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1、正本高速公路斜張橋箱型鋼梁全斷面焊接節塊制作及施工方案編 制： 審 核： 批 準： 版 本 號: ESZAQDGF001 編制單位： 編 制: 審 核： 批 準： 目錄1. 前言32. 工廠制作52.1 使用鋼材及構件組合方式52.2 制作要領62.3 焊接收縮量之決定82.4 焊接順序102.5 焊接方法102.6 非破壞檢查102.9 涂裝要領123. 工地組裝工場123.1 工地組裝工場之制作流程123.2 工地組裝工場簡介133.3 組裝作業143.4 焊接作業143.5 非破壞檢查143.6 涂裝要領153.7 端口假安裝153.8 組合臺車153.9 節塊移動方法164. 現場焊接2、174.1 連接梁之現場焊接17工地組裝工場焊接接頭 現場焊接接頭174.2 鋼梁之現場焊接185. 焊接收縮量之結果195.1 橋面板焊接收縮量195.2 下翼板焊接收縮量196. 結語201. 前言本報告為南二高第C381標xx橋第一單元斜張橋箱型鋼梁制作報告。本橋之主要概要如下。l 橋梁形式二跨連續復合箱梁斜張橋l 跨距180m+330ml 車道寬度3.65m6車道l 線形平面直線縱坡1.7235%直線縱坡l 橫坡2%直線l 設計標準HS20-44 +25%l 下部結構A1:箱壁式基礎、混凝土橋臺P1:隔墻箱壁基礎中空式混凝土橋塔P2:全套管就地澆注混凝土樁中空式混凝土橋墩。l 梁形式P3、C梁:4孔PC箱梁鋼梁:鋼制5孔箱梁l 主梁高度3.2ml 橋面板PC橋面板+鋼橋面板l 鋼纜形式扇形多重式鋼纜l 橋塔形式倒Y型混凝土橋塔l 橋塔高度183.5m本斜張橋為單塔非對稱構造之2跨連續復合斜張橋、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節塊構成、標準節塊(共16個)有20m長370噸重。鋼梁制作由鋼構廠開始、在鋼構廠制作成Panel和小構件后、運輸至工地、在工地組裝工場進行組裝、焊接、涂裝及假安裝后、進行節塊架設作業。本工程采用以焊接連接組合全4、節塊之全斷面焊接構造、斷面尺寸是世界最大級之一。2. 工廠制作2.1 使用鋼材及構件組合方式箱型鋼梁部分所使用之鋼材為ASTM A572 G50, A36及一部分采用JIS G3106 SM520C Z35鋼材。板厚區分為t=680mm。本工程之箱型鋼梁部分之標準斷面如圖-1所示。箱型鋼梁各構件之制作尺寸是經過確認鋼構廠可能制作之最大尺寸(必須考慮吊車能力、翻轉空間等條件)及運輸上之限制而決定。決定結果如圖-2構件組合圖所顯示、1節塊由20個構件組合。(最大構件重量: 40 ton)圖-1 標準斷面圖-2 構件組合圖2.2 制作要領鋼構廠之制作要領如下述所示。請參照制作流程圖(圖-35)。所有5、Panel中僅有腹板使用NC切割、其它Panel是經過NC劃線、U-rib焊接及熱整后重新進行落樣切割。雖然在NC劃線時已有考慮焊接收縮量、但是為了更加提高實際Panel之制作精度、所以才在Panel制作完畢后進行重落樣重切割作業。鋼構廠大組合時需注意之點是控制將成為整節塊組合基準之中間箱梁及外腹板構件之尺寸。為了使各節塊間之斷面尺寸相配并考慮收縮等因素、制作時寬度及高度都是以設計值+2mm進行。并且、前一個節塊之實際完成尺寸會反映至下一個節塊之大組合尺寸。盡量注意防止尺寸誤差。由于其努力之結果、各節塊間之斷面形狀沒有誤差、端口尺寸也良好。