420 m網(wǎng)狀吊桿拱橋拱肋提升錨固段制造工藝

肖學(xué)成

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西 寶雞 721006)

0 引言

近年來,我國橋梁建設(shè)實現(xiàn)“跨越式”大發(fā)展,大跨度網(wǎng)狀吊桿拱橋橋型結(jié)構(gòu)優(yōu)美、自重較輕、截面抗扭剛度大、跨越能力大等優(yōu)點[1],在大跨徑橋梁中得到廣泛采用。濟南某黃河大橋主橋采用420 m跨徑系桿拱橋,利用網(wǎng)狀吊桿布置改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,顯著降低了拱梁在運營荷載作用下的彎矩,充分體現(xiàn)“拱肋受壓、系桿受拉”的力學(xué)意圖[2],展現(xiàn)了系桿拱橋在400 m以上跨度的技術(shù)經(jīng)濟競爭力。但網(wǎng)狀吊桿拱橋受力情況復(fù)雜,吊桿角度多變,施工過程中出現(xiàn)的不確定性因素繁多,為了確保橋梁施工關(guān)鍵階段的順利進行、保證橋梁施工的質(zhì)量和安全,有必要對施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)和施工控制進行研究[3]。本文以濟南某黃河大橋為工程背景,對主橋拱肋施工過程中提升錨固段的制造工藝進行了闡述。

1 工程概況

濟南某黃河大橋主橋長度為1 170 m,跨徑布置為(95+280+420+280+95)m,標(biāo)準(zhǔn)斷面全寬60.7 m[4]。鋼箱拱包含一個420 m主拱和兩個280 m主拱,均為二次拋物線形的提籃形拱,拱肋內(nèi)傾角度3°,矢跨比1/6;主拱均由拱肋、拱肋連接、橫撐三部分組成;工程量共約1.4萬t。主橋效果圖如圖1所示,主橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

主橋420 m跨采用三段法安裝,300 m中段拱肋采用“低位拼裝、垂直提升安裝”的施工方案[5],為了滿足拱肋提升安裝施工需要,其中420 m主拱在300 m中段拱肋的兩端安裝提升錨固座,提升錨固座與連接拱肋節(jié)段組合成提升錨固段。300 m中段拱肋整體提升示意圖如圖3所示,提升錨固段示意圖如圖4所示。

2 提升錨固段結(jié)構(gòu)簡介

提升錨固段包括連接拱肋節(jié)段與提升錨固座兩部分,連接拱肋節(jié)段由頂板、底板、內(nèi)腹板、上側(cè)外腹板、下側(cè)外腹板、隔板、錨拉板及吊耳組成,提升錨固座由外腹板側(cè)支撐、支撐、連接板、連接底板、下支座組成。連接拱肋節(jié)段主要受力板件采用Q420qE鋼,主要厚度40 mm～60 mm,斷面為五邊形箱形,長度9.9 m,寬度3.5 m,高度4.1 m,沿拱軸線保持等高等寬,質(zhì)量約84.7 t。提升錨固座結(jié)構(gòu)采用Q420qE鋼,主要厚度為30 mm～50 mm的鋼板,長度6.2 m,寬度5.3 m,高度為5.2 m,質(zhì)量約為43.9 t。連接拱肋節(jié)段結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示,提升錨固座結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

3 提升錨固段制造重難點分析

本橋420 m跨鋼拱肋為提籃拱形空間結(jié)構(gòu),拱肋內(nèi)傾角度為3°;整體提升中段拱肋長為300 m,自重約為6 363.5 t,豎向垂直提升距離為27 m;提升錨固段是中段拱肋提升施工最重要的受力構(gòu)件之一,制造安裝精度要求高;采用合理的組裝、焊接工藝,是保證提升錨固段整體制造質(zhì)量及精度的重點,綜合拱肋本身的結(jié)構(gòu)特點、運輸條件、架設(shè)環(huán)境、現(xiàn)場的自然環(huán)境等因素,制造難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)連接拱肋節(jié)段制造質(zhì)量控制。連接拱肋節(jié)段的頂、底、腹板板厚大且熔透焊縫多,焊后鋼箱節(jié)段的整體線形精度控制難度大;拱肋腹板加勁與腹板間均采用坡口焊縫焊接變形大,板單元的焊接變形控制困難。吊耳位置焊縫密集且鋼板厚度大,導(dǎo)致焊接填充量大、焊接接頭應(yīng)力集中[6],焊接變形難以控制。

2)提升錨固座制造質(zhì)量控制。提升錨固座結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鋼板板厚大、結(jié)構(gòu)空間狹小、焊縫密集、組裝精度要求高,且與連接拱肋節(jié)段之間的焊接位置受限,制造質(zhì)量難以保證。

3)連接拱肋吊點位置組裝精度控制。本橋拱肋所有吊桿網(wǎng)狀布置,使拱肋桿件吊索處的吊點隔板設(shè)置存在多種角度,吊耳與拱肋箱型底板為斜交設(shè)置,吊點位置組裝精度難以控制。

