钢箱组合梁桥施工工艺及质量控制分析
时间：2022-12-04 12:10:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
高海斌
（河北交通投资集团张石高速保定段有限公司，河北 保定 071000）
钢箱-混凝土组合梁桥能够节省材料，还可以简化施工工序，具有经济性突出和利于工业化建造等优点。钢箱梁的截面由钢腹板和底板及较小的翼缘顶板组成，属于开口钢箱。该类结构的缺点是，在施工期间，桥面板混凝土达到设计强度之前，扭转刚度相比建造成型后低，这使得混凝土桥面板在施工期间对侧向失稳更加敏感，因此，有必要对组合梁桥施工过程中的力学性能以及施工工艺等方面开展深入研究。因此，本文以某匝道桥为依托，选取单跨简支梁，以有限元软件ABAQUS构建了有限元模型，对其施工工艺和质量控制进行了分析，可为类似项目提供参考。
某匝道桥为简支梁桥，箱梁长57m，宽3.9m，高2.0m。该桥下部由一个钢箱制成，钢箱上安装波形板顶板，作为现浇混凝土浇筑的模板，顶板上现浇混凝土车道，波形板同时起到提高施工期间箱梁的整体稳定性的作用。钢箱采用Q345D型钢材；
波形板分别采用0.774mm、0.86mm和0.946mm三种厚度，波宽×波长×波高尺寸为0.95m×3.4m×0.045m或0.95m×2.8m×0.045m，钢箱内设间距5m的横隔板。对该简支梁桥进行了动力特性试验，得到其一阶弯曲自振频率，试验结果主要用于验证建模方法的正确性。
2.1 有限元计算
采用ABAQUS建模，钢箱梁材料采用Q345D，应力-应变曲线用双折线模型模拟。为了更好地模拟钢材的局部屈曲现象，钢板采用壳体单元S4R，全局网格尺寸为0.24m。在结构化网格划分时，根据估算的结构应力梯度，对相应区域进行网格加密或稀疏。桥梁两端的支座约束为：桥梁一端的支座约束所有平移自由度，而另一端的支座仅约束轴向和横向平移。
2.2 施工过程模拟
钢箱混凝土组合梁桥的整体刚度主要由钢箱桥、波形钢顶板、混凝土桥面板贡献，在施工过程中钢箱梁的受力及钢箱梁的扭转翘曲约束随施工进程而改变，结构的整体刚度随施工进度而变化。为保证桥梁施工安全，需对施工顺序、施工过程荷载变化进行合理的施工模拟分析。
考虑的荷载主要包括模板、施工荷载、自重、风荷载和浇筑混凝土荷载。在浇筑过程中，活荷载为风荷载和桥面混凝土板浇筑混凝土荷载。构建三类模型进行分析，用于研究结构刚度及弯扭稳定性的影响因素：MD1由钢箱梁组成；
MD2由钢箱梁MD1及通过可靠连接方式与MD1翼缘顶板连接的波形板组成；
除桥台处；
MD3由钢箱梁MD1顶部的波形顶板组成。有限元模拟的施工过程主要包括以下步骤：施加结构重力，结构模板荷载为5kN/m2的压力荷载；
风荷载为横向作用于结构上的1.5kN/m2的压力荷载；
分级施加浇筑混凝土设计荷载，每级加载为混凝土桥面板自重设计荷载的10%，每级分5个分步。为模拟真实的加载情况及保证有限元计算能够快速收敛，加载方式采用分步加载，并对3个模型分别加载分析。
3.1 材料进场
材料按照计划到厂后，由专人负责对其外观、材质和规格等进行检验，填写材料验证记录，并检查质量合格证明文件、中文标识及检验报告等质量保证资料。钢箱梁采用Q345d钢板，手工焊时采用E5015、E5016焊条焊接，自动或半自动焊（埋弧焊）时采用F4A2一H08MnA焊丝并配以相应的焊剂焊接，二氧化碳气体保护焊时采用1.2mm（新牌号为ER49—1）焊丝，其气体纯度大于99.7%。高强螺栓性能等级为10.9S级，大六角形，连接处构件接触面采用喷砂处理，其抗滑移系数不得小于0.55。
