高屏溪斜张桥全断面焊接钢梁之制作施工.doc

1 交通部台湾区国道新建工程局交通部台湾区国道新建工程局 第二高速公路后续计划第二高速公路后续计划 燕巢九如段第燕巢九如段第 C381C381 标高屏溪河川桥工程标高屏溪河川桥工程 高屏溪斜张桥全断面焊接钢梁之制作施工高屏溪斜张桥全断面焊接钢梁之制作施工 里程里程 285K285K+ +720.11720.11 至至 288K288K+ +360360 2 泛亚工程建设股份有限公司泛亚工程建设股份有限公司 大成建设株式会社大成建设株式会社 川田工业株式会社川田工业株式会社 利德工程股份有限公司利德工程股份有限公司 ( (短期结合短期结合) ) 中中华华民民国国八八十十八八年年六六月月 3 目录目录 1.1.前言前言.3 2.2.工厂制作工厂制作.5 2.1使用钢材及构件组合方式5 2.2制作要领6 2.3焊接收缩量之决定8 2.4焊接顺序10 2.5焊接方法10 2.6非破坏检查10 2.7两节块间端口之调整方法11 2.8钢构厂假安装11 2.9涂装要领12 3.3.工地组装工场工地组装工场.12 3.1工地组装工场之制作流程12 3.2工地组装工场简介13 3.3组装作业14 3.4焊接作业14 3.5非破坏检查14 3.6涂装要领15 4 3.7端口假安装15 3.8组合台车15 3.9节块移动方法16 4.4.现场焊接现场焊接.17 4.1连接梁之现场焊接17 4.2钢梁之现场焊接18 5.5.焊接收缩量之结果焊接收缩量之结果.19 5.1桥面板焊接收缩量19 5.2下翼板焊接收缩量19 6.6.结语结语.20 5 高屏溪斜张桥箱型钢梁全断面焊接节块之制作及施工 佐久良刚史 川田工业株式会社生产本部四国工厂课长 作者简介 作者佐久良刚史先生于 1974 年 3 月毕业于日本爱媛大学工学部，同年 4 月进入川田工业株式会社，于生产本部四国工厂钢桥制作部门服务至今 以达 25 年，制作课系长，桥梁技术课长时代曾经负责过多数大型特殊桥梁 之制作，并拥有一级土木施工管理技士，一级建筑施工管理技士及一级焊 接技术者资格认定（WES-8103）等日本国家资格。高屏溪斜张桥属于全断 面焊接构造之大型特殊桥梁，佐久良先生因此被选担任本工程钢构组施工 组长，并且充分利用日前丰富之经验，计划，管理及领导钢构厂制作，工 地组装及焊接工程。 1.1. 前言前言 本报告为南二高第 C381 标高屏溪河川桥第一单元斜张桥箱型钢 梁制作报告。本桥之主要概要如下。 桥梁形式二跨连续复合箱梁斜张桥 跨距180m+330m 车道宽度3.65m×6 车道 6 线形 平面直线 纵坡1.7235%直线纵坡 横坡2%直线 设计标准HS20-44 +25% 下部结构A1:箱壁式基础、混凝土桥台 P1:隔墙箱壁基础中空式混凝土桥塔 P2:全套管就地浇注混凝土桩中空式混 凝土桥墩。 梁形式PC 梁:4 孔 PC 箱梁 钢梁:钢制 5 孔箱梁 主梁高度3.2m 桥面板PC 桥面板+钢桥面板 钢缆形式扇形多重式钢缆 桥塔形式倒 Y 型混凝土桥塔 桥塔高度183.5m 本斜张桥为单塔非对称构造之 2 跨连续复合斜张桥、总长 510m、各跨 距长为边跨 180m 及主跨 330m。为了减轻主跨距间之自重、本桥采用钢桥 面板箱型钢梁、总宽 34.4m、梁高 3.2m、总钢重约 6,000 吨。其跨距 330m 总共由 18 节块构成、标准节块(共 16 个)有 20m 长 370 吨重。钢梁制作由 7 钢构厂开始、在钢构厂制作成 Panel 和小构件后、运输至工地、在工地组 装工场进行组装、焊接、涂装及假安装后、进行节块架设作业。本工程采 用以焊接连接组合全节块之全断面焊接构造、断面尺寸是世界最大级之一。 2.2. 工厂制作工厂制作 2.12.1使用钢材及构件组合方式使用钢材及构件组合方式 箱型钢梁部分所使用之钢材为 ASTM A572 G50, A36 及一部分采用 JIS G3106 SM520C Z35 钢材。板厚区分为 t=680mm。 本工程之箱型钢梁部分之标准断面如图-1 所示。箱型钢梁各构件之制 作尺寸是经过确认钢构厂可能制作之最大尺寸(必须考虑吊车能力、翻转空 间等条件)及运输上之限制而决定。决定结果如图-2 构件组合图所显示、1 节块由 20 个构件组合。