外砂河大橋鋼箱拱加工線型控制技術(shù)

王 輝，成 浩，秦小鋒

(1.中交（汕頭）東海岸新城投資建設(shè)有限公司，廣東 汕頭 515041；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430000）

外砂河大橋鋼箱拱加工線型控制技術(shù)

王 輝1，成 浩2，秦小鋒2

(1.中交（汕頭）東海岸新城投資建設(shè)有限公司，廣東 汕頭 515041；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430000）

針對外砂河大橋為提籃式鋼箱拱的具體工程實踐，分別從板材下料、單元制作、箱體組裝、預(yù)拼裝及焊接變形控制等方面分析控制，確保鋼箱拱加工線型。該成果在外砂河大橋提籃式鋼箱拱的加工中成功應(yīng)用。

鋼箱拱；線型；加工；焊接變形

1 工程概況及重難點

外砂河大橋主橋采用梁拱組合結(jié)構(gòu)體系，跨徑布置為61 m+108 m+61 m=230 m。拱肋采用單箱單室鋼梁，中央分隔帶處拱肋采用豎直拱面，兩側(cè)拱肋內(nèi)傾，與梁面夾角為83.125°，形成提籃拱造型。中跨拱肋計算跨徑為103.7 m，拱軸線矢高為17.4 m；邊跨拱肋計算跨徑為56 m，拱軸線矢高為11 m。主跨拱肋之間用三道X形狀的橫撐進行連接；邊跨拱肋之間用一道X形狀的橫撐進行連接。拱肋結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 外砂河大橋主橋橋型布置圖（單位：cm）

拱肋均采用封閉式矩形變截面鋼箱拱。截面見圖2。

圖2 拱肋截面尺寸示意圖（單位：mm）

該工程的拱段頂板、底板、腹板板厚為32 mm、25 mm與16 mm，加勁肋板厚為 20 mm、16 mm與12 mm。沿拱肋軸線方向每2.5～3 m設(shè)一道厚16 mm的橫隔板，與拱肋軸線垂直；在吊點位置設(shè)二道厚28 mm鉛垂方向的橫隔板。

外砂河大橋鋼拱為提籃式鋼箱拱，拱肋線型按照二次拋物線，其中頂板、底板線型不一致，即腹板變高曲面。橫撐為空間X撐，所以鋼拱加工重點在于鋼拱線型的控制，一是鋼箱拱加工的幾何尺寸控制，二是焊接變形的控制。

2 鋼拱加工幾何尺寸的控制技術(shù)

為保證鋼拱加工線型，從板材下料，單元件制作，組裝，預(yù)拼裝等四方面進行分析。

2.1 板材下料

2.1.1 設(shè)計圖轉(zhuǎn)化為施工圖

采用通用的由三維CAD深化設(shè)計，精確表達鋼拱肋各桿件節(jié)點間的連接關(guān)系，采取一圖一件，精細表達清楚每個構(gòu)件的尺寸，構(gòu)件實際尺寸精確放樣。由于鋼構(gòu)件的焊接變形，特別是大跨度、大截面的鋼構(gòu)件，由于構(gòu)造復(fù)雜，厚薄板的收縮變形不均勻，焊接方向變化，焊接變形較大。結(jié)合根據(jù)本工程確定以下原則：

（1）箱形構(gòu)件板件的縱向長度于每個分段連接處的一端應(yīng)預(yù)留不小于50 mm的余量。除合攏節(jié)段外，其余拱肋節(jié)段的余量在預(yù)拼裝時切除?？紤]焊接的收縮情況，拱肋箱型結(jié)構(gòu)的腹板寬度設(shè)置2 mm的補償量，蓋板寬度設(shè)置1 mm的補償量。

（2）拱肋與橫撐連接的牛腿，應(yīng)在與拱肋連接端設(shè)置50 mm的余量，于拱肋與橫撐預(yù)拼裝時根據(jù)實際情況切除。

（3）橫撐與橫撐對接接頭的余量根據(jù)工地的實際情況切除。

2.1.2 放樣、下料

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，頂?shù)装鍐卧v向剛度小，頂?shù)装鍐卧目v向線型要靠縱向加勁肋保證，鋼拱的空間線型依靠腹板來控制，而橫隔板單元作為箱體組裝的內(nèi)胎使用[1]，控制箱體的焊接變形及對角差，所以板材下料的精度直接關(guān)系到鋼拱加工的線型，板件放樣和下料的加工精度是本工程控制的重點之一。

