大跨度鋼箱梁加工制作關(guān)鍵技術(shù)

蔣國明，師 哲，黃 偉

(中冶(上海)鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司，上海 201900)

1 工程概況

龍巖大道高架橋主橋?yàn)?190+150)m獨(dú)塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，主梁采用扁平流線形栓焊鋼箱梁，全長339.4 m。沿道路長度方向橋面為2%人字坡，變坡點(diǎn)位于主塔中心線位置。索塔采用“花瓶”形混凝土結(jié)構(gòu)。斜拉索采用熱擠聚乙烯雙層護(hù)套的高強(qiáng)度平行鋼絲拉索，共設(shè)22對斜拉索，梁上吊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)間距15 m，邊跨背索吊點(diǎn)間距6 m，塔上錨固點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)間距2 m。龍巖大橋主橋鋼箱梁整體效果圖見圖1。

主梁為鋼箱梁截面，由頂板單元，(斜)底板單元，外腹板單元，封嘴單元,縱、橫隔板單元,錨拉管單元等組成，見圖2。主梁中心線處內(nèi)輪廓高2.972 m，鋼箱梁全寬36.3 m，頂面設(shè)雙向2%橫坡。主橋鋼箱梁共計(jì)6 700 t，主要材質(zhì)為Q345qD，封嘴材質(zhì)為Q235B,錨拉單元材質(zhì)為Q420qD。頂板厚度16 mm～20 mm，底板厚度12 mm～16 mm，外腹板厚度30 mm～40 mm，縱隔板板厚14 mm～20 mm，橫隔板厚度12 mm～18 mm[1]。

2 加工重點(diǎn)、難點(diǎn)

單片梁段的長度多數(shù)為15 m，單重約35 t，面板及底板為薄板，焊縫變形量控制難度大，后續(xù)運(yùn)輸過程中防變形控制難度大。板單元件為單側(cè)方向設(shè)置加強(qiáng)肋，焊后校正難度大，連接板與U肋孔配套鉆孔，螺栓孔的開孔位置精度控制難度大。錨拉單元焊接量大，焊接殘余應(yīng)力集中焊接質(zhì)量為該項(xiàng)目重點(diǎn)。構(gòu)件表面噴砂除銹質(zhì)量要求高。

3 加工總體思路

首先進(jìn)行寬度方向的橋塊劃分(以每段15 m長度為例)，根據(jù)橫斷面結(jié)構(gòu)類型及原材料板寬約束等因素，將橋段總寬度36.4 m劃分為11個(gè)單元箱體，箱體寬度在2 990 mm～4 800 mm不等；每個(gè)箱體又分為頂板單元，底板單元，腹板單元，橫隔板單元等。

其次進(jìn)行長度方向的單元?jiǎng)澐郑摌蚬矂澐?3片鋼箱梁吊裝，編號依次為MG13→MG2→G0/SG→SG2→SG11。MG13梁段15.9 m長，G0/SG梁段17.5 m長，SG10梁段12 m長，SG11梁段9 m長，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段15 m長。

各節(jié)段梁段劃分后，開始裝焊底/頂板單元、腹板單元件、隔板單元件、錨拉單元件等小組立，見圖3。單元件合格后在總裝臺(tái)架上進(jìn)行橋塊總體的裝焊。每輪次的首位鋼箱梁要與相鄰的鋼箱梁預(yù)合攏。

4 原材料質(zhì)量控制工序

4.1 原材料驗(yàn)收/復(fù)檢工序

鋼箱梁所用鋼材材質(zhì)均為Q345qD,封嘴材料所用鋼材材質(zhì)為Q235B。原材料應(yīng)符合《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)范要求，并提供相應(yīng)的原材料合格的質(zhì)保書。板材進(jìn)廠前對厚度偏差進(jìn)行檢查驗(yàn)收。原材料應(yīng)進(jìn)行復(fù)檢，復(fù)檢合格后方能使用。

4.2 原材料矯正/預(yù)處理工序

該項(xiàng)目生產(chǎn)制作質(zhì)量要求極高，過程中的質(zhì)量控制尤為關(guān)鍵。原材料進(jìn)廠后使用矯平機(jī)對原材料進(jìn)行校正，平面度符合規(guī)范后再進(jìn)入下道工序。