3.2 制作箱梁样胎
依据钢梁的平面几何关系和竖向高度计算所需技术数据，设计并制作箱梁样胎。
3.3 切割和下料
下料前查验材料牌号、规格型号、质量合格证书等，并使切割方向与零件受力方位一致。为确保工件的生产制造加工质量，定尺切割时，挡板应固定不动，确定切割构件的规格型号满足要求后，方可开展大批量切割。全部零件应先开展精密切割，对于矩形板，应与此同时沿长、短两个方位切割，以避免向板平面内侧弯折；
对于外观复杂的零件，应通过计算机软件进行放样，创建几何规格型号和模型，并应用数控切割机开展精切割和下料，以消除热变形的影响。切割前，钢板应竖直、平整。若钢材不平且不直，影响标识或切割质量时，应给予改正。工件切割后，应对切割造成的凹坑等缺点开展修补和抛光。下料时，应预留主梁和弦杆的长度开展切割，在预装配时开展切割。留意切割槽的脊部，特别是钝边应符合要求。切割后构件长宽误差不超过±2mm，剪切构件边缘齐整，无毛刺、倒口等问题。
3.4 板模块生产
隔板、主梁顶板和腹板产生一个T形梁，根据标识部位点焊在装配结构上，产生装配焊接板模块，随后在箱梁上对准底板部位后点焊到每个板模块。全部点焊后，查验箱梁全部构件的型号规格及其抛光和顶升状况。
3.5 制孔
钻孔模板与工件之间采用夹具连接，不允许将钻孔模板直接点焊在工件上。钻孔群中距离最远的2个孔中各插入定位销，定位销直径比钻头直径大0.05～0.1mm，然后钻其余的孔。加工完一件工件，立即用ϕ24-0.05通孔器和24+0.25止孔器检查钻孔直径。钻孔完毕，采用电动砂轮机或风动砂轮机清除钻孔双面毛刺。
3.6 节段连续拼装制作
从A段到E段单梁逐条制作，同时进行A～E节段上胎组装，完成A到B节段制孔后开始进行连续拼装制作。
3.7 焊接剪力钉
剪力连接器焊接前，清除上翼缘板表面铁锈等污物，上翼板不得涂漆。
3.8 涂装
为提高结构的使用寿命，需要对钢梁进行防腐处理。防腐处理的流程为：首先进行钢板预处理，对钢板上面的杂物进行清除，接着在钢板上刷一遍底漆，制作完成后对表面进行清理，按照涂装要求进行涂装，最后运输到施工现场，若在现场发现某些部位出现破损，则需要再进行一遍面漆的处理。
钢箱梁的表面应进行金属喷涂，喷涂前应该对表面进行除锈处理，再分层次进行喷涂，喷涂的厚度应该保持均匀。在高强度螺栓连接处也应该进行喷砂处理，应保证高强度螺栓连接的摩擦面干燥。在每次喷涂前应将构件的表面清除干净，对于涂装的材料品种、涂装的施工环境、喷涂的厚度都应符合设计要求。对于喷涂的颜色应满足业主和规范的要求，不能有明显的色差。
3.9 运输、安装
3.9.1 吊装机械选择
根据该工程特点及安装现场、构件重量，本着技术上先进、经济上合理并确保工期、安全、质量的原则选择吊装机械。该工程最重构件为27.364m，约45.7t，采用2台100t汽车吊。
3.9.2 场地处理
吊车行走道路应推平压实，保证地耐力符合吊车行进安全要求。
3.9.3 构件的运输、存放
为了减少空间运输对交通的影响，对于构件的运输最好安排在晚上进行，并且应根据施工现场的实际情况设计路线，对于现场路线应进行实地考察，确保能够运输大构件结构，对一些超长的构件在转弯时需要有专门的人员指挥，运输途中应该确保车辆的稳定。构件进场以后应合理存放，对构件上面的编号进行确认，检查产品的合格证，查看构件是否出现变形、油漆是否脱落，按照统一的顺序进行存放。
