大跨度钢箱梁施工（复杂海域环境下大跨度钢箱梁装配化施工关键技术）

王联虎厦门路桥工程投资发展有限公司

摘 要：翔安大桥(厦门第二东通道)工程路线全长约12.371 km。其中，跨海段长约4.503 km,以桥梁方式跨东海域，双向8车道；中航道采用2×90 m 2×150 m 2×90 m整幅变高钢箱连续梁，其余均为90 m跨等高(3.5 m)钢箱连续梁；钢箱梁共35跨，最大跨度为150 m,标准跨度为90 m。钢箱梁总重约8.5万t,钢护栏总重约1.1万t,合计约9.6万t钢结构。针对施工现场海域环境复杂，受航空限高限制且紧邻白海豚保护区，钢箱梁架设采用大节段吊装等特点，全桥钢箱梁共划分为36个大节段，吊装单体最大净重量约为3 106 t。板单元在工厂内加工，拼装成共354个10 m左右长度的小节段，然后采用BIM技术正向设计出图、机器人自动化焊接、智能化涂装、焊缝检测可视化平台辅助等工艺拼装成大节段，接着采用江海联运方式运抵厦门桥位现场，使用1台4 000 t浮吊进行整体吊装，实现装配化施工。通过可拆式吊装体系及调梁装置对梁体进行线形调节，保障桥梁的竖平曲线。

关键词：大跨度;钢箱梁;复杂海域环境;装配化施工;

1 工程概况

翔安大桥(厦门第二东通道)海上钢箱梁包含互通主线桥钢箱梁、非通航孔钢箱梁及中航道桥钢箱梁，共8联35跨，划分为36个大节段，单个大节段钢箱梁最大净重为3 106 t。互通主线桥钢箱梁1联，HT0～H00墩位，长4×90 m=360 m, 变宽钢箱梁。西非通航孔钢箱梁2联，H00～H05墩位，长5×90 m=450 m; H09～H13墩位，长4×90 m=360 m, 均为标准节段。西通航孔钢箱梁1联，H05～H09墩位，长4×90 m =360 m, 均为标准节段。中航道桥钢箱梁1联，H13～H19墩位，长2×90 m 2×150 m 2×90 m=660 m, 为变高截面钢箱梁。东非通航孔2联，H19～H23墩位，H23～H27墩位，长2×4×90 m=720 m。东航道桥1联，长4×90 m =360 m, 均为标准节段。钢箱梁标准段梁宽37 m(不含风嘴宽度),变宽段宽度达52.736 m, 变高段梁高由3.5 m变至7 m。

2 工程重点及难点2.1热轧变厚U肋焊接

翔安大桥(厦门第二东通道)工程顶板U肋采用新型12～16 mm变厚热轧U肋。该新型热轧U肋在业内属首次大规模使用，并要求全熔透焊接，采用“双90”验收标准。热轧U肋结构形式如图1所示。

针对U肋内部空间小的问题，采用适应U肋内部空间大小的焊机，通过伺服电机驱动焊机直线行走，完成内部焊接。外焊采用6头门式埋弧专机焊接，专机自带机械跟踪系统、焊剂回收系统。根据一系列试验确定胎架角度、焊枪角度、坡口角度等焊接参数，多方面保证焊缝全熔透要求。

2.2整体吊装装配化施工

本项目钢箱梁采用逐跨整体吊装方案，起吊梁段多、重、长。海上作业受天气海况影响大，安装风险大，对浮吊起吊能力要求高。相邻梁段接缝距离前一墩中心线18 m, 中跨及尾跨安装梁段利用梁端牛腿临时挂设于前一梁段悬臂端，吊装风险大。钢箱梁分为缓和曲线段和圆曲线段，线形控制要求高。本工程处于中华白海豚保护区及附近水域，环保要求高。

