港珠澳大橋九洲航道橋組合梁鋼主梁制作關鍵技術*

呂建鋒

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

1 工程概況

港珠澳大橋是我國公路交通建設史上技術最復雜、環保要求最高、建設標準最高的工程之一。大橋全線總長約55km，其中九洲航道橋采用雙塔單索面鋼-混組合梁連續斜拉橋，橋跨布置為(85+127.5+268+127.5+85)m，采用塔、梁、墩固結的結構體系，結構簡潔、線條流暢[1]，斜拉索采用豎琴形布置，梁上索距12.5m，塔上索距6.1m，如圖1所示。九洲航道橋主梁采用分離式開口鋼主梁+混凝土橋面板組合截面，標準節段長12.5m，橋面標準寬度為36.8m，組合梁截面中心線高4.49m，橋面橫坡2.5%，分為30種類型、58個節段，單幅組合梁最大節段重約2 100t。為提高施工效率、確保橋梁建造質量，組合梁大節段采用“運架一體船”架設方案[2]。

圖1 港珠澳大橋九洲航道橋總體布置(單位：m)

鋼主梁為分離式開口結構，如圖2所示，由頂板、底板、腹板、橫隔板、橫梁、錨箱及焊釘等組成。鋼主梁中心線處高4.01m、頂寬30.8m、底寬27.4m，兩幅主梁通過橫梁焊接連接，錨箱設置于橫梁內部，空腹式橫隔板與橫肋間隔布置，間距2m，主體結構材質為Q370qD，總重約1.1萬t。

圖2 九洲航道橋鋼主梁節段結構

2 制作難點

1)鋼主梁采用分離式開口雙箱截面，兩幅鋼主梁間通過橫梁連成整體，故左、右兩幅大節段制造線形的一致性、橫梁接口連接關系及鋼箱梁斷面幾何尺寸精度控制是難點之一。

2)組合梁預制橋面板質量占梁段總重的3/4以上，因此預制橋面板自重對橋梁線形影響較大，同時由于鋼主梁制造、橋面板疊合、梁段運輸、架設過程受力工況不同及溫度差異也給鋼梁線形造成影響，故其制造線形控制有一定難度[3]。

3)主橋邊跨鋼主梁采用變寬結構，由于梁段焊接環縫數量多，加之焊接收縮變形復雜，制訂合理的制造方案控制變寬鋼主梁寬度較重要。

4)鋼主梁吊裝節段長65～85m，每個吊裝節段由6～8個小節段鋼主梁組成，設計豎向預拱度≥300mm，制造標準要求鋼主梁制造預拱度需控制在-5～10mm，由于節段數量多、焊接變形、工況狀態等因素影響，其制造線形控制難度較大。

5)塔梁固結段由鋼塔節段和鋼主梁焊接而成，具有質量大、結構復雜、熔透焊縫多等特點，其整體組焊方案及幾何精度控制是其關鍵之一。

3 鋼主梁大節段制作技術

鋼主梁大節段連接關系復雜、制造線形控制精度要求高，為確保九洲航道橋鋼主梁的制造質量及兩幅梁段間的匹配關系，開發了兩幅鋼主梁同步在整體胎架上拼裝技術，如圖3所示，施工方案為：底板單元整體組焊→斜腹板定位→橫隔板、橫肋組焊→腹板定位、錨箱初定位→腹板與底板焊接→腹板、頂板焊接→錨箱組焊→預拼裝→鋼主梁大節段[4]。

圖3 鋼主梁大節段制作過程

3.1 總拼胎架設計制作

通常大型鋼箱梁以總拼胎架為外部胎型，橫隔板為內部胎型，控制鋼箱梁的橫斷面尺寸。為保證九洲航道橋鋼主梁的外形輪廓尺寸，設計制作桁架式總拼胎架，總拼胎架由立柱、橫梁、斜撐及支撐板等構件組成，胎架高1.2m、寬35m、總長87m，可一次拼裝6～7個設計鋼主梁節段。為適應不同輪次變寬鋼主梁總拼，將斜撐制作成活動式結構，通過普通螺栓與總拼胎架橫梁連接，形成穩定結構。由于鋼主梁大節段帶有4根橫梁，為避免鋼主梁大節段出胎相互干涉，需將總拼胎架橫斷面寬度設置為“設計寬度+100mm”；由于采用實橋線形制作方案，總拼胎架沿縱向按鋼主梁制造線形設置預拱度，施工過程中通過支撐板調整高度。

