復雜變截面開口槽型鋼梁標準化制造技術研究

鄭康康

（浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

鋼結構橋梁的制造施工是一項技術難度高、工程量大的工作，特別是復雜變截面開口槽型鋼梁，它的結構形式多樣、單元構件眾多、截面尺寸不一致，給加工制作帶來了很大的困難。在傳統的加工技術下，開口槽型鋼梁的底板單元、橫隔板單元、腹板單元以及橫梁單元的制造和組裝過程，以及焊接質量的控制都面臨著一系列的挑戰。也難以滿足工程需求。預拼裝是多節段鋼結構制造加工的重要措施，它可以確保現場安裝的順利進行和質量達標，但它也需要大量的人力物力成本，對制造的成本、質量和效率有所削弱。因此，急需提出新的構件加工制作工藝，來保證其加工質量、拼裝精度和整體線型。

1 技術原理

首先，通過BIM 技術，構建了槽型組合梁的精細三維模型。其次，利用先進的數控技術，自動生成精確的材料清單、構件清單以及數控加工文件等關鍵資料。有了這些必要的信息，再利用高精度的自動化數控設備，實現構件的自動化生產和流水線加工，從而大大提高了生產效率和精度。再次，利用高精度的自動化數控設備，能夠實現構件的自動化生產和流水線加工。并按照清單式管理方法對單元件進行制造。單元件制造完成并驗收合格后，組拼腹板單元和橫隔板單元后，將其安裝在底板單元上，然后匹配橫梁單元進行預組，安裝剪力釘并涂裝。單元件組裝拼接在標準化反變形拼裝胎架上進行，保證拼裝定位精度。最終，通過BIM 技術的三維模擬和數據管理功能，能夠進行節段的模擬預裝和整體預裝計算。這有助于將節段加工和安裝后的誤差控制在合理范圍內，確保項目的順利進行[1-2]。

2 工藝流程與操作要點

（1）施工準備。首先進行編制工藝文件，指導生產；再進行繪制施工圖，放樣零部件；選擇機械加工設備，布置設備；考慮工期和吊裝能力，布置場地；最后是在培訓和考試施工人員之后，清楚地規定現場施工各項要求。

（2）鋼板預處理。根據項目聯次備料鋼板，鋼板復驗合格后才能生產，下料前要求移植鋼板的材質和爐批號。鋼板復驗合格后在預處理流水線上除銹，除銹等級達到Sa2.5 級，然后在噴涂車間噴一層底漆，漆膜厚度為20μm，最后移植鋼材的信息。鋼材預處理如圖1 所示。

圖1 鋼材預處理

（3）零件下料。根據設計圖紙和原始模型，建立三維模型和編號系統；利用建模軟件，生成零件圖、構件圖、布置圖，并調整圖紙比例和定位點；利用建模軟件，對材料進行自動套料，分開排版矩形板和異形板，減少型鋼拼接焊縫和材料損耗；導出模型的零件、構件和構件零件清單，用EXCEL 處理數據，并在清單中插入工序信息，加速流轉過程；根據零件的形狀、大小、厚度，確定下料方法和工藝量，選擇合適的切割機、加工機進行下料。數控機器人型材下料如圖2 所示。

圖2 數控機器人型材下料

（4）單元件加工制造。以下是4 種鋼結構單元的制造工藝，分別是底板單元、橫隔板單元、腹板單元和橫梁單元。每種單元的制造工藝都包括以下步驟：①零件切割。采用數控等離子切割機或火焰多頭直條切割機對板材進行精確切割，利用油壓機對加勁進行線形加工。②組焊。按照施工圖上的基準線，確定各個零件的位置，用自動埋弧焊接機或自動角焊機進行組焊，檢查和調整構件的變形。③安裝加勁肋。根據施工圖上的基準線，定位各個加勁肋的位置，按照焊接工藝進行焊接，檢查和調整構件的變形。

（5）單元件組裝。將橫隔板單元吊裝到一側腹板單元上，按照檢驗線的要求，調整橫隔板的位置和垂直度，然后進行定位焊接，最后完成正式焊接。腹板單元與橫隔板單元組拼（一）如圖3 所示。

