特殊形狀鋼桁梁上弦桿件制造技術

崔天寶

(鄭州中原鐵道建設工程監理有限公司，河南鄭州 450052)

黃岡公鐵兩用長江大橋是新建武漢至黃岡城際鐵路和黃岡至鄂州高速公路的關鍵性控制工程，是集城際鐵路、公路為一體的過江通道，在鄂州市段店鎮三江口附近和黃岡市黃州區唐家渡村附近跨越長江，距下游鄂(州)黃(岡)公路長江大橋約17 km。大橋全長4 008.192 m，其中公鐵合建段長2 568.686 m，公路在上層，為四車道高速公路，設計行車速度100 km/h;鐵路在下層，為雙線客運專線，列車設計行車速度200 km/h，道砟橋面。

黃岡公鐵兩用長江大橋主橋采用(81+243+567+243+81)m雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋(圖1)，具有跨度大、荷載重、運營速度高等特點。其主跨567 m，是目前世界上跨度最大的公鐵兩用斜拉橋。兩座主塔采用鋼筋混凝土結構，塔高190.5 m，塔基礎為直徑3 m的鉆孔灌注樁群樁基礎。主橋斜拉索共有76對、152根，采用平行鋼絲斜拉索，最大長度298 m左右。

圖1 黃岡公鐵兩用長江大橋主橋結構布置

1 主橋結構特點

黃岡公鐵兩用長江大橋主橋鋼桁梁采用N形桁式結構，傾斜方向與斜拉索方向一致。主梁采用雙片桁式結構，為適應公路橋面寬而鐵路橋面窄的特點，兩片主桁傾斜布置使鋼梁橫截面成上寬下窄的倒梯形(圖2)，主桁傾斜角度為20.352 2°。兩片主桁橫向間距:上弦為27.5 m，下弦為16.0 m;桁高15.5 m，節間長度13.5 m。主桁桿件采用箱形截面焊接整體節點結構形式，桿件之間采用高強度螺栓連接，主桁構件的連接采用M30高強螺栓，橋面系和橫向連接采用M26高強螺栓。

公路橋面系采用縱橫梁+鋼正交異性板橋面系，對稱分兩塊制造，在橋位處拼裝焊接在一起;鐵路橋面系采用密橫梁+正交異性整體鋼橋面體系。公路、鐵路橋面板均在橋位處與上弦桿、下弦桿的頂板進行焊接。

圖2 主橋鋼桁梁標準橫截面(單位:m)

為適應斜桁布置形式，主桁上下弦桿均設計為平行四邊形截面。桿件截面內輪廓尺寸水平寬度為1 300 mm，豎直高度為1 800 mm。因為斜拉索下端錨固在上弦桿箱內，兩塊錨板與弦桿腹板熔透焊接，錨管穿出弦桿頂板(圖3)，所以上弦桿結構最為復雜，其桿件主要由腹板、底板、頂板、隔板、橫梁(肋)接頭、豎桿連接板、斜桿連接板及鋼錨箱和導索管等零部件組成。每側腹板各設置2道板式加勁肋，底板、頂板各設1道板式加勁肋。弦桿內側腹板上每隔2 700 mm設置與公路橋面板連接的橫梁接頭，兩側節點板之間設置有斜桿連接板和豎桿連接板。由于是平行四邊形截面，空間幾何體系要比一般的矩形截面復雜，加工制造難度大，所以上弦桿的制造是黃岡橋的關鍵。

圖3 上弦桿結構示意

黃岡公鐵兩用長江大橋是國內第二座采用傾斜主桁的鋼桁梁橋，第一座是鄭州黃河公鐵兩用橋[1]，但鄭黃橋的傾斜角度小于黃岡橋、兩邊主桁也無斜拉索。在黃岡橋鋼桁梁桿件制造過程中，吸取了鄭黃橋鋼梁制造的經驗教訓[2]，保證了制造精度和生產進度滿足鋼梁架設需要。

2 上弦桿件的主要制造工藝

2.1 總體要求和總體制造方案

首先，在制造開工前，由建設單位組織專家對制造單位編制的焊接工藝評定試驗報告和制造規則進行評審;然后制造單位選取有代表性的桿件進行試制和試拼，由監理單位組織評審;評審通過后，制造單位進一步完善工藝工法、工裝設備，開始批量生產。

