淺析鋼拱橋矩型拱肋的制造技術

王利

摘要：隨著國家加快城市橋梁的發展，鋼拱橋以其造型美觀、適用于城市河道上的景觀設計。本文以韓國釜山鋼橋項目為例介紹了鋼拱橋拱肋曲線線形的控制及箱型拱肋的制造技術關鍵控制點和制造工藝，這些工藝及控制措施可以為類似的項目的制造提供參考。

關鍵詞：鋼拱橋、箱型拱肋;板單元制造;節段組裝;線形控制;接口間隙

1? 項目概述

韓國釜山鐵路鋼橋位于釜山新港，由六座鋼箱梁橋和一座鋼拱橋組成，其中N9鋼拱橋是里面跨徑最大，制造難度最高的一座下承式拱橋，跨徑為100m，矢高為18.7m，鋼拱橋的拱肋為變截面矩型，單側整幅拱肋共劃分成十二個節段，左右兩幅對稱設計，全橋拱肋共計劃分二十四個節段。

2? 鋼矩型主拱肋結構特點及制造工藝難點

韓國釜山鋼拱橋主拱肋采用矩形變高鋼箱加勁肋截面結構，拱軸線采用二次拋物線線形，拱軸線的方程式為：Y=4F/L^2*X*（L-X），矩型拱腳處截面梁高為2.1m，拱頂處截面梁高為1.42m，鋼拱肋橫向等寬1.2m。拱肋節段間連接采用高強螺栓栓接;拱肋內部采用縱向板式直條型加勁肋加強，加勁肋間距隨著拱肋截面變化而相應調整。兩主拱肋間設置了3根橫撐梁，控制著主拱肋的橫向穩定。單幅拱肋共分成12個小節段，左右兩幅共計24個小節段。拱腳處拱肋與橋面系主梁為整體節段。

矩型主拱肋節段的制造工藝控制點主要有以下幾點：1）要控制矩型主拱肋的單元制造的精度，包括下料精度和拼裝精度;2）要控制主拱肋各個小節段的組焊精度;3）要控制主拱肋的相鄰節段兩端口匹配的間隙精度控制。

3? 矩型主拱肋制造工藝及相關難點控制措施

3.1主拱肋節段制作的工藝方案

鋼拱橋主拱肋的節段制作工藝方案主要為：先制作板單元構件，然后再單個拱肋小節段進行整體組裝、即將單個拱肋節段分成若干個板單元構件，劃分的主要的板單元構件有：頂板單元構件、底板單元構件、左右腹板單元構件、中間隔板單元構件等。然后組裝成小節段后進行修整，運至涂裝車間進行除銹油漆涂裝，轉運至現場整體預拼裝。

待各板單元制作完成并檢驗合格后，開始進行主拱肋小節段的組裝工作，先進行組裝胎架工裝的制作，每個節段的胎架線形控制按照設計的節段線形加放焊接反變形量以及預拱變形量，確保節段線形準確。然后再以底板單元為基準面，采用正裝法組裝節段。即先將底板單元放至線形工裝胎架上，胎架上設置每個節段的專用線形模板。依次進行板單元構件組裝;進行底板放置專用胎架上臨時固定，再吊裝隔板單元，按照底板單元上的隔板定位線進行定位固定，控制隔板間距尺寸以及與底板單元的角度尺寸，保證每塊隔板單元的垂直角度向著拱軸線的法線方向。接著組裝拱肋節段左右兩側腹板單元構件，將腹板單元與底板單元和隔板單元進行定位固定，可以采用點焊方式或采用專用夾具固定，最后再吊裝頂板單元構件，使其與左右兩側腹板和各個隔板單元固定，控制頂板單元與隔板單元間隙。然后進行各板單元間的焊接，采用偶數焊工對稱施焊法進行;先焊接左右腹板與底板的角焊縫，采用在箱內焊接，外側用碳弧氣刨后焊接。再焊接腹板與隔板的角焊縫，將節段翻身后焊接腹板與頂板的角焊縫。最后再焊接隔板與頂板、腹板以及底板之間的角焊縫，腹板組裝后進行焊縫修整、檢測，保證腹板與頂度、底板的角焊縫熔透。

板件在下料時底板單元、腹板單元、頂板單元在長度方向的一端需要預留二次切割余量，以保證鋼拱整體成型后的尺寸精度。節段環縫處板單元采用一端先孔法鉆孔，另一端采用后孔法工藝施工，保證節段間預拼裝時螺栓孔距能夠滿足間隙尺寸控制要求，同時也保證各連接板能夠很好的匹配。

3.2 左右腹板單元制造工藝

主拱肋節段的左右腹板為曲線線形構造，腹板單元的上下邊緣的曲線線形是控制主拱肋整體曲線線形滿足要求的關鍵點，為了保證左右腹板線形滿足設計及施工線形要求，對腹板上下邊進行整體切割，對兩邊的焊接坡口進行機加工。

腹板單元制作工藝：

（1）腹板下料：由于腹板寬度是變化的，在兩拱腳處的拱肋節段腹板寬度較大，鋼材供應商無法提供此寬度的鋼板，因此須對整個腹板進行鋼板對接，鋼板下料采用數控火焰切割下料，保證腹板線形準確。腹板對接坡口應采用銑邊機床上加工焊接坡口，并在專用的拼裝水平胎架上，采用埋弧自動焊進行板間對接焊，在平臺上劃出縱向加勁肋的裝配位置線。

