型控制，最终圆满完成施工任务，取得良好的社会效益。

关键词：钢箱梁；焊接工艺；质量控制；线型控制

引言

钢箱梁是通过焊接的方式连接而成，具有宽幅、扁平的外形特点，常用于跨度较大的桥梁上。相较于钢筋混凝土结构，钢箱梁不仅重量轻，抗弯和抗扭刚度大；而且现场安装作业迅速，具有简洁美观的外形[1]。如今，在城市高架桥建设中，钢箱梁的应用非常广泛，强化高架桥使用功能的同时，也成为城市的一道风景线。现有文献报道中，多集中在钢箱梁的制作和吊装上，关于焊接工艺、线型控制的研究较少。鉴于此，本文结合实践探讨了钢箱梁的焊接工艺和线型控制方法，为类似项目的施工作业提供参考。

1．工程概况

1.1 工程基本情况

姑嫂树立交是环汉口绿道-张公堤绿道连通工程的重要组成部分，位于姑嫂树立交断点处，东连江岸区张公堤，西接江汉区张公堤。建成后将实现人车分离，提升道路通行率，满足附近居民横向过街需求的同时，也可保障机动车快速通行，如下图1所示。本桥梁工程起点里程号为K0+126.000，终点里程号为K0+729.5，主桥长603.5 m，另包含3个梯道。主桥桥梁宽度6 m，包括0.2 m花篮+0.15 m栏杆+5.3 m人行道+0.15 m栏杆+0.2 m花篮。下部结构采用Y型桥墩，下接 2.2 m×2.2 m×1.5 m承台，设计混凝土强度为C35；桩基采用直径1.2 m的钻孔灌注桩基础，桩长15～30 m，设计混凝土强度为C35水下混凝土。主桥主梁采用等高钢箱梁，单箱单室截面，梁高1.0 m，顶宽6.0 m，底宽2.6 m，采用Q345qC钢材，总工程量约1232 t。钢箱梁顶板厚12 mm，顶板顺桥向布置纵向I肋，间距为300 mm，I肋尺寸为100 mm×10 mm，组成正交异性钢桥面板。箱梁底板厚12 mm，纵向底板上布纵向I肋，间距为300 mm，I肋尺寸为120 mm×10 mm。箱梁设2道腹板，板厚为12 mm，横隔板与横肋标准间距为1.3 m，横隔板板厚12 mm。

图1  姑嫂树立交桥现场图

1.2 施工重难点

结合现场环境和施工要求，本项目施工重难点包括：（1）本桥梁下穿机场高速高架及其匝道、三环线匝道，桥下施工难度大，机械、车辆行走和材料吊运安全要求高。（2）地下跨越地铁6号线，施工环境比较复杂。（3）存在高压架空线保护及历史遗留问题，且前期施工手续繁杂，施工及协调难度大。（4）钢箱梁内部空间较小，人工焊接作业空间小、通风差。（5）受环境、技术、材料等因素的影响，钢箱梁施工中容易出现线型偏差，线型控制也是一个要点[2]。本研究重点对钢箱梁的焊接作业及线型控制进行探讨。

2．钢箱梁焊接工艺改进方法

2.1 焊前准备

2.1.1 材料复检

本工程中，钢箱梁的材质是Q345qC钢，材料进场后按照《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-2008）的要求进行复检，主要项目有化学成分、拉伸性能、弯曲性能、冲击性能等，各项复检结果均合格才能正常使用。根据钢板材质和焊接要求，合理选择CO2焊药芯焊丝、焊实芯焊丝，购买时要有出厂证明和检验报告，并按照规范要求抽检分析化学成分和力学性能。

2.1.2 工艺评定

钢箱梁焊接作业使用CO2气体保护焊和埋弧焊，选择典型的焊缝进行工艺评定试验，流程如下：编制焊接工艺指导书→焊接加工试件→进行无损检测→开展理化试验→实验结果评定→出具焊接工艺评定报告。对不同焊接接头进行分类，主要包括对接焊缝、全熔透角焊缝、坡口部分熔透角焊缝、T形接头角焊缝4种，不同焊缝的质量要求也不同，按照表1进行质量检测。焊接工艺评定后，对焊接班组进行技术交底和工艺指导。

表1  不同焊缝的质量检测方法

2.1.3 焊工培训

焊工的专业技能高低，直接影响焊缝质量，因此钢箱梁焊接作业前必须对焊工进行培训[3]。要求焊工具有相应的资格证书，学习焊接知识、规范标准和操作技能，提高焊接工艺的规范化和灵活度。培训完成后统一进行考核，通过考核者方能持证上岗。

