港珠澳大橋九洲航道橋組合梁鋼主梁制作關鍵技術*

呂建鋒

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

1 工程概況

港珠澳大橋是我國公路交通建設史上技術最復雜、環(huán)保要求最高、建設標準最高的工程之一。大橋全線總長約55km，其中九洲航道橋采用雙塔單索面鋼-混組合梁連續(xù)斜拉橋，橋跨布置為(85+127.5+268+127.5+85)m，采用塔、梁、墩固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)簡潔、線條流暢[1]，斜拉索采用豎琴形布置，梁上索距12.5m，塔上索距6.1m，如圖1所示。九洲航道橋主梁采用分離式開口鋼主梁+混凝土橋面板組合截面，標準節(jié)段長12.5m，橋面標準寬度為36.8m，組合梁截面中心線高4.49m，橋面橫坡2.5%，分為30種類型、58個節(jié)段，單幅組合梁最大節(jié)段重約2 100t。為提高施工效率、確保橋梁建造質(zhì)量，組合梁大節(jié)段采用“運架一體船”架設方案[2]。

圖1 港珠澳大橋九洲航道橋總體布置(單位：m)

鋼主梁為分離式開口結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由頂板、底板、腹板、橫隔板、橫梁、錨箱及焊釘?shù)冉M成。鋼主梁中心線處高4.01m、頂寬30.8m、底寬27.4m，兩幅主梁通過橫梁焊接連接，錨箱設置于橫梁內(nèi)部，空腹式橫隔板與橫肋間隔布置，間距2m，主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q370qD，總重約1.1萬t。

圖2 九洲航道橋鋼主梁節(jié)段結(jié)構(gòu)

2 制作難點

1)鋼主梁采用分離式開口雙箱截面，兩幅鋼主梁間通過橫梁連成整體，故左、右兩幅大節(jié)段制造線形的一致性、橫梁接口連接關系及鋼箱梁斷面幾何尺寸精度控制是難點之一。

2)組合梁預制橋面板質(zhì)量占梁段總重的3/4以上，因此預制橋面板自重對橋梁線形影響較大，同時由于鋼主梁制造、橋面板疊合、梁段運輸、架設過程受力工況不同及溫度差異也給鋼梁線形造成影響，故其制造線形控制有一定難度[3]。

3)主橋邊跨鋼主梁采用變寬結(jié)構(gòu)，由于梁段焊接環(huán)縫數(shù)量多，加之焊接收縮變形復雜，制訂合理的制造方案控制變寬鋼主梁寬度較重要。

4)鋼主梁吊裝節(jié)段長65～85m，每個吊裝節(jié)段由6～8個小節(jié)段鋼主梁組成，設計豎向預拱度≥300mm，制造標準要求鋼主梁制造預拱度需控制在-5～10mm，由于節(jié)段數(shù)量多、焊接變形、工況狀態(tài)等因素影響，其制造線形控制難度較大。

5)塔梁固結(jié)段由鋼塔節(jié)段和鋼主梁焊接而成，具有質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復雜、熔透焊縫多等特點，其整體組焊方案及幾何精度控制是其關鍵之一。

3 鋼主梁大節(jié)段制作技術

鋼主梁大節(jié)段連接關系復雜、制造線形控制精度要求高，為確保九洲航道橋鋼主梁的制造質(zhì)量及兩幅梁段間的匹配關系，開發(fā)了兩幅鋼主梁同步在整體胎架上拼裝技術，如圖3所示，施工方案為：底板單元整體組焊→斜腹板定位→橫隔板、橫肋組焊→腹板定位、錨箱初定位→腹板與底板焊接→腹板、頂板焊接→錨箱組焊→預拼裝→鋼主梁大節(jié)段[4]。

圖3 鋼主梁大節(jié)段制作過程

3.1 總拼胎架設計制作

通常大型鋼箱梁以總拼胎架為外部胎型，橫隔板為內(nèi)部胎型，控制鋼箱梁的橫斷面尺寸。為保證九洲航道橋鋼主梁的外形輪廓尺寸，設計制作桁架式總拼胎架，總拼胎架由立柱、橫梁、斜撐及支撐板等構(gòu)件組成，胎架高1.2m、寬35m、總長87m，可一次拼裝6～7個設計鋼主梁節(jié)段。為適應不同輪次變寬鋼主梁總拼，將斜撐制作成活動式結(jié)構(gòu)，通過普通螺栓與總拼胎架橫梁連接，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由于鋼主梁大節(jié)段帶有4根橫梁，為避免鋼主梁大節(jié)段出胎相互干涉，需將總拼胎架橫斷面寬度設置為“設計寬度+100mm”；由于采用實橋線形制作方案，總拼胎架沿縱向按鋼主梁制造線形設置預拱度，施工過程中通過支撐板調(diào)整高度。

