超寬扁平鋼箱梁制造解析

吳宏亮

（南通振華重型裝備制造有限公司，江蘇 南通 226010）

1 工程概況

齊魯黃河大橋作為濟南攜河北跨重要通道，且是“三橋一隧”的重要組成，是濟南市“北跨”攜河發展的重要通道。全長6.742 公里，其中跨黃河主橋長2.52公里，主跨采用跨度為420 米的網狀吊桿拱橋。齊魯大橋采用一級公路標準，且設計為雙向八車道，主橋中間預留城市軌道交通空間，主線預留向北延伸空間。

圖1.1 齊魯黃河大橋總體布置圖

主橋全寬為 60.7m，公軌同層且軌道居中，橋梁布置雙向八車道+雙線輕軌+非機動車道+人行道。主橋鋼材主要材質采用 Q345qE、Q420qE。標準梁段長度為9 米，設置兩道空腹式橫隔板，兩道縱腹板，整體梁體結構偏柔性結構設計。

圖1.2 齊魯黃河大橋模型圖

2 制作難點

齊魯黃河大橋鋼箱梁設計為全焊結構，焊縫密集，焊接所引起的焊接變形和殘余應力較大，對板單元焊接質量和焊接變形控制要求較高。對鋼箱梁加工制作帶來較大的困難，主要表現在以下幾個方面：

（1）齊魯黃河大橋鋼箱梁，主結構采用的板厚比較薄，隔板采用空腹式隔板，縱腹板與頂、底板焊縫為全熔透焊縫，對構件焊接質量和變形控制的要求比較高；

（2）錨拉板構件與橫隔板、縱隔板間的全熔透焊縫是全橋最關鍵的傳力焊縫，其焊縫質量控制尤為關鍵；

（3）齊魯黃河大橋鋼箱梁橫截面寬度達到60.7 米，是國內外迄今為止最大的截面，其橫向坡度標高控制難度較大。

3 制作總體工藝流程

為保證鋼箱梁整體制造產品質量，鋼箱梁制造采用“板件→板單元→板單元合件→鋼箱梁組裝→預拼裝→橋位連接”的生產方式生產。采用“一橋兩址”的總體模式組織施工，即在南通振華重型裝備制造基地完成各類板單元的制作，橋位現場鋼結構加工廠完成鋼箱梁小節段組裝、預拼裝、涂裝及存梁工作，橋位現場完成相鄰環縫焊接及涂裝。

4 制作工藝

4.1 施工準備

根據齊魯黃河大橋鋼箱梁特點，對圖紙結構中I 肋單元、U 肋板單元和橫隔板單元的制作流程進行分解，針對每個板單元制造流程進行工位布置、設計工裝、升級設備、進行工序轉換的物流設計，形成智能化板單元生產流水線，以提高板單元的制作效率、降低生產成本。

4.2 正交異性橋面板制作

正交異性橋面板單元采用U 肋自動裝配機進行組裝和定位焊接。鋼板定位完成后首先進行焊縫部位自動劃線、打磨和除塵；然后再利用液壓卡具對U 形肋進行自動定位和壓緊，保證組裝間隙小于0.5 毫米；利用先進的機器人焊接系統進行定位焊接，實現U 形肋定位焊自動化，保證U 形肋坡口根部焊接質量。為提高生產效率、減少裝配誤差、保證產品質量。

圖4.2-1 U 形肋自動打磨、劃線圖

圖4.2-2 U 形肋自動裝配、點焊

正交異性橋面板單元在雙向反變形胎上焊接，通過自動液壓卡具預設雙向反變形，采用半龍門式焊接機器，雙工位布置的系統同時進行船位焊接。該機器人焊接系統采用世界最先進的電弧跟蹤技術，實現對坡口根部位置偏差的智能化跟蹤調整，跟蹤精度達到0.2mm，解決了多頭龍門焊機探針跟蹤偏差大的問題。采用雙向反變形船位施焊技術，確保焊縫根部焊接質量、外觀成型及板單元焊后平整度，減少焊后矯正。該技術是保證U 形肋板單元制造質量、提高使用耐久性的關鍵。

圖4.2-3 U 肋機器人焊接

4.3 隔板單元制作

齊魯黃河大橋橫隔板采用空腹式角鋼栓接形式，其角鋼采用背靠背焊接形式作為橫撐結構，角鋼與隔板上、下連接板采用高強度螺栓進行栓接。隔板作為鋼箱梁拼裝的重要構件，其形位尺寸精度對鋼箱梁整體尺寸控制尤為重要，為保證產品質量，對空腹式隔板加工制作提出更高的要求。

通過以下幾點控制整體精度：

①設計專用胎架用于隔板裝配和焊接，胎架設計為梅花樁形式，采用多樁柱形式用于控制隔板的整體平面度，樁柱全部采用地錨螺栓進行加固，以免焊接應力過大產生變形。

隔板組焊專用胎架

②對于背靠背形式的角鋼，為保證產品的完整性以及高栓連面的抗滑移施擰系數滿足產品設計要求，先對角鋼進行涂裝預涂，然后再進行角鋼組件的預制，角鋼預制過程中對預涂油漆造成局部破損的要及時進行補涂。高栓連接面螺栓孔加工完成后再進行防滑油漆的涂裝。