图1 新型热扎U肋 下载原图

单位：mm

3 钢箱梁装配化施工3.1板单元制造

标准节段钢箱梁划分成以下的板单元：顶板单元11块，斜顶板2块；平底板单元7块，斜底板单元6块；中腹板单元2块，边腹板单元2块，如图2所示。

(1)顶、底板单元制作。

顶板单元采用U肋组装内焊一体机进行组装定位，焊接U肋内侧焊缝；采用U肋埋弧专机加船位反变形胎架焊接U肋外侧焊缝，以降低疲劳伤害，提高产品质量。底板单元采用U肋装配机进行组装定位，采用CO2专机加船位反变形胎架焊接U肋外侧焊缝，提高焊接精确性和可靠性。焊接成形好，质量要求高。

(2)横隔板单元制作。

横隔板作为钢箱梁的骨架，在梁段组装时起到内胎的作用，其制造精度直接影响到梁段的几何尺寸和相邻梁段箱口间的匹配精度。横隔板制作时，除异形件外均全部采用数控切割机下料，在焊接过程中严格按规定的焊接顺序和焊接工艺执行，重点保证隔板的平面度。

(3)腹板单元制作。

腹板单元作为钢箱梁主要受力构件，加工制造要求比较严格。除异形件外均采用数控精切下料，划出腹板纵横基准线，并以基线划出加劲肋组装线，采用热矫正工艺整修平整度，按照纵横基准线划出板单元坡口。

图2 跨海主桥标准节段板单元划分 下载原图

单位：mm

(4)板单元合件制作。

为减少板单元在钢箱梁组装过程中的纵向焊缝工作量以及缩短工期，在钢箱梁节段组装前，根据施工场地和施工进度要求，可先将两块顶板单元组焊在一起，形成板单元合件参与节段组装。

板单元合件组装时，应在胎架上设置反变形值，以保证板单元焊后的平面度，其组装步骤如下。

步骤一：将顶板单元吊至板单元合件专用胎架上，胎架上预置反变形量。通过板单元上的纵、横基准线进行板单元定位，根据横向基准线划出横隔板、横肋板的位置线，根据板单元上的纵向基准线控制板单元的接缝间隙及相邻两U肋的中心间距。

步骤二：用千斤顶精确调整两板单元的纵向拼缝间距，然后将板单元点焊固定。

步骤三：焊接板单元纵向焊缝，采用单面坡口，背面贴陶质衬垫，埋弧自动焊接。焊接前，焊缝两端安装引熄弧板，引熄弧板的材质、坡口角度、板厚等与母材相同。

3.2小节段拼装

钢箱梁节段组装采用正装方案，即以胎架为外模，以横隔板为内模，按照“底板→斜底板→中间横隔板→中间腹板→两侧边横隔板→两侧边腹板→两侧横隔板→中间顶板→两侧顶板→斜顶板→两侧边顶板”的顺序，实现正位立体阶梯式推进，逐段组装与焊接。

3.3大节段拼装

为方便场内转运和涂装作业，小节段在完成涂装工作后，利用模块车和专用搁架转至拼装现场组装焊接。每个大节段的长度为76～108 m不等，由多个小节段组成。大节段桥位连接环口两端预留配切余量，需根据现场实测端口尺寸后，进行环口整体配切。

3.3.1定位匹配(1)基准梁段定位基准。

基准梁段定位匹配是大节段制造的关键，利用梁体提前布设的定位线与纵横向定位基准的样线来控制纵横向位置。

(2)基准梁段粗定位。

在基准梁段端部梁底500～1 000 mm腹板位置，组焊纵横向粗定位调整装置。

(3)基准梁段精定位。

梁段运输至拼装胎架支撑墩附近后，利用梁段端部定位装置、三向千斤顶、定位基准线来进行基准分段精定位。

(4)其余梁段定位。

基准梁段定位满足要求后，将基准梁段与胎架(固定装置)连接牢靠，以基准梁段、测量横纵向定位基准、梁段间匹配件来依次定位相邻制造梁段，满足线形及接口匹配要求后，将梁段与相邻梁段、胎架码固。