圖-3 制作流程圖(內腹板Box構件)圖-4 制作流程6、圖(中間Panel構件)圖-5 制作流程圖(連接梁構件)2.3 焊接收縮量之決定鋼構廠制作時假設之焊接收縮量為橫向方向0.25mm/線、橋軸方向0.5mm/m。于工地組裝工場節塊焊接時所假設之焊接收縮量為每一線焊道收縮2mm。制作時為了決定各Panel的寬度、一定必要先決定焊接收縮量。制作時考慮之焊道根部間隙為3mm、并以此間隙決定Panel之寬度。假安裝時再考慮焊接收縮量將根部間隙挪寬2mm至5mm。如圖-6 組合尺寸圖所示、于鋼構廠假安裝時考慮焊接收縮量而將各焊道間隙挪寬2mm后、因為橋軸方向總共有10道焊道所以總寬比起設計值16mm。懸背部分最外側兩道焊道不必要在假安裝時挪寬2mm、因為7、如此將會導致下翼板產生錯開。因此最外側兩道焊道在制作時就以根部間隙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 組合時圖-7.1橋面板制作時 組合時圖-7.2下翼板圖-7.3懸背部分下翼板圖-7.17.3 焊接收縮量與開槽形狀2.4 焊接順序計劃上焊接順序是由橋面板開始、再陸續進行至下翼板。由于橋面板各焊道假設有2mm的焊接收縮量、而根部間隙設定為5mm、而下翼板則需要在橋面板焊接收縮后才進行焊接、因此根部間隙設定為7mm。此考慮同樣反映在腹板及橫肋板上。2.5 焊接方法鋼構廠制作時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8、動焊接修改等SMAW并且在焊接施工前、為了確認開槽形式、焊接材料、焊接方法、全部的焊接接頭都經過焊接施工試驗、確定其開槽、焊接方法合適后才進行實際施工。2.6 非破壞檢查為了確認焊接部位是否健全、依照特定條款接板部位經抽樣執行放射線透過試驗檢查、而填角焊部位則執行焊道液滲檢驗。抽樣比率如下。橋軸方向RT 15%PT 5%橋軸直角方向RT 30%PT 5%鋼構廠之放射線透過試驗檢查結果、G1G12節塊平均缺陷率為r=2.7%。2.7 兩節塊間端口之調整方法為吸收因橋軸方向焊接而產生之端口不齊、中間Panel之兩端都延長20mm、工地組裝工場焊接完畢后再重落樣、重切割。并且腹板為防止橋軸直角方向之9、錯開、從端口250mm部分在鋼構廠先不焊接、利用這未焊接部分使得在工地組裝工場假安裝時還可以調整腹板錯開(詳圖-8)。圖-8 腹板錯開時之調整方式2.8 鋼構廠假安裝鋼構廠假安裝之目的并不是要確認節塊端口之相配度、而是為了檢查制作預拱和各Panel、各構件間之相配度、因此以各個單一節塊為單位進行。鋼構廠假安裝時有考慮縱向方向之坡度、并且以多數支撐點支撐下進行。考慮縱向方向之坡度的原因是因為此假安裝以單一節塊進行、檢查后就需要拆除而不需要移動，考慮縱坡并不造成困難。拆除前各構件間需要劃十字對準記號、使在工地組裝工場組合時、更容易重現節塊組合精度。2.9 涂裝要領本工程之涂裝系統、外露面使用氟素涂10、料、箱梁內面使用變性環氧樹脂涂料。鋼構廠之涂裝要領為箱梁內面完成至最后一層涂裝、外露面則于鋼構廠完成至第四層涂裝后搬運至工地組裝工場。但是下翼板內面因為考慮最終層涂裝可能會因工地組裝工場之組合、焊接作業而受損、因此于鋼構廠只執行至第二層涂裝。3. 工地組裝工場3.1 工地組裝工場之制作流程于鋼構廠制作并涂漆后之構件運輸至架設工地后、以下述流程圖之順序進行節塊制作(詳圖-9)。圖-9 工地組裝工場作業流程圖組 合使用2臺門型吊車將由拖車搬運至工地之構件組合在組合臺車上。