3.9.4 吊装前的准备
在吊装前，应该对现场的高层和坐标点进行确认，专业的人员需要对桥墩承台的定位轴线尺寸、标高等做好记录。并且施工人员需要对照图纸和构件进行反复的检查和确认，确保构件的尺寸外观都符合设计的要求，对不满足要求的构件应做处理。
3.9.5 钢箱梁安装
钢梁按设计要求在生产制造厂制作、加工、焊接成段后运至安装现场，在公路桥梁现场按设计要求制作临时性钢支架。每节钢梁选用两台100t吊车进行吊装，分段钢梁通过支架上的高强度螺栓连接成一整根梁，并连接箱体之间的横梁，产生纯钢截面的连续梁。在钢箱梁安装之前，需要查验钢构件连接处的摩擦面，连接板务必平整并且没有出现弯曲。浮锈用钢丝刷消除，油污需要清除干净。结构中心部位调节完成后，需要穿入高强度螺栓，高强度螺栓应朝同一方向穿入。
在钢箱梁安装时，螺栓、螺母和垫圈只允许在本项目工程中使用。在实际操作过程中，螺栓不能被泥沙、油和其他物质污染。在连接和安装高强度螺栓时，应用的临时性固定螺栓和冲孔钉应穿入每个节点上，并且临时性固定螺栓不少于总数量的1/3。冲孔钉压实时，不得用大锤敲击。连接节点施工时，先用冲子对孔位进行校正，随后插入高强度螺栓，用专用型初拧扳手拧紧。先用临时性固定螺栓连接，随后插入高强度螺栓。首次拧紧第一个高强度螺栓后，应拆卸临时性固定螺栓，并全部换成高强度螺栓。用铰孔机铰孔时，应消除孔周围的毛刺，随后用铰孔机将螺栓铰入孔中。高强螺栓接头紧固后，应马上封闭，在连接板、螺钉、螺母和垫圈附近涂刷一层封闭的底漆，避免水进入到螺栓的摩擦面。
4.1 桥面板混凝土浇筑顺序
为分析施工顺序引起的分层加载影响，桥面板混凝土浇筑顺序分为两种方案。方案1：从桥梁中心开始浇筑，逐步向两侧桥台展开。方案2：从桥梁端部开始浇筑。通过计算分析，方案2可增加结构施工期间的扭转翘曲约束，提高结构弯扭稳定性。因此，桥面板混凝土浇筑从桥梁端部开始，逐步向桥梁中心进行。
4.2 波形钢顶板铺设
在恒载+活载工况下，采用结构的一阶屈曲模态作为初始缺陷分布模态，初始几何缺陷系数为0.01，对结构进行荷载-位移全过程屈曲分析，随着初始缺陷的增加，结构扭转和横向位移相对较大，而极限荷载相应降低。因此，做好波形钢顶板铺设工作至关重要，对钢箱组合梁桥的施工质量有着直接的影响。
4.3 波形顶板厚度控制
在相同边界条件和相同荷载作用下，针对MD2，在相同波纹型号下，以波形顶板厚度变化作为影响因素，进行了屈曲特征值分析，结果表明：在经济厚度范围内，随着波形顶板厚度的增加，抗屈曲性能提高。对计入结构尺寸初始缺陷的影响进行非线性分析，结果表明：将初始缺陷从0.01增加到0.05可使横向位移增加36%。进一步从0.05增加到0.1，侧向位移增加24%，从0.1增加到0.2，最终侧向位移增加52%。结果表明：初始缺陷的增加会显著增加侧向位移。
当使用波形顶板创建闭合横截面时，与开口的横截面相比，扭转和横向位移显著减少。为增加结构的可靠性冗余度，在波形板整体失稳情况下，要保证开口横截面的箱梁持续工作。初始缺陷的大小对桥梁性能有很大影响，初始缺陷的增加会导致较大的扭转、横向位移以及极限荷载的降低。如果扭转变大，未凝固的混凝土将向桥梁一侧移动，作为偏心荷载，进一步扭转增大。因此，需要做好桥面板混凝土浇筑，做好波形钢顶板铺设，控制波形顶板厚度，才能更好地确保钢箱组合梁桥的施工质量。
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