主桁上弦桿制造方案:采用后孔法和部分零件先孔法，錨管及錨箱安裝與桿件組拼同步進行，桿件拼裝、焊接、調校完畢后，以錨管安裝系統線為基準在劃線平臺上整體劃線，利用整體覆蓋式模板鉆出桿件腹板、蓋板、底板的孔群。橫梁連接板、橫肋連接板、豎桿連接板、斜桿連接板等零件均采用先鉆孔、后拼焊的方案，先孔法鉆孔時預留焊接收縮余量，拼焊時采用專門的定位模具以桿件系統線定位拼裝，確保各孔群之間的相對位置。

2.2 主要制造工藝流程

根據上弦桿的結構特點，其主要工藝流程為:材料復檢→材料預處理→下料及加工→零件除銹涂底漆(主要指后續打砂困難的零件)→單元件的組焊及探傷→單元件矯正、劃線和檢查→專用組裝胎架上組拼→焊接及矯正→劃鉆孔基準線→用鉆孔樣板鉆孔→拼焊附連件→修整割除余量。

所有材料進場后均按相關規范[3]的規定進行材料復檢，并采用輥板機對鋼板進行輥板處理，消除鋼板在軋制過程中的內應力。

頂板、底板及腹板均采用精密切割下料，異形(非矩形)零件采用數控切割下料，下料后根據桿件結構形式，對零件基準邊或焊接邊進行加工。

腹板由節點板及腹板平直段對接而成，節點板及腹板平直段分別下料后，采用機械加工出不等厚對接過渡坡口，再采用半自動切割機切割出對接焊縫的焊接坡口。采用埋弧自動焊將節點板和腹板平直段焊接成整體。

焊縫檢測合格后，在板面上劃出系統中心線，并以系統中心線為基準機械加工腹板兩側基準邊，最后采用半自動切割機切割出焊接坡口。

以加工的基準邊為基準，在腹板內側板面上劃出錨箱支撐板位置線、錨箱墊板位置線及導索管邊緣投影線等。

隔板采用激光切割下料，對中間隔板，可將隔板中部過人孔的加勁環板(即隔板鑲邊)與隔板組裝成部件，但隔板鑲邊與隔板的相互點焊，待與桿件安裝后再焊接。

將錨箱錨板、墊板按設計要求組焊成“井”字形單元構件。錨箱主要由錨箱支撐板、錨箱墊板、導索管和球面墊板、導向擋塊等零件組成。錨箱支撐板之間的焊縫以及與節點板之間焊縫均為熔透焊縫。

錨箱各零件下料后，加工支撐板、墊板焊接邊的焊接坡口。將零件組裝成錨箱部件，并進行焊接。組焊完成后，先取出導管(待上弦桿頂板安裝后再安裝導管)對支撐板之間的熔透焊縫進行探傷檢查。檢查合格后裝入上弦桿箱體內。

2.3 專用胎模的設計

根據上弦桿的結構形式及特點，上弦桿采用正位拼裝法在專用胎模上進行組裝。以底板為基準，依次組裝隔板、腹板、錨箱，最后安裝頂板。

針對桿件組裝及檢查需求，為保證桿件組裝精度且便于制造、檢查，設計一套專用組裝胎架(圖4)。胎模底面設計成與桿件平行四邊形傾角一致的傾斜面，組裝時，底板為傾斜狀態，腹板與地面垂直。胎架兩側設置有立柱和員工走道，以便于安放千斤頂及操作人員走動和檢查。

圖4 上弦桿組裝專用胎架

上弦桿組裝時采用正位放置，節點板朝下(圖5)，因此胎架基準傾斜面離地面一定距離，以便于節點板能懸空放置，與地面不抵觸。胎架兩側桿件隔板部位(包括端部工藝隔板)設置立柱，主要用于安裝腹板時安放千斤頂及作為千斤頂支撐點，確保腹板與隔板之間頂緊，有效控制桿件截面尺寸。

