獨(dú)柱雙索分幅式斜拉橋鋼箱梁制造工藝

陳朝軍 暢 杰

(1.中鐵山橋集團(tuán)有限公司,河北 秦皇島 066205; 2.江蘇中鐵山橋重工有限公司,江蘇 南通 226532)

1 工程概況

浦儀高速公路西段斜拉橋工程B2標(biāo)主橋，為獨(dú)柱形鋼塔雙索面流線形鋼箱梁斜拉橋,主橋總跨度為960 m,橋梁縱向分布為(50+180+500+180+50) m,橋梁的鋼箱梁為分幅式的扁平流線型結(jié)構(gòu)，兩分幅式鋼箱通過橫梁橫向連接并分布在索塔兩邊，見圖1,橋梁的橫向斷面圖見圖2。

在諸如昂船洲長江大橋、上海長江大橋、嘉紹長江大橋這樣的特大跨度的斜拉橋中更多地都采用了分幅式的鋼箱梁,從而有效地大大減輕了鋼箱梁橋面系的重量,提高了主橋跨越的能力。過去所建設(shè)的分幅式的鋼箱梁通常采用的是四索面,很少采用雙索面主橋分幅式的鋼箱梁,所以以浦儀公路西段工程B2標(biāo)主橋鋼箱梁斜拉橋?yàn)槔M(jìn)行制作藝研究,為以后的工程提供經(jīng)驗(yàn)。

2 總體制造工藝

浦儀公路西段工程B2標(biāo)主橋鋼箱梁斜拉橋的制造工藝中的幾個(gè)重點(diǎn)部分:板單元制造工藝,胎架設(shè)置及制造工藝,總拼工藝。將鋼箱梁分解為各個(gè)板單元進(jìn)行加工制作,板單元可以進(jìn)行更為細(xì)化的分類，針對(duì)各個(gè)類型采用與之對(duì)應(yīng)的胎架，便于形成流水線式的焊接加工制作。易于有效實(shí)現(xiàn)鋼箱梁生產(chǎn)的規(guī)范化、產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量穩(wěn)定化。而胎架設(shè)置及制造直接決定了焊接變形量的大小及拼裝精度的好壞。總體拼裝使得橋梁制造的絕大部分由工地制造轉(zhuǎn)到了工廠制造,對(duì)于橋梁桿件的施工質(zhì)量和精度有了更好的控制。焊接、涂裝工藝也是為了能夠更好的控制橋梁桿件質(zhì)量和精度。

3 各個(gè)制造工藝

3.1 板單元制造工藝

綜合的考慮工程制造中的供料、運(yùn)輸及其大批量生產(chǎn)等各種因素,盡可能將工程中塊體板單元尺寸控制作大,以有效減少其種類和板塊的數(shù)量及減少拼接的工作量。生產(chǎn)制造中塊體板單元分類見圖3。

3.1.1頂板單元制作

頂(底)板制造單元是全橋最多的主要制造單元,其制造工藝精度直接影響到全鋼箱梁的制作質(zhì)量,所以頂(底)板的制作在全橋制作中也就尤為重要。

各個(gè)制造流程中要特別注意的關(guān)鍵點(diǎn)是,頂板下料及切坡口時(shí)采用多嘴切割機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)切割，注意在頂板偏向跨中的一側(cè)要預(yù)留相應(yīng)的配切量，橫隔板則采用數(shù)控程序進(jìn)行精準(zhǔn)切割下料，U肋板材下好料后要進(jìn)行矯正和坡口的機(jī)加工，再進(jìn)行壓彎成型；下好的鋼板矯正是通過自動(dòng)趕板機(jī)對(duì)下好的料進(jìn)行趕平以便嚴(yán)格控制頂板的平面度;組裝塊體時(shí)采用磁力吊運(yùn)送的方式吊運(yùn)防止零件產(chǎn)生永久變形,在板單元的組裝胎上進(jìn)行組裝,組裝胎上要裝有承重的鋼板和U肋栓孔所需的定位裝置,組裝時(shí)板單元切記將橫、縱基線返到頂板的另一面上,并在其表面打上樣沖眼;板單元組裝好后在板單元焊接機(jī)器人變形胎架上進(jìn)行施焊,減少制造中的焊接變形,焊后應(yīng)及時(shí)控制松卡的溫度,并對(duì)板單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?在專用頂板單元組裝胎架上進(jìn)行準(zhǔn)確組裝定位,避免人為的誤差,確保橫隔板在組裝時(shí)在同一平面內(nèi);頂板單元修整后一定要在安裝平臺(tái)上進(jìn)行檢驗(yàn),保證制造完的頂板的平直度。