放樣之前所有零件應(yīng)計算機放樣，編制數(shù)控程序及提供加工樣的制作數(shù)據(jù)。根據(jù)焊接精度控制要求設(shè)置零件的余量及焊接加工補償量。

2.1.3 下料切割

切割采用數(shù)控等離子切割。切割零件尺寸的允許偏差為±1 mm。切割面硬度不超過HV350[2]。切割面的垂直度不大于0.05倍板厚，表面粗糙度Ra≤25μm，不允許有崩坑，崩坑應(yīng)磨修勻順。

板材下料完后進行坡口加工。焊接坡口加工可采用機加工或精密切割，坡口尺寸及允許偏差參照由焊接工藝評定確定的施工詳圖等文件。箱型的腹板坡口切割，當(dāng)板厚t≤30 mm，制作專用切割平臺，保證切割時鋼板放置平整，火焰切割小車沿兩長邊同時切割坡口，加工的質(zhì)量應(yīng)符合《精密切割工藝守則》的相關(guān)規(guī)定；當(dāng)板厚t≥30 mm，利用刨邊機對翼板、腹板機加工坡口，并除去火焰切割下料的淬硬層。

坡口加工完成后檢驗板材偏差，并采用銑刨機進行邊緣加工、休整。

2.2 單元件制作

鋼拱肋為箱型構(gòu)件，劃分為頂板板單元，底板板單元，腹板板單元和隔板單元。其中頂、底板板塊的線型是根據(jù)拱肋頂、底板曲線方程的線型分段劃分得到的分段制造線型。根據(jù)分段制造線型制作頂?shù)装灏鍓K的胎架，胎架應(yīng)具有足夠的剛度和穩(wěn)定性滿足板塊制造的要求，且在制造的過程中考慮板塊焊接變形量設(shè)置一定的反變形量，保證拱肋線型，見圖3。

圖3 頂板單元胎架示意圖

單元件制作注意事項：

（1）為防止頂、底、腹板在單元件加工過程中產(chǎn)生變形，在頂、底、腹板單元件在縱向勁板焊接過程中設(shè)置U型卡板將單元與胎架進行剛性固定。

（2）頂?shù)装鍐卧庸?yīng)力的消除

頂?shù)装鍨槎螔佄锞€，但是由于頂?shù)装鍎偠认鄬^小，拋物線的曲率半徑相對較大，所以頂?shù)装宓木€型的成型采用胎架和縱向加勁肋的線型控制。頂?shù)装逶谔ゼ茏饔孟掳l(fā)生彈性變形，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，在頂?shù)装迮c胎架之間的剛性約束解除后，頂?shù)装逶趶澢鷳?yīng)力的作用下必然后發(fā)生反向變形，而影響頂?shù)装鍐卧木€型，所以在頂?shù)装鍐卧庸ね瓿珊?，在頂?shù)装鍐卧谋趁?，縱向加勁肋的位置采用自動割刀進行熱加工，消除頂?shù)装鍐卧膹澢鷳?yīng)力。熱加工的溫度應(yīng)控制在600℃～800℃之間，加工后鋼材溫度應(yīng)緩慢冷卻，降低到室溫前，不得錘擊鋼料或用水急冷。

2.3 組裝

（1）組裝形式

構(gòu)件組裝可根據(jù)實際需要進行正裝、倒裝或側(cè)裝。根據(jù)拱肋與X橫撐構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點，拱肋采用側(cè)裝，X橫撐采用正裝。