(最大构件重量: 40 ton) 图-1 标准断面 8 图-2 构件组合图 2.22.2制作要领制作要领 钢构厂之制作要领如下述所示。请参照制作流程图(图-35)。所有 Panel 中仅有腹板使用 NC 切割、其它 Panel 是经过 NC 划线、U-rib 焊接及 热整后重新进行落样切割。虽然在 NC 划线时已有考虑焊接收缩量、但是 为了更加提高实际 Panel 之制作精度、所以才在 Panel 制作完毕后进行重落 样重切割作业。 钢构厂大组合时需注意之点是控制将成为整节块组合基准之中间箱梁 及外腹板构件之尺寸。为了使各节块间之断面尺寸相配并考虑收缩等因素、 制作时宽度及高度都是以设计值+2mm 进行。并且、前一个节块之实际完 成尺寸会反映至下一个节块之大组合尺寸。尽量注意防止尺寸误差。由于 其努力之结果、各节块间之断面形状没有误差、端口尺寸也良好。 9 图-3 制作流程图(内腹板 Box 构件) 图-4 制作流程图(中间 Panel 构件) 10 图-5 制作流程图(连接梁构件) 2.32.3焊接收缩量之决定焊接收缩量之决定 钢构厂制作时假设之焊接收缩量为横向方向 0.25mm/线、桥轴方向 0.5mm/m。于工地组装工场节块焊接时所假设之焊接收缩量为每一线焊道 收缩 2mm。制作时为了决定各 Panel 的宽度、一定必要先决定焊接收缩量。 制作时考虑之焊道根部间隙为 3mm、并以此间隙决定 Panel 之宽度。假安 装时再考虑焊接收缩量将根部间隙挪宽2mm 至 5mm。如图-6 组合尺寸 图所示、于钢构厂假安装时考虑焊接收缩量而将各焊道间隙挪宽2mm 后、 因为桥轴方向总共有 10 道焊道所以总宽比起设计值16mm。悬背部分最 外侧两道焊道不必要在假安装时挪宽2mm、因为如此将会导致下翼板产 生错开。因此最外侧两道焊道在制作时就以根部间隙 5mm 决定 Panel 之宽 度。下图-7.17.3 显示以上之想法 11 图-6 组合尺寸图 制作时 组合时 图-7.1 桥面板 制作时 组合时 图-7.2 下翼板 图-7.3 悬背部分下翼板 图-7.17.3 焊接收缩量与开槽形状 12 2.42.4焊接顺序焊接顺序 计划上焊接顺序是由桥面板开始、再陆续进行至下翼板。由于桥面板 各焊道假设有 2mm 的焊接收缩量、而根部间隙设定为 5mm、而下翼板则 需要在桥面板焊接收缩后才进行焊接、因此根部间隙设定为 7mm。此考虑 同样反映在腹板及横肋板上。 2.52.5焊接方法焊接方法 钢构厂制作时各部位所使用之焊接方法如下。 接板、U-ribSAW 其它焊接全部CO2半自动焊接 修改等SMAW 并且在焊接施工前、为了确认开槽形式、焊接材料、焊接方法、全部 的焊接接头都经过焊接施工试验、确定其开槽、焊接方法合适后才进行实 际施工。 2.62.6非破坏检查非破坏检查 为了确认焊接部位是否健全、依照特定条款接板部位经抽样执行放射 线透过试验检查、而填角焊部位则执行焊道液渗检验。 抽样比率如下。 桥轴方向RT 15%PT 5% 桥轴直角方向RT 30%PT 5% 钢构厂之放射线透过试验检查结果、G1G12 节块平均缺陷率为 13 r=2.7%。 2.72.7两节块间端口之调整方法两节块间端口之调整方法 为吸收因桥轴方向焊接而产生之端口不齐、中间 Panel 之两端都延长 20mm、工地组装工场焊接完毕后再重落样、重切割。并且腹板为防止桥轴 直角方向之错开、从端口 250mm 部分在钢构厂先不焊接、利用这未焊接部 分使得在工地组装工场假安装时还可以调整腹板错开(详图-8)。 图-8 腹板错开时之调整方式 2.82.8钢构厂假安装钢构厂假安装 钢构厂假安装之目的并不是要确认节块端口之相配度、而是为了检查 制作预拱和各 Panel、各构件间之相配度、因此以各个单一节块为单位进行。 钢构厂假安装时有考虑纵向方向之坡度、并且以多数支撑点支撑下进行。 考虑纵向方向之坡度的原因是因为此假安装以单一节块进行、检查后就需 要拆除而不需要移动，考虑纵坡并不造成困难。拆除前各构件间需要划十 字对准记号、使在工地组装工场组合时、更容易重现节块组合精度。 2.92.9涂装要领涂装要领 本工程之涂装系统、外露面使用氟素涂料、箱梁内面使用变性环氧树 14 脂涂料。