按照規(guī)范及設(shè)計(jì)要求應(yīng)對原材料進(jìn)行預(yù)處理，除銹等級應(yīng)達(dá)到Sa2.5級。最后噴涂無機(jī)富鋅車間底漆20 μm。

工序依次為：矯平→拋丸→噴漆→表干，見圖4。

5 下料、切割工序質(zhì)量控制

零件板利用AutoCAD軟件放樣自動(dòng)排版，排版時(shí)將切割過程中的切割余料7 mm～8 mm考慮到排版圖中，確保零件板切割過程中的幾何尺寸。

使用U盤將套料程序拷貝至全自動(dòng)火焰切割機(jī)的電腦程序中對鋼板進(jìn)行切割下料(見圖5)，下料過程中應(yīng)保證切割質(zhì)量，避免出現(xiàn)鋸齒狀、缺口等母材割傷現(xiàn)象。全熔透/熔透焊縫的坡口使用半自動(dòng)火焰切割機(jī)進(jìn)行開設(shè)。

6 頂/底板單元件質(zhì)量控制工序

板單元制作首先使用粉線標(biāo)識(shí)U肋裝配線位置，U肋檔距及裝配直線對應(yīng)使用模板進(jìn)行檢查，幾何尺寸無誤后再流轉(zhuǎn)至焊接工序。為抵消U肋焊接收縮變形，板單元U肋與鋼板的施焊在專用臺(tái)架上進(jìn)行。

焊接過程中焊接收縮量及角變形量是頂?shù)装灏鍐卧谱鬟^程中關(guān)鍵質(zhì)量控制工序，焊后對板單元進(jìn)行火焰校正(見圖6)，平面度合格后方可進(jìn)入下道工序。

焊接需在胎架上完成，采用雙人對稱焊接。頂板U肋兩端各預(yù)留400 mm不焊，待總拼裝時(shí)前后段U肋對接孔位合格后再焊接；底板U肋兩端各200 mm不焊，現(xiàn)場焊接。

U肋與鋼板的角焊縫施焊，每根U肋施焊的起始點(diǎn)到終點(diǎn)的順序應(yīng)同一個(gè)方向，避免板單元焊后出現(xiàn)波浪變形(即：所有頂板和底板單元U肋的焊接從中部U肋開始，而后依次向兩側(cè)焊接，所有焊道的焊接方向保持一致，以減小焊后應(yīng)力多向分散造成的板單元不規(guī)則變形)。多根U肋施焊應(yīng)對稱焊接，寬度方向的U肋焊接應(yīng)從中間往兩側(cè)對稱施焊。

7 橫隔板單元件精度控制工序

橫隔板是箱形梁組裝的內(nèi)胎，它的精度直接影響著箱梁的斷面尺寸精度。筋板位置應(yīng)使用粉線進(jìn)行位置標(biāo)識(shí)，為避免橫筋板工地焊縫錯(cuò)邊，可考慮同一個(gè)橫斷面的隔板加筋板統(tǒng)一裝焊，焊接后再進(jìn)行切割分?jǐn)啵妶D7。橫隔板加強(qiáng)筋板為單側(cè)加筋，施焊過程中電流電壓不宜過大。對于焊后變形的隔板單元件，反面火焰校正。

8 錨拉單元質(zhì)量控制工序

錨拉單元(如圖8所示)的裝焊順序能最大限度降低焊接殘余應(yīng)力。先裝焊“錨拉頭”，即錨拉與腹板拼接縫以上的零件，最后將“錨拉頭”與縱筋板與外腹板裝焊。錨墊板與下套筒磨光頂緊后焊接，組裝時(shí)應(yīng)精確調(diào)整錨墊板的方向。其次承壓板依次與下套筒、下錨拉板和上錨拉板熔透焊接，錨拉板與外腹板熔透焊接。最后焊接拉索上套管及上環(huán)板。錨拉單元裝焊圖見圖9。

9 鋼箱梁總裝焊接工序

裝配工序的總工藝流程：臺(tái)架搭設(shè)→底板單元鋪設(shè)→橫隔板單元鋪設(shè)→縱隔板(腹板)單元鋪設(shè)→頂板單元鋪設(shè)→總體尺寸檢查。

