懸掛式單軌軌道梁制造精度控制技術(shù)

裴雪峰

（中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006）

0 引 言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的飛速發(fā)展，城市交通系統(tǒng)面臨的壓力與日俱增，很多城市加快了城市軌道交通的建設(shè)步伐[1]。懸掛式單軌是一種高架敷設(shè)的中低運(yùn)量單軌制式，列車懸掛于軌道梁下，車輪沿著軌道梁內(nèi)部空間走行，具有安全、造價(jià)低、施工周期短、占地少、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

軌道梁一般采用標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁，可通過(guò)工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)快速安裝，大大縮短了建設(shè)工期?；凇傲?軌”合一的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，懸掛式單軌軌道梁同時(shí)實(shí)現(xiàn)了承重和導(dǎo)向功能，既是軌道又是橋梁[3]。因此，懸掛式單軌軌道梁的結(jié)構(gòu)形式和尺寸精度要同時(shí)滿足橋梁和軌道的使用條件和要求，對(duì)制造精度要求高，國(guó)內(nèi)已建成的懸掛式單軌僅有幾條試驗(yàn)線，制造精度控制相關(guān)研究較少。

文章以武漢市光谷生態(tài)旅游專線一期工程空軌為懸掛式單軌軌道梁為依托，對(duì)軌道梁制造的精度控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

武漢市光谷生態(tài)旅游專線一期工程空軌為懸掛式單軌軌道梁，全線高架敷設(shè)，由鋼橋墩蓋梁（或支座、橫梁）與軌道梁通過(guò)銷軸進(jìn)行連接，列車懸掛運(yùn)行于軌道梁下方。

武漢市光谷生態(tài)旅游專線空軌效果圖見(jiàn)圖1。

圖1 武漢市光谷生態(tài)旅游專線空軌效果圖

標(biāo)準(zhǔn)跨軌道梁主體截面采用頂部箱型底部空腔開(kāi)口細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，梁內(nèi)壁凈高1 516 mm，梁頂寬1 216 mm，頂板板厚根據(jù)軌道梁跨度不同分為20/32 mm，中隔板板厚為16 mm（支座式梁端加厚為28 mm），底板（走行面）板厚32 mm，中間開(kāi)口尺寸230 mm，腹板板厚20 mm，內(nèi)壁間距836 mm，兩端連接板厚70 mm，連接板與腹板及底板采用搭接焊連接。底板外側(cè)沿縱向通長(zhǎng)設(shè)置寬80 mm 的縱向加勁及橫向小加勁，中隔板上部設(shè)置有小隔板，隔板之間有縱向加勁肋相連。

正線軌道梁包含直線梁、平面曲線梁、豎向曲線梁及平豎疊加雙曲線梁。

軌道梁主要由頂板、底板、腹板、中隔板、加勁板、連接板等組成，除連接板采用Q345qE 鋼外，其余構(gòu)件均采用Q345qD 鋼。軌道梁結(jié)構(gòu)示意圖、標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 軌道梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 軌道梁標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖（單位：mm）

2 軌道梁制造精度控制難點(diǎn)分析

軌道梁截面為底部開(kāi)口的箱型截面形式，箱內(nèi)無(wú)隔板支撐，故軌道梁自身抗扭剛度相對(duì)較弱，因焊接而導(dǎo)致的箱體彎曲、扭曲及傾斜等難以控制。由于主梁底板兼做輪軌走行面，故軌道梁的豎向和平面曲線線形還必須滿足線路的曲線要求。而且，外側(cè)腹板預(yù)留的供電滑觸線連接孔與走行面（底板）距離、主梁腹板間距、兩側(cè)軌道高低差精度要求高。這些關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)的精度控制是制造過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3]，具體如下：

（1）平面曲線線形及腹板間距精度控制。軌道梁結(jié)構(gòu)為空腔開(kāi)口細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無(wú)隔板作為支撐，制造時(shí)難以保證主梁腹板間距尺寸及線路線形。

（2）底板焊接角變形與腹板垂直度控制。軌道梁腹板與底板為全熔透焊接，過(guò)大的焊縫金屬引起的角變形容易導(dǎo)致走行面與導(dǎo)向面的平面度難以滿足設(shè)計(jì)要求，且腹板垂直度較難保證。