3.2 底板單元組焊

為提高鋼主梁大節(jié)段制作效率，同時實現(xiàn)鋼橋梁“無損傷”制造，在通過底板單元焊接反變形試驗后，制訂了鋼主梁底板單元采用“先整體接寬再接長”的方案。

1)在總拼胎架檢測合格后，將底板單元吊裝至總拼胎架上，以中測量塔作為基準定位中間底板單元，然后沿鋼主梁寬度方向依次定位組裝相鄰底板單元，要求底板單元的縱向基線間距為“理論間隙+3mm”。

2)在底板單元縱向?qū)雍缚p焊接前，采用壓重和預設反變形控制焊接變形，反變形角度約1.5°，焊接各底板單元之間的縱向焊縫后形成寬度方向的整體底板單元。

3)底板單元整體接寬之后，修正底板單元的橫基線，以中間底板單元橫基線為基準，調(diào)整各梁段底板之間的焊接間隙，使鋼主梁底板單元總長度為“理論值+12mm”。

4)焊接底板單元之間的橫向焊縫，完成底板單元整體接長，如圖4所示，在底板單元整體形成后修正梁段橫基線，要求基線修正量≤2mm，然后劃出橫隔板、橫肋、腹板位置線，劃線時每道橫基線間距為“理論值+3”；修正基線時須保證同一節(jié)段兩幅橫基線共線、縱基線平行。

圖4 底板單元整體組裝焊接

3.3 腹板單元及橫肋組焊

3.3.1橫肋組焊

根據(jù)鋼主梁板單元劃分特點，為避免腹板單元和橫肋組裝相互干涉，采用先組裝底板橫肋再組裝腹板單元的方案。首先利用無損傷吊具依次吊裝梁段斜腹板單元，將腹板單元墊高約500mm后吊裝橫肋單元；然后以中測量塔為基準，精確調(diào)整橫肋組裝位置，橫肋與腹板單元組裝間隙≥8mm時，須調(diào)整橫肋橫向安裝位置，以確保組裝間隙合格；橫肋定位檢測合格后，在橫隔板與腹板單元對接處加引弧板約束，焊接橫肋與底板單元焊縫。

3.3.2腹板單元組焊

1)斜腹板單元精確定位 在橫肋焊接完后，利用底板上的斜腹板組裝位置線及邊測量塔精確定位斜腹板單元，斜腹板上端設置“理論值+4mm”預留橫向焊接收縮量，腹板單元定位時需重點控制縱橫向組裝位置及傾角，以保證梁段制造線形和橫坡。

2)直腹板單元組裝 直腹板單元吊裝至安裝位置后，利用彈性馬板臨時約束，防止其傾倒，再以橫隔板單元為內(nèi)胎，通過底板上的直腹板組裝位置線和垂線器精確定位其橫向位置，直腹板上端設置“理論值+1mm”焊接收縮量，如圖5所示；通過腹板和底板上的節(jié)段橫基線對位精確保證腹板單元的縱向位置，待腹板單元精確定位其縱橫向位置后，采用定位焊的形式約束其位置。

圖5 腹板單元組裝工藝量示意

3)腹板與底板部分熔透角焊縫焊接 ①采用無盲區(qū)焊接小車焊接腹板與底板內(nèi)側(cè)的角焊縫，橫肋過焊孔處采用手工焊接；②內(nèi)側(cè)角焊縫焊接完成后，在外側(cè)氣刨清根后再采用CO2氣體保護焊焊接腹板與底板外側(cè)角焊縫；③腹板與底板焊接完成后，按100%比例對焊縫兩端及中間各1m超聲波無損檢測。

4)腹板對接焊縫焊接 ①為控制腹板單元焊接對鋼主梁線形的影響，采用“壓重+反變形”方案，即根據(jù)腹板對接環(huán)口間隙大小將腹板對接焊縫處的底板頂起8～12mm，同時在腹板另一端放置壓重塊，以減小焊接變形對線形的影響；②將腹板對接縫兩側(cè)的錯臺調(diào)整在2mm以內(nèi)后，采用定位焊接工藝將2個小節(jié)段的腹板連接，再采用CO2氣體保護焊進行打底焊接，焊接前利用腹板對接縫外側(cè)胎架上的千斤頂將兩側(cè)腹板頂緊，以控制焊接角變形；③利用軌道式焊接機器人焊接腹板對接焊縫，焊接完成后進行無損檢測；④然后采用CO2氣體保護焊焊接頂板對接焊縫，在無損檢測合格后，將焊縫打磨平順。

3.4 錨箱單元組焊

九洲航道橋鋼主梁通過錨箱單元焊接連接形成整體，作為斜拉索傳遞橋面荷載的主承力構(gòu)件，其制作質(zhì)量控制較關鍵。對此，根據(jù)鋼主梁結(jié)構(gòu)特點，采用整體制作再切割方案，錨箱單元總拼安裝時通過匹配件臨時栓接，初步定位后解除匹配件，精確調(diào)整組裝位置后進行焊接。

