安特衛普閘門和開啟式鋼橋的制作技術探討

摘要：圍繞比利時閘門項目中閘門與桁架鋼橋的制作工藝展開探討，分析制作過程中的施工難點，并提出具體解決措施，最后對其經濟效益進行總結，為相關工程提供參考。

關鍵詞：閘門;桁架鋼橋;焊接

1? ? 工程概況

比利時閘門項目主要包括四座閘門制作和兩座俯仰式桁架鋼橋制作兩個重要部分，是一個內河碼頭上的兩個重要設施，制造標準使用歐洲EN 1090-2標準，施工等級使用EXC3級，公差要求為等級2，該要求為歐洲標準中的最高要求[1]。

2? ? 比利時閘門

2.1? ? 閘門制作

該項目共4個閘門，每個閘門長約80 m，寬約10.5 m，高約28 m，重約2 500 t。單個閘門結構體積大，整體呈“門”字型框架結構，主結構主要由12 mm、15 mm厚，材質為歐標S355J2+N鋼板以及相同材質的T肋、U肋型材組合成片狀板單元，再通過H型鋼作為直撐和斜撐形成閘門框架。單座閘門在框架底部和端面安裝有約50 t的防碰撞硬木，水下部分安裝有2 000多塊鋁陽極，起到防腐蝕作用，中間箱體內部安裝有5個系統的功能管系，與下小車、上小車以及一套完整的纏繞系統完成閘門的橫向行走，起到在潮起潮落時對碼頭水平面控制的作用。圖1為閘門示意圖。

2.2? ? 制作難點與解決措施

本項目采用整體預拼法制造技術來進行閘門制造，制作時主要難點有：

（1）閘門體積非常大，因此對于車間來說如何劃分段尤其重要。根據常理判斷分段越少越有利于生產，但是結合車間跨度、制造能力、鋼廠生產的鋼板長度等因素，最終決定將閘門整體分為5段，每段長度13～14 m，每段噸位在500 t左右。

（2）單段箱體合理劃分成若干板單元，其壁板板單元面積達400 m2，重約85 t，鋼板厚度僅15 mm，外側面安裝有33排三種規格的橫向T型加強肋，內側面安裝有4～5排縱向T型加強肋，制作時外形尺寸以及整體平整度控制難度大。根據其結構形式，將單個箱體分段壁板分成兩部分進行制造，精確計算拼板、T肋焊接、校正收縮量，以此確保壁板外形尺寸和整體平整度。

（3）閘門結構類同于雙層箱體，兩段箱體對接時在保證中間箱體不錯位的情況下同時需確保外層箱體準確對位。采用5段箱體在車間內整體拼裝成型的方法進行制造，以此確保箱體分段之間順利對接。

（4）閘門箱體分段體積大、重量重，拼裝合攏時調整較為困難。在箱體分段出車間之前，根據標志塔上的縱向控制線及車間內標記的等高線，整體畫出閘門各分段上的縱向控制線以及等高線，作為外場合攏調整的基準線，并在各分段合攏端口安裝好工藝法蘭支座。分段轉運至拼裝場地后，利用液壓平板車粗定位，然后使用橫移鎬進行精確調整。

（5）4座閘門需要約10 000 m2的拼裝場地，根據其拼裝特性及場地情況，閘門拼裝合攏位置無法使用浮吊直接起吊，需將整座閘門整體移位至浮吊起吊范圍內吊裝上船。單座閘門總重約2 600 t（包含腳手架），使用7臺歌德浩夫液壓平板車和4臺索埃勒液壓平板車共11臺車對其進行整體移位。

（6）閘門在橫向行走過程中，為防止其左右搖擺，控制其行走平衡，在閘門底部安裝有兩塊馬氏體不銹鋼塊（1Cr17Ni2），厚148 mm，寬350 mm，長600 mm。經過多次試驗，研究出一種馬氏體不銹鋼的焊接方法，圓滿完成了閘門平衡支撐塊的焊接工作。

