高屏溪斜張橋全斷面焊接鋼梁之制作綜合施工

1、交通部臺(tái)灣區(qū)國道新建工程局第二高速公路后續(xù)籌劃燕巢九如段第C381標(biāo)高屏溪河川橋工程高屏溪斜張橋全斷面焊接鋼梁之制作施工里程285K+720.11至288K+360泛亞工程建設(shè)股份有限公司大成建設(shè)株式會(huì)社川田工業(yè)株式會(huì)社利德工程股份有限公司(短期結(jié)合)中華民國八十八年六月目錄1.前言32.工廠制作52.1使用鋼材及構(gòu)件組合方式52.2制作要領(lǐng)62.3焊接受縮量之決定82.4焊接順序102.5焊接措施102.6非破壞檢查102.7兩節(jié)塊間端口之調(diào)節(jié)措施112.8鋼構(gòu)廠假安裝112.9涂裝要領(lǐng)123.工地組裝工場(chǎng)123.1工地組裝工場(chǎng)之制作流程123.2工地組裝工場(chǎng)簡介133.3組裝作業(yè)143.4

2、焊接作業(yè)143.5非破壞檢查143.6涂裝要領(lǐng)153.7端口假安裝153.8組合臺(tái)車153.9節(jié)塊移動(dòng)措施164.現(xiàn)場(chǎng)焊接174.1連接梁之現(xiàn)場(chǎng)焊接174.2鋼梁之現(xiàn)場(chǎng)焊接185.焊接受縮量之成果195.1橋面板焊接受縮量195.2下翼板焊接受縮量196.結(jié)語20高屏溪斜張橋箱型鋼梁全斷面焊接節(jié)塊之制作及施工佐久良剛史川田工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)本部四國工廠課長作者簡介作者佐久良剛史先生于1974年3月畢業(yè)于日本愛媛大學(xué)工學(xué)部，同年4月進(jìn)入川田工業(yè)株式會(huì)社，于生產(chǎn)本部四國工廠鋼橋制作部門服務(wù)至今以達(dá)25年，制作課系長，橋梁技術(shù)課長時(shí)代曾經(jīng)負(fù)責(zé)過多數(shù)大型特殊橋梁之制作，并擁有一級(jí)土木施工管理技士，一級(jí)建

3、筑施工管理技士及一級(jí)焊接技術(shù)者資格認(rèn)定（WES-8103）等日本國家資格。高屏溪斜張橋?qū)儆谌珨嗝婧附訕?gòu)造之大型特殊橋梁，佐久良先生因此被選擔(dān)任本工程鋼構(gòu)組施工組長，并且充足運(yùn)用日前豐富之經(jīng)驗(yàn)，籌劃，管理及領(lǐng)導(dǎo)鋼構(gòu)廠制作，工地組裝及焊接工程。前言本報(bào)告為南二高第C381標(biāo)高屏溪河川橋第一單元斜張橋箱型鋼梁制作報(bào)告。本橋之重要概要如下。橋梁形式二跨持續(xù)復(fù)合箱梁斜張橋跨距180m+330m車道寬度3.65m6車道線形平面直線縱坡1.7235%直線縱坡橫坡2%直線設(shè)計(jì)原則HS20-44+25%下部構(gòu)造A1:箱壁式基本、混凝土橋臺(tái)P1:隔墻箱壁基本中空式混凝土橋塔P2:全套管就地澆注混凝土樁中空式混凝土

4、橋墩。梁形式PC梁:4孔PC箱梁鋼梁:鋼制5孔箱梁主梁高度3.2m橋面板PC橋面板+鋼橋面板鋼纜形式扇形多重式鋼纜橋塔形式倒Y型混凝土橋塔橋塔高度183.5m本斜張橋?yàn)閱嗡菍?duì)稱構(gòu)造之2跨持續(xù)復(fù)合斜張橋、總長510m、各跨距長為邊跨180m及主跨330m。為了減輕主跨距間之自重、本橋采用鋼橋面板箱型鋼梁、總寬34.4m、梁高3.2m、總鋼重約6,000噸。其跨距330m總共由18節(jié)塊構(gòu)成、原則節(jié)塊(共16個(gè))有20m長370噸重。鋼梁制作由鋼構(gòu)廠開始、在鋼構(gòu)廠制作成Panel和小構(gòu)件后、運(yùn)送至工地、在工地組裝工場(chǎng)進(jìn)行組裝、焊接、涂裝及假安裝后、進(jìn)行節(jié)塊架設(shè)作業(yè)。本工程采用以焊接連接組合全節(jié)塊之