移 動移動組合完畢后之節塊至焊接準備區。錯開調整調整并確認工地組裝工場焊接接頭之開槽狀態在容許誤差內。移 動移動節塊至焊接區。焊11、 接焊接節塊依照焊接施工計劃及WPT報告。移 動移動節塊至下一個工作區。涂 裝進行工地組裝工場焊接部之補漆、完成內面及外面面漆。試 拼 裝確認高程及兩節塊接頭端口之相接配合度。架 設架設節塊。3.2 工地組裝工場簡介本工程因為受地理條件之拘束、無法如第二Bosporus橋(土耳其)或青馬大橋（香港）等一樣擁有廣大組裝場地。節塊之組合、焊接、涂裝和假安裝如附圖所示之配置位置進行（圖-10）。結果場地不足并沒有影響到節塊組合、焊接、涂裝和假安裝等作業。圖-10 工地組裝工場平面圖從附圖也可看出、鋼梁制作和橋塔施工同時進行。并且假安裝在橋塔直下進行、特別需要注意防止墜落物事故。組合臺車起初只有4臺、12、但因現場工程有微許延誤以及為了保持其庫存以便供應架設需要、故于途中將臺車增加成6臺。同時臺車軌道也因此向河川方向延長20m以上、使得假安裝時節塊移動無障礙。3.3 組裝作業于工地之節塊組裝作業以與鋼構廠假安裝時同樣之順序、將運至工地之構件在移動式組合臺車上進行組裝。因為需在移動臺車上進行組裝、為考慮移動時之安全、于組裝時故不考慮其縱向坡度、而已水平方式組裝。因構件最大重量約為40 ton、于組裝前并以先決定使用2臺25ton之門型吊車為組裝機具。其結果、使組裝場之作業效率成效更加突顯。3.4 焊接作業焊接方法如下述。橋面板以SAW執行單面單道里浪焊接(添加Cut-Wire)下翼板，橫隔板以CO13、2半自動焊接執行單面里浪焊接。背墊板是使用陶瓷等Soft Backing型式、針對于臺灣可能購買之種類、經過實驗依據其結果而選擇。3.5 非破壞檢查焊接工作完成后、依下述要領抽樣執行非破壞檢查。橋軸方向對接RT15%、PT5%橋軸直角方向對接RT30%、PT5%RT檢查之結果、各接頭之缺陷率大約在56%左右。3.6 涂裝要領當初計劃之涂裝要領是需要在架設后進行2層涂裝作業。但是實際施工時決定于工地組裝工場焊接后就在地面上完成內外面最后層涂裝。架設后再進行現場焊接部補漆。3.7 端口假安裝為確認焊接后各節塊之間、接頭部位之配合性及制作預拱、每顆節塊都與前后節塊陸續執行端口假安裝（n-1+n, n14、+n+1, n+1+n+2.）。如前述、因為受到場地之限制才使用此端口假安裝方式。端口假安裝因為是在組合臺車上進行、因此未考慮縱向方向之坡度、而還是以水平方式進行。確認各兩節塊之制作預拱后、在節塊接頭部位之橋面板、下翼板及腹板落樣300mm之對合線。各節塊架設后以此對合線為基準、對合各節塊之端口。架設后針對此300mm之對合線、需要將節塊調整至2mm以內之精度。3.8 組合臺車如前述、組合臺車總共制作6臺。組合臺車需要支撐節塊之自重并且移動、但是節塊自重不是完全單獨以組合臺車支撐、而節塊本身之形狀需要由節塊構件間之連接板（Erection Piece）維持。形成一個重迭梁的構造。臺車之尺寸是經15、過考慮以節塊之外腹板及各橫隔板位置支撐節塊載重后決定。寬21.8m長16m、主要以H-58230012/17及H-48230011/15構成。組合臺車全體平面圖如圖-11所示。圖-11組合臺車平面圖3.9 節塊移動方法節塊移動方法經過檢討使用絞車（Winch）、滾軸（Roller）等結果、為了要安全移動將近400ton之節塊、同時考慮工地組裝工場復雜之平面配置、決定使用鋼滾輪（Steel Roller）配合推進專用油壓千斤頂。