钢构厂之涂装要领为箱梁内面完成至最后一层涂装、外露面则于 钢构厂完成至第四层涂装后搬运至工地组装工场。 但是下翼板内面因为考虑最终层涂装可能会因工地组装工场之组合、 焊接作业而受损、因此于钢构厂只执行至第二层涂装。 3.3. 工地组装工场工地组装工场 3.13.1工地组装工场之制作流程工地组装工场之制作流程 于钢构厂制作并涂漆后之构件运输至架设工地后、以下述流程图之顺 序进行节块制作(详图-9)。 图-9 工地组装工场作业流程图 组 合使用 2 台门型吊车将由拖车搬运至工地之构件组 合在组合台车上。 移 动移动组合完毕后之节块至焊接准备区。 错开调整调整并确认工地组装工场焊接接头之开槽状态在 容许误差内。 移 动移动节块至焊接区。 焊 接焊接节块依照焊接施工计划及 WPT 报告。 移 动移动节块至下一个工作区。 15 涂 装进行工地组装工场焊接部之补漆、完成内面及外 面面漆。 试 拼 装确认高程及两节块接头端口之相接配合度。 架 设架设节块。 3.23.2工地组装工场简介工地组装工场简介 本工程因为受地理条件之拘束、无法如第二 Bosporus 桥(土耳其)或青 马大桥（香港）等一样拥有广大组装场地。节块之组合、焊接、涂装和假 安装如附图所示之配置位置进行（图-10） 。结果场地不足并没有影响到节 块组合、焊接、涂装和假安装等作业。 图-10 工地组装工场平面图 从附图也可看出、钢梁制作和桥塔施工同时进行。并且假安装在桥塔 直下进行、特别需要注意防止坠落物事故。 组合台车起初只有 4 台、但因现场工程有微许延误以及为了保持其库 16 存以便供应架设需要、故于途中将台车增加成 6 台。同时台车轨道也因此 向河川方向延长 20m 以上、使得假安装时节块移动无障碍。 3.33.3组装作业组装作业 于工地之节块组装作业以与钢构厂假安装时同样之顺序、将运至工地 之构件在移动式组合台车上进行组装。因为需在移动台车上进行组装、为 考虑移动时之安全、于组装时故不考虑其纵向坡度、而已水平方式组装。 因构件最大重量约为 40 ton、于组装前并以先决定使用 2 台 25ton 之 门型吊车为组装机具。其结果、使组装场之作业效率成效更加突显。 3.43.4焊接作业焊接作业 焊接方法如下述。 桥面板以 SAW 执行单面单道里浪焊接(添加 Cut- Wire) 下翼板，横隔板 以 CO2半自动焊接执行单面里浪焊接。 背垫板是使用陶瓷等 Soft Backing 型式、针对于台湾可能购买之种类、 经过实验依据其结果而选择。 3.53.5非破坏检查非破坏检查 焊接工作完成后、依下述要领抽样执行非破坏检查。 桥轴方向对接RT 15%、PT5% 桥轴直角方向对接RT 30%、PT5% RT 检查之结果、各接头之缺陷率大约在 56%左右。 17 3.63.6涂装要领涂装要领 当初计划之涂装要领是需要在架设后进行 2 层涂装作业。但是实际施 工时决定于工地组装工场焊接后就在地面上完成内外面最后层涂装。架设 后再进行现场焊接部补漆。 3.73.7端口假安装端口假安装 为确认焊接后各节块之间、接头部位之配合性及制作预拱、每颗节块 都与前后节块陆续执行端口假安装（n-1+n, n+n+1, n+1+n+2） 。 如前述、因为受到场地之限制才使用此端口假安装方式。 端口假安装因为是在组合台车上进行、因此未考虑纵向方向之坡度、 而还是以水平方式进行。 确认各两节块之制作预拱后、在节块接头部位之桥面板、下翼板及腹 板落样 300mm 之对合线。各节块架设后以此对合线为基准、对合各节块之 端口。架设后针对此 300mm 之对合线、需要将节块调整至2mm 以内之精 度。 3.83.8组合台车组合台车 如前述、组合台车总共制作 6 台。 组合台车需要支撑节块之自重并且移动、但是节块自重不是完全单独 以组合台车支撑、而节块本身之形状需要由节块构件间之连接板（Erection Piece）维持。形成一个重迭梁的构造。 台车之尺寸是经过考虑以节块之外腹板及各横隔板位置支撑节块载重 18 后决定。宽 21.8m×长 16m、主要以 H-582×300×12/17 及 H-482×300×11/15 构成。组合台车全体平面图如图-11 所示。 