5、全斷面焊接構(gòu)造、斷面尺寸是世界最大級(jí)之一。工廠制作使用鋼材及構(gòu)件組合方式箱型鋼梁部分所使用之鋼材為ASTMA572G50,A36及一部分采用JISG3106SM520CZ35鋼材。板厚辨別為t=680mm。本工程之箱型鋼梁部分之原則斷面如圖-1所示。箱型鋼梁各構(gòu)件之制作尺寸是通過確認(rèn)鋼構(gòu)廠也許制作之最大尺寸(必須考慮吊車能力、翻轉(zhuǎn)空間等條件)及運(yùn)送上之限制而決定。決定成果如圖-2構(gòu)件組合圖所顯示、1節(jié)塊由20個(gè)構(gòu)件組合。(最大構(gòu)件重量:40ton)圖-1原則斷面圖-2構(gòu)件組合圖制作要領(lǐng)鋼構(gòu)廠之制作要領(lǐng)如下述所示。請(qǐng)參照制作流程圖(圖-35)。所有Panel中僅有腹板使用NC切割、其他Panel

6、是通過NC劃線、U-rib焊接及熱整后重新進(jìn)行落樣切割。雖然在NC劃線時(shí)已有考慮焊接受縮量、但是為了更加提高實(shí)際Panel之制作精度、因此才在Panel制作完畢后進(jìn)行重落樣重切割作業(yè)。鋼構(gòu)廠大組合時(shí)需注意之點(diǎn)是控制將成為整節(jié)塊組合基準(zhǔn)之中間箱梁及外腹板構(gòu)件之尺寸。為了使各節(jié)塊間之?dāng)嗝娉叽缦嗯洳⒖紤]收縮等因素、制作時(shí)寬度及高度都是以設(shè)計(jì)值+2mm進(jìn)行。并且、前一種節(jié)塊之實(shí)際完畢尺寸會(huì)反映至下一種節(jié)塊之大組合尺寸。盡量注意避免尺寸誤差。由于其努力之成果、各節(jié)塊間之?dāng)嗝嫘螤顩]有誤差、端口尺寸也良好。圖-3制作流程圖(內(nèi)腹板Box構(gòu)件)圖-4制作流程圖(中間Panel構(gòu)件)圖-5制作流程圖(連接梁構(gòu)件

7、)焊接受縮量之決定鋼構(gòu)廠制作時(shí)假設(shè)之焊接受縮量為橫向方向0.25mm/線、橋軸方向0.5mm/m。于工地組裝工場(chǎng)節(jié)塊焊接時(shí)所假設(shè)之焊接受縮量為每一線焊道收縮2mm。制作時(shí)為了決定各Panel旳寬度、一定必要先決定焊接受縮量。制作時(shí)考慮之焊道根部間隙為3mm、并以此間隙決定Panel之寬度。假安裝時(shí)再考慮焊接受縮量將根部間隙挪寬2mm至5mm。如圖-6組合尺寸圖所示、于鋼構(gòu)廠假安裝時(shí)考慮焊接受縮量而將各焊道間隙挪寬2mm后、由于橋軸方向總共有10道焊道因此總寬比起設(shè)計(jì)值16mm。懸背部分最外側(cè)兩道焊道不必要在假安裝時(shí)挪寬2mm、由于如此將會(huì)導(dǎo)致下翼板產(chǎn)生錯(cuò)開。因此最外側(cè)兩道焊道在制作時(shí)就以根部間

8、隙5mm決定Panel之寬度。下圖-7.17.3顯示以上之想法圖-6組合尺寸圖制作時(shí)組合時(shí)圖-7.1橋面板制作時(shí)組合時(shí)圖-7.2下翼板圖-7.3懸背部分下翼板圖-7.17.3焊接受縮量與開槽形狀焊接順序籌劃上焊接順序是由橋面板開始、再陸續(xù)進(jìn)行至下翼板。由于橋面板各焊道假設(shè)有2mm旳焊接受縮量、而根部間隙設(shè)定為5mm、而下翼板則需要在橋面板焊接受縮后才進(jìn)行焊接、因此根部間隙設(shè)定為7mm。此考慮同樣反映在腹板及橫肋板上。焊接措施鋼構(gòu)廠制作時(shí)各部位所使用之焊接措施如下。接板、U-ribSAW其他焊接所有CO2半自動(dòng)焊接修改等SMAW并且在焊接施工前、為了確認(rèn)開槽形式、焊接材料、焊接措施、所有旳焊接接