3.3.2大节段制造线形控制

在小节段组焊成大节段的过程中，把控大节段的成桥线形是整个桥梁制造合格的关键。通过对境内外常用钢箱梁制造技术的深入研究，结合本案例项目中变截面钢箱梁的结构特点，对整个桥梁的线形进行严格把控。在钢箱梁制造时，考虑其本身的上部重量、工作状态下荷载、安装过程中体系转换、成桥荷载等因素，确定钢箱梁预拱值，以保证钢箱梁安装后线形满足设计要求。

为方便行车，桥梁设有竖曲线。根据项目要求，钢箱梁的理论竖曲线为“恒载 1/2活载”产生的挠度反向值。而钢箱梁制造过程中会产生焊接收缩变形，所以在厂内制造过程中，在理论竖曲线基础上应增设预拱度，以确定工厂制造线形。

3.3.3大节段环口匹配

小节段钢箱梁预拼装检测合格后，在板单元温差小于2℃的条件下，对大节段各环口匹配精确进行调整，并采用刚性马板将接口进行码固，以约束接口焊接过程中的横向收缩。环口焊接质量在经过流程检验合格后，根据环口实际尺寸配制板条肋嵌补段。

钢箱梁大节段焊接前后，应对钢箱梁长度进行精确测量，以掌握焊接收缩规律，用以指导后续钢箱梁大节段制作。建立钢箱梁大节段累积长度管理流程，对组成大节段的每段钢箱梁长度进行累积，最终确定钢箱梁大节段的实际长度与理论长度之间的偏差值，从而控制最终制造完成后的钢箱梁大节段长度。

4 钢箱梁装船

钢箱梁大节段滚装上船前，应做好滚装前运输船的准备工作。根据实际准备情况及潮水情况，确定滚装上船的确切日期和时间。清理运输船甲板，画出模块车在甲板上的行车轨迹线，对轨迹线范围内的甲板彻底清理；清除甲板面残留的金属物，将甲板面打磨平整光滑。运输船要保持一个较好的姿态；运输船尾甲板基本上与码头平面保持平齐状态，误差控制在 5 cm 范围内。运输船初始姿态的调整靠压载水舱来实现，根据码头和潮高实际情况计算出需要吃水量，由吃水大小确定需加入的压载量，向选定舱室内注压载水，使船甲板和码头表面处于同一水平线，为滚装上船做好准备。运输船按需要压水达到尾滚的要求。

运输船在靠岸丁字系泊后，根据码头场地位置的潮汐表和码头实际测量情况加以调整。运输船预先压入适量压载水，待船甲板比码头表面略高200 mm 时，模块车上船。在上船的过程中，运输船将根据调载数据进行前、后、左、右调载，确保运输船与码头保持平齐。如出现船甲板低于码头的高度超过允许的悬挂行程范围时，模块车停止上船，进行前、后、左、右调载并结合涨潮的双重作用，待船体升高至可以上船状态时，模块车再次前进。重复上述步骤，直至模块车全部上到运输船。

滚装装船工序为：模块车将大节段钢箱梁顶起→前36轴线(25%)逐步行进上船，行走时间约为20 min,理论调载时间为20 min→72轴线(50%)完全上船，行走时间为20 min,理论调载时间为20 min→108 轴线(75%)逐步行进上船，行走时间为20 min,理论调载时间为20 min→144 轴线(100%)刚完全上船，行走时间为20 min,理论调载时间为20 min。

综上所述，大节段钢箱梁整个装船过程约为2.7 h(160 min)。

5 大节段吊装5.1吊装总体工艺

钢箱梁吊装施工为大型水上船舶作业，具有吊装重量大、安装精度高等特点，受水流、波浪和风等因素影响较大，对水文气象等环境要素条件要求较高。因此，首先需要编制专项施工方案并邀请专家进行评审，做好海上交通组织，选定合适潮水位的安装作业窗口。