（3）底板開(kāi)口間距與兩側(cè)走行面高差控制。軌道梁底板縱向通長(zhǎng)開(kāi)口，受焊接熱變形影響，開(kāi)口間距發(fā)生變化，易造成兩側(cè)走行面產(chǎn)生高差，導(dǎo)致兩側(cè)底板錯(cuò)臺(tái)量控制難度加大。

（4）軌道梁豎向和平面曲線線形精度控制。軌道梁主要路線包括直線、平面曲線、豎向曲線及疊加空間曲線等類型。由于主梁底板兼做輪軌走行面，故軌道梁的豎向和平面曲線線形還必須滿足線路曲線要求，尺寸精度及形位公差要求嚴(yán)格。

3 軌道梁制造精度控制技術(shù)

3.1 軌道梁設(shè)計(jì)精度要求

軌道梁精度對(duì)保障車體運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)性和舒適性極為重要。因此，設(shè)計(jì)單位對(duì)軌道梁成品尺寸精度要求作了嚴(yán)格規(guī)定，具體要求見(jiàn)表1[4]。

3.2 軌道梁制造精度控制措施

3.2.1 下料精度控制

軌道梁為開(kāi)口箱型結(jié)構(gòu)，底板采用2 塊厚32 mm的鋼板兼做走行面。從表1 可知，設(shè)計(jì)要求2 塊走行面錯(cuò)臺(tái)量Δ1≤1.5 mm，走行面輪廓度不大于1 mm/m，且須將2 塊底板間縱向通長(zhǎng)開(kāi)口尺寸（230 mm）的誤差控制在0～+2.0 mm，對(duì)底板下料精度的要求很高。

經(jīng)研究分析和反復(fù)試驗(yàn)，底板最后采用整體數(shù)控下料的方式，即在數(shù)控精確下料時(shí)，在2 塊底板之間每隔1.5 m 設(shè)置1 處寬度為160 mm 的工藝連接勁板（厚度為32 mm，與底板厚度相同），下料時(shí)將2塊底板同時(shí)下出。通過(guò)這種方法，既避免了2 塊底板分開(kāi)下料時(shí)的錯(cuò)臺(tái)，又保證了2 塊底板的下料精度，為后續(xù)底板單元和軌道梁制造精度控制提供了保障。

底板下料精度控制見(jiàn)圖4。

圖4 底板下料精度控制

3.2.2 焊接接頭設(shè)計(jì)

腹板與底板焊縫為軌道梁主要受力焊縫，為全熔透焊接，此焊縫焊接變形將直接影響走行面與導(dǎo)向面的制造精度控制，因此焊接接頭設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。首先考慮內(nèi)側(cè)焊縫焊接量不宜過(guò)大，一是從走行面變形考慮，二是軌道梁內(nèi)部設(shè)置有大量臨時(shí)加勁，連續(xù)焊接受限；同時(shí)，內(nèi)側(cè)焊接量也不宜過(guò)小，內(nèi)側(cè)焊接量過(guò)小將導(dǎo)致外側(cè)焊縫清根量增加，焊縫填充量過(guò)大，再加上靠近焊縫位置無(wú)腹板加勁加強(qiáng)，焊接變形約束困難，焊接變形加劇，從而導(dǎo)致走行面與導(dǎo)向面的平面度控制難度加大。

在軌道梁制造中，經(jīng)過(guò)不斷總結(jié)和反復(fù)優(yōu)化，最后確定的腹板與底板全熔透焊接接頭設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 腹板與底板全熔透焊接接頭設(shè)計(jì)示意圖