9、頭都通過焊接施工實(shí)驗(yàn)、擬定其開槽、焊接措施合適后才進(jìn)行實(shí)際施工。非破壞檢查為了確認(rèn)焊接部位與否健全、根據(jù)特定條款接板部位經(jīng)抽樣執(zhí)行放射線透過實(shí)驗(yàn)檢查、而填角焊部位則執(zhí)行焊道液滲檢查。抽樣比率如下。橋軸方向RT15%PT5%橋軸直角方向RT30%PT5%鋼構(gòu)廠之放射線透過實(shí)驗(yàn)檢查成果、G1G12節(jié)塊平均缺陷率為r=2.7%。兩節(jié)塊間端口之調(diào)節(jié)措施為吸取因橋軸方向焊接而產(chǎn)生之端口不齊、中間Panel之兩端都延長20mm、工地組裝工場(chǎng)焊接完畢后再重落樣、重切割。并且腹板為避免橋軸直角方向之錯(cuò)開、從端口250mm部分在鋼構(gòu)廠先不焊接、運(yùn)用這未焊接部分使得在工地組裝工場(chǎng)假安裝時(shí)還可以調(diào)節(jié)腹板錯(cuò)開(詳圖-

10、8)。圖-8腹板錯(cuò)開時(shí)之調(diào)節(jié)方式鋼構(gòu)廠假安裝鋼構(gòu)廠假安裝之目旳并不是要確認(rèn)節(jié)塊端口之相配度、而是為了檢查制作預(yù)拱和各Panel、各構(gòu)件間之相配度、因此以各個(gè)單一節(jié)塊為單位進(jìn)行。鋼構(gòu)廠假安裝時(shí)有考慮縱向方向之坡度、并且以多數(shù)支撐點(diǎn)支撐下進(jìn)行?？紤]縱向方向之坡度旳因素是由于此假安裝以單一節(jié)塊進(jìn)行、檢查后就需要拆除而不需要移動(dòng)，考慮縱坡并不導(dǎo)致困難。拆除前各構(gòu)件間需要?jiǎng)澥謱?duì)準(zhǔn)記號(hào)、使在工地組裝工場(chǎng)組合時(shí)、更容易重現(xiàn)節(jié)塊組合精度。涂裝要領(lǐng)本工程之涂裝系統(tǒng)、外露面使用氟素涂料、箱梁內(nèi)面使用變性環(huán)氧樹脂涂料。鋼構(gòu)廠之涂裝要領(lǐng)為箱梁內(nèi)面完畢至最后一層涂裝、外露面則于鋼構(gòu)廠完畢至第四層涂裝后搬運(yùn)至工地組裝工

11、場(chǎng)。但是下翼板內(nèi)面由于考慮最后層涂裝也許會(huì)因工地組裝工場(chǎng)之組合、焊接作業(yè)而受損、因此于鋼構(gòu)廠只執(zhí)行至第二層涂裝。工地組裝工場(chǎng)工地組裝工場(chǎng)之制作流程于鋼構(gòu)廠制作并涂漆后之構(gòu)件運(yùn)送至架設(shè)工地后、如下述流程圖之順序進(jìn)行節(jié)塊制作(詳圖-9)。圖-9工地組裝工場(chǎng)作業(yè)流程圖組合使用2臺(tái)門型吊車將由拖車搬運(yùn)至工地之構(gòu)件組合在組合臺(tái)車上。移動(dòng)移動(dòng)組合完畢后之節(jié)塊至焊接準(zhǔn)備區(qū)。錯(cuò)開調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)并確認(rèn)工地組裝工場(chǎng)焊接接頭之開槽狀態(tài)在容許誤差內(nèi)。移動(dòng)移動(dòng)節(jié)塊至焊接區(qū)。焊接焊接節(jié)塊根據(jù)焊接施工籌劃及WPT報(bào)告。移動(dòng)移動(dòng)節(jié)塊至下一種工作區(qū)。涂裝進(jìn)行工地組裝工場(chǎng)焊接部之補(bǔ)漆、完畢內(nèi)面及外面面漆。試拼裝確認(rèn)高程及兩節(jié)塊接頭端口