3? ? 開啟式桁架鋼橋

3.1? ? 鋼橋制作

開啟式桁架鋼橋全長約100 m，寬約21 m，高約22 m，其中橋面長約71 m。鋼橋主要由橋面、桁架、頂部斜撐、自行車道、鑄鋼組件、直筒體（板厚t=65 mm）及配重箱等部分組成。鋼橋旋轉鉸點設置于兩側桁架上，通過鉸軸系統旋轉使其可以打開及閉合。該橋橋面及自行車道采用縱橫加筋梁的正交異性鋼板體系作為橋面系結構，橋面寬度方向設有5組斜度不一的坡度，并在橋面上方裝有一組火車軌道，火車軌道直線度及高低差要求高。桁架由上弦、腹桿及下弦三部分組成，上弦為π型箱梁結構，腹桿為工字鋼，下弦為四面箱型結構，三者通過焊接連成一體。根據圖紙要求，橋在X方向和Z方向均預設拱度，給分段制造、拼裝以及尺寸控制帶來較大難度。

3.2? ? 制作難點及解決措施

針對以上特點，鋼橋制造時，考慮的制作難點有：

（1）鋼橋在Z方向上設置拱度，考慮通過以直代曲的方法進行制造。首先，根據鋼橋桁架腹板對接縫位置對鋼橋桁架進行分段，并做圖與理論拱度值進行比對，需滿足最大偏差≤3 mm，然后根據桁架分段位置初定橋面分段位置，外方要求橋面上U肋嵌補段對接縫位置距離隔板位置≤500 mm，根據此要求對橋面分段位置再進行調整。

（2）鋼橋制作周期短，制作要求高，鋼橋上每塊鋼板圖紙中均定義了疲勞等級，根據歐洲標準：疲勞構件上不允許母材損傷，并且不得在疲勞構件上搭焊任何臨時構件，疲勞構件對接焊縫需打磨至與母材齊平等高。因此，需改變以往的制作工藝。通常數控下料零件在起弧和收弧位置以及切割至數控胎架位置會產生母材缺陷，針對此情況，在數控此批零件時周圈留有5 mm余量，數控下料后，使用數控鏜銑床加工去除余量，并加工出焊接坡口;疲勞構件吊點設置時，將吊耳設置于疲勞等級較低的鋼板或未來的對接縫上，并且吊裝方案提交用戶通過后才可施工。

（3）鋼橋桁架分上弦、下弦、腹桿三部分，其中下弦底板伸出耳板與橋面下方大T肋翼板對接，合理設置上弦、下弦以及橋面大T肋收縮余量，確保三者每個開檔尺寸精度。

（4）鋼橋旋轉鉸點設置于第五段桁架上，此片桁架上涉及有鉸點軸孔、液壓油缸頂升軸孔、安全插銷軸孔，各軸孔同軸度要求高，并且液壓油缸頂升孔和安全插銷孔以鉸點軸孔為基準，有相應的位置尺寸要求，制作難度大。通過對第五段桁架側片合理分段、制造以及嚴格的尺寸控制，來使各項尺寸滿足要求。

（5）根據圖紙以及歐洲EN 1090標準要求，U肋與橋面板根部未熔透區域≤1 mm，焊喉要求≥U肋板厚。利用傳統橫焊技術無法滿足施工要求，因此項目部設計制造了橋面板單元船型焊胎架，將U肋焊縫由橫焊轉化為平焊，使用CO2自動焊接小車對U肋焊縫進行焊接，兩座橋U肋焊縫熔深全部通過驗收。

（6）俯仰式桁架鋼橋鉸點組件由C460鑄鋼、C35鍛鋼、S355NL鋼板等特殊材料組合而成，重約50 t。鑄鋼與S355NL圓筒體為對接焊縫，厚度125 mm;C35鍛鋼與S355NL圓筒體為角接焊接，焊接厚度100 mm，均為厚板焊接。此組件外形不規則，C460鑄鋼焊接制造為國內首次，設計制造了一套專用焊接工裝，并詳細設計了鑄鋼焊接坡口以及鑄鋼和鍛鋼的焊接方法，實現了鑄鋼件和圓筒體對接縫的自動焊接。