3.2.3 立體工裝使用

針對(duì)軌道梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套立體工裝用于軌道梁整體組裝焊接。工裝由平臺(tái)滑軌、標(biāo)高調(diào)節(jié)裝置、限位卡蘭、外側(cè)限位頂鎬、內(nèi)側(cè)工藝隔板組成。使用時(shí)，將平臺(tái)滑軌、標(biāo)高調(diào)節(jié)裝置、限位卡蘭、外側(cè)限位頂鎬組合在一起，置于軌道梁節(jié)段外側(cè)，將內(nèi)側(cè)工藝隔板置于軌道梁內(nèi)側(cè)，內(nèi)外兩側(cè)通過(guò)安裝在限位頂鎬和工藝隔板上的螺栓調(diào)節(jié)，使得軌道梁主體與內(nèi)外工裝之間始終處于頂緊狀態(tài)。立體工裝的使用不但有利于軌道梁的整體組裝精度控制，同時(shí)起到了約束焊接變形的作用。

軌道梁整體組焊工裝、工裝使用見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 軌道梁整體組焊工裝

圖7 軌道梁整體組焊工裝使用

3.2.4 制造拱度設(shè)置

軌道梁節(jié)段有6 道縱向主焊縫，焊縫焊接變形使軌道梁出現(xiàn)焊后下?lián)?，很容易?dǎo)致軌道梁焊后拱度不滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)軌道梁豎向曲線線型帶來(lái)影響。制造時(shí)，在“設(shè)計(jì)線形+ 預(yù)拱度”的基礎(chǔ)上，根據(jù)梁長(zhǎng)不同和試驗(yàn)值，按1.5‰增設(shè)工藝拱度。

軌道梁制造時(shí)拱度設(shè)置為：h=f設(shè)+1.5‰×L，式中：f設(shè)為設(shè)計(jì)拱度；L 為設(shè)計(jì)梁長(zhǎng)。

從檢測(cè)情況可知，按1.5‰增設(shè)的工藝拱度值可以抵消軌道梁節(jié)段因焊縫收縮產(chǎn)生的下?lián)献冃瘟?。同時(shí)，工藝拱度的設(shè)置，也對(duì)軌道梁加工制造豎向線型的精度控制起到了較好的作用。

3.2.5 焊接工藝制訂

焊接工藝的制訂是軌道梁焊接變形控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為滿足軌道梁焊縫力學(xué)性能要求，根據(jù)焊接工藝評(píng)定結(jié)果，選擇與母材相匹配且低溫沖擊韌性高的焊接材料。為減小軌道梁各制造環(huán)節(jié)的焊接變形，所有焊接工藝的制訂均以熱輸入較小的CO2氣體保護(hù)焊為主。

為提高全熔透角焊縫打底焊道抗裂性能，腹板與底板全熔透角焊縫采取了CO2氣體保護(hù)焊實(shí)心焊絲打底、藥芯焊絲填充蓋面工藝，軌道梁其余焊縫均采用熔敷效率高、外觀成型好的CO2氣體保護(hù)焊藥芯焊絲焊接。僅有部分鋼板接料采用了埋弧自動(dòng)焊。需要注意的是，所有焊縫均在軌道梁組焊工裝的約束下焊接完成。

3.2.6 合理選用組裝-焊接順序

板單元制作檢驗(yàn)合格后，參與軌道梁節(jié)段整體的組裝。根據(jù)制造工藝方案，軌道梁整體組拼采用“正裝法”進(jìn)行。組裝順序?yàn)椤岸ㄎ坏装鍐卧M裝一側(cè)腹板單元—組裝中蓋板單元—組裝另一側(cè)腹板單元—組裝頂板單元”。

同時(shí)，在確定合理的組裝順序基礎(chǔ)上，結(jié)合軌道梁構(gòu)造特點(diǎn)，制定了嚴(yán)格的焊接順序。

軌道梁節(jié)段整體組焊順序見(jiàn)表2。

表2 軌道梁節(jié)段整體組焊順序

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，共計(jì)884 根軌道梁廠內(nèi)制造已經(jīng)全部完成。經(jīng)檢驗(yàn)，全部滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明，軌道梁制造時(shí)采用的下料精度控制、焊接接頭設(shè)計(jì)、立體工裝使用、制造拱度設(shè)置、焊接工藝制訂等一系列技術(shù)措施，減小了制造中各類變形因素的影響，實(shí)現(xiàn)了軌道梁的制造精度控制，為項(xiàng)目順利施工起到了關(guān)鍵作用。