3.2 底板單元組焊

為提高鋼主梁大節段制作效率，同時實現鋼橋梁“無損傷”制造，在通過底板單元焊接反變形試驗后，制訂了鋼主梁底板單元采用“先整體接寬再接長”的方案。

1)在總拼胎架檢測合格后，將底板單元吊裝至總拼胎架上，以中測量塔作為基準定位中間底板單元，然后沿鋼主梁寬度方向依次定位組裝相鄰底板單元，要求底板單元的縱向基線間距為“理論間隙+3mm”。

2)在底板單元縱向對接焊縫焊接前，采用壓重和預設反變形控制焊接變形，反變形角度約1.5°，焊接各底板單元之間的縱向焊縫后形成寬度方向的整體底板單元。

3)底板單元整體接寬之后，修正底板單元的橫基線，以中間底板單元橫基線為基準，調整各梁段底板之間的焊接間隙，使鋼主梁底板單元總長度為“理論值+12mm”。

4)焊接底板單元之間的橫向焊縫，完成底板單元整體接長，如圖4所示，在底板單元整體形成后修正梁段橫基線，要求基線修正量≤2mm，然后劃出橫隔板、橫肋、腹板位置線，劃線時每道橫基線間距為“理論值+3”；修正基線時須保證同一節段兩幅橫基線共線、縱基線平行。

圖4 底板單元整體組裝焊接

3.3 腹板單元及橫肋組焊

3.3.1橫肋組焊

根據鋼主梁板單元劃分特點，為避免腹板單元和橫肋組裝相互干涉，采用先組裝底板橫肋再組裝腹板單元的方案。首先利用無損傷吊具依次吊裝梁段斜腹板單元，將腹板單元墊高約500mm后吊裝橫肋單元；然后以中測量塔為基準，精確調整橫肋組裝位置，橫肋與腹板單元組裝間隙≥8mm時，須調整橫肋橫向安裝位置，以確保組裝間隙合格；橫肋定位檢測合格后，在橫隔板與腹板單元對接處加引弧板約束，焊接橫肋與底板單元焊縫。

3.3.2腹板單元組焊

1)斜腹板單元精確定位 在橫肋焊接完后，利用底板上的斜腹板組裝位置線及邊測量塔精確定位斜腹板單元，斜腹板上端設置“理論值+4mm”預留橫向焊接收縮量，腹板單元定位時需重點控制縱橫向組裝位置及傾角，以保證梁段制造線形和橫坡。

2)直腹板單元組裝 直腹板單元吊裝至安裝位置后，利用彈性馬板臨時約束，防止其傾倒，再以橫隔板單元為內胎，通過底板上的直腹板組裝位置線和垂線器精確定位其橫向位置，直腹板上端設置“理論值+1mm”焊接收縮量，如圖5所示；通過腹板和底板上的節段橫基線對位精確保證腹板單元的縱向位置，待腹板單元精確定位其縱橫向位置后，采用定位焊的形式約束其位置。

圖5 腹板單元組裝工藝量示意

3)腹板與底板部分熔透角焊縫焊接 ①采用無盲區焊接小車焊接腹板與底板內側的角焊縫，橫肋過焊孔處采用手工焊接；②內側角焊縫焊接完成后，在外側氣刨清根后再采用CO2氣體保護焊焊接腹板與底板外側角焊縫；③腹板與底板焊接完成后，按100%比例對焊縫兩端及中間各1m超聲波無損檢測。

4)腹板對接焊縫焊接 ①為控制腹板單元焊接對鋼主梁線形的影響，采用“壓重+反變形”方案，即根據腹板對接環口間隙大小將腹板對接焊縫處的底板頂起8～12mm，同時在腹板另一端放置壓重塊，以減小焊接變形對線形的影響；②將腹板對接縫兩側的錯臺調整在2mm以內后，采用定位焊接工藝將2個小節段的腹板連接，再采用CO2氣體保護焊進行打底焊接，焊接前利用腹板對接縫外側胎架上的千斤頂將兩側腹板頂緊，以控制焊接角變形；③利用軌道式焊接機器人焊接腹板對接焊縫，焊接完成后進行無損檢測；④然后采用CO2氣體保護焊焊接頂板對接焊縫，在無損檢測合格后，將焊縫打磨平順。

3.4 錨箱單元組焊

九洲航道橋鋼主梁通過錨箱單元焊接連接形成整體，作為斜拉索傳遞橋面荷載的主承力構件，其制作質量控制較關鍵。對此，根據鋼主梁結構特點，采用整體制作再切割方案，錨箱單元總拼安裝時通過匹配件臨時栓接，初步定位后解除匹配件，精確調整組裝位置后進行焊接。