1)臺(tái)架搭設(shè)工藝流程。半幅臺(tái)架放樣→立柱搭設(shè)→橫梁搭設(shè)→控制點(diǎn)測量。

2)臺(tái)架搭設(shè)工藝要求。箱橋段采用正造法胎架。胎架縱向位置需設(shè)置在鋼箱梁的橫隔板位置。胎架高度500 mm～600 mm左右，方便操作即可。胎架的縱向至少按照3個(gè)橋段進(jìn)行布置(至少45 m)，胎架搭設(shè)后需檢測水平，并焊接牢固。為了保持胎架的穩(wěn)定性，可采用板條將縱向的胎架焊接連起來。單塊鋼鋼箱梁底板控制點(diǎn)吊鉛垂線。

3)底板單元鋪設(shè)工序。依次鋪裝第1橋段的A4，A3，A2，A1；再鋪裝第2橋段的B4，B3，B2，B1。中間預(yù)留A5，B5預(yù)拼裝胎架(見圖10)。底板與底板對齊后，采用馬板均勻布置固定。橫向兩邊的底板可采用馬板固定在胎架上。

4)橫隔板/腹板/外腹板單元鋪設(shè)工序。橫隔板單元安裝工序：依次裝配A4，A3，A2,A1節(jié)段的橫隔板；控制橫隔板與橫隔板之間的錯(cuò)邊量。橫隔板需垂直于底板，可采用臨時(shí)支撐固定。腹板單元安裝工序：依次裝配已制作好的腹板單元。外腹板單元安裝工序：錨板區(qū)域的橫向隔板與外腹板之間要求全熔透焊接；其余區(qū)域?yàn)殡p面角焊縫。同時(shí)可裝配第2橋段的橫向隔板單元。頂板單元安裝工序：第1段鋼箱梁頂板安裝的同時(shí)可裝配第2橋段的腹板單元、外腹板，同時(shí)第3段箱梁底板鋪裝定位。頂板安裝后開始焊接箱體內(nèi)部橫隔板、腹板單元與頂板之間焊縫(仰焊位置)。

5)左半幅與右半幅鋼箱梁的縱向預(yù)拼裝。裝配A節(jié)段頂板、底板對接處的連接節(jié)點(diǎn)；裝配A節(jié)段箱體上的其他零部件。將另一胎架上已制作好的B5節(jié)段與此胎架上的B4節(jié)段進(jìn)行預(yù)拼裝，檢查橫隔板的錯(cuò)邊情況。頂?shù)装鍖犹幍腻e(cuò)邊情況等。裝配第3橋段頂板單元，檢查2個(gè)橋段頂板U肋螺栓孔之間的尺寸關(guān)系，合格后對頂板U肋預(yù)留的400 mm焊縫進(jìn)行焊接(仰焊位置)[2-3]。

10 鋼箱梁板對接焊接變形控制工序

頂板與頂板對接焊縫，底板與底板對接焊縫，焊前應(yīng)設(shè)置馬板，通過外力干預(yù)焊接過程中的角變形。對應(yīng)變形過大的角變形，也可采用火焰校正來進(jìn)行校正，見圖11，圖12。

11 鋼箱梁鋼板錯(cuò)邊控制工序

鋼箱梁制造時(shí)至少采用3+1梁段進(jìn)行總預(yù)拼，裝焊時(shí)均采用相同方法進(jìn)行，工地焊縫200 mm范圍焊縫不焊接，確保鋼箱梁橋塊與橋塊之間對接焊縫處錯(cuò)邊量符合規(guī)范要求。梁段與梁段的工地焊縫間隙保證6 mm～8 mm范圍。U肋工地連接采用螺栓連接，應(yīng)先在頂板單元制作時(shí)先進(jìn)行鉆孔，總預(yù)拼下臺(tái)后再鉆另一端螺栓孔，確保U肋的連接質(zhì)量(見圖13)。

12 結(jié)語

通過福建省龍巖大橋鋼箱梁工程的生產(chǎn)制作實(shí)踐，并在結(jié)合以往的公路、鐵路鋼箱梁鋼構(gòu)件制造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制定了一套適合該工程特點(diǎn)的施工技術(shù)方案和質(zhì)量保證措施。鋼箱梁的幾何尺寸精度控制，焊接質(zhì)量控制，螺栓孔穿孔率均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該工程對類似鋼箱梁工廠的制作起到一定的參考和借鑒意義。