5.1.1标准跨钢箱梁

分段长度分别为108 m 90 m 90 m( 90 m) 72 m,采用1台浮吊吊装。在吊装梁段一侧设置牛腿，放置于已吊装梁段上，另一端放置于墩顶临时支座上，通过千斤顶调位后逐跨落于永久支座上，直至一联箱梁架设完成。

5.1.2中航道桥钢箱梁

分段长度为108 m 100 m 84 m 76 m 84 m 100 m 108 m,采用1台浮吊吊装。其中，108 m、100 m梁段施工方法同上；76 m钢箱梁搁置在临时墩支架上，并在两侧各设置长84 m的合龙段，先后完成合龙段安装后成联。

吊装施工方案如图3所示。吊装施工步骤如下。

图3 中航道钢箱染吊装方案 下载原图

(1)搭设H16号墩两侧临时墩及临时航道两侧防撞墩，安装H19号、H18号墩顶调位系统，钢箱梁吊具挂钩。

(2)吊装区域其他船舶驶离，浮吊抛锚就位于桥梁南侧，船艏距离桥墩约300 m。

(3)钢箱梁运输船进场，抛锚就位，将吊具搁置架安装于钢箱梁顶。

(4)连接钢箱梁和吊具，提升钢箱梁至设计顶标高以上1 m。

(5)运梁船离开，浮吊绞锚前移至安装位置。

(6)安放第一个大节段钢箱梁，吊具搁置钢箱梁顶，浮吊挪移，初定位后采用三向千斤顶进行精调位；安装临时限位，端部安装牛腿底座，准备下一个大节段钢箱梁安装。

(7)钢箱梁吊具挂钩，将吊具移至下一节钢箱梁上，吊装17号～18号钢箱梁。初定位后采用三向千斤顶进行精调位，钢箱梁临时限位，进行现场环缝施工，拆除牛腿系统。

(8)将梁吊钢箱梁整体往大里程方向移动，加大合龙口。

(9)安装16号墩顶钢箱梁，在支架上对16号墩顶钢箱梁进行精确调位，连接钢箱梁于永久支座上，将钢箱梁固定，然后安装配重。

(10)安装16号～17号钢箱梁，采用三向千斤顶进行精调位。调位完成后将19号～17号先安装的两节钢箱梁整体向合龙侧纵移，调整合龙姿态，如图4所示；进行现场环缝施工，完成单侧整体合龙，拆除调位系统。下个合龙段重复上述步骤即可。

图4 钢箱梁节段纵移调整 下载原图

5.2钢箱梁吊装顺序

由中航道桥开始逐跨向两侧依次吊装，标准段钢箱梁根据加工顺序可自由调配。

5.3调梁

竖向千斤顶将梁段顶起，调整临时支座与钢箱梁间垫板厚度，然后下放后支撑。双向水平千斤顶同步顶升，调整纵、横向位移。

高程调整：大节段钢箱梁以设计纵坡状态，通过滑移支座搁置于调位支座上。调位支座起到临时支座的作用，临时支座标高高于永久支座标高，便于落梁。高程调整时，利用墩顶和牛腿处的千斤顶共同作用调整。调整前，将滑移支座和钢箱梁底板的连接螺杆拆除，同时将牛腿处滑移支座与牛腿结构连接处的连接螺杆拆除。利用竖向千斤顶顶起后，调整垫板高度，调整高程。

水平调整：在临时支座支腿和底座之间，安装不锈钢板和MGE四氟滑板以减小滑移摩擦力。安装垫板前，在不锈钢板上涂满机油与黄油的混合物。通过设置的水平千斤顶，在支腿和底座之间相互作用，进行钢箱梁纵向和横向调整，调整空间为150 mm。