1)由于錨箱單元接口與腹板采用K10角焊縫，在鋼主梁內腹板組裝后無法進行安裝，故錨箱單元在工廠制作完成安裝臨時匹配件后，切割為左、右兩部分，同時通過臨時匹配件連接為整體，如圖6所示。

圖6 錨箱組裝焊接

2)由于受起重設備吊裝高度限制，錨箱單元采用整體吊裝方式吊運至安裝位置，吊裝就位后解除錨箱的連接匹配件，對左、右半幅的錨箱進行精確調整，主要控制錨箱單元的橫縱向尺寸、標高、對接焊縫的匹配性，各項要求滿足后定位，再次安裝錨箱單元之間的匹配件。

3)錨箱焊接時先焊接錨箱與腹板的熔透角焊縫，再焊接錨箱與頂底板的對接焊縫，為控制焊接變形，施焊時要求同步、對稱焊接，焊接完成后解除錨箱之間的匹配件，修整時重點控制梁段箱口尺寸精度，尤其是鋼主梁兩端斷面尺寸和錨箱縱橫向尺寸精度。

3.5 鋼主梁預拼裝

為保證九洲航道橋鋼主梁大節段橋位箱口連接精度，根據鋼主梁結構特點及現場施工條件，鋼主梁大節段制作完成后，采用“大節段+小節段”的連續匹配方案，即第N個大節段鋼主梁制作完成后，將第N+1個大節段的首個設計梁段與第N個大節段進行連續匹配，如圖7所示，以保證梁段箱口的錯邊量。

1)小節段鋼主梁就位后使用液壓千斤頂，調整小節段與大節段之間的縱向基準線，使2條基準線在同一直線上，同時調整頂板、腹板及底板各錯臺量，確保錯臺量≤2mm。

2)以大節段斷面為基準劃出小節段斷面各板單元的配切線，按線切割配切邊；配切完成后將底板對接縫向上預設3～5mm焊接預變形量，以減小橋位對接焊縫焊接產生的角變形。

3)由于將鋼主梁分割為左、右幅2個大節段鋼主梁同時制作，加之大節段鋼主梁的長細比大，其扭曲、旁彎、線形控制難度大，因此重點控制橫梁接口匹配精度。

4 塔梁固結段制作

九洲航道橋鋼主梁與鋼塔采用固結，即鋼主梁與鋼塔節段采用焊接連接形成整體結構。塔梁結合段總寬31m、長14m、高9.025m，總重約565t[5]。根據塔梁固結段結構特點，采用鋼塔節段和鋼主梁節段分別制造，再將鋼塔節段和鋼主梁節段組焊為塔梁固結段的方案如圖8所示，該方案有效解決了塔梁固結段接口關系復雜、制作精度要求高的難題。

圖8 塔梁固結段制作流程

1)在專用組裝胎架上定位底板單元，再利用門式起重機將制作完成的鋼塔節段緩慢穿入底板單元，到達組裝位置后，調整鋼塔節段垂直度，確保垂直度達到工藝要求。

2)組裝焊接中間腹板后，焊接腹板單元與鋼塔壁板的對接焊縫，然后按線組裝焊接中間隔板單元。

3)利用移梁平車將鋼主梁運至安裝位置后，通過頂升裝置及鋼支墩上的聚四氟乙烯板微調，檢測合格后焊接鋼主梁與鋼塔節段形成塔梁固結段。

5 制作質量效果

在九洲航道橋鋼主梁大節段制造過程中，制定了首件驗收制度，總結首件大節段制作技術，并對不合理的制造工藝進行改進，形成合理、先進的制造技術，提升大節段鋼主梁的制造質量。通過對鋼主梁制造線形、梁長、斷面尺寸等主要項點檢測，其結果表明各主要項點均滿足設計標準要求[6]。針對鋼主梁大節段制造確定的制造技術先進、科學，有效保證了鋼主梁制造質量、降低了制造成本。

6 結語

在對九洲航道橋分離式鋼主梁結構特點分析的基礎上，針對其制造難點，開發了鋼主梁大節段分幅匹配制作技術，通過底板單元整體組裝焊接技術、腹板橫肋交替組裝技術、錨箱單元整體匹配安裝技術、鋼主梁預拼裝技術，有效提升了鋼主梁的制造質量和幾何精度，達到了港珠澳大橋“高標準、高質量”的建設目標。