3.1.2底板單元制作

底板單元制作流程:第一步鋼板下料,第二步對(duì)下好的料進(jìn)行矯正,第三步在底板上組裝U肋,第四步進(jìn)行焊接,第五步對(duì)組裝焊接好的板單元進(jìn)行修整。制造流程中要注意的關(guān)鍵點(diǎn)與頂板的大致相同部分。

3.1.3錨腹板單元制作

錨箱和腹板組裝焊接為一個(gè)整體，作為全橋重要的受力單元，整個(gè)單元的加工精確度和質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到了大橋的穩(wěn)定性和大橋的生命安危。

錨腹板單元制作流程:第一步鋼板探傷,第二步下料,第三步矯正,第四步相應(yīng)的機(jī)加工,第五步劃線,第六步分別組焊錨箱和腹板,第七步腹板和錨箱單元組焊,最后一步組焊近腹板側(cè)加勁。

各個(gè)流程中要注意的關(guān)鍵點(diǎn),一定要增加對(duì)腹板連接錨箱部位及錨固板、承壓板的近焊縫區(qū)域鋼板進(jìn)行超聲波探傷復(fù)檢;錨固板、承壓板及非矩形肋板保證下料的精確度，一定要采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精確切割下料,減小偏差;數(shù)控精切下料完成后，用趕板機(jī)進(jìn)行趕平,得到控制好所需的平面度;焊接坡口、承壓板、錨墊板等一定要采用機(jī)加工;水平肋系統(tǒng)中線(縱基線)、熔透焊縫探傷系統(tǒng)線、橫隔板中線(橫基線)都要在工作平臺(tái)上精確劃出;在平臺(tái)上按照所劃得線進(jìn)行精確組裝,兩錨固板間用專用卡具定位,確保錨固板、承壓板與腹板連接邊在同一平面內(nèi),靠近腹板側(cè)的兩塊加勁板先留下來不組焊;板肋以所劃線為基準(zhǔn)進(jìn)行組裝,為了可以對(duì)腹板和錨箱的熔透角焊縫達(dá)到有效的探傷,同時(shí)使在組裝梁段時(shí)腹板與隔板得到高質(zhì)量的熔透角焊縫,在錨箱部位連接橫隔的地方板肋留下一定尺寸的嵌補(bǔ)段到工地上再進(jìn)行組裝焊接。等到進(jìn)行梁段的組焊拼裝時(shí)再進(jìn)行焊接腹板內(nèi)側(cè)的豎向加勁板;進(jìn)行焊接前一定要檢驗(yàn)錨箱和腹板在平臺(tái)是按照腹板橫縱基線進(jìn)行的精確劃線和組裝;通過采用小的焊接線能量和焊前預(yù)熱來進(jìn)行近腹板側(cè)加勁的焊接,防止層狀撕裂。

3.1.4隔板單元制作

隔板單元制作流程:第一步下料，第二步矯正，第三步加工，第四步組焊豎肋，第五步組焊水平肋及圍板，第六步修整。

隔板單元的焊后尺寸會(huì)直接影響箱體的尺寸，所以焊接收縮量的確定尤為重要，只有每種板厚的橫隔板先試制一塊,才能得到準(zhǔn)確的工藝尺寸，才能夠進(jìn)行批量精確的制作。

各個(gè)流程中要注意的關(guān)鍵點(diǎn),因?yàn)橛胁煌陌搴襁x擇的切割方式也就有區(qū)別,數(shù)控火焰切割下料用來下厚一點(diǎn)的板,數(shù)控水下等離子切割用來下較薄一點(diǎn)的板;下好料的平面度和直線度一定要通過矯正來嚴(yán)格控制;水平板肋位置線通過橫隔板底邊為基準(zhǔn)精確劃出后組裝,所有豎肋的定位組裝要以此位置為基準(zhǔn),使得水平肋至底邊的尺寸能夠準(zhǔn)確控制,達(dá)到在梁段組裝頂板時(shí)確定標(biāo)高;一定要在修整平臺(tái)上通過嚴(yán)格控制熱輸入量和遵照修整工藝規(guī)程里的修整順序進(jìn)行修整。