临时限位：调位完成后，拆除水平千斤顶。采用H250小型钢 调节垫板，进行墩顶和牛腿调位系统的临时限位，同时确保人员操作方便。

临时匹配连接：通过在顶板底板的拉杆对拉施加弯矩进行缝宽调整，拉杆张拉力根据转角需要进行控制，钢箱梁调位完后，进行临时连接固定。

5.4落梁

钢箱梁采用逐跨落梁的方式。钢箱梁安装前，将永久支座初步放置就位，调整好平面位置和高程，临时固定。提前测量牛腿调位系统空间，复核临时支座垫板高度，确保临时支座受力后钢箱梁标高略高于实际所需标高。

完成钢箱梁精确调位后，实施钢箱梁落梁，其步骤如下。

第一步：拆除临时支座与钢箱梁的连接螺栓，启动竖向千斤顶，起顶钢箱梁使得钢箱梁与临时支座脱空。

第二步：拆除临时支座垫板，使临时支座标高与永久支座标高一致。

第三步：启动竖向千斤顶，下放钢箱梁至临时支座上，安装临时支座与钢箱梁连接螺栓。

第四步：微调永久支座，将永久支座与钢箱梁连接，进行支座灌浆。

第五步：灌浆料达到设计强度后，解除永久支座与钢箱梁的连接。启动竖向千斤顶，顶起钢箱梁，拆除临时支座，千斤顶下放钢箱梁。连接永久支座与钢箱梁，永久支座受力，拆除千斤顶。

6 关键控制技术6.1机器人自动化焊接

翔安大桥(厦门第二东通道)工程钢箱梁制造实现了智能化机械焊接，通过焊接参数的录入，可以全机械化地完成顶板、底板、横隔板等单元件的焊接，有效控制焊接线能量的输入，控制焊接变形，确保钢箱梁生产质量。

板单元智能焊接生产线的特点：智能化板单元生产线能够覆盖各类单元件的制造，实现了各类单元件焊接的自动化和智能化；首次实现了正交异形板U肋内外双面全熔透焊接和齿形板的自动化焊接；通过MES系统对生产过程进行监控和数据实时采集，实现了信息化管理和追溯。

通过工控网络将所有设备与MES服务器互联，由MES系统自动下达指令程序，收集加工过程数据，实现与BIM系统信息的互通。

6.2智能化涂装

翔安大桥(厦门东二通道)工程智能涂装系统在涂装厂房(喷砂车间)及配套设备、设施的基础上，增设先进的机器人喷砂装备，实现了梁段(外表面)喷砂除锈的智能化。

智能化涂装设备由智能化喷砂系统、智能化喷漆系统和中控室3大系统组成。3大系统分别担负着智能化喷砂、智能化喷漆和信息数据采集分析及设备监控的功能。

钢箱梁外表面采用智能化喷砂设备代替人工进行喷砂除锈。智能化喷砂设备集合MBU喷砂车、机械手臂、自动化电气系统、自动化控制系统等，通过计算机程序控制设备行走、喷砂除锈等过程，实现了喷砂除锈的智能化。智能化喷砂设备精准地控制枪距、移动速度、压枪等工艺参数，使除锈质量有了较大提升。

钢箱梁外表面油漆喷涂采用的智能化喷漆机器人由轨道系统、行走系统、喷漆系统、机械手臂、自动化控制系统等多系统组成。梁段就位后，喷漆机器人通过地面轨道和行走系统上的轨道建立X、Y轴，通过自身计算机控制喷漆机器人在X、Y轴上开展喷漆控制。智能化喷漆机器人行走匀速、稳定，枪距、枪幅、压枪控制精准，对涂层厚度和外观实现了精准控制。

智能化涂装系统中控室是整个智能化涂装系统的大脑，包含车间、设备的信息数据采集和设备的运行控制等功能，不仅为生产获取了各类生产数据，保证了设备正常运转使用，也为生产管理、决策提供了依据。