（7）桁架上弦為π型梁，結構不對稱，同時帶來焊接量不對稱的問題[2]，且隔板3 150 mm一檔，控制其旁彎和拱度以及扭曲是制作上弦的難題。工藝上在上弦箱體內增加工藝隔板，約1 500 mm一檔，同一分段左右側上弦裝配成型后，將其背靠背裝配在一起，使用工藝卡馬固定形成一個整體，有效解決了結構不對稱的問題。

（8）鋼橋橋面板厚16 mm，橋截面寬度達15 m，在橋截面上有5個折彎點，形成流水坡。折彎角度大小不一，最大折彎處達120 mm，最小折彎處20.5 mm。根據鋼橋截面形狀，搭制折彎成型胎架，將鋼橋橋面反做（即橋面朝下），使用多個配重壓制鋼橋橋面線型使橋面與線型胎架接觸，然后將制作成型的隔板組件組裝到位，定位焊固定，控制橋面線型。

（9）橋面底部有三種規格的加強U肋：分別為200 mm高、250 mm高和350 mm高。其中350 mm高U肋為主結構橋面板下面的U肋，每個橋面分段下面有21排，利用傳統的兩次折制方法，U肋與折邊機干涉，故設計制造350 mm高專用U肋折制壓模，一次性折制350 mm高U肋，有效解決了350 mm高U肋制造難題。

4? ? 經濟效益分析

4.1? ? 閘門項目

比利時閘門在車間制作時利用了兩跨重型車間，每跨車間各自單獨制作一個閘門，確保兩個閘門同時開工制作。每一跨車間使用面積約為7 800 m2，其中閘門整體成型胎架約為2 000 m2，各板單元制作水平胎架約為5 800 m2。在車間內將兩個閘門同時進行整體成型，從板片制作開始到第一個分段出車間，平均施工周期為4個月。兩個閘門同時完成后，可繼續同時開始制作后面兩座閘門，確保了制作的連續性，充分利用了生產資源。在外場拼裝時，同時布置了4個外場拼裝工位，保證4個閘門可以同時進行總拼，單個閘門在外場拼裝到結束，只需要2個月即可完成主焊縫和嵌補段的焊接。在材料方面，針對于大面板的特點，通過提前繪制拼板圖，根據拼板圖定尺采購鋼板，使大板拼板的鋼板利用率達到了98.3%。在焊接方面，由于涉及大量大板的肋以及U肋的角接，工藝上利用了高效的CO2自動角焊焊接技術，節省了人力成本，改善了工作環境，縮短了制作周期，產生的經濟效益逾百萬元。

4.2? ? 鋼橋項目

鋼橋項目共投入水平胎架約3 800 m2，成型胎架約2 300 m2，可同時進行兩座鋼橋板單元的生產制作，內、外場同時確保了在9個月內完成兩座鋼橋的制造。在有限的場地及有限的時間內完成兩座鋼橋的制造，在先進的工藝制作技術指導下，充分利用了有限的資源，最高效地完成了任務，同時實現了項目的綠色生產。

5? ? 結語

通過該項目成功制造，在大型閘門及鋼橋制作方面，項目部掌握了一套先進且成熟的施工技術體系，為今后國內外大型閘門及俯仰式桁架鋼橋制造提供了技術支持，同時也為國家大型基礎設施建設提供了前瞻性的技術探索和實踐。

[參考文獻]

[1] 趙星，羅海生.淺談數字化技術在比利時安特衛普閘門項目中的運用[J].科技創新與應用，2016（30）：262.

[2] 陳爭軍.淺談鋼閘門制作過程焊接變形的預防和控制[J].楊凌職業技術學院學報，2019，18（1）：14-17.

收稿日期：2020-01-10

作者簡介：趙星（1984—），女，江蘇揚州人，工程師，從事路橋工程設計管理方面的工作。