圖5 上弦桿組裝

由于上弦桿單根桿件重量較大，為保證胎架剛度，在桿件組裝時胎架不移動不變形，因此胎架主體框架受力部位均采用HW300×300型鋼，其支撐、穩定輔助零件采用[20槽鋼，支撐板采用δ20 mm鋼板。另在支撐板兩側設置加勁板，提高支撐板剛度，同時為保證胎架基準面傾斜精度，支撐板傾斜邊采用機械銑邊加工，胎架制造時每個支撐板之間相對關系通過精密光學儀器測量找正。

2.4 上弦桿組裝工藝流程

如圖6所示，上弦桿組裝步驟如下:

1)先將底板放置在胎架支撐板上，自然形成設計的傾斜角度。

圖6 上弦桿組裝流程

2)安裝隔板，端部設置工藝隔板。檢查隔板兩側邊緣垂直度。

3)分別安裝兩側腹板。腹板與隔板密貼，底板與腹板密貼。焊接隔板與底板、腹板之間的焊縫。

4)根據腹板上錨箱錨板位置線，安裝錨箱單元件。焊接錨箱錨板與腹板之間的熔透焊縫。

5)安裝頂板。以頂板上導索管開孔位置為基準，安裝頂板。頂板與隔板、腹板相互密貼頂緊。檢查桿件端部截面尺寸及桿件外形各項尺寸。

6)對桿件主焊縫進行焊接。

桿件組焊完成并矯正后，在桿件上劃出鉆孔樣板對位基準線，采用整體覆蓋式胎模分別鉆出腹板、頂板及底板的孔群。

在節點板上劃出橫梁接頭位置線，并以頂板系統中心線為基準，在頂板底面上劃出橫梁腹板對位線。安裝橫梁接頭。先焊接橫梁接頭腹板與頂板的角焊縫，再焊接橫梁接頭底板與節點板之間的熔透焊縫，最后焊接橫梁接頭腹板與節點板之間的熔透焊縫。

3 上弦桿制造關鍵技術

3.1 箱形隔板加工精度及腹板拼裝精度控制

隔板是控制箱形桿件截面尺寸的重要零件，隔板采用激光切割下料，既保證了外形尺寸及邊緣粗糙度要求又節省了機械加工的工序。下料檢查合格后，在專用拼裝胎模上組裝加勁環板，同時暫不將加勁環板與隔板焊接，主要是為了減少焊接變形，待隔板安裝后再焊接環板。

腹板底邊是組裝的基準邊，關系到桿件組裝的外形尺寸及焊縫質量。腹板基準邊均采用機械加工以保證基準邊角度及表面粗糙度。之后再采用半自動切割機切割出焊接坡口。

3.2 錨箱錨板的焊接質量、錨導管定位精度控制

錨箱構件先組裝成單元構件，再整體安裝在桿件內部，安裝時采用將錨箱的空間尺寸通過計算和立體放樣轉化為上弦桿頂板和腹板上的平面定位尺寸，以方便定位;嚴格控制板單元上錨箱定位尺寸的劃線工藝精度，確保定位準確。由于受施焊空間限制且焊接質量要求高，錨箱錨板與桿件腹板之間熔透角焊縫采用單面焊雙面成型工藝，焊縫底部貼鋼襯墊。但錨板厚度較厚，單面焊接坡口時焊縫寬度較大，焊縫變形集中。因此在焊接時，運用小電流、多焊道的焊接方式，盡量減少焊接變形及焊接內應力，保證焊縫質量，同時減少焊接對錨管、錨箱尺寸精度的影響。

導索管位置為空間關系，只用一般測量工具無法準確測量導管角度。在導管定位和檢查時，均采用全站儀，通過空間坐標點定位，計算出導管空間位置，來推算出實際的角度。

3.3 平行四邊形截面尺寸控制

桿件截面尺寸是關鍵控制尺寸，直接影響到桿件的安裝。因此，在桿件組裝時，在桿件端部設置工藝隔板，且保證腹板、底板及頂板與隔板絕對密貼，同時在組裝過程中時刻檢查腹板垂直度，保證桿件截面尺寸，防止整體扭轉。隔板要嚴格按角度進行銑邊。