圖3 腹板單元與橫隔板單元組拼（一）

將另一側腹板單元吊裝到位，按照檢驗線的要求，調整腹板的位置，然后進行定位焊接和卡碼固定。

根據胎架圖紙的要求，制作標準化的反變形胎架。在這個過程中，胎架的縱向尺寸必須與簡支梁保持一致，橫向尺寸則應設定為橋梁的半幅寬度。同時，胎架的支撐點高度必須考慮預拱度和斜坡值，以確保胎架的穩定性和準確性。在上胎板上，需要標記出定位地標點，以便于后續的定位和安裝工作。在完成胎架制作后，應對其進行檢查和驗收，確保其符合要求和標準。標準化反變形胎架如圖4 所示。

圖4 標準化反變形胎架

將底板單元精確地放置在胎架上，并按照預先標記的定位地標點進行對準和固定。這一步驟對于確保底板單元的位置準確性和穩定性至關重要。完成對準和固定后，需要仔細檢查底板單元與胎架的匹配度。如果發現任何不符合要求或存在偏差的地方，必須及時進行調整，以確保整個結構的準確性和完整性。

將腹板和橫隔板單元吊裝到底板單元上，吊裝后，按照檢驗線的要求，調整腹板和橫隔板的位置，不得采用強制裝配的方式；安裝吊耳并進行焊接；對節段進行檢驗和驗收。腹板單元與橫隔板單元組拼（二）如圖5所示。

圖5 腹板單元與橫隔板單元組拼（二）

將橫梁單元精確地吊裝到預制的腹板和橫隔板單元上，需保證橫梁單元與這兩個預制構件的精確對位和穩定連接。完成吊裝后，進行橫梁部件的安裝和配鉆工作，確保橫梁部件與腹板和橫隔板單元之間的緊密配合和固定。隨后，進行半幅節段的尺寸數據測量。橫梁單元組拼如圖6 所示。

圖6 橫梁單元組拼

根據測量得到的數據，進行剪力釘的安裝工作。安裝完成后，進行嚴格的檢驗和驗收，確保剪力釘的位置和固定效果滿足要求。完成驗收后，拆除之前安裝的銷釘和螺栓。檢查吊碼是否完好無損，確保其能夠承受預期的載荷。最后，脫去胎架，準備進行下一步的施工或安裝工作。剪力釘安裝如圖7 所示。

圖7 剪力釘安裝

（6）梁段模擬預安裝。三維攝影測量：利用多角度拍攝和光學原理，能夠獲取節段的三維點云數據。經過篩選和處理，能夠準確測量節段的外形邊界和主要尺寸，為后續的模型重構提供必要的數據基礎。

三維模型重構：通過數字圖像處理技術和空間坐標解算，能夠精確地將點云數據進行拼接。這一步驟對于確定節段的空間位置至關重要。此外，還利用輔助影像來重建節段的三維模型，確保其準確性和完整性。這一精確的重構過程為后續的施工和安裝提供了可靠的參考依據，確保了整個項目的順利進行。

三維模擬預拼：采用BIM 的三維模擬和數據管理手段，模擬多節段的連接效果，控制節段的生產精度，主動控制安裝后的全體精度，避免節段節點的誤差超限。

（7）梁段涂裝。節段整體驗收合格后進涂裝房沖砂，涂裝；檢驗驗收；合格后登記入庫待發運。按照要求，內場涂裝時，保留現場焊接部位兩邊各50mm 不涂裝，并進行保護，等到現場焊接結束并通過檢驗后再補涂。

3 關鍵技術改進

（1）利用BIM 技術和高精度自動化數控設備，能夠有效提升變截面開口槽型鋼梁的加工質量，技術水平高，具有較好的技術效益。

（2）針對復雜變截面開口槽型鋼梁的制作過程進行優化，采用自動焊接設備代替手工焊接，能夠顯著提升焊縫質量，提升制造效率，縮短施工周期，減少單片梁體焊接及返修作業的人工用量（6 人縮短至3 人），可節省大量的人工費，降低施工成本。

（3）該技術能夠節約材料，提升機械化水平，提高結構的可靠性，無須廠內預拼裝，保證現場拼裝后整體線型，具有顯著的社會效益[3-5]。

4 結語

（1）該技術利用BIM 技術和高精度自動化數控設備，實現了構件的智能化、自動化、流水化生產，提高了加工質量和效率。

（2）對于變截面開口槽型鋼梁下料、拼裝、焊接采用自動化、流水化的方式加工制作，生產效率高；采用計算機排版下料，不但可以節約材料，同時提高變截面開口槽型鋼的下料精度。

（3）該技術經過科技查新和行業評審，達到了國內先進水平，并在實際工程中得到了應用和驗證。其不僅具有較好的技術效益，而且具有顯著的經濟效益和社會效益，為鋼結構橋梁工廠提供了一種新的技術方案。