图-11 组合台车平面图 3.93.9节块移动方法节块移动方法 节块移动方法经过检讨使用绞车（Winch） 、滚轴（Roller）等结果、 为了要安全移动将近 400ton 之节块、同时考虑工地组装工场复杂之平面配 置、决定使用钢滚轮（Steel Roller）配合推进专用油压千斤顶。(相片-1) 相片-1 节块移动动力系统图 19 推进专用油压千斤顶30ton×ST600mm2 支/1 台车 钢滚轮（Steel Roller）200ton 级×6 台/1 台车 4.4. 现场焊接现场焊接 4.14.1连接梁之现场焊接连接梁之现场焊接 连接梁兼用为耐震栓、梁长 40.49m、宽 3.0m、梁深 0.45m、最大板厚 t=80mm、重量约 160 ton。因为考虑运输等条件、连接梁分割为 5 个构件制 作、中央部分 3 构件在工地组装工场焊接、与 G1 节块形成一体后一并架 设。两端部分构件长度各为 2.84m、架设时因为需要将此构件先推入桥塔、 因此各别单独架设、待 G1 节块架设后、再与 G1 节块之接头焊接。构造上 因需要在夹板部位焊接、因此采用如下图（图-12）之开槽形状。 工地组装工场焊接接头现场焊接接头 图-12 连接梁焊接接头开槽形状 预热条件依照 AWS 条款150 焊接材料AWSER70S-6 本体材质ASTM A572Gr.50 JIS G3106 SM520C Z35 非破坏检查 因为连接梁焊接接头位于夹板部分、无法使用放射线透过试验(RT)、 20 因此以超音波透过试验(UT)检查焊道之健全性。 4.24.2钢梁之现场焊接钢梁之现场焊接 钢梁现场焊接如下述方法计划。 钢桥面板 SAW 单面单道里浪焊接(添加 Cut-Wire) 下翼板、腹板 CO2半自动单面里浪焊接 U-Rib CO2半自动单面里浪焊接（使用背垫板） 根部间隙与工地组装工场同样、桥面板为 5mm、下翼板和腹板为 7mm。U-rib 之焊接因为大部分都是立焊和仰焊、并且考虑根部间隙不容易 控制所以决定取偏大之根部间隙（10mm） 。桥面板焊接后来因为产生根部 间隙不齐或太大之状况、因此改为 CO2半自动焊接。 当初计划时架设周期考虑为 20 天(净工期)、焊接作业占其中 13 天。 但是实际施工时、为缩短工期将架设周期缩短为 13 天、焊接作业在 8 天内 完成。 21 非破坏检查 箱型钢梁现场焊接部分之非破坏检查以放射线透过试验(RT)及液渗检 验法(PT)进行。其抽样率如下。 桥轴直角方向RT 60%、 PT 10% 现场焊接之 RT 结果、各接头之缺陷率均在 89%之间。 5.5. 焊接收缩量之结果焊接收缩量之结果 比较工地组装工场各节块焊接前及焊接后之尺寸、所得到之焊接收缩 量如下。 5.15.1桥面板焊接收缩量桥面板焊接收缩量 G2G10 节块之平均收缩量为 14.76mm、为预测收缩量 20mm(桥轴方 向 10 线焊道)之 75%左右。 5.25.2下翼板焊接收缩量下翼板焊接收缩量 G2G10 节块之平均收缩量为 15.36mm、为预测收缩量 12mm(两外腹 板间桥轴方向 6 线焊道、2mm/焊道)之 125%左右。 焊接方法不同是以上桥面板和下翼板焊接收缩量有差异之主要原因。 焊接收缩量可以由下述之 Spararagen 程序、以各焊道之平均根部间隙计算。 SP=0.18Aw/t+0.05d Aw=1/2（2×t×tan+d）×（t+3）+dt） 在此t:板厚（mm） 22 d:根部间隙（mm） 2:开槽角度 Sp: 收缩量（mm） Aw:溶填金属断面 （mm2） 由 Spraragen 程序所计算出之收缩量与实际收缩量比较时、算出之收 缩量为 33.5mm、比实际收缩量之 1.5mm2.5mm 大。其理由为因实际焊 接时受到 Erection Piece 和其它拘束材固定、并且开槽精度等与计算假设不 同、因此计算结果无法与实际结果一致。 6.6. 结语结语 经过制作并架设世界有数之斜张桥之全断面焊接箱型钢梁、基本上制 作时之收缩量与假设之收缩量无太大差异。腹板也没有太大的段差、也不 需要使用节块端部 250mm 未焊接部分作调整、各节块之端口尺寸均很好。 今后预测全断面焊接构造应该会继续增加、希望经过此次的经验、下一次 可以制作更好的产品。 最后非常感谢国道新建工程局及中华顾问工程司、中国钢铁结构股份 有限公司等相关单位之协助。