蔡紀偉，賈通，張續(xù)彬，徐向軍，喬新旺

中鐵山橋集團有限公司 河北秦皇島 066200

1 序言

安家莊特大橋位于北京市門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)安家莊村西南，線路為東西走向，橋梁起于豐沙鐵路北側、黃臺隧道出口，先后跨越豐沙鐵路、永定河及現(xiàn)G109國道。左幅采用（248+248）m 鋼桁斜拉橋結構，中墩兩片主桁上對應設置兩片A形塔柱，塔總高70m；右幅采用（171+171+75）m 連續(xù)鋼桁梁結構。左右幅轉體段梁體均在豐沙鐵路的南側拼架，轉體質量分別為15000t、9000t。

主橋鋼結構下部的L3、L4、R4、R5、R6號墩采用鋼管混凝土橋墩，其中L3、R4間橫向設置蓋梁形成雙柱框架墩：L4、R6號墩間橫向設置蓋梁形成三柱框架墩；R5為獨柱墩，5根墩柱材質及規(guī)格見表1。

表1 墩柱材質及規(guī)格

2 墩柱鋼管制造方案

墩柱鋼管制造分三步進行：首先，將每根墩柱鋼管分成若干長度為2～3m的短管柱，分段采用鋼板卷制，焊接管縱縫；然后，再將短管柱進行“二接一”或“三接一”焊接環(huán)焊縫，成為長管柱節(jié)段；最后，在橋位將長管柱節(jié)段由下至上逐一吊裝，進行環(huán)縫焊接。下面以L3和R4墩柱為例進行說明，L3和R4墩柱如圖1所示。

圖1 L3和R4墩柱

在制造廠將L3鋼管柱分為12節(jié)短管柱卷制，R4鋼管柱分為14節(jié)短管柱卷制，焊接縱向對接焊縫；然后將分別進行“二接一”或“三接一”焊接環(huán)焊縫，L3鋼管柱共焊接成6個長管柱節(jié)段，R4鋼管柱共焊接成5個長管柱節(jié)段；再將長管柱節(jié)段運往工地。采用1臺450t履帶吊，進行橋位長管柱節(jié)段逐一吊裝及焊接。

根據(jù)鋼管柱分段吊裝長度，分段安裝鋼筋、采用混凝土泵車分段澆筑的施工方法，每吊裝段鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑面比該吊裝段鋼管柱頂?shù)?m，管內(nèi)豎向鋼筋預留長度比該吊裝段鋼管柱頂?shù)?.7m，以便于混凝土終凝后作為與下一節(jié)段鋼管柱連接時工人焊接的操作平臺。

3 保溫棚熱工計算

保溫棚內(nèi)熱量消耗計算需要根據(jù)暖棚尺寸、圍護結構及地面導熱系數(shù)與室內(nèi)換氣次數(shù)等來計算確定（按照保溫棚內(nèi)焊接環(huán)境≥10℃進行資源配置）[1，2]。

3.1 計算參數(shù)

保溫棚熱工計算主要參數(shù)見表2。

表2 保溫棚熱工計算主要參數(shù)

3.2 L3鋼管柱承臺保溫棚熱工計算

1）保溫棚表面系數(shù)為

式中M——保溫棚表面系數(shù)（m-1）；

S——保溫棚冷卻面積（m2）；

V——外部量度保溫棚的體積（m3）。

2）保溫棚結構的傳熱系數(shù)為

式中K——保溫棚結構的平均傳熱系數(shù)（W/m2·K）；

α1——保溫材料的厚度（m），取0.05m；

λ1——保溫材料的熱阻系數(shù)[W/（m·K）]，按照石棉取0.22[W/（m·K）]。

3）保溫棚的耗熱量計算（保溫棚選取密實模板，圍護結構散熱系數(shù)β=1.3）

4）需要布設暖風機數(shù)量計算

由3600kJ/h=1kW，推算1kJ/h =0.000278kW，則

由此可知，選用P2=30kW暖風機一臺。因R4承臺保溫棚體積比L3小，故布置一臺30kW暖風機也可滿足要求。

橋位抱箍保溫棚熱工計算過程同上。

4 橋位節(jié)段焊接冬季施工措施

為了保證大橋施工進度，L3和R4墩柱需要冬季施工。Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》和JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規(guī)范》有關規(guī)定，橋梁鋼結構低合金高強度結構鋼的焊接環(huán)境溫度≥5℃，環(huán)境濕度≤80%。而當環(huán)境溫度＜5℃、環(huán)境濕度＞80%時，應采取必要的工藝措施后才能進行焊接。因為在冬季施工，所以必須采取有效的防護措施才能保證焊接質量和施工安全[3-6]。