12、之相接配合度。架設(shè)架設(shè)節(jié)塊。工地組裝工場(chǎng)簡介本工程由于受地理?xiàng)l件之拘束、無法如第二Bosporus橋(土耳其)或青馬大橋（香港）等同樣擁有廣大組裝場(chǎng)地。節(jié)塊之組合、焊接、涂裝和假安裝如附圖所示之配備位置進(jìn)行（圖-10）。成果場(chǎng)地局限性并沒有影響到節(jié)塊組合、焊接、涂裝和假安裝等作業(yè)。圖-10工地組裝工場(chǎng)平面圖從附圖也可看出、鋼梁制作和橋塔施工同步進(jìn)行。并且假安裝在橋塔直下進(jìn)行、特別需要注意避免墜落物事故。組合臺(tái)車起初只有4臺(tái)、但因現(xiàn)場(chǎng)工程有微許延誤以及為了保持其庫存以便供應(yīng)架設(shè)需要、故于途中將臺(tái)車增長成6臺(tái)。同步臺(tái)車軌道也因此向河川方向延長20m以上、使得假安裝時(shí)節(jié)塊移動(dòng)無障礙。組裝作業(yè)于工地之

13、節(jié)塊組裝作業(yè)以與鋼構(gòu)廠假安裝時(shí)同樣之順序、將運(yùn)至工地之構(gòu)件在移動(dòng)式組合臺(tái)車上進(jìn)行組裝。由于需在移動(dòng)臺(tái)車上進(jìn)行組裝、為考慮移動(dòng)時(shí)之安全、于組裝時(shí)故不考慮其縱向坡度、而已水平方式組裝。因構(gòu)件最大重量約為40ton、于組裝前并以先決定使用2臺(tái)25ton之門型吊車為組裝機(jī)具。其成果、使組裝場(chǎng)之作業(yè)效率成效更加突顯。焊接作業(yè)焊接措施如下述。橋面板以SAW執(zhí)行單面單道里浪焊接(添加Cut-Wire)下翼板，橫隔板以CO2半自動(dòng)焊接執(zhí)行單面里浪焊接。背墊板是使用陶瓷等SoftBacking型式、針對(duì)于臺(tái)灣也許購買之種類、通過實(shí)驗(yàn)根據(jù)其成果而選擇。非破壞檢查焊接工作完畢后、依下述要領(lǐng)抽樣執(zhí)行非破壞檢查。橋軸方

14、向?qū)覴T15%、PT5%橋軸直角方向?qū)覴T30%、PT5%RT檢查之成果、各接頭之缺陷率大概在56%左右。涂裝要領(lǐng)當(dāng)時(shí)籌劃之涂裝要領(lǐng)是需要在架設(shè)后進(jìn)行2層涂裝作業(yè)。但是實(shí)際施工時(shí)決定于工地組裝工場(chǎng)焊接后就在地面上完畢內(nèi)外面最后層涂裝。架設(shè)后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接部補(bǔ)漆。端口假安裝為確認(rèn)焊接后各節(jié)塊之間、接頭部位之配合性及制作預(yù)拱、每顆節(jié)塊都與前后節(jié)塊陸續(xù)執(zhí)行端口假安裝（n-1+n,n+n+1,n+1+n+2.）。如前述、由于受到場(chǎng)地之限制才使用此端口假安裝方式。端口假安裝由于是在組合臺(tái)車上進(jìn)行、因此未考慮縱向方向之坡度、而還是以水平方式進(jìn)行。確認(rèn)各兩節(jié)塊之制作預(yù)拱后、在節(jié)塊接頭部位之橋面板、下翼板