（2）加勁肋加工、裝配、焊接：縱向加勁肋經下料、調直后利用特制的樣板進行兩端頭連接配鉆孔，按腹板板塊上劃出的加勁肋位置線組裝并焊接加勁肋，確保加勁肋的相對位置。加勁肋的焊接應采用偶數焊工進行對稱分段施焊。

（3）修整、劃線：板單元焊接完成并外觀檢驗合格后進行變形修整，并劃板單元定位基準線，即縱橫基準定位組裝線，以方便節段組裝匹配定位。

3.3 頂、底板單元制作

根據設計線形，頂、底板單元為矩形單元，在板厚方向上設有一定線形量。為了保證線形控制整體要求，在組裝加勁肋前進行預變形處理;另外，組裝時應在設有反變形的胎架上進行，胎架上設有可調節線形的裝置;加勁肋的焊接按照規定的焊接順序進行對稱分段施焊。焊接順序要求是先中間后兩邊，先里后外，先下后上。板單元的制作工藝控制點有：

（1）下料時長度方向要預留二次切割余量，寬度方向僅預留焊接收縮量。

（2）所有零件全部采用火焰數控切割機下料，在專用胎架上按線形組焊加勁肋，控制加勁肋的直線度、線形、以及與頂底板之間的間隙。頂板單元應采用倒裝法施工，即將頂板倒放置胎架上，組裝加勁肋。底板單元采用正裝法施工，即以底板為基準面，正裝縱向加勁肋板。安裝縱向加勁肋板前，應在加勁肋板位置處將焊縫區域打磨光滑。

（3）采用簡單馬板定位裝置，定位組裝加勁肋，保證加勁肋的直線度、垂直度以及線形，控制加勁肋與頂、底板間隙。焊接加勁肋應采用對稱分段施焊順序，減少板單元的焊接變形。

（4）劃出板單元縱橫向定位基準線，劃出板單元余量端線。

3.4 隔板單元制作

隔板作為矩形主拱肋節段的組裝內胎使用，控制著節段精度尺寸，控制其制造精度直接影響著拱肋節段的精度尺寸。隔板下料時應優先使用數控下料或等離子切割機下料;在組焊縱橫加勁肋板時，宜選用線能量小的焊接參數，以控制板單元焊接變形。

3.5 主拱肋節段拼裝焊接

主拱肋節段拼裝應在專用線形胎架上進行，胎架線形應設有反變形量，胎架強度和剛性應滿足節段組裝的穩定性要求。

拱肋節段拼裝焊接時的控制關鍵點有：第一是要嚴格控制主拱肋節段兩端口截面幾何尺寸;第二是要控制好節段的整體線形要順滑一致;第三要控制節段端口間螺栓孔群的加工精度。

3.5.1 主拱肋節段裝配精度控制要點

（1）要保證主拱肋的外形幾何尺寸，避免產生大的應力和焊接變形，拱肋的焊接應采用先內部后外部、先下部后上部、先中心后兩邊的對稱分段焊接原則;

（2）采用“同步式”組裝的原則。為了保證拱肋組裝精度，采取邊組裝、邊控制、邊修整的組裝原則，以避免組裝后出現變形較大修整困難。

（3）嚴格對線組裝。要利用板單元劃出的縱橫基準線進行定位組裝。

（4）在靠近拱肋兩端口的端頭附近處設置工藝隔板或臨時支撐控制端口匹配尺寸。

（5）要嚴格控制熔透焊縫的焊接質量，選用合理的焊接參數，包括焊接坡口的設置、焊接方法的選用、防風防雨防潮的措施。同時為了避免仰焊，采用構件翻身焊接。

（6）要嚴格控制組裝間隙，特別是頂底板單元與腹板單元間的重要焊縫間隙。

3.5.2 焊接變形的控制措施

（1）由于拱肋采用的板材一般較厚，在焊接過程中接頭的冷速快，焊接殘余應力會較大，容易產生冷裂紋等缺陷。為了避免這些缺陷的產生，在焊接前采取對鋼板進行加熱措施控制焊接質量。

（2）通過焊接工藝規程控制焊接變形量，就是在項目開工前，通過制定合理的焊接工藝評定試驗以及組織焊工考試，確定合理的焊接工藝參數以減少焊接變形及焊接缺陷的產生。

3.6 節段端口間螺栓孔群的加工精度的控制

相鄰節段在組裝時應都好端口匹配，在預拼裝檢驗合格后及時安裝好臨時匹配件控制相鄰間隙。相鄰節段應保證一側在組裝前采用先孔法先鉆好孔，可利用鉆孔模板進行配鉆。另一節段匹配端采用后孔法，在預拼裝完成后進行配鉆，采用鉆孔模板進行配鉆。匹配連接板應采用相同的模板配鉆，并做好連接板的標記，以免造成連接板的匹配度不合格。

4結束語

上述的矩型鋼拱肋的制造技術可以為以后的相似結構項目的制造提供了可借鑒的經驗;拱肋節段組裝精度控制方法、以及焊接變形控制、螺栓孔群匹配控制等方法，可應用于其它類似結構的制造中去。

參考文獻：

[1]上海振華重工南通分公司.韓國釜山鋼鐵路鋼橋NB9拱橋的制造方案，2007年5月

[2]鐵道部山海關橋梁工廠.TB10212-2009鐵路鋼橋制造規范[S].北京.中國鐵道出版社，2009

[3]韓國釜山鐵路鋼橋制造及運輸計劃書[2007]