3.2 胎架設(shè)置及制造工藝

根據(jù)主橋面標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式,胎架設(shè)置由立柱、橫梁、斜撐以及縱向拉桿連接組合成網(wǎng)格式支撐平臺(tái),立柱、橫梁斜撐材料采用Ⅰ20a,縱向拉桿為L100×100×10角鋼,橫梁和斜撐面上設(shè)置牙板用于調(diào)節(jié)鋼箱梁拱度線形,牙板規(guī)格12×150×100,另在中間聯(lián)系橫梁處設(shè)置可拆式胎架，胎架截面見圖4。

中間聯(lián)系段橫梁設(shè)置支撐、縱梁、橫梁,上下部位用角鋼連接形成整體式網(wǎng)格支撐胎架,材料采用L100×100×10角鋼。胎架平面同樣設(shè)置牙板調(diào)節(jié)箱梁拱度線形,牙板規(guī)格為12×150×100。在遇10 t行車軌道處位置斷開,確保行車正常行走(見圖5)。

胎架測(cè)量:為了有效保證整個(gè)鋼箱梁在進(jìn)行制造工藝過程中整體線形的準(zhǔn)確,在總拼胎架外布設(shè)高水準(zhǔn)控制網(wǎng),能夠在鋼箱梁生產(chǎn)制造中精確控制所有需要測(cè)量點(diǎn)的高程,對(duì)于鋼箱梁的整體線形的有效控制提供保證。14個(gè)測(cè)量標(biāo)志塔分別均勻設(shè)置在胎架的兩頭,塔上按照制造工藝測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的基準(zhǔn)工藝標(biāo)志線。

制造工藝基準(zhǔn)線胎架制造時(shí)要按照鋼箱梁相應(yīng)的施工圖進(jìn)行制造,須用劃針進(jìn)行刻劃,允許基準(zhǔn)線偏差的長度應(yīng)為±0.5 mm。胎架要按照相應(yīng)的施工圖制造,有效控制胎架橫梁最大相對(duì)高差和相鄰兩道胎架橫梁偏差不得大于10 mm。工藝專用牙板相對(duì)高程的最大允許高度偏差一般最小為±1 mm,一般來說工藝專用牙板的最大高程允許高度標(biāo)準(zhǔn)偏差小于±2 mm,用戶牙板可根據(jù)實(shí)際的使用情況對(duì)高度偏差進(jìn)行適當(dāng)性的調(diào)整。

3.3 總拼工藝

從鋼箱梁的結(jié)構(gòu)考慮,最終決定采用先多個(gè)節(jié)段進(jìn)行連續(xù)匹配的組裝的方式和同時(shí)進(jìn)行預(yù)拼裝的制造拼裝方案,遵照橋址架梁的先后順序和總體的工程進(jìn)度要求進(jìn)行拼配組裝,以6個(gè)梁段為一個(gè)輪次進(jìn)行預(yù)拼裝,在拼裝合格以后將梁段做好標(biāo)記,每次要將最后一個(gè)梁段預(yù)留,作為下一輪拼裝的首個(gè)梁段參與拼裝,而其他的梁段出胎。在箱梁生產(chǎn)制造中工廠受涂裝房寬度的限制,選擇在每輪鋼箱梁的多節(jié)段涂裝工作完成后,再進(jìn)行挑臂塊體的精確組裝,挑臂組裝工作完成后,進(jìn)行稱重，不能馬上裝船的先運(yùn)到存梁現(xiàn)場(chǎng)等待發(fā)運(yùn)。