1)由于錨箱單元接口與腹板采用K10角焊縫，在鋼主梁內(nèi)腹板組裝后無法進行安裝，故錨箱單元在工廠制作完成安裝臨時匹配件后，切割為左、右兩部分，同時通過臨時匹配件連接為整體，如圖6所示。

圖6 錨箱組裝焊接

2)由于受起重設備吊裝高度限制，錨箱單元采用整體吊裝方式吊運至安裝位置，吊裝就位后解除錨箱的連接匹配件，對左、右半幅的錨箱進行精確調(diào)整，主要控制錨箱單元的橫縱向尺寸、標高、對接焊縫的匹配性，各項要求滿足后定位，再次安裝錨箱單元之間的匹配件。

3)錨箱焊接時先焊接錨箱與腹板的熔透角焊縫，再焊接錨箱與頂?shù)装宓膶雍缚p，為控制焊接變形，施焊時要求同步、對稱焊接，焊接完成后解除錨箱之間的匹配件，修整時重點控制梁段箱口尺寸精度，尤其是鋼主梁兩端斷面尺寸和錨箱縱橫向尺寸精度。

3.5 鋼主梁預拼裝

為保證九洲航道橋鋼主梁大節(jié)段橋位箱口連接精度，根據(jù)鋼主梁結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)場施工條件，鋼主梁大節(jié)段制作完成后，采用“大節(jié)段+小節(jié)段”的連續(xù)匹配方案，即第N個大節(jié)段鋼主梁制作完成后，將第N+1個大節(jié)段的首個設計梁段與第N個大節(jié)段進行連續(xù)匹配，如圖7所示，以保證梁段箱口的錯邊量。

1)小節(jié)段鋼主梁就位后使用液壓千斤頂，調(diào)整小節(jié)段與大節(jié)段之間的縱向基準線，使2條基準線在同一直線上，同時調(diào)整頂板、腹板及底板各錯臺量，確保錯臺量≤2mm。

2)以大節(jié)段斷面為基準劃出小節(jié)段斷面各板單元的配切線，按線切割配切邊；配切完成后將底板對接縫向上預設3～5mm焊接預變形量，以減小橋位對接焊縫焊接產(chǎn)生的角變形。

3)由于將鋼主梁分割為左、右幅2個大節(jié)段鋼主梁同時制作，加之大節(jié)段鋼主梁的長細比大，其扭曲、旁彎、線形控制難度大，因此重點控制橫梁接口匹配精度。

4 塔梁固結(jié)段制作

九洲航道橋鋼主梁與鋼塔采用固結(jié)，即鋼主梁與鋼塔節(jié)段采用焊接連接形成整體結(jié)構(gòu)。塔梁結(jié)合段總寬31m、長14m、高9.025m，總重約565t[5]。根據(jù)塔梁固結(jié)段結(jié)構(gòu)特點，采用鋼塔節(jié)段和鋼主梁節(jié)段分別制造，再將鋼塔節(jié)段和鋼主梁節(jié)段組焊為塔梁固結(jié)段的方案如圖8所示，該方案有效解決了塔梁固結(jié)段接口關系復雜、制作精度要求高的難題。

圖8 塔梁固結(jié)段制作流程

1)在專用組裝胎架上定位底板單元，再利用門式起重機將制作完成的鋼塔節(jié)段緩慢穿入底板單元，到達組裝位置后，調(diào)整鋼塔節(jié)段垂直度，確保垂直度達到工藝要求。

2)組裝焊接中間腹板后，焊接腹板單元與鋼塔壁板的對接焊縫，然后按線組裝焊接中間隔板單元。

3)利用移梁平車將鋼主梁運至安裝位置后，通過頂升裝置及鋼支墩上的聚四氟乙烯板微調(diào)，檢測合格后焊接鋼主梁與鋼塔節(jié)段形成塔梁固結(jié)段。

5 制作質(zhì)量效果

在九洲航道橋鋼主梁大節(jié)段制造過程中，制定了首件驗收制度，總結(jié)首件大節(jié)段制作技術，并對不合理的制造工藝進行改進，形成合理、先進的制造技術，提升大節(jié)段鋼主梁的制造質(zhì)量。通過對鋼主梁制造線形、梁長、斷面尺寸等主要項點檢測，其結(jié)果表明各主要項點均滿足設計標準要求[6]。針對鋼主梁大節(jié)段制造確定的制造技術先進、科學，有效保證了鋼主梁制造質(zhì)量、降低了制造成本。

6 結(jié)語

在對九洲航道橋分離式鋼主梁結(jié)構(gòu)特點分析的基礎上，針對其制造難點，開發(fā)了鋼主梁大節(jié)段分幅匹配制作技術，通過底板單元整體組裝焊接技術、腹板橫肋交替組裝技術、錨箱單元整體匹配安裝技術、鋼主梁預拼裝技術，有效提升了鋼主梁的制造質(zhì)量和幾何精度，達到了港珠澳大橋“高標準、高質(zhì)量”的建設目標。