6.3焊缝检测可视化平台应用

长久以来，大型钢结构焊缝检测管理过程中一直存在焊缝数量多，检测环节多，检测成果较为零散，漏检、自检不严和返检无保障等问题，无法直观反映施工质量问题，不利于对结构质量进行控制；分析判定局限于单次检测内容，无法从钢结构焊缝施工质量整体层次做出全面的分析评价。

翔安大桥(厦门第二东通道)项目开发了可视化检测管理平台，建立全新的焊缝检测管理模式。利用大数据分析钢结构检测进度，信息直观，使建设单位、检测单位、施工单位对接更顺畅，高效完成检测工作，保障施工进度；焊缝信息详细，便于检索、定位、溯源，平台操作方法简便，让现场管理更智能化。使用计算机软件记录数据，统计焊缝一次合格率，评估工人焊接水平，统计返工原因，得出工人操作质量通病，进一步得出技能优势与劣势，便于指导管理人员安排工人工作，有利于工程质量保障。

6.4 BIM技术应用(1)BIM协同深化设计。

通过CATIA软件进行三维BIM协同设计。所有的大节段、小节段、板单元、零件等几何信息和设计信息通过施工图深度BIM建模，建模精度响应和满足招标要求，并符合行业标准。

(2)BIM碰撞检查优化及预拼装。

BIM建模过程中进行模型碰撞检查，提前规避碰撞问题，减少和消除窝工返工现象。在整体模型建立后，对每个节点进行预装配BIM模拟，同时结合实际制造空间、安装方案和吊装条件进行预先BIM分析和评估。

(3)BIM设计出图及可视化技术交底。

在设计BIM模型优化定稿后，通过BIM软件生成构件自动化编号和二维图纸导出，辅助加工和安装工序现场使用。同时，BIM导出的施工图还将进行必要的调整和信息数据补充，如加工说明、运输保护说明、安装精度说明等。

(4)BIM工程量和设计参数信息统计。

基于BIM模型可以快速提取用钢量、螺栓数量、型号等材料的工程量，辅助材料管控和现场精细化管理。通过BIM工程数据和设计信息(如构件尺寸、材质、坐标点、焊缝数据等)的导出，发挥后期生产设计加工一体化功能。

(5)制造工艺流程模拟仿真。

制造加工前，根据BIM深化模拟、场地模型、制造空间、运输条件、设备、人员等因素进行流程工艺模拟仿真。通过预先模拟与优化，最优化设计制造流程和资源投入。可视化工艺到现场，指导工人现场施工有据可依。

(6)设计变更协同管理。

运用协同软件建立项目级OA,实现以模型为媒介的线上审批。

6.5大节段装船

作业区域需满足安全要求。与气象部门紧密配合，掌握准确的气象(特别是台风)预报资料，提前做好防台、防浪涌工作，做到有组织、有准备、有措施。运输船甲板面上残留的金属等异物清理完成。模块车并车调试合格并检查确认满足施工需求，各个车组轮胎角度偏差控制为不大于2°,进行方向调整时单次轮胎转向角度不得大于5°。滚装上船的跳板需按拟定的布置位置进行相关定位铺设，模块车车组定位准确。梁段的装车重心需对准相应工况模块车的承载中心，偏差控制在安全范围内。运输时，支承梁等布置正确无误。场内运输及滚装上驳的施工过程中，全程必须有专职安全员监管。上船落墩时，卸车支墩布置正确无误。

7 结语

本项目钢箱梁制作中大规模使用了热轧变厚U肋，属于世界首创。采用了机器人焊接施工、智能化涂装系统、可视化检测平台、二维码应用技术、BIM技术正向应用技术等技术，将钢箱梁制造、涂装、检测、BIM管理模式等有机地集成在一起，实现了制造活动之间信息的实时交互。现场吊装采用大型船机设备一次性进行，实现了真正的装配化施工，推动了桥梁制造模式的深刻变革，创新了中国桥梁建造发展模式。

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