3.3.1板單元兩拼

在整體梁段拼裝前,首先要在專門的胎架上分別進(jìn)行頂和底板單元的板塊拼裝,先將兩到三塊板單元拼裝焊接成一整塊的吊裝塊體再參與梁段的組裝方案,能夠?qū)⒃拘枰谄囱b胎架上進(jìn)行對(duì)接焊的焊縫量減少一半。能夠顯著的縮短制造時(shí)間提高工期。吊裝板塊拼裝時(shí)通過以板單元的橫縱基線為基準(zhǔn)來進(jìn)行組對(duì),組對(duì)時(shí)保證組對(duì)的兩板塊單元坡口位置的錯(cuò)邊量在1 mm以內(nèi)。拼裝完成的板塊四個(gè)角的水平度保證在5 mm以內(nèi),兩個(gè)對(duì)角線的差要小于4 mm。組裝焊接時(shí)要預(yù)留一定的焊接收縮量來保證組焊完成后焊縫兩側(cè)U肋加勁肋的中心距滿足質(zhì)量要求。組焊前要進(jìn)行30 mm左右的反變形設(shè)置,控制焊接變形量,減少和避免焊后火焰矯正,確保板塊的尺寸和水平度都能滿足要求,保證了后期拼裝鋼箱梁能夠得到更精確的外形尺寸。

3.3.2鋪設(shè)底板單元

底板鋪設(shè)從中間向兩邊依次進(jìn)行,首先將梁段中間底板單元鋪設(shè)在胎架上,以鋪設(shè)好的底板單元上的縱基線作為以后箱梁中線方向定位檢查線,縱基線的允許偏差范圍在±5 mm以內(nèi)。確定好經(jīng)緯儀所在的直線,通過微調(diào)中線底板,使得中線底板單元的兩端標(biāo)記與之前確定好的線重合。剛性碼固定好中央底板,使其不會(huì)發(fā)生位移,在滿足縱向間距的條件下,鋪設(shè)定位中心線上的所有底板單元,定位完成后整體長度方向的直線度誤差在1 mm以內(nèi)。依次組裝中心底板左右兩側(cè)的底板,組裝前要測(cè)量好相鄰板塊加上預(yù)留焊縫收縮量的縱基線距離。通過經(jīng)緯儀架控制完成底板單元橫縱方向的定位,之后在胎架上安裝斜底板,要保證斜底板的縱基線在留有焊縫收縮量的情況下與標(biāo)志塔控制線的偏差在0.5 mm以內(nèi)。將對(duì)應(yīng)底板縱向定位好后,進(jìn)行焊接平底板與斜底板間的對(duì)接焊縫。要在整個(gè)輪次底板焊接修整完成后進(jìn)行高程的測(cè)量檢驗(yàn),保證實(shí)際偏差控制在2 mm以內(nèi)。

3.3.3組裝橫隔板單元

將隔板吊裝好后,控制好橫隔板邊緣的斜度,確保橫隔板與底板保持垂直,再用臨時(shí)的固定胎架固定好橫隔板,組裝隔板采用由內(nèi)而外的組裝順序,可以有效避免橫隔板上的U肋槽口不與U肋發(fā)生沖突現(xiàn)象。為了確保橫隔板的真的中心線與橋梁中心線重合,組裝時(shí)要以底板的縱基線為基準(zhǔn)線進(jìn)行組裝,橫隔板的橫向位置一定要通過經(jīng)緯儀校準(zhǔn)來定位,同時(shí)控制橫隔板的豎向基準(zhǔn)線與底板的橫向基準(zhǔn)偏差在0.5 mm以內(nèi)。橫隔板的高度位置通過水準(zhǔn)儀定位隔板橫向基線位置和底板上焊接好的落位馬板來確定。隔板焊接組裝完成為了保證后續(xù)組裝橫梁及挑壁的準(zhǔn)確性,要將橫隔板的位置線返到頂板、底板和腹板的外側(cè)的橫梁和挑壁的接口處。

3.3.4組裝中間頂板單元

以梁段中心線為基準(zhǔn)先將中心頂板單元初次定位好,再通過用經(jīng)緯儀參照標(biāo)志塔的標(biāo)志線與頂板的縱基線進(jìn)行縱向調(diào)整在允許的偏差內(nèi)定位中心頂板,中心頂板的橫向定位則是以頂板的U肋的組裝線為基準(zhǔn),之后由左右兩幅的中心向各自的左右兩邊進(jìn)行鋪設(shè)組裝,組裝時(shí)一定要保證橋梁的準(zhǔn)確線性,所以時(shí)時(shí)對(duì)頂板組裝好的高程測(cè)量分析非常重要。

