魚腹形橫梁工藝降耗技術研究

陳 敏

（中鐵山橋集團有限公司，河北秦皇島 066200）

1.工程概況

北口大橋跨江主橋位于浙江省溫州市甌江入海口之上，是甬臺溫高速公路復線和南金公路兩大項目在溫州市內跨越甌江的重要過江通道。主橋采用2×800m 的三塔雙層橋面鋼桁梁懸索橋，規模宏大，技術復雜，結構新穎獨特，充分體現創新、協調、綠色、開放、共享發展理念，設計使用壽命為100 年。大橋于2016 年1 月4 日動工興建、2021 年12 月30 日實現合龍、2022 年5 月27 日正式通車運營，實景與設計布置圖如圖1 所示。

圖1 北口大橋跨江主橋實景圖及設計立面

2.結構特點

橫向兩片主桁間距為36.2m，標準節間長為10m、梁端節間長為11.8m，全橋總計208 個節間，如圖2 所示[1]。

圖2 北口大橋跨江主橋BIM模型與設計橫斷面圖

上、下層公路橋面采用正交異性板整體鋼橋面結構，由橋面板和倒T 形橫梁組成，如圖3 所示。

圖3 上、下層公路橋面板塊布置圖

倒T 形橫梁在標準10m 節間順橋向間隔3.33m、3.34m、3.33m 各設一道，在梁端11.8m 節間順橋向間隔2.95m 設一道。共分為節點橫梁和節間橫梁兩種。

節點橫梁布置在主桁節點處，橫梁腹板厚14mm、中心高2.465m，豎向加勁肋寬150mm、厚12mm。水平加勁肋寬120mm、厚12mm。底板寬800mm、位于跨中區域板厚為36mm，其余位置為26mm，單重15.811t，如圖4 所示。

圖4 節點橫梁構造圖

節間橫梁為魚腹形，布置在節點橫梁之間。橫梁腹板厚14mm，由中心高2.469m 漸變至主桁處1.2m，每間隔1.8m 布置一對豎向肋加勁，寬150mm、厚12mm，在豎向加勁肋之間，在橫梁受壓翼緣腹板高度的1/4 ～1/5 處布置一道水平加勁肋，寬120mm，厚12mm。節間橫梁底板板厚為32mm，寬600mm，單重12.686t。如圖5所示。

圖5 節間橫梁構造圖

3.橫梁損耗率失控要因分析

倒T 形橫梁長34.1m，因超出國家公路運輸規定、鋼廠軋制能力和工廠加工能力，在工廠制造環節必須采用分段制作工藝[2]。所以節點橫梁、節間橫梁均選用了產生1道焊縫的2 段制作（16600+17500）工藝方案[3]（見圖6）。

圖6 節間橫梁劃分2段制作工藝示意圖

在北口大橋跨江主橋鋼結構工廠制作的技術備料環節，發現了橫梁鋼材損耗率失控的問題。依據當前橫梁各部位的損耗率情況繪制了上、下橫梁各部位損耗率占比排列圖，如圖7 所示。根據主次因素分析法，將北口大橋跨江主橋上橫梁各部位損耗率曲線的累計頻率分為4 級，并將與之相對應的因素分為兩類。其中：A 類因素為節間橫梁制作工藝，發生累計頻率為0%～90%，因此是主要影響因素；B 類因素為節點橫梁制作工藝，發生累計頻率為90%～100%，因此是一般影響因素。

圖7 北口大橋跨江主橋橫梁各部位損耗率占比排列圖

4.節間橫梁工藝降耗方案研選

針對橫梁消耗失控的要因，開展節間橫梁制作工藝方案研選工作。

4.1 鏡像疊合備料新技術

節間橫梁與節點橫梁唯一的不同點是腹板呈魚腹形。當橫梁同樣采用16600+17500 的兩段制作工藝方案時，節點橫梁腹板的鋼材損耗率為1.97%，但節間橫梁的魚腹形腹板鋼材損耗率卻高達24.83%（見圖8），所以確定其為消耗失控的癥結所在。

圖8 采用兩段制作工藝方案的腹板備料圖

只有去除圖8 兩側（魚尾側）產生的大量余料，才可能降低損耗率。而合理的排板規劃及下料管理有利于提高鋼材使用效率[4]。如果把腹板分為3 段，通過中段魚腹處單獨備料、兩側短節的魚頭和魚尾實現嵌套的鏡像疊合備料新技術，才可以消除余料。如圖9 所示。

圖9 鏡像疊合備料技術對應的腹板備料圖

4.2 確定三段制作工藝方案

實施鏡像疊合備料技術的前提是確定最經濟、最有效的節間橫梁三段制作工藝方案。因此，運用計算機三維模擬實驗進行方案比選，尋找把鋼材損耗率降到最低黃金分割點，如表1 所示。

表1 魚腹形腹板制作工藝方案比選評價表

根據比選數據分析，魚腹形橫梁劃分3 段進行制作的工藝方案可使鋼材損耗率降至最低。具體劃分位置：上橋面節間橫梁為10790+12520+10790；下橋面節間橫梁為10180+13740+10180，如圖10 所示。

圖10 節間橫梁3段制作工藝方案示意圖

5.經濟效益分析

在大橋BKGL-03 標段工廠制作環節，魚腹形橫梁全部采用了三段制作工藝方案，成功地將鋼材損耗率降低了12.37%。全部422 道魚腹形橫梁共實現節約鋼材662.227t，節約成本307.216 萬元，達成了工藝降耗的目標。

6.結語

伴隨著我國由“橋梁大國”邁向“橋梁強國”的堅實腳步，未來將會自主設計與建造更多形式的鋼桁梁懸索橋。通過北口大橋跨江主橋魚腹形橫梁工藝降耗新技術的研發與實施，為國內鋼橋制造企業找尋降本增效新方向提供參考與借鑒。在全面推行綠色可持續的高質量發展戰略之際，全體造橋人將秉承自信自強、守正創新、踔厲奮發、勇毅前行的精神品質，助力中國橋搶占國際高端市場。