柳州官塘大橋鋼拱肋節(jié)段制造技術(shù)研究

梁晶 張鵬 裴雪峰

【摘 要】本文首先對提籃式拱橋的基本結(jié)構(gòu)做了簡明闡述，然后從鋼拱肋節(jié)段的制作難點(diǎn)入手，重點(diǎn)論述了鋼拱肋節(jié)段的制造及焊接關(guān)鍵技術(shù)，以及在制造過程中的焊接變形控制方法。具有實(shí)際應(yīng)用的意義。

【關(guān)鍵詞】側(cè)裝法；剛性約束；全位置焊接

一、工程概況

柳州官塘大橋?yàn)樘峄@式無系桿拱橋，其跨徑為450米，凈矢高為100m，是目前世界第一大跨度有推力拱肋橋及世界第九大跨度拱肋橋。

主拱肋分為橫梁、橫撐和拱肋制造節(jié)段。拱肋劃分為27個(gè)吊裝節(jié)段，主拱為變截面鋼箱結(jié)構(gòu)，拱肋采用八邊形截面，由頂板、底板、腹板、角壁板、隔板單元及錨管單元等組成，每個(gè)板單元上都設(shè)置有縱向板式加勁肋，截面寬度為5m，高度為6.0～10.575m。拱肋間采用焊接方式連接，縱向加勁肋間采用栓接連接方式。（見圖1）

拱肋之間共設(shè)置8道一字橫撐，橫撐沿拱肋徑向設(shè)置；拱肋之間各設(shè)置一道橫梁。橫撐采用等寬變高鋼箱結(jié)構(gòu)，截面寬度為2.5m，高度為2.8～6.283m，與拱肋焊接連接。拱肋兩側(cè)各設(shè)置一道肋間橫梁，橫梁采用等寬變高鋼箱結(jié)構(gòu)，肋間橫梁寬3.024m，高3.5～4.5m。

拱肋主體材質(zhì)采用Q370qD鋼材，全橋單片拱肋總重約6100多噸。

二、制造難點(diǎn)分析

（1）拱肋為變截面箱型結(jié)構(gòu)，節(jié)段焊縫密集，焊接質(zhì)量要求高，其中頂板、底板、腹板連接處均為熔透焊縫，拱肋節(jié)段幾何精度要求高，箱口允許偏差為±2mm，對角線扭轉(zhuǎn)允許偏差為±3mm。所以拱肋節(jié)段的箱口尺寸及扭曲變形的控制有一定的難度，焊接完成后整體線形尺寸精度控制難度較大。

（2）拱肋節(jié)段結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，且組成板件多，需多次作業(yè)才能完成節(jié)段整體組裝工作，所以組裝方案的制定須更加合理。

（3）拱肋角壁板為空間曲線結(jié)構(gòu)形式，采用CAD計(jì)算機(jī)建立實(shí)體模型精確放樣，確定零部件制造尺寸。是拱肋制造線形控制的重要環(huán)節(jié)，是橋位架設(shè)線形順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

（4）拱肋所有吊桿與主橋中心均傾斜布置，致使拱肋桿件吊索處隔板設(shè)置存在多種角度，為箱體的拼裝、焊接工作帶來極大困難；拱肋錨管與箱型底板為斜交設(shè)置，錨管的角度精度控制困難。

（5）由于拱肋節(jié)段較重，最大節(jié)段吊裝重量約為：312.153噸。設(shè)計(jì)專用組裝胎架進(jìn)行拱肋的拼裝、焊接。所以在組裝焊接過程中，對起重設(shè)備要求高，需要翻身作業(yè)，作業(yè)難度大。

三、制作工藝

針對拱肋節(jié)段特殊結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程中制定的工藝方案為：在拱肋組裝焊接胎架上組裝塊體，以拱肋桿件的外腹板單元作為基準(zhǔn)，依次組裝隔板、內(nèi)角壁板、頂?shù)装?、外腹板、及外角壁板形成箱型結(jié)構(gòu)，縱橫基線準(zhǔn)確對位后，四角用胎型碼板固定。拱肋節(jié)段制作按照：板塊制作→板單元對接→塊體組裝（槽型）→箱體組裝的工藝流程，成為箱型節(jié)段。

