柳州官塘大橋鋼拱肋節段制造技術研究

梁晶 張鵬 裴雪峰

【摘 要】本文首先對提籃式拱橋的基本結構做了簡明闡述，然后從鋼拱肋節段的制作難點入手，重點論述了鋼拱肋節段的制造及焊接關鍵技術，以及在制造過程中的焊接變形控制方法。具有實際應用的意義。

【關鍵詞】側裝法；剛性約束；全位置焊接

一、工程概況

柳州官塘大橋為提籃式無系桿拱橋，其跨徑為450米，凈矢高為100m，是目前世界第一大跨度有推力拱肋橋及世界第九大跨度拱肋橋。

主拱肋分為橫梁、橫撐和拱肋制造節段。拱肋劃分為27個吊裝節段，主拱為變截面鋼箱結構，拱肋采用八邊形截面，由頂板、底板、腹板、角壁板、隔板單元及錨管單元等組成，每個板單元上都設置有縱向板式加勁肋，截面寬度為5m，高度為6.0～10.575m。拱肋間采用焊接方式連接，縱向加勁肋間采用栓接連接方式。（見圖1）

拱肋之間共設置8道一字橫撐，橫撐沿拱肋徑向設置；拱肋之間各設置一道橫梁。橫撐采用等寬變高鋼箱結構，截面寬度為2.5m，高度為2.8～6.283m，與拱肋焊接連接。拱肋兩側各設置一道肋間橫梁，橫梁采用等寬變高鋼箱結構，肋間橫梁寬3.024m，高3.5～4.5m。

拱肋主體材質采用Q370qD鋼材，全橋單片拱肋總重約6100多噸。

二、制造難點分析

（1）拱肋為變截面箱型結構，節段焊縫密集，焊接質量要求高，其中頂板、底板、腹板連接處均為熔透焊縫，拱肋節段幾何精度要求高，箱口允許偏差為±2mm，對角線扭轉允許偏差為±3mm。所以拱肋節段的箱口尺寸及扭曲變形的控制有一定的難度，焊接完成后整體線形尺寸精度控制難度較大。

（2）拱肋節段結構形式復雜，且組成板件多，需多次作業才能完成節段整體組裝工作，所以組裝方案的制定須更加合理。

（3）拱肋角壁板為空間曲線結構形式，采用CAD計算機建立實體模型精確放樣，確定零部件制造尺寸。是拱肋制造線形控制的重要環節，是橋位架設線形順利實現的關鍵。

（4）拱肋所有吊桿與主橋中心均傾斜布置，致使拱肋桿件吊索處隔板設置存在多種角度，為箱體的拼裝、焊接工作帶來極大困難；拱肋錨管與箱型底板為斜交設置，錨管的角度精度控制困難。

（5）由于拱肋節段較重，最大節段吊裝重量約為：312.153噸。設計專用組裝胎架進行拱肋的拼裝、焊接。所以在組裝焊接過程中，對起重設備要求高，需要翻身作業，作業難度大。

三、制作工藝

針對拱肋節段特殊結構，生產過程中制定的工藝方案為：在拱肋組裝焊接胎架上組裝塊體，以拱肋桿件的外腹板單元作為基準，依次組裝隔板、內角壁板、頂底板、外腹板、及外角壁板形成箱型結構，縱橫基線準確對位后，四角用胎型碼板固定。拱肋節段制作按照：板塊制作→板單元對接→塊體組裝（槽型）→箱體組裝的工藝流程，成為箱型節段。

（1）板單元制作

將頂、底板、腹板、角壁板分別劃分為2～6個單元件，頂、底板單元最大規格：3988X12866，腹板單元最大規格：4180X12866。由于拱肋節段輪廓尺寸較大，且存在不等厚對接，因此在組裝焊接板單元時根據不同板厚預設不同的反變形量，在專用反變形焊接胎架上進行焊接，以控制焊接變形。

錨管單元由錨管、錨墊板、加勁板、連接板組成。錨管鋸切下料，鋼板輥板后數控精切下料；焰切連接板兩長邊坡口，焰切錨管周圈坡口；將錨墊板置于平臺上，組裝錨管和連接板，焊接、探傷、修整焊接變形；組裝加勁板，焊接、探傷、修整焊接變形。

拱肋隔板為空腹式結構，為了提高鋼板的利用率，將隔板劃分成3-5個單元件。拱肋隔板由隔板、加勁板、人孔加強圈、吊點加強圈、錨管單元等組成。鋼板輥平后數控精切下料；組裝加勁板、人孔加強圈、吊點加強圈，焊接后修整焊接變形；在焊接平臺上將幾個隔板單元件組裝成整體，焊接、探傷、修整板塊焊接變形，重點修整邊緣的波浪變形，滿足制造規則的要求；組裝錨管單元，焊接、探傷、修整焊接變形。