4.1 首條鋼管柱環(huán)縫焊接

鋼管柱橋位分段拼裝時，橋位L3管柱第一條環(huán)縫比承臺頂面高0.6m，R4管柱第一條環(huán)縫比承臺頂面高3m，在主墩承臺澆筑完成終凝后直接在承臺頂面上搭建保溫棚，直接利用承臺頂面作為工人焊接鋼管對接環(huán)縫的操作平臺，首條環(huán)縫焊接保溫棚三維結構如圖2所示。

圖2 首條環(huán)縫焊接保溫棚三維結構

在承臺頂面距離鋼管柱1.2m位置，采用扣件式鋼管圍繞鋼管柱周圈搭設雙排腳手架間距1m，L3腳手架高度3.5m，R4腳手架高度1.6m，步距均為1m，首條環(huán)縫焊接保溫棚立面布置如圖3所示。

圖3 首條環(huán)縫焊接保溫棚立面布置

采用保溫石棉將腳手架全封閉，作為外壁環(huán)縫焊接防風保溫棚。根據(jù)熱工計算，L3和R4保溫棚內(nèi)均放置1臺30kW暖風機輸送熱量，可保證棚內(nèi)溫度≥5℃，滿足焊接環(huán)境要求，且保溫棚內(nèi)配備LED照明燈，保證棚內(nèi)工作明亮，設置1臺360°攝像頭實時監(jiān)測棚內(nèi)工作狀況。在鋼管柱頂部設置5cm厚保溫巖棉板作為防護罩，開設4個φ20cm的排風口，預留一個60cm×60cm的過人天窗，在內(nèi)壁焊接時，用以防風保溫及空氣循環(huán)。管柱內(nèi)外設軟爬梯和簡易架子，供工人上下及施工作業(yè)。

4.2 高空鋼管柱環(huán)縫焊接

橋位首條環(huán)縫焊接后，在第二段以上拼裝段鋼管柱，因為均為高空作業(yè)，所以需要搭設施工平臺和焊接保溫棚。在下一個鋼管柱節(jié)段吊裝就位后，在對接環(huán)縫下方1m位置設置鋼抱箍，抱箍高度80cm，上鋪花紋板，作為操作平臺，緊貼鋼抱箍下側圍繞管柱平均焊接4塊5cm×5cm×1cm的Q235鋼板作為鋼抱箍承重保險塊。操作平臺寬度1m，防護欄桿高2m，外設5cm厚保溫巖棉板作為保溫棚用以防風保溫，巖棉板外側均勻開設4個30cm×50cm的側窗用以透光和通風換氣。鋼抱箍及操作平臺如圖4所示，鋼管柱抱箍體系平面如圖5所示。

圖4 鋼抱箍及操作平臺

圖5 鋼管柱抱箍體系平面

根據(jù)熱工計算，在L3和R4保溫棚內(nèi)均放置1臺5kW暖風機輸送熱量，可保證棚內(nèi)溫度≥5℃，滿足焊接環(huán)境要求，且保溫棚內(nèi)配備LED照明燈保證棚內(nèi)工作明亮，設置1臺360°攝像頭實時監(jiān)測棚內(nèi)工作狀況。

在焊接內(nèi)壁環(huán)縫之前，鋼管柱內(nèi)部已經(jīng)澆筑混凝土，混凝土面距離環(huán)焊縫1.2m，縱向鋼筋端頭距離對接環(huán)縫0.7m，可直接將管內(nèi)混凝土面作為操作平臺，在其上停放設備，工人進行內(nèi)壁焊縫焊接作業(yè)。在鋼管柱頂設置5cm厚保溫巖棉板作為防護罩，開設4個φ30cm的排風口，預留一個60cm×60cm的過人天窗，用以防護保溫管柱內(nèi)壁焊縫焊接。在每一段鋼管柱吊裝前，環(huán)縫1m范圍外纏電加熱帶（見圖6）和保溫石棉，加熱到20℃，兼顧混凝土澆筑后的養(yǎng)護和保證管柱內(nèi)焊接環(huán)境溫度≥5℃，環(huán)縫1m范圍內(nèi)利用鋼抱箍保溫棚。