3.3.5初次定位內(nèi)腹板、錨腹板

通過橫縱兩個(gè)方向來對(duì)腹板進(jìn)行精確定位,腹板下方以斜底板上劃好的組裝線作為橫向定位基準(zhǔn)線,以返在頂板上的橫基線作為縱向定位的基準(zhǔn)線,一定要調(diào)整好錨腹板的角度,確保錨腹板與斜底板能夠精確組裝,注意預(yù)留2 mm的焊縫收縮量,檢查沒有問題后進(jìn)行腹板和底板的焊接,但是腹板與隔板先采用活碼固定先不進(jìn)行焊接。

3.3.6組裝其余頂板單元

用經(jīng)緯儀來調(diào)整定位頂板單元,保證頂板單元中心線能夠與底板中心基準(zhǔn)線相對(duì)位置在同一垂直平面內(nèi),依次從中間到兩邊進(jìn)行頂板單元的組裝,組裝時(shí)要控制好不同板單元間的組裝間隙,保證相鄰的節(jié)段間縱向U肋能夠?qū)R,同時(shí)頂板與橫隔板相對(duì)組裝位置能夠保證精度要求,也要控制好箱體的高度。

3.3.7二次定位錨腹板單元

邊頂板的組裝要考慮溫度對(duì)尺寸的影響,盡量選擇溫度對(duì)鋼板尺寸影響小的時(shí)候如早上或陰天組裝,錨腹板組裝時(shí)一定要利用經(jīng)緯儀通過標(biāo)志塔上的基準(zhǔn)來進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。錨箱腹板的半寬尺寸的控制極為重要,所以錨腹板組裝時(shí)嚴(yán)禁一次定位操作,一定要預(yù)留焊接收縮量,同時(shí)能夠在充分考慮溫度和焊接收縮量后再進(jìn)行有效定位,之后進(jìn)行腹板與隔板和隔板與斜底板的焊接,充分保證了錨腹板與橫隔板焊接后箱梁的半寬尺寸。

3.3.8組裝中間聯(lián)系橫梁

第二次定位錨腹板完成后,在最邊側(cè)頂板鋪設(shè)完成前,將隔板位置線返至內(nèi)腹板外側(cè),作為中間橫梁腹板定位基準(zhǔn)。中間橫梁采用200 t吊車進(jìn)行定位組裝。鋼箱梁第一個(gè)節(jié)段安裝結(jié)束后拆除斜撐處胎架。橫梁以中央底板上的U肋組裝基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)用鋼盤尺找到橫梁底板橫向中心線所在直線,以及橋梁中線(中央標(biāo)志塔)相結(jié)合組裝定位中間橫梁底板,定位后使用鋼性碼固定,保證不發(fā)生位移,中心允許偏差0.5 mm。橫梁底板標(biāo)高調(diào)整合格后,按照施工圖以及橫、縱基線精確組裝橫梁隔板,要求保證隔板的垂直度偏差不大于2 mm。焊接完成后以隔板為內(nèi)胎組裝腹板,最后組裝頂板,利用經(jīng)緯儀保證一個(gè)輪次所有橫梁中心共線,允許偏差1 mm。每個(gè)輪次各橫梁均在節(jié)段安裝完成后進(jìn)行。

3.3.9裝配定位挑壁塊體

精確定位挑臂塊體與橫隔板的相對(duì)位置,以外腹板外側(cè)隔板位置線為基準(zhǔn)定位挑臂。挑臂塊體與腹板間采用活馬固定,定位完成后做好定位基準(zhǔn)線,便于打砂涂裝后組裝。挑臂塊體間安裝臨時(shí)匹配件,確保涂裝后組裝挑臂頂板時(shí)縱向匹配性。

4 結(jié)語

近些年扁平流線型分幅式鋼箱梁在公路橋梁中出現(xiàn)頻率越來越高,以往分幅式鋼箱梁均為四索面,雙索面分幅式鋼箱梁出現(xiàn)的情況較少。通過對(duì)本工程的制造工藝的深入分析研究,為以后雙索面分幅式鋼箱的制作提供一定的參考。