（1）板單元制作

將頂、底板、腹板、角壁板分別劃分為2～6個(gè)單元件，頂、底板單元最大規(guī)格：3988X12866，腹板單元最大規(guī)格：4180X12866。由于拱肋節(jié)段輪廓尺寸較大，且存在不等厚對接，因此在組裝焊接板單元時(shí)根據(jù)不同板厚預(yù)設(shè)不同的反變形量，在專用反變形焊接胎架上進(jìn)行焊接，以控制焊接變形。

錨管單元由錨管、錨墊板、加勁板、連接板組成。錨管鋸切下料，鋼板輥板后數(shù)控精切下料；焰切連接板兩長邊坡口，焰切錨管周圈坡口；將錨墊板置于平臺上，組裝錨管和連接板，焊接、探傷、修整焊接變形；組裝加勁板，焊接、探傷、修整焊接變形。

拱肋隔板為空腹式結(jié)構(gòu)，為了提高鋼板的利用率，將隔板劃分成3-5個(gè)單元件。拱肋隔板由隔板、加勁板、人孔加強(qiáng)圈、吊點(diǎn)加強(qiáng)圈、錨管單元等組成。鋼板輥平后數(shù)控精切下料；組裝加勁板、人孔加強(qiáng)圈、吊點(diǎn)加強(qiáng)圈，焊接后修整焊接變形；在焊接平臺上將幾個(gè)隔板單元件組裝成整體，焊接、探傷、修整板塊焊接變形，重點(diǎn)修整邊緣的波浪變形，滿足制造規(guī)則的要求；組裝錨管單元，焊接、探傷、修整焊接變形。

（2）槽型制作

在拱肋組裝焊接胎架上進(jìn)行塊體組裝，組裝工序?yàn)椋航M裝→加固→焊接→探傷→修整。組裝公差要求按帶錨箱節(jié)段塊體制作要求執(zhí)行。在組裝焊接胎架上按縱橫基線放置內(nèi)腹板單元，內(nèi)腹板單元定位后與胎架上的墊塊密貼，檢測腹板單元的平面度，要求平面度控制在2mm以內(nèi)，檢測合格后與胎架碼板固定連接。依次就位其他腹板單元，先進(jìn)行縱向?qū)?，再進(jìn)行橫向?qū)?，探傷后修整腹板單元的焊接變形，滿足規(guī)則要求。然后按線組裝隔板單元（隔板位置線在腹板單元上已劃出），重點(diǎn)控制隔板單元的垂直度，尤其控制錨管部位隔板的垂直度，保證錨管的組裝精度。錨管部位的焊縫焊接時(shí)可采用剛性約束，控制焊接變形。以縱橫基線為基準(zhǔn)組裝內(nèi)角壁板單元，并進(jìn)行橫向?qū)樱絺笮拚附幼冃?。組裝頂、底板單元，并進(jìn)行橫向?qū)樱絺笮拚附幼冃?。焊接隔板單元與頂板、底板、內(nèi)腹板、內(nèi)角壁板之間焊縫，探傷后修整焊接變形。焊接內(nèi)腹板與內(nèi)角壁板之間焊縫，頂、底板與內(nèi)角壁板之間焊縫，探傷后修整焊接變形。

（3）箱體制作

在拱肋組裝焊接胎架上組裝外腹板單元，定位后，先進(jìn)行縱向?qū)?，再進(jìn)行橫向?qū)?，探傷后修整腹板單元的焊接變形。組裝外角壁板單元，并進(jìn)行橫向?qū)?，探傷后修整焊接變形。焊接隔板與外腹板和外角壁板之間焊縫，探傷并修整焊接變形。焊接外腹板與外角壁板之間焊縫，頂、底板與外角壁板之間焊縫，探傷后全面修整箱體焊接變形。修整縱橫基線，參與預(yù)拼裝，檢測各項(xiàng)點(diǎn)滿足規(guī)則要求后，配鉆加勁肋拼接板，并做好標(biāo)記。組焊前需要對角壁板進(jìn)行加固以增大剛性，為保證焊接質(zhì)量，將角壁板與外腹板的焊接處用碼板固定。

在箱體焊接過程中，按對稱原則施焊，這樣在焊接主焊縫時(shí)節(jié)段已有較大的剛性，可有效抑制焊接變形，也保證了箱型節(jié)段的焊接質(zhì)量。為保證箱體組裝精度，每次組裝前應(yīng)對胎架進(jìn)行檢測，嚴(yán)格控制胎架平面度。

四、焊接關(guān)鍵技術(shù)