（2）組裝胎架

a.組裝胎架的制作應(yīng)按各構(gòu)件的胎架制作文件執(zhí)行。組裝的胎架立柱材料根據(jù)胎架設(shè)計文件及工廠實際情況選定，必須保證胎架的強度；胎架基礎(chǔ)應(yīng)堅固，在結(jié)構(gòu)的自重作用下的下沉不能超過1 mm。在胎架及平臺地面上，應(yīng)標(biāo)明結(jié)構(gòu)尺寸及形狀的相關(guān)數(shù)據(jù)，有助于制作和檢驗。

b.根據(jù)廠內(nèi)制作的場地條件，中跨采用半跨胎架，邊跨拱肋采用整體胎架。在胎架上根據(jù)拱肋線型進行整體放樣，以保證拱肋加工線型，也節(jié)約了拱肋預(yù)拼裝的時間。

c.橫撐設(shè)置整體胎架，以保證中間合攏口的尺寸。

（3）拱肋組裝（見表1）

表1 拱肋組裝

（4）拱肋橫撐制作（見表2）

表2 拱肋橫撐制作

2.4 預(yù)拼裝

（1）拱肋節(jié)段預(yù)拼裝

由于中跨拱肋采用半跨胎架上組裝，邊跨拱肋采用整體胎架，在拱肋加工完成后安裝匹配件，進行匹配連接，所以拱肋節(jié)段不需要另外進行預(yù)拼裝。

（2）X型橫撐的預(yù)拼裝

橫撐節(jié)段的預(yù)拼裝采用橫撐節(jié)段及與橫撐節(jié)段相連的拱肋節(jié)段進行整體預(yù)拼裝，正裝形式進行。

分段拼裝以中垮拱頂橫撐為例說明。制作正裝立體胎架→在地面平臺上，劃出結(jié)構(gòu)的控制線（中心線、結(jié)構(gòu)外輪廓線分段接頭）→根據(jù)控制線，定位拱肋節(jié)段ZBE/ZZE→定位BHC-R1和BHC-L1，并切除橫撐兩端的加工余量→定位ZHC-R1和ZHC-L1，并切除與拱肋節(jié)段相接側(cè)的加工余量，保留與BHC相連側(cè)的加工余量→牛腿與拱肋節(jié)段焊接完成后切除牛腿與橫撐之間的連接（牛腿是與橫撐節(jié)段一起加工而成），見圖4。

圖4 橫撐預(yù)拼裝圖

3 焊接焊接變形控制

熔化焊屬于熱加工，焊縫的形成是一個連續(xù)的短時冶金過程，在焊接過程中由于受熱不均勻引起近縫區(qū)金屬的塑性變形，焊接完成后焊縫收縮作用將引起變形。變形是客觀存在的，變形控制的好壞直接關(guān)系焊接后的矯正難度、結(jié)構(gòu)幾何尺寸，構(gòu)件連接精度，主要從預(yù)留收縮量，調(diào)整焊接順序、方向、剛性約束等方面進行變形控制。

3.1 鋼板對接焊縫

鋼板對接焊縫的焊接變形控制只要從焊接工藝上進行分析控制：

（1）在剛性平臺上進行焊接，防止和減少在熱加工中桿件在自重下變形。同時鋼板與剛性平臺固定，待焊縫冷卻至室溫后方可解除。

（2）確定合適的坡口尺寸和焊接順序。在確保質(zhì)量和方便操作的前提下盡量減小坡口的角度，從而減小填充量和焊接變形。

（3）采用多道焊接，降低線能量，多層焊接時，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時熱輸入甚小，加熱范圍窄，產(chǎn)生的收縮變形小，而且前層焊縫成型后對后一層焊縫形成約束（第二道約為第一道收縮量的20%，第三道約為5%～10%），因此，多層焊時的收縮變形比單層焊時小得多[3]。

3.2 單元焊接

單元的焊接主要是腹板單位和頂?shù)装鍐卧暮附??？刂谱冃蔚闹饕胧┤缦拢?/p>

（1）反變形胎架的使用。認真分析焊接變形規(guī)律，并通過焊接變形實驗確定焊接變形量的大小，以確定反變形胎架的反變形量。

（2）焊接方法

a.焊接方向應(yīng)一致，防止產(chǎn)生扭曲變形。由于縱向焊縫多，采用分散焊接，防止一側(cè)集中加熱。

b.縱向加勁肋兩側(cè)的角焊縫對稱焊接，反正加勁肋側(cè)向扭曲。

c.焊接方法采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊。藥芯焊絲CO2氣體保護焊焊接線能量小，焊接變形小。

