探析鋼箱梁制作中的關(guān)鍵工藝及控制措施

夏 輝 童 鋒

（1.黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438000；2.湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430056）

從2000年起，鋼箱梁橋逐漸出現(xiàn)在公路橋梁建設(shè)領(lǐng)域，并得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)鋼箱梁制作工藝雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)我國(guó)工程技術(shù)人員的努力，已逐步形成一套有自己特色、實(shí)用性的鋼箱梁制作工藝。

1 鋼箱梁制作基本要點(diǎn)

鋼板箱形梁是鋼板梁的別稱，之所以叫鋼箱梁，是因?yàn)樗哂邢渥拥耐庑巍Ｔ诖罂缍葮蛄旱氖┕ぶ薪?jīng)常采用這種結(jié)構(gòu)形式。鋼箱主梁的跨度一般為幾百米到上千米，鋼箱梁制作和安裝都是分梁段進(jìn)行的，其橫截面扁平、寬幅，高寬比基本上在1∶10左右。

鋼箱梁一般采用全焊接方式，對(duì)頂?shù)装濉⒏拱濉M縱隔板、錨箱等單元進(jìn)行組焊。其中，頂板的正交異性橋面板由蓋板和縱向加勁肋構(gòu)成。大部分鋼箱梁的板厚分別為：蓋板厚14mm，縱向U形肋厚6mm，上下口寬度分別為320mm和170mm，間距620mm；底板厚10mm，縱向U形加勁肋6mm；斜中腹板厚度分別為14mm和9mm；橫隔板間距和厚度分別為4.0m和12mm；梁高度為2～3.5m。

2 鋼箱梁制作的重點(diǎn)和難點(diǎn)

2.1 焊接要求高

鋼箱梁制作均采用小厚度和小剛度材料。在焊接時(shí)，為保證其剛度和強(qiáng)度符合要求，需要大量焊縫。另外，由于支座位置脆弱，當(dāng)受大力擠壓時(shí)，焊接質(zhì)量容易出現(xiàn)問(wèn)題。因此，必須研究鋼箱梁制作關(guān)鍵工藝，保證鋼箱梁制作安全和質(zhì)量。現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，既要進(jìn)行縱向焊縫焊接，又要進(jìn)行橫向全斷面焊接，增加了焊接工作量。由于焊接工作的復(fù)雜性，需要采用橫焊、仰焊等焊接方法。另外，焊接不僅工位多，而且對(duì)質(zhì)量要求極高，因此，大多數(shù)焊縫都需要用超聲波和X射線類的設(shè)備進(jìn)行探傷。

2.2 鋼箱梁線形控制精度高

鋼箱梁為曲線梁，在制作鋼箱梁和現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足梁段平曲線、豎曲線、橫坡的變化要求，制作精度要求極高，鋼箱梁線形精度很難控制。

3 鋼箱梁制作工藝思路

鋼箱梁結(jié)構(gòu)為全焊接形式，焊縫具有密集性，焊接處易發(fā)生變形，有較大的殘余應(yīng)力。為減少和控制鋼箱梁焊接時(shí)走形，保證制作出高質(zhì)量的鋼箱梁，可采用“板—板單元—兩拼板單元—鋼箱梁—預(yù)拼裝—橋位焊接”的方式進(jìn)行鋼箱梁制作。按一橋三的原則制作施工，即在廠內(nèi)進(jìn)行錨箱單元、支座、泄水管、檢查機(jī)械等零部件生產(chǎn)；在沿海基地制作橫梁、隔板、檢修道等板塊；在橋位現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行板塊、板塊單元、預(yù)拼裝及整體鋼箱梁的組焊拼裝；在橋位將每節(jié)梁段拼焊成一個(gè)整體。對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)處理過(guò)程中，首先，按照箱梁的板單元進(jìn)行劃分，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行零部件的下料、矯正和加工。然后，對(duì)板單元進(jìn)行組焊、檢修、補(bǔ)涂裝。各單元件制作完成后，運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體組焊、安裝，對(duì)吊裝涂裝后的鋼箱梁段進(jìn)行調(diào)整和連接。最后，完成對(duì)縫焊接、螺栓連接和最終的涂裝工作。

4 鋼箱梁制作關(guān)鍵工藝

4.1 板單元?jiǎng)澐?/h3>

每節(jié)鋼箱梁的組成都是固定的，包括頂?shù)赘拱濉M縱隔板、錨箱、風(fēng)嘴等。板單元的劃分原則是盡量做大板單元的尺寸、減少板單元的種類、降低鋼箱梁段的總體組焊工作量，從而制作出高精度的鋼箱梁。通過(guò)多個(gè)帶縱橫肋的板單元件對(duì)每個(gè)梁段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)劃分，包括頂板、底板、斜底板、橫縱隔板、腹板和風(fēng)嘴，目的是減少使用零散部件組焊拼接整體箱梁，根據(jù)各板單元類型，采用流水作業(yè)的方式在不同的專用胎架上進(jìn)行板單元制作。