圖6 電加熱帶

鋼管柱分段安裝及焊接環(huán)焊縫，抱箍隨節(jié)段安裝提升到相應焊接段，工人通過定型梯籠作為上下進入抱箍及管柱內(nèi)通道，抱箍和通道相連處設置1.8m ×1m的巖棉板開關門。定型梯籠基礎固定在承臺上，梯籠每隔6m與鋼管柱設一道連墻件，管柱內(nèi)設軟爬梯和簡易架子供工人上下及施工作業(yè)。鋼管柱上下通道及防護體系如圖7所示。

圖7 鋼管柱上下通道及防護體系

5 通風換氣措施

由于焊接過程中會產(chǎn)生CO、氮氧化物、臭氧等有害氣體和煙塵，所以防護保溫棚內(nèi)及管內(nèi)焊接需要通風換氣至關重要。

5.1 首條環(huán)縫保溫棚換氣措施

橋位首段鋼管柱保溫棚總體積為128m3，施工高峰期間保溫棚內(nèi)氣體保護焊工人同時焊接鋼管外壁環(huán)縫的達4人，每人半天的用氣量為1瓶CO2氣體，氣體質量約20kg，4名焊工半天的用氣量達80kg。棚內(nèi)設置一臺聯(lián)網(wǎng)版壁掛式氣體檢測終端，可與氣體探頭、換氣扇串聯(lián)，能實現(xiàn)遠程報警、數(shù)據(jù)查看等功能。待保溫棚內(nèi)有害氣體濃度指標接近報警值時，終端自動聯(lián)控啟動換氣扇進行通風換氣排煙，保證棚內(nèi)空氣指標維持在安全范圍。在焊接區(qū)域附近布置2個氣體探頭，保證能準確有效地覆蓋檢測有害氣體。

保溫棚內(nèi)換氣措施是在棚頂避開鋼管柱位置安裝2臺換氣扇，選用屋頂式換氣扇，風量為12500m3/h，運轉時保溫棚內(nèi)換氣次數(shù)為每小時195次。

5.2 高空鋼管柱環(huán)縫焊接保溫棚換氣措施

高空鋼管柱環(huán)縫焊接抱箍保溫棚體積為61m3，與首條環(huán)縫保溫棚換氣措施相同。

焊接鋼管外壁環(huán)縫時，為防止抱箍保溫棚內(nèi)有害氣體堆積太多，導致工人窒息，在抱箍操作平臺上開4個孔，并設置2個軸流風機，向外抽取氣體。換氣采用60W軸流風機，風量600m3/h，運轉時保溫棚內(nèi)換氣次數(shù)為每小時20次。

5.3 焊接管柱內(nèi)換氣措施

鋼管柱內(nèi)焊接空間體積為80m3，施工高峰期間保溫棚內(nèi)氣體保護焊工人同時焊接鋼管外壁環(huán)縫的達2人，每人半天的用氣量為1瓶CO2氣體，氣體質量約20kg，2名焊工半天的用氣量達40kg。換氣措施同上。

通過在柱頂防護罩設置1臺負壓風機抽氣管，將鋼管內(nèi)底部氣體抽走，新鮮空氣從鋼管上部進入管內(nèi)，保證空氣循環(huán)，避免有害氣體堆積過多導致工人窒息。焊接管柱內(nèi)換氣狀態(tài)如圖8所示。

圖8 焊接管柱內(nèi)換氣狀態(tài)

采用380型負壓風機，功率為180W，風量為2500m3/h，運轉時鋼管柱內(nèi)換氣次數(shù)為每小時41次。

6 結束語

通過采取搭設保溫棚和鋼管柱抱箍操作平臺的施工方案，同時采取保溫及通風措施，既保證了鋼管柱焊接對溫度及濕度的要求，又保證了作業(yè)人員的人身安全。通過精心組織，嚴密施工，確保了安家莊特大橋墩柱鋼管焊接工作得以在冬季順利進行，保證了焊接質量。