15、及腹板落樣300mm之對(duì)合線。各節(jié)塊架設(shè)后以此對(duì)合線為基準(zhǔn)、對(duì)合各節(jié)塊之端口。架設(shè)后針對(duì)此300mm之對(duì)合線、需要將節(jié)塊調(diào)節(jié)至2mm以內(nèi)之精度。組合臺(tái)車如前述、組合臺(tái)車總共制作6臺(tái)。組合臺(tái)車需要支撐節(jié)塊之自重并且移動(dòng)、但是節(jié)塊自重不是完全單獨(dú)以組合臺(tái)車支撐、而節(jié)塊自身之形狀需要由節(jié)塊構(gòu)件間之連接板（ErectionPiece）維持。形成一種重迭梁旳構(gòu)造。臺(tái)車之尺寸是通過考慮以節(jié)塊之外腹板及各橫隔板位置支撐節(jié)塊載重后決定。寬21.8m長16m、重要以H-58230012/17及H-48230011/15構(gòu)成。組合臺(tái)車全體平面圖如圖-11所示。圖-11組合臺(tái)車平面圖節(jié)塊移動(dòng)措施節(jié)塊移動(dòng)措施通過檢討

16、使用絞車（Winch）、滾軸（Roller）等成果、為了要安全移動(dòng)將近400ton之節(jié)塊、同步考慮工地組裝工場(chǎng)復(fù)雜之平面配備、決定使用鋼滾輪（SteelRoller）配合推動(dòng)專用油壓千斤頂。(相片-1)相片-1節(jié)塊移動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)圖推動(dòng)專用油壓千斤頂30tonST600mm2支/1臺(tái)車鋼滾輪（SteelRoller）200ton級(jí)6臺(tái)/1臺(tái)車現(xiàn)場(chǎng)焊接連接梁之現(xiàn)場(chǎng)焊接連接梁兼用為耐震栓、梁長40.49m、寬3.0m、梁深0.45m、最大板厚t=80mm、重量約160ton。由于考慮運(yùn)送等條件、連接梁分割為5個(gè)構(gòu)件制作、中央部分3構(gòu)件在工地組裝工場(chǎng)焊接、與G1節(jié)塊形成一體后一并架設(shè)。兩端部分構(gòu)件長度各

17、為2.84m、架設(shè)時(shí)由于需要將此構(gòu)件先推入橋塔、因此各別單獨(dú)架設(shè)、待G1節(jié)塊架設(shè)后、再與G1節(jié)塊之接頭焊接。構(gòu)造上因需要在夾板部位焊接、因此采用如下圖（圖-12）之開槽形狀。工地組裝工場(chǎng)焊接接頭現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭圖-12連接梁焊接接頭開槽形狀預(yù)熱條件根據(jù)AWS條款150焊接材料AWSER70S-6本體材質(zhì)ASTMA572Gr.50JISG3106SM520CZ35非破壞檢查由于連接梁焊接接頭位于夾板部分、無法使用放射線透過實(shí)驗(yàn)(RT)、因此以超音波透過實(shí)驗(yàn)(UT)檢查焊道之健全性。鋼梁之現(xiàn)場(chǎng)焊接鋼梁現(xiàn)場(chǎng)焊接如下述措施籌劃。鋼橋面板SAW單面單道里浪焊接(添加Cut-Wire)下翼板、腹板CO2半自動(dòng)

18、單面里浪焊接U-RibCO2半自動(dòng)單面里浪焊接（使用背墊板）根部間隙與工地組裝工場(chǎng)同樣、橋面板為5mm、下翼板和腹板為7mm。U-rib之焊接由于大部分都是立焊和仰焊、并且考慮根部間隙不容易控制因此決定取偏大之根部間隙（10mm）。橋面板焊接后來由于產(chǎn)生根部間隙不齊或太大之狀況、因此改為CO2半自動(dòng)焊接。當(dāng)時(shí)籌劃時(shí)架設(shè)周期考慮為20天(凈工期)、焊接作業(yè)占其中13天。但是實(shí)際施工時(shí)、為縮短工期將架設(shè)周期縮短為13天、焊接作業(yè)在8天內(nèi)完畢。非破壞檢查箱型鋼梁現(xiàn)場(chǎng)焊接部分之非破壞檢查以放射線透過實(shí)驗(yàn)(RT)及液滲檢查法(PT)進(jìn)行。其抽樣率如下。橋軸直角方向RT60%、PT10%現(xiàn)場(chǎng)焊接之RT成果、各接頭之缺陷率均在89%之間。焊接受縮量之成果比較工地組裝工場(chǎng)各節(jié)塊焊接前及焊接后之尺寸、所得到之焊