2.2 焊接工艺改进方法

2.2.1 坡口形式

U型槽在压制前，下料后要开坡口，尺寸如图2所示。面板、底板对接焊缝坡口时，采用平焊位进行焊接。

图2  坡口尺寸示意图

2.2.2 焊接顺序

钢箱梁焊接顺序，遵循先中间后两边、先垂缝后平缝、先纵向后横向、先受拉后受压的原则。（1）内部构件焊接，主要包括横隔板、纵向腹板、加强劲板等部位，按照先垂缝后平缝、先纵向后横向的顺序焊接。（2）腹板与顶板、腹板与底板要紧密贴合，要求焊接间隙≤5 mm。（3）装配时在单坡口的反面，分别对腹板和顶板、腹板和底板进行定位焊，在钢箱梁的两端加强定位焊。（4）先对各构件的角焊缝进行焊接，再在焊缝两端安装弧板、收弧板，最后同时使用2台焊机对主角焊缝进行焊接。焊接作业中，保证焊缝表面呈凹状，防止出现咬边。

2.2.3 焊接工艺要点

（1）调整坡口间隙时，严格按照标准要求执行，防止填充量增大、热量输入增加，会增大焊接残余应力，进而导致结构变形。（2）合理控制焊接工艺参数，见表2。（3）垂直应力方向的对接焊缝必须除去余高，并顺应力方向磨平，保证焊缝增强量平滑过渡到母材表面[4]。（4）焊接变形对薄板的影响较为明显，底钢板、开孔板焊接时，采用双面间断焊缝的错位焊接方法。（5）当钢箱梁顶板较厚，与底钢板厚度差＞4 mm时，对钢箱梁顶板边缘开≤1:4的坡口进行过渡。

表2   焊接工艺参数

2.2.4 改善通风条件

在钢箱梁内部焊接作业时，需采取强制通风措施，一般使用轴流风机和分配器，利用通风软管将空气送至焊工的工位附近。本工程因钢箱梁内部空间较小，焊工只能趴着作业，对通风条件提出更高要求。为此，采用一种新型的通风装置，由固定壳、抽风机、排气管、支撑架、角度调节机构等组成。焊接作业中，焊工可转动转轮来调节抽风机的角度，方便装置移动，从而提高抽风效率，避免吸入焊接气体，保护人身健康。

3．钢箱梁焊接作业的质量控制措施

3.1 技术措施

以横梁、腹板主焊缝为例，均属于受弯焊缝，对整个结构的受力具有关键影响。焊接作业中，使用L型悬架在空中旋转工件，完成水平、垂直方向的焊缝焊接。焊接前用电弧气泡清理根部，使用砂轮机抛光；然后埋弧自动焊，以确保焊缝熔融，避免出现焊接缺陷[5]。

3.2 管理措施

3.2.1 完善质量管理制度

以项目经理为核心组建质量管理体系，设置安全总监、项目副经理和技术负责人，下设安全组、材料组、质检组、测量组、施工组织、资料组、预算组，实现分工协作。为满足质量管理需求，完善技术交底、材料进场验收、试验段样板引路、过程三检、质量否决、成品保护等制度。

3.2.2 落实质量管理措施

本工程采用的质量管理措施包括：（1）开工前检查，看项目是否具备开工条件，建立质量管理体系和管理办法。（2）工序交接检查，对重要工序和对工程质量有重大影响的工序，在自检、互检的基础上组织专职人员进行工序交接检查。（3）隐蔽工程检查，需监理检验同意后方能隐蔽。（4）质量巡查。项目专职质检员实行施工全过程旁站监督制度，项目经理带队项目质量管理机构成员进行每周全线质量检查，公司对项目进行每月质量抽查，对工程质量进行实时监控。（5）质量专题会议。项目施工前进行质量交底会，对重大质量工序进行讲解，试验段施工完成后进行质量总结会议，不断提炼优化施工工艺[6]。（6）首段多方验收。钢箱梁支架及吊装作业、沥青摊铺等均组织设计、勘察、市质监站、建设单位、监理等参建方到现场监督验收，按市质监站质量监督计划交底要求认真执行各项节点验收程序，验收经各方签字同意后，方可进行下道工序施工。（7）公司质量活动。公司大力推行质量学习交流会，多次举办知识竞赛、现场观摩、会议培训等多种形式的质量活动，感召和鼓励青年员工积极学习专业知识，增强质量意识，坚定项目建成高品质工程的信心和决心。

3.3 焊接质量验收成果

焊接作业完成后，依据《焊缝无损检测-超声检测-技术、检测等级和评定》（GB/T 11345-2013），对焊缝进行超声波探伤检测，结果焊缝质量均合格。

4．钢箱梁现场施工中的线型控制技术

4.1 线型影响因素

从人、机、料、法、环5个方面，分析钢箱梁施工中的线型影响因素。结合本工程实际情况，最终确定主要影响因素包括：一是环境温差导致钢箱梁变形，二是拼装焊接顺序不合理，三是监测方案不科学，四是油顶的位置和数量不符合实际要求，五是支撑系统设置不当。