在鋼拱肋節(jié)段整體組裝、焊接一次作業(yè)（槽型）時(shí)，頂、底板單元與角壁板的棱角焊縫為雙面坡口熔透焊縫，焊接過程中焊縫填充量較大，焊接變形難以控制，且需要仰焊，焊接操作難度大。因此，我們通過焊接實(shí)驗(yàn)工藝評定，對頂、底板單元與角壁板的焊接坡口進(jìn)行了優(yōu)化，并在焊接過程中首次采用大節(jié)段無翻身全位置焊接技術(shù)，避免了仰焊，從而降低了焊接操作難度，提高了工作效率，節(jié)約了成本，為后續(xù)鋼拱肋的制造提供條件。見圖2

五、焊接變形控制

對焊接變形的控制，通過預(yù)留收縮量、采用剛性約束及選擇合理的組裝、焊接順序和焊接方法等措施實(shí)現(xiàn)。

1、預(yù)留收縮量

預(yù)留收縮量的目的是控制焊接產(chǎn)生的收縮變形，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求得收縮量，并考慮熱矯正和結(jié)構(gòu)的約束情況，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)制定零部件的預(yù)留收縮量。

在鋼拱肋節(jié)段整體組裝一次作業(yè)（槽型）時(shí)，內(nèi)腹板單元與角壁板單元的棱角焊縫為坡口熔透焊縫，角壁板單元與兩側(cè)頂、底板單元的棱角焊縫為雙面坡口熔透焊縫，所以焊接收縮較大。根據(jù)此收縮變形特點(diǎn)，在組裝槽型時(shí)，對頂?shù)装鍐卧⒏拱鍐卧?、角壁板單元預(yù)留了不同的焊接收縮。

2、剛性約束

在鋼拱肋節(jié)段整體組裝一次作業(yè)（槽型）時(shí)，由于錨管連接板與錨管及錨墊板的焊接三邊采用雙面坡口熔透角焊縫，由于該處產(chǎn)生角變形較大，使其垂直度無法保證，將影響后續(xù)作業(yè)組裝精度。所以焊接時(shí)在該處設(shè)置鋼板約束其角變形，控制錨管連接板垂直度。見圖3

在鋼拱肋節(jié)段整體組裝二次作業(yè)（箱型）時(shí)，由于角壁板與腹板單元及頂?shù)装鍐卧獮槠驴谌弁负缚p，角壁板上收縮變形較大，將影響拱肋整體線形無法保證，并影響后續(xù)作業(yè)組裝精度。所以焊接時(shí)在端部棱角焊縫處設(shè)置剛性支撐，約束收縮變形，確保箱口尺寸滿足要求。

3、選擇合理的組裝、焊接順序和焊接方法

（1）組裝時(shí)采用“側(cè)裝法”由內(nèi)向外分步組裝的方法，以內(nèi)腹板單元為基準(zhǔn)進(jìn)行定位組裝其余板單元，對每次作業(yè)的精度加以嚴(yán)格控制，保證整體的組裝精度。

（2）箱型桿件的頂、底板與腹板八條主焊縫為開坡口的熔透焊縫，當(dāng)焊縫具備自動(dòng)焊施焊條件時(shí)，采用CO2氣體保護(hù)焊打底，埋弧自動(dòng)焊填充蓋面的工藝進(jìn)行焊接。焊接過程中適時(shí)調(diào)整焊絲的對正，嚴(yán)格控制四條焊縫的焊接方向一致，以防桿件產(chǎn)生扭曲變形。端部采用一定的工藝措施控制箱口的焊接變形，確保箱口尺寸滿足要求。

（3）在專用的胎架上進(jìn)行組裝、焊接、修整、檢測，對每次作業(yè)制定檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以確保各工序作業(yè)精度。

六、結(jié)語

通過以上技術(shù)的應(yīng)用，有效地控制了鋼拱肋節(jié)段的收縮、扭曲、角變形等焊接變形，減少了焊接后修整工作量，使鋼拱肋節(jié)段幾何尺寸精度、整體線形、空間角度、錨管連接板平面度等指標(biāo)得以保證，滿足了現(xiàn)場安裝精度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）

[2]《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（Q-RC 9211-2015）

[3]徐亮、李軍平《提籃拱橋鋼拱肋線型控制技術(shù)》鋼結(jié)構(gòu)，2017年02期

（作者單位：中鐵寶橋集團(tuán)有限公司）