4.2 板單元制作關(guān)鍵工藝

在進(jìn)行板單元制作時(shí)，一般按“鋼板趕平及預(yù)處理—精確下料—組裝U形肋—反變形焊接—局部調(diào)整”的固定順序。

4.2.1 鋼板趕平

鋼箱梁所用的鋼板都需預(yù)處理。鋼板趕平有利于消除鋼板局部變形、釋放殘余應(yīng)力、最大限度地保證板件平整。預(yù)處理過(guò)程中，用磁力吊進(jìn)行上料和下料，可減少鋼板局部變形。鋼板趕平后進(jìn)行除銹、噴漆、烘干工作。

4.2.2 精確下料

鋼箱梁中形狀復(fù)雜的零部件主要采用精密型數(shù)控切割機(jī)下料。為保證鋼箱梁形狀和尺寸的精準(zhǔn)度，一般采用雙槍對(duì)稱的順序進(jìn)行切割，必要時(shí)增加一些補(bǔ)償量。一些矩形的板件下料優(yōu)先使用龍門式多嘴切割機(jī)，因?yàn)檫@種機(jī)械具有高精準(zhǔn)度，能同時(shí)切割和加工出坡口，為后續(xù)組焊預(yù)留出準(zhǔn)確的收縮量，有利于切割無(wú)余量。

4.2.3 組裝U形肋

U形肋機(jī)器樣板是廠家專門設(shè)計(jì)定制的，通過(guò)樣板的翻轉(zhuǎn)鉆孔胎鉆制U形肋的螺栓孔。由于先孔法工藝主要是使用機(jī)器樣板鉆孔，拼接板標(biāo)準(zhǔn)，使鉆孔質(zhì)量好、效率高，因此，通常采用先孔法工藝，不使用墨孔法工藝。組裝前一次性鉆好拼接處的螺旋孔徑，預(yù)留出準(zhǔn)確的組焊收縮量，控制組焊順序，控制焊接后較標(biāo)準(zhǔn)（偏差在允許范圍內(nèi)）的U肋和邊孔距。專門設(shè)計(jì)自定位組裝胎進(jìn)行U肋的高精度組裝。

4.2.4 反變形焊接

U形肋和單元板的焊接質(zhì)量在很大程度上決定著控制鋼箱梁的正交異性板質(zhì)量。當(dāng)焊接U形肋開(kāi)坡口和頂（底）板時(shí)，設(shè)計(jì)要求其熔透深度至少達(dá)到U形肋板厚度的80%。開(kāi)坡口熔透焊接時(shí)，易造成板單元的焊接角部分走形，而采用火焰修正會(huì)降低板單元尺寸的精準(zhǔn)度，從而增加內(nèi)應(yīng)力。為此，專門定制焊接胎來(lái)減少板單元的走形程度，以實(shí)現(xiàn)反變形控制。為了保證坡口焊接的熔透深度，一般采用船位焊接方式，通過(guò)精確計(jì)算坡口焊接角的變形量來(lái)保證反變形量的準(zhǔn)確性。實(shí)測(cè)焊接后的板單元數(shù)據(jù)顯示，采用反變形焊接方法，可使橫向平面度不超過(guò)4mm、縱向彎曲范圍在10～15mm，經(jīng)過(guò)修正后，其熔透深度很容易達(dá)到板厚的95%。

按照U形肋長(zhǎng)度精確計(jì)算所需預(yù)留的焊接收縮量，嚴(yán)格控制頂板和U形肋孔距的焊接收縮量。由于CO2在焊接過(guò)程中的變形較小，因此，優(yōu)先采用自動(dòng)和半自動(dòng)CO2焊。采用藥芯焊絲CO2自動(dòng)焊進(jìn)行U形肋與頂（底）板的組焊，采用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊縫對(duì)接，以提高焊接質(zhì)量。

4.3 鋼箱梁拼裝工藝

鋼箱梁拼裝可采用多段組焊與預(yù)拼裝同時(shí)完成的方法制作鋼箱梁。對(duì)頂?shù)装鍐卧⒏拱濉㈠^箱、橫縱隔板、風(fēng)嘴進(jìn)行流水作業(yè)。制作梁段時(shí)，先采用二拼一的作業(yè)方式制作板單元，然后按橋底板—橫縱隔板—腹板—頂板—風(fēng)嘴的順序進(jìn)行組裝，逐段進(jìn)行單元板組焊。組裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制箱梁的形狀、尺寸、精度、接口偏差和頂板U形肋栓孔重合率。