4.2 线型控制技术

4.2.1 减小环境温差

（1）合龙段钢箱梁拼装时，选择一天之中气温较低时，如早上8点之前或夜间，避免高温带来不利影响。（2）钢箱梁直接暴露在阳光下，测量长度时要收集环境温度、箱梁温度等指标，对钢箱梁的长度进行修正。（3）钢箱梁顶板定位时，因顶板温度高于底板会产生一定形变，此时定位顶板高程时要对数据进行调整，按照标高-5 mm执行。

4.2.2 控制焊接顺序

（1）桥位环缝焊接时，采用对称焊接工艺，以桥中心线为准，两边对底板、顶板、腹板进行同步对称焊接，完成后对嵌补段焊接。（2）横隔板焊接时，采用分段退焊工艺，具体操作方法：横隔板定位，立位对接焊缝焊接时用加长马板进行约束，防止焊接过程中发生收缩现象，在横隔板上部1/4处焊接，依次向下焊接1/4，可减小焊接造成的收缩量[7]。

4.2.3 完善监测方案

（1）钢箱梁的线型控制，要从横向、纵向、竖向三个维度进行，布设一个统一固定的控制网，每个控制点均是导线、水准共用点。（2）为确保钢箱梁精准定位，应计算梁段分段线所对应的设计里程桩号，在梁段顶板分段线2 cm平行线处设置测量点，安装过程中动态监测控制。

4.2.4 调整油顶装置

（1）以每个梁段为单元，在下方设置4个千斤顶，通过升降千斤顶微调钢箱梁的高程、横坡，以满足设计要求。（2）相邻梁段的顶板、底板上，在接缝临近部位设置码板，两个码板之前放置千斤顶。通过调整千斤顶的伸长量，对梁段间隙、基线距离进行微调，以满足设计要求[8]。

4.2.5 优化支撑系统

本工程中，临时支架由钢管和槽钢组成，对立柱进行拉结固定。为保证临时支架的稳定性，采用钢筋混凝土基础，埋设≥1 m；基底回填素土并夯实，承台尺寸为5 m×3.5 m；在立柱部位设置钢板预埋件，尺寸为450 mm×450 mm×16 mm。

4.3 施工效益评价

施工完成后，三环线姑嫂树立交处中断多年的绿道被过街天桥连通，上面是公路立交桥，下面是马路，周边是高楼大厦，从天桥上穿行别有一番体验。断点的连通为市民在张公堤绿道上锻炼提供了更大空间，也让骑行爱好者更加快捷地通行，其社会效益突出。

5．结语

综上所述，钢箱梁因其诸多优势在城市立交桥建设中应用广泛，而焊接作业是钢箱梁施工中的一个技术要点。文章结合实际案例，详细阐述了钢箱梁内部空间较小的焊接工艺；通过减小环境温差、控制焊接顺序、完善监测方案、调整油顶装置、优化支撑系统，能有效控制钢箱梁的线型，实现预期质量控制目标，可在类似工程中加以推广。

参考文献：

[1] 周宇琦,岳雪姣,闫晨.安海湾特大桥主桥钢箱梁U肋内焊技术分析[J].工程技术研究,2020,5(19):81-82.

[2] 柴飞,刘申,徐向军.钢箱梁桥整体拼装焊接变形控制及补偿方法研究[J].金属加工（热加工）,2023(2):51-55.

[3] 刘春宝.大型钢箱梁拼装及焊接质量保障措施分析——以天津市宁河县光明路蓟运河大桥实际工程为例[J].工程技术研究,2022,7(5):67-69.

[4] Bayat E, Bayat M, Hafezzadeh R. Numerical performance assessment of Tuned Mass Dampers to mitigate traffic-induced vibrations of a steel box-girder bridge[J]. Struct Eng Mech, 2021,78(2):125-134.

[5] 韦焕德.探究市政高架桥钢箱梁工程焊接施工技术与质量控制[J].模型世界,2022(3):103-105.

[6] 廖贵星,严汝辉,胡辉跃,等.武汉青山长江公路大桥中跨钢箱梁施工控制关键技术[J].桥梁建设,2020,50(Z1):126-132.

[7] 王辉.桥梁中跨钢箱梁施工控制关键技术[J].工程机械与维修,2021(1):120-121.

[8] 梁欢.提高小半径曲线桥钢箱梁线形平顺度的对策研究[J].有色金属材料与工程,2022,43(6):35-39.