4 提升錨固段制作方案與關(guān)鍵工藝

4.1 總體方案

根據(jù)提升錨固段的結(jié)構(gòu)特點和制造重難點,經(jīng)過認真分析和多種方案的對比研究,采取“化整為零、逐個攻克”的辦法,確定將提升錨固段分成提升錨固座和連接拱肋節(jié)段兩個部分單獨制作,并且進一步地將提升錨固座分解成多個散件,最后在橋位與拱肋節(jié)段組裝成整體的制作思路。

1)提升錨固座結(jié)構(gòu)制作分為4步完成:第1步制作板單元件;第2步制作下支座塊體;第3步板單元件和下支座塊體進行防腐涂裝后公路運輸至橋位現(xiàn)場;第4步在橋面拱肋拼裝胎架上將提升錨固座散件與拱肋節(jié)段組裝。

2)連接拱肋節(jié)段結(jié)構(gòu)制作分為6步完成:第1步制作板單元件;第2步組裝槽型;第3步拱肋箱體形成;第4步拱肋節(jié)段水平預(yù)拼裝;第5步拱肋節(jié)段防腐涂裝后公路運輸至橋位現(xiàn)場;第6步拱肋節(jié)段與提升錨固座散件組裝焊接。

4.2 組裝工藝

4.2.1 提升錨固座組裝工藝

受橋位工況和運輸條件限制,在廠內(nèi)將提升錨固座分為外腹板側(cè)支撐、支撐、連接板、連接底板、下支座5部分分別制作,運輸至橋位后將各部分安裝于拱肋節(jié)段上。提升錨固座廠內(nèi)組裝工藝流程如圖7所示。

桿件焊接變形控制措施:

下支座蓋板與腹板間組焊過程中嚴格控制四條焊縫的焊接方向一致,以防構(gòu)件產(chǎn)生扭曲變形;端部采用內(nèi)支撐措施控制箱口的焊接變形,確保箱口尺寸滿足要求[7]。

4.2.2 連接拱肋節(jié)段組裝工藝

鋼箱拱常規(guī)的組裝工藝為隔板與吊耳板組裝為整體隔板單元參與箱型的組裝,采用常規(guī)的箱型組裝工藝制作拱肋節(jié)段在生產(chǎn)制造中存在以下缺點:

1)吊耳板的組裝定位精度要求高,很難控制頂、底、腹板之間及隔板與頂、底和腹板之間的組裝偏差積累。

2)頂?shù)赘拱彘g的熔透焊縫,吊點隔板與頂?shù)赘拱彘g的熔透焊縫,很難控制各熔透焊縫處的組裝間隙和焊接變形對吊點位置的影響。

針對上述常規(guī)組裝工藝存在的問題,提出了一種結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、合理的拱肋節(jié)段組裝方法,既能有效解決組裝精度偏差大的問題,又能有效保證制造精度、焊接質(zhì)量和組裝效率,可操作性和適用性強。具體組裝工藝如下:

1)將內(nèi)腹板單元穩(wěn)固置于平臺上,組裝隔板單元,然后按組裝位置尺寸將頂板單元1、底板單元和下側(cè)外腹板單元依次組裝成箱型;接著修整箱型的焊接變形等,使箱型幾何尺寸滿足要求后,將內(nèi)腹板單元、頂板單元、底板單元及下側(cè)外腹板單元之間焊縫的焊接,并將隔板單元與內(nèi)腹板單元、頂板單元、底板單元及下側(cè)外腹板單元之間的焊縫焊接。

2)將錨拉板依次穿過底板單元上的預(yù)留孔插入隔板單元的面板的錨拉板安裝槽口,調(diào)整錨拉板的位置和角度滿足要求后,完成錨拉板與隔板單元、底板單元之間的組裝焊接,檢驗合格后將上側(cè)外腹板單元參與組裝焊接。

3)按尺寸要求組裝吊耳板于錨拉板的下端,然后組裝箱外焊接于錨拉板和吊耳板連接處的加勁板,完成整個鋼箱拱段的組拼。

連接拱肋節(jié)段組裝工藝流程示意圖如圖8所示。

箱體的整體幾何尺寸控制措施:

1)頂、底、腹板單元加勁肋焊接時兩側(cè)采用雙小車焊接,在焊接中嚴格控制兩側(cè)焊縫的焊接方向一致,按照對稱的原則進行施焊,以防縱肋產(chǎn)生焊接扭曲變形。板單元加勁肋雙小車焊接如圖9所示。

2)箱體棱角焊縫兩端500 mm外側(cè)清根后與中間焊縫同時焊接,焊接過程中嚴格控制焊縫的焊接方向一致,以防構(gòu)件產(chǎn)生扭曲變形;端部采用內(nèi)支撐措施控制箱口的焊接變形,確保箱口尺寸滿足要求[8]。

4.2.3 提升錨固段整體組裝工藝

提升錨固座與連接拱肋節(jié)段組裝工藝流程示意圖如圖10所示。

整體組裝精度控制措施:

1)提升錨固座連接板在廠內(nèi)機加工兩長邊,保證兩接觸邊組裝間隙;組裝時采取防傾倒措施,并采用無痕磁力馬板確保連接板的垂直度[9],并采取一定的焊接變形控制措施;相鄰連接板間設(shè)置支撐塊,保證組裝間距;利用定位工裝嚴格控制銷孔的同心度。

2)連接板與連接底板間組焊過程中嚴格控制八條焊縫的焊接方向一致,以防構(gòu)件產(chǎn)生扭曲變形;對底板采用剛性約束和反變形工藝措施減小焊接變形量。

4.3 焊接工藝及坡口設(shè)計

連接拱肋節(jié)段的截面為五邊形箱型,節(jié)段頂板、底板、腹板鋼板厚度均分布在40 mm～60 mm之間,頂(底)板與腹板主焊縫設(shè)計為兩端頭各500 mm的熔透焊縫、中間為坡口焊縫,永久吊耳位置隔板與拱肋腹板連接焊縫均為熔透焊縫。廠內(nèi)制造時采用大節(jié)段組焊技術(shù)[10],減少橋位焊接作業(yè),通過對大節(jié)段進行翻身,來確保節(jié)段主要棱角焊縫處于平位和橫位,提高焊接質(zhì)量。提升錨固座各構(gòu)件間均為坡口角焊縫連接。為了減少焊接變形,連接拱肋節(jié)段和提升錨固座所有焊縫均采用焊接線能量較小的手工電弧焊或CO2氣體保護焊。受結(jié)構(gòu)焊接空間限制,提升錨固座中間連接與連接拱肋節(jié)段底板、腹板焊縫焊接位置為仰焊,提升錨固座中間連接的腹板與底板焊接位置為橫焊,為了確保焊縫質(zhì)量,滿足焊工操作空間需要,采用背面貼鋼襯墊單面焊雙面成型的焊接工藝,鋼襯墊統(tǒng)一安裝在提升錨固座中間連接腹板里側(cè),焊接時從外側(cè)焊接。吊點位置焊縫長期受交變荷載作用,為了提高該部位焊縫疲勞性能,采用超聲波錘擊設(shè)備對主要受力焊縫進行消應(yīng)力處理。主要連接拱肋節(jié)段的主要焊縫坡口設(shè)計如圖11所示,焊縫超聲波錘擊消應(yīng)力處理如圖12所示。

5 關(guān)鍵工藝保證措施

5.1 提升錨固段制造精度保證措施

1)設(shè)計合理可靠的組裝胎型,控制桿件、箱體的組裝精度。

2)采用合理的焊接工藝、焊接順序,在專用胎型上采用反變形措施焊接,并通過對節(jié)段進行翻身,避免仰位焊接,來減小焊接變形對節(jié)段精度的影響。

3)拱肋節(jié)段制作時預(yù)留一端頭200 mm二次切頭量,在桿件制作結(jié)束時進行二次切頭,確保制作精度。

4)提升錨固段上不留合龍配切量,采用邊段配切合龍,考慮到提升后高空狀態(tài)下整體穩(wěn)定性差,空間結(jié)構(gòu)姿態(tài)難以保證,與軸線正交的合龍口在從下往上提升過程中就位困難,將連接拱肋節(jié)段的合龍口改為豎直切口,中段拱肋提升到位后,邊段拱肋與中段拱肋直接焊接合龍。提升錨固段合龍口切口調(diào)整、成功合龍圖如圖13所示。

5)拱肋預(yù)拼裝采用“4+1”的平位預(yù)拼裝方式,每輪預(yù)拼裝完成后預(yù)留一個復(fù)位構(gòu)件,兩片鋼拱肋分別進行,采用平面轉(zhuǎn)展法一次按順序內(nèi)腹板向下按軸線擺放拱肋節(jié)段。

5.2 拱肋吊點位置組裝精度控制措施

1)三維建模放樣吊桿節(jié)點的角度關(guān)系,確保吊耳隔板的安裝角度;優(yōu)化拱肋節(jié)段組裝工藝,采用吊耳板后裝的工藝減小焊接變形對吊耳板安裝精度的影響,有效解決組裝精度偏差大的問題。

2)吊耳板與吊點隔板焊接時可采用剛性約束減小焊接變形的影響,保證拱肋節(jié)段的制造精度。

6 結(jié)語

本項目鋼拱肋已全部順利架設(shè)完成,鋼拱肋節(jié)段長度、吊耳空間角度、提升錨固座安裝精度、合龍精度等各項技術(shù)指標(biāo)檢測均符合設(shè)計及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。本文針對420 m網(wǎng)狀吊桿拱橋拱肋提升錨固段的結(jié)構(gòu)特點和重難點,詳細闡述了制造工藝,采取的關(guān)鍵工藝措施科學(xué)合理,取得了良好的效果,可為國內(nèi)同類結(jié)構(gòu)的制造提供參考。