(相片-1)相片-1 節塊移動動力系統圖推進專用油壓千斤頂30tonST600mm2支/1臺車鋼滾輪（Steel Roller）200ton級6臺/1臺車4. 現場焊接416、.1 連接梁之現場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160 ton。因為考慮運輸等條件、連接梁分割為5個構件制作、中央部分3構件在工地組裝工場焊接、與G1節塊形成一體后一并架設。兩端部分構件長度各為2.84m、架設時因為需要將此構件先推入橋塔、因此各別單獨架設、待G1節塊架設后、再與G1節塊之接頭焊接。構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。工地組裝工場焊接接頭現場焊接接頭圖-12 連接梁焊接接頭開槽形狀預熱條件依照AWS條款150焊接材料AWSER70S-6本體材質ASTMA572Gr.50JISG3117、06SM520C Z35 非破壞檢查因為連接梁焊接接頭位于夾板部分、無法使用放射線透過試驗(RT)、因此以超音波透過試驗(UT)檢查焊道之健全性。4.2 鋼梁之現場焊接鋼梁現場焊接如下述方法計劃。鋼橋面板SAW單面單道里浪焊接(添加Cut-Wire)下翼板、腹板CO2半自動單面里浪焊接U-RibCO2半自動單面里浪焊接（使用背墊板）根部間隙與工地組裝工場同樣、橋面板為5mm、下翼板和腹板為7mm。U-rib之焊接因為大部分都是立焊和仰焊、并且考慮根部間隙不容易控制所以決定取偏大之根部間隙（10mm）。橋面板焊接后來因為產生根部間隙不齊或太大之狀況、因此改為CO2半自動焊接。當初計劃時架設周期考18、慮為20天(凈工期)、焊接作業占其中13天。但是實際施工時、為縮短工期將架設周期縮短為13天、焊接作業在8天內完成。 非破壞檢查箱型鋼梁現場焊接部分之非破壞檢查以放射線透過試驗(RT)及液滲檢驗法(PT)進行。其抽樣率如下。橋軸直角方向RT60%、PT10%現場焊接之RT結果、各接頭之缺陷率均在89%之間。5. 焊接收縮量之結果比較工地組裝工場各節塊焊接前及焊接后之尺寸、所得到之焊接收縮量如下。5.1 橋面板焊接收縮量G2G10節塊之平均收縮量為14.76mm、為預測收縮量20mm(橋軸方向10線焊道)之75%左右。5.2 下翼板焊接收縮量G2G10節塊之平均收縮量為15.36mm、為預測收縮19、量12mm(兩外腹板間橋軸方向6線焊道、2mm/焊道)之125%左右。焊接方法不同是以上橋面板和下翼板焊接收縮量有差異之主要原因。焊接收縮量可以由下述之Spararagen程序、以各焊道之平均根部間隙計算。SP=0.18Aw/t+0.05dAw=1/2（2ttan+d）（t+3）+dt）在此t:板厚（mm）d:根部間隙（mm）2:開槽角度Sp:收縮量（mm）Aw:溶填金屬斷面（mm2）由Spraragen程序所計算出之收縮量與實際收縮量比較時、算出之收縮量為33.5mm、比實際收縮量之1.5mm2.5mm大。其理由為因實際焊接時受到Erection Piece和其它拘束材固定、并且開槽精度等與計算假設不同、因此計算結果無法與實際結果一致。6. 結語經過制作并架設世界有數之斜張橋之全斷面焊接箱型鋼梁、基本上制作時之收縮量與假設之收縮量無太大差異。腹板也沒有太大的段差、也不需要使用節塊端部250mm未焊接部分作調整、各節塊之端口尺寸均很好。今后預測全斷面焊接構造應該會繼續增加、希望經過此次的經驗、下一次可以制作更好的產品。