4.3.1 板單元二拼一

在進(jìn)行梁段的匹配和組裝前，先在二拼一胎架上將頂?shù)装鍐卧M焊成吊裝板塊。為保證焊接后單元塊的尺寸、精度、平整度和焊接變形，需在兩拼胎架焊接縫隙處向上預(yù)留焊接反變形量。另外，由于預(yù)留了焊接收縮量，使焊縫兩側(cè)相鄰形肋的中心距得到很好的控制。這種方式可大大縮短制作周期。

4.3.2 整體組裝胎架線形和定位

根據(jù)橋梁線形設(shè)置整體組裝胎架的縱向線形，并根據(jù)各組裝批次的縱向線形高差表調(diào)整胎架牙板。將支撐橫梁設(shè)置在鋼箱梁橫隔板處，減少底板單元的變形程度，為保證焊接后鋼箱梁橫截面的尺寸，需要預(yù)設(shè)胎架橫向的上拱度。在考慮焊接收縮的同時(shí)，根據(jù)縱基線進(jìn)行頂?shù)装鍐卧獧M向定位。同時(shí)，根據(jù)橫基線進(jìn)行頂?shù)装鍐卧v向定位。用激光經(jīng)緯儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)定位，重點(diǎn)是縱向直線度、端口與中心線之間的垂直控制。

4.3.3 梁段組焊及預(yù)拼裝

結(jié)合CO2氣體保護(hù)焊與陶質(zhì)襯墊單面焊雙面成型工藝，按照自下而上、自中而外、自內(nèi)而外的焊接順序，完成梁段組焊和預(yù)拼裝，從而減少橋梁起拱和線形調(diào)整的工藝步驟，有利于縮短制作工期。

5 鋼箱梁施工控制措施

5.1 變形控制措施

控制鋼箱梁的變形是焊接過(guò)程中的難點(diǎn)。由于焊縫的接頭多，因此，在焊接時(shí)加強(qiáng)變形精度控制非常必要。較大的誤差會(huì)導(dǎo)致許多不可控的情況發(fā)生，嚴(yán)重影響鋼箱梁質(zhì)量。實(shí)際生活中，為了控制焊接變形，經(jīng)常使用自動(dòng)化設(shè)備對(duì)板單元進(jìn)行組焊。

5.2 下料尺寸控制措施

焊縫過(guò)多容易造成操作誤差。為減小焊接變形，必須控制鋼箱梁?jiǎn)卧珳?zhǔn)度。另外，完成焊接后，若出現(xiàn)差錯(cuò)，則修正時(shí)會(huì)有很大難度。因此，研究發(fā)現(xiàn)，要減少橫隔板這些單元件對(duì)鋼箱梁尺寸的影響，使用高精密度數(shù)控機(jī)進(jìn)行切割是一個(gè)很好的解決方法。

5.3 板單元組拼尺寸控制措施

（1）嚴(yán)格控制各單元板的幾何尺寸，使之符合要求，并注意焊縫接口的走形。

（2）板單元采用反變形自動(dòng)定位組裝，以減少因焊接而產(chǎn)生的收縮和走形。

（3）采用自動(dòng)化裝置焊接橫隔板，使橫隔板的幾何尺寸精確化，有利于提高單元板的精準(zhǔn)度和質(zhì)量。

5.4 梁段組拼線形控制措施

鋼箱梁線形控制，先用計(jì)算機(jī)精確放樣，再通過(guò)數(shù)控機(jī)具下料，保證零部件的線形；出廠前布置好工裝胎架，并進(jìn)行橋型模擬，制作符合設(shè)計(jì)要求和橋線形的單元件，按照“全橋組拼→相鄰節(jié)段精確化匹配，調(diào)整尺寸接口、拱度→配件組裝”的順序，在專用胎架上進(jìn)行梁段組拼。

5.5 裝焊質(zhì)量控制措施

（1）科學(xué)合理地設(shè)計(jì)裝配間隙，考慮收縮余量，避免焊接零件不能與之匹配。

（2）定期監(jiān)測(cè)橋軸線并注意其變化。

（3）科學(xué)確定焊接順序。

（4）防風(fēng)雨設(shè)施必不可少。

（5）嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)工藝紀(jì)律管理制度。

5.6 焊接重點(diǎn)控制事項(xiàng)

（1）焊接前，進(jìn)行工藝評(píng)定，方便了解優(yōu)劣情況，采用工藝性價(jià)比高的制作工藝流程，編寫工藝評(píng)定報(bào)告。

（2）選擇抗裂性好的焊接材料和合適的焊接方法。

（3）選擇均勻協(xié)調(diào)的材料進(jìn)行焊接，保證整體協(xié)調(diào)、美觀。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋼箱梁在制作過(guò)程中必須保證其精度和質(zhì)量。采用先進(jìn)的設(shè)施和制作工藝，如高精度自動(dòng)定位板單元組裝工藝、反變形焊接工藝、梁段組焊與預(yù)拼裝并行等，以保證制作高質(zhì)量的鋼箱梁。