（2）槽型制作

在拱肋組裝焊接胎架上進行塊體組裝，組裝工序為：組裝→加固→焊接→探傷→修整。組裝公差要求按帶錨箱節段塊體制作要求執行。在組裝焊接胎架上按縱橫基線放置內腹板單元，內腹板單元定位后與胎架上的墊塊密貼，檢測腹板單元的平面度，要求平面度控制在2mm以內，檢測合格后與胎架碼板固定連接。依次就位其他腹板單元，先進行縱向對接，再進行橫向對接，探傷后修整腹板單元的焊接變形，滿足規則要求。然后按線組裝隔板單元（隔板位置線在腹板單元上已劃出），重點控制隔板單元的垂直度，尤其控制錨管部位隔板的垂直度，保證錨管的組裝精度。錨管部位的焊縫焊接時可采用剛性約束，控制焊接變形。以縱橫基線為基準組裝內角壁板單元，并進行橫向對接，探傷后修整焊接變形。組裝頂、底板單元，并進行橫向對接，探傷后修整焊接變形。焊接隔板單元與頂板、底板、內腹板、內角壁板之間焊縫，探傷后修整焊接變形。焊接內腹板與內角壁板之間焊縫，頂、底板與內角壁板之間焊縫，探傷后修整焊接變形。

（3）箱體制作

在拱肋組裝焊接胎架上組裝外腹板單元，定位后，先進行縱向對接，再進行橫向對接，探傷后修整腹板單元的焊接變形。組裝外角壁板單元，并進行橫向對接，探傷后修整焊接變形。焊接隔板與外腹板和外角壁板之間焊縫，探傷并修整焊接變形。焊接外腹板與外角壁板之間焊縫，頂、底板與外角壁板之間焊縫，探傷后全面修整箱體焊接變形。修整縱橫基線，參與預拼裝，檢測各項點滿足規則要求后，配鉆加勁肋拼接板，并做好標記。組焊前需要對角壁板進行加固以增大剛性，為保證焊接質量，將角壁板與外腹板的焊接處用碼板固定。

在箱體焊接過程中，按對稱原則施焊，這樣在焊接主焊縫時節段已有較大的剛性，可有效抑制焊接變形，也保證了箱型節段的焊接質量。為保證箱體組裝精度，每次組裝前應對胎架進行檢測，嚴格控制胎架平面度。

四、焊接關鍵技術

在鋼拱肋節段整體組裝、焊接一次作業（槽型）時，頂、底板單元與角壁板的棱角焊縫為雙面坡口熔透焊縫，焊接過程中焊縫填充量較大，焊接變形難以控制，且需要仰焊，焊接操作難度大。因此，我們通過焊接實驗工藝評定，對頂、底板單元與角壁板的焊接坡口進行了優化，并在焊接過程中首次采用大節段無翻身全位置焊接技術，避免了仰焊，從而降低了焊接操作難度，提高了工作效率，節約了成本，為后續鋼拱肋的制造提供條件。見圖2

五、焊接變形控制

對焊接變形的控制，通過預留收縮量、采用剛性約束及選擇合理的組裝、焊接順序和焊接方法等措施實現。

1、預留收縮量

預留收縮量的目的是控制焊接產生的收縮變形，根據經驗公式求得收縮量，并考慮熱矯正和結構的約束情況，結合實際經驗制定零部件的預留收縮量。

在鋼拱肋節段整體組裝一次作業（槽型）時，內腹板單元與角壁板單元的棱角焊縫為坡口熔透焊縫，角壁板單元與兩側頂、底板單元的棱角焊縫為雙面坡口熔透焊縫，所以焊接收縮較大。根據此收縮變形特點，在組裝槽型時，對頂底板單元、腹板單元、角壁板單元預留了不同的焊接收縮。

2、剛性約束

在鋼拱肋節段整體組裝一次作業（槽型）時，由于錨管連接板與錨管及錨墊板的焊接三邊采用雙面坡口熔透角焊縫，由于該處產生角變形較大，使其垂直度無法保證，將影響后續作業組裝精度。所以焊接時在該處設置鋼板約束其角變形，控制錨管連接板垂直度。見圖3

在鋼拱肋節段整體組裝二次作業（箱型）時，由于角壁板與腹板單元及頂底板單元為坡口熔透焊縫，角壁板上收縮變形較大，將影響拱肋整體線形無法保證，并影響后續作業組裝精度。所以焊接時在端部棱角焊縫處設置剛性支撐，約束收縮變形，確保箱口尺寸滿足要求。

3、選擇合理的組裝、焊接順序和焊接方法

（1）組裝時采用“側裝法”由內向外分步組裝的方法，以內腹板單元為基準進行定位組裝其余板單元，對每次作業的精度加以嚴格控制，保證整體的組裝精度。

（2）箱型桿件的頂、底板與腹板八條主焊縫為開坡口的熔透焊縫，當焊縫具備自動焊施焊條件時，采用CO2氣體保護焊打底，埋弧自動焊填充蓋面的工藝進行焊接。焊接過程中適時調整焊絲的對正，嚴格控制四條焊縫的焊接方向一致，以防桿件產生扭曲變形。端部采用一定的工藝措施控制箱口的焊接變形，確保箱口尺寸滿足要求。

（3）在專用的胎架上進行組裝、焊接、修整、檢測，對每次作業制定檢驗標準，以確保各工序作業精度。

六、結語

通過以上技術的應用，有效地控制了鋼拱肋節段的收縮、扭曲、角變形等焊接變形，減少了焊接后修整工作量，使鋼拱肋節段幾何尺寸精度、整體線形、空間角度、錨管連接板平面度等指標得以保證，滿足了現場安裝精度要求。

參考文獻：

[1]《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50-2011）

[2]《鐵路鋼橋制造規范》（Q-RC 9211-2015）

[3]徐亮、李軍平《提籃拱橋鋼拱肋線型控制技術》鋼結構，2017年02期

（作者單位：中鐵寶橋集團有限公司）