3.3 箱體的焊接

（1）選擇合適的焊接順序，焊接對稱進行，焊接順序見圖5。

圖5 拱肋節(jié)段組裝焊接示意圖

（2）在節(jié)段的箱口和內(nèi)部適當(dāng)位置設(shè)置剛性支撐，增加結(jié)構(gòu)整體剛度，減少由于焊縫收縮引起的幾何尺寸變化。在節(jié)段的內(nèi)部采用橫隔板作為剛性支撐（相當(dāng)于內(nèi)胎），箱口采用型鋼作為剛性支撐。

由于橫隔板作為剛性支撐，相當(dāng)于內(nèi)胎，所以必須保證橫隔板的加工精度。首先采用等離子數(shù)控切割機進行下料，并開坡口，然后采用銑刨機進行邊緣加工，確保橫隔板的下料尺寸準(zhǔn)確，最后橫隔板安裝時進行精確定位，確保橫隔板的平面位置及垂直度。

4 結(jié)語

通過上述一系列技術(shù)的使用，外砂河大橋鋼拱加工線型良好，值得推廣借鑒的經(jīng)驗：

（1）采用數(shù)控等離子切割機，鋼拱單元板的尺寸得到很好的控制。

（2）對于鋼板對接確定適當(dāng)?shù)钠驴诔叽?，控制每一條焊縫的焊接填充量，減少焊接變形。

（3）采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊，多道焊接，焊接線能量小，焊接變形小。

（4）頂、底、腹板單元件加工根據(jù)設(shè)計曲線設(shè)計單元件加工胎架，采用反變形措施的焊縫預(yù)反變形量，保證線型準(zhǔn)確性。

（5）節(jié)段組裝中跨設(shè)計半跨組裝胎架和邊跨設(shè)計整體組裝胎架，既很好的保證鋼拱線型，又節(jié)約了預(yù)拼裝。

（6）在箱體整體組裝焊接時，在箱口和內(nèi)部適當(dāng)位置增加剛性工藝隔板或者剛性支撐，增加結(jié)構(gòu)整體剛度，減少由于焊縫收縮引起的幾何尺寸變化。

[1]胡漢舟,劉自明,秦順全,等.武漢天興洲公鐵兩用長江大橋斜拉橋技術(shù)總結(jié)[M].北京：中國鐵道出版社,2009.

[2]TB 10212-2009,鐵路鋼橋制造規(guī)范[S].

[3]胡漢舟,文武松,秦順全,等.京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋技術(shù)總結(jié)[M].北京：中國鐵道出版社,2011.

重慶東水門大橋南立交F、G匝道通車全長1.06 km

重慶東水門大橋南立交兩條匝道近日通車內(nèi)環(huán)快速路—上新街、上新街—內(nèi)環(huán)快速路—江北將更便捷，并緩解江南立交、盤龍立交的擁堵。這也是東水門大橋南立交最先開通的兩條匝道。

立交共有7條匝道，東水門大橋南立交項目主要解決東水門大橋、內(nèi)環(huán)快速路和涂山路之間的交通組織轉(zhuǎn)換問題。項目于2013年7月正式進場開工建設(shè)，包括南立交、涂山路改造、軌道環(huán)線上新街站建設(shè)、“P+R”換乘綜合體、龍門浩小學(xué)改擴建。

這里是重要的軌道交通換乘點，項目的建成將有效加強渝中、南岸茶園、上新街沿線、彈子石片區(qū)的交通聯(lián)系。

此次通車的東水門大橋南立交F和G匝道全長1.06 km，投資0.88億。

兩條匝道通車后，可以實現(xiàn)從內(nèi)環(huán)快速路—上新街、上新街—內(nèi)環(huán)快速路—江北的交通鏈接，為上新街片區(qū)居民出行提供便利，同時也極大地緩解了江南立交和盤龍立交的交通擁堵狀況。東水門大橋南立交最大的亮點，就是在建的一個大型的P+R換乘停車樓。以后，人們可以將私家車停在大型停車樓內(nèi)，再換乘軌道6號線、環(huán)線等，到達渝中區(qū)、江北區(qū)等多個地方。

東水門大橋上內(nèi)環(huán)的匝道預(yù)計今年10月通車，內(nèi)環(huán)上東水門大橋匝道年底通車。

U445

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1009-7716（2016）05-0175-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.050

2016-01-19

王輝（1974-），男，湖南益陽人，工程師，從事路橋梁工程施工技術(shù)管理工作。