③為減小焊接應力對高栓的影響，隔板在組裝時對上下連接板采取不同的工藝方案進行組裝，上端連接板采用先孔形式與角鋼組件進行連接，該連接采用工藝銷釘預連接；隔板下部連接板先與隔板組件進行焊接，焊接完成后完成矯正工作后采用連接板工裝進行配鉆下部連接板螺栓孔，最后再拆除工藝銷釘和隔板工裝，安裝預制好的背靠背角鋼，并按要求施擰高強度螺栓。

4.4 節段拼裝

在節段組裝過程中，按照自下向上、自中間向兩邊的順序，實現立體階梯式推進方式逐段組裝與焊接。鋼箱梁組拼時，以拼裝胎架為外胎，以橫隔板、縱腹板為內胎，重點控制橋梁縱橫向的線形、鋼箱梁整體幾何形狀和尺寸精度、相鄰環口的精確確匹配等。

（1）總拼胎架及測量控制網

總拼胎架按照設計院和橋位監控單位提供的線型數據制作拼裝線形，并預留鋼箱梁受焊接收縮和重力的影響而產生的變形量以及橫向焊接收縮變形量；每輪次小節段下胎后，應重新對胎架進行檢測和調整，并做好相應的檢測記錄。

為便于過程測量控制，在總拼胎架兩端設置三對測量標識塔，其中一對設置在鋼箱梁中心處，另外兩對設置在鋼箱梁邊腹板處，并在標識塔頂端設有永久標尺，中間劃有“”標識；胎架周邊布置標高基準點以形成標高測量網，測量點基礎要加固處理，保證沉降≤2mm；構成測量網的基準點不得少于4 個，并定期進行檢測。

圖4.4-1 典型節段制造胎架及測量控制網布置示意圖

（2）板單元塊體制作

由于齊魯黃河大橋屬于超寬大截面，橋面板對接焊縫數量較多，為減少總拼胎架上焊接工作量，提高拼裝制作質量，縮短制作周期。

①在頂（底）板單元參與到節段組裝前，先在專用胎架上組焊橫隔板上接板，再將兩件板單元拼焊成一個吊裝塊體。

②拼接時需預留焊接收縮量，以便有效控制兩側焊縫相鄰U 形肋的中心距尺寸，且根據不同板厚預置一定的雙向反變形，以保證焊后板塊的尺寸精度和平面度。板單元對接焊縫兩側30mm 寬范圍打磨除銹，焊接采用在背面貼陶瓷襯墊的單面焊工藝，CO2 氣體保護焊打底，埋弧自動焊填充、蓋面，板單元單面焊雙面成形。

③在兩拼制作過程中根據不同板厚收集相應的焊接收縮余量，以減少后續的矯正工作，提高產品質量以及生產效率。

圖4.5-4 板單元裝配示意圖

圖4.5-5 板單元埋弧自動焊接

（3）節段匹配組焊和預拼裝

鋼箱梁小節段制造采用連續匹配組裝、焊接和預拼裝一次完成的組拼工藝。為實現這一目的，須有兩個前提條件，首先是節段拼裝胎架應按照監控單位給定的線形設置牙板高程，并預放橫向反變形；然后是各類控制板單元加工長度，并預留一定焊接收縮余量，保證節段長度誤差控制在制造驗收規則規定的允許偏差之內。每輪次拼裝完成后，以兩端測量塔為基準，重新劃出鋼箱梁每節段的縱橫基準線，并以基線為基準重新劃出梁段兩側的坡口切割線，根據工藝文件對余量端進行修割。齊魯黃河大橋采用多節段連續匹配組裝、焊接和預拼裝同時的方案，組裝時預留一個梁段參與下一輪的預拼裝，確保整體線型及端口匹配平順。

鋼箱梁節段組裝采用正裝方案，即以總拼胎架為外模，以隔板為內模，按照“底板→斜底板→中間橫隔板→邊橫隔板→檢修道→頂板→斜頂板→錨固吊索→邊頂板”的順序，實現鋼箱梁立體階梯式推進，逐段組裝與焊接。

圖4.5-6 鋼箱梁組裝

（5）橫向坡度控制

頂板縱向對接焊縫的焊接變形是鋼箱梁截面發生改變的主因，為保證橫向坡度，首先，通過頂板單元塊體制作，減少總拼對接焊縫縱向收縮變形，其次，根據以往橋梁制作經驗，在總拼胎架制作時預放一定的焊接反變形，最后，頂板在總拼胎架上采取對稱施焊的方式以減少焊接變形。

5 結語

齊魯黃河大橋設計為世界第一寬度的網狀吊桿形式鋼箱梁，其制造工藝復雜，焊接變形控制難度較大。通過各工序嚴格把控，有效控制各類組焊變形，提升超寬鋼箱梁整體制造質量。