3.4 頂板平面度的控制

由于內腹板與頂板之間焊縫坡口朝外側，且腹板較厚，坡口深度較深，焊縫填充量較大。加之頂板伸出腹板外寬度較長，因此在焊接時，由于受熱集中導致頂板焊縫部位出現較大的角變形，從而使頂板平面度誤差大大超標。

解決辦法:將焊接坡口調整為雙面坡口，兩側同時進行焊接，使焊縫部位對稱受熱，減少角變形;焊接時，采用小電流多焊道的焊接方法，盡量減小焊接線能量，控制層間溫度，將焊接變形降到最低限度;同時采用邊焊接邊矯正的工藝方法，即焊接時發現頂板有變形趨勢或開始變形，馬上停止焊接，在焊縫另一側進行火焰校正，并在校正平整的基礎上設置一定的反變形量，再繼續焊接。

通過上述處理方法，頂板平面度得到有效控制。

3.5 桿件上各接頭的孔群關系

桿件腹板、底板及頂板兩端孔群均采用先組焊后鉆孔的工藝方法(即后孔法)，避免了焊接變形對孔群的影響。鉆孔采用覆蓋式整體胎模，有效地保證了兩端極邊孔距的精度。

桿件附屬零部件采用先孔法(即先鉆孔，后組裝、焊接)，將空間孔群關系轉變為平面關系，先孔工序制孔，以提高制孔效率。

上弦桿組裝時采用胎膜定位與精確劃線定位相結合的方法，保證了相鄰孔群之間的相對關系，在保證質量的同時提高效率。

3.6 斜桿腹板的定位與焊接

主桁腹桿有斜桿和豎桿兩種，截面形式有工型和箱型兩種。箱型斜桿端口為平行四邊形，四周孔群也呈平行四邊形布置。斜桿腹板與節點板之間呈空間角度關系，定位和檢查難度較大。由于斜桿腹板與節點板之間為熔透焊縫，斜桿腹板的焊接邊焊接坡口對斜桿腹板的定位和測量檢查更是難上加難。為保證斜桿腹板空間角度及孔群尺寸關系精度要求，工藝上采用胎模定位、模擬接頭檢查的雙保險方法。

根據斜桿腹板孔群及節點板上孔群相對關系，設計一套組裝胎模，通過斜桿腹板上的孔群及節點板上孔群定位其相對位置。檢查合格后進行焊接。

按斜桿尺寸制造一根通用的模擬斜桿接頭。斜桿接頭與上弦節點板、斜桿腹板通過拼接板相互連接，以檢查斜桿腹板的角度與孔群尺寸關系是否準確。

3.7 焊接質量以及桿件焊接收縮變形控制

工藝措施:①關鍵焊縫優先選擇質量穩定、效率高的埋弧自動焊進行焊接;②對于有熔透角焊縫的部位采用熱輸入較小的CO2氣體保護焊藥芯焊絲焊接，以減小焊接收縮變形，保證焊接質量;③采用合理的焊接工藝和焊接順序，控制桿件的焊接收縮變形;④在總結以往實踐經驗的基礎上通過首批桿件試制，確定出各類型構件的收縮量，在批量生產時通過加放收縮余量，抵消因焊接收縮對桿件尺寸產生的影響。

4 結語

黃岡公鐵兩用長江大橋主橋鋼梁的順利合龍，驗證了特殊形狀(平行四邊形)截面上弦桿件制造工藝合理可行。根據桿件結構特點，制定總體工藝思路，制造過程中采用機械設備、工裝設備及輔助設施保證每道工序的精度控制，同時采取了各種工藝手段，滿足桿件外形尺寸、孔群精度等各項要求，最終制造出合格的桿件。既確保了桿件制造質量，又避免了架設過程中的返工處理，保證了工期。

[1]高宗余.鄭州黃河公鐵兩用橋技術創新[J].橋梁建設，2010(5):3-6.

[2]朱新華，錢葉祥.鄭州黃河公鐵兩用橋鋼桁梁典型構件制作技術[J].鋼結構，2010，25(5):56-58，70.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10212—2009 鐵路鋼橋制造規范[S].北京:中國鐵道出版社，2009.