摘要：沪通长江大桥为双塔连续钢桁梁斜拉桥，主跨达到1092m，在国内同类型桥梁中跨度最大。主梁采用双节点整体桁片式结构，双节点杆件长约28m，箱体内高2200mm，内宽1000mm，最重杆件约108吨。本文结合杆件结构特点，提出各项优化工艺，实现对超长双整体节点杆件几何尺寸、焊接收缩、扭曲、旁弯及线形控制，解决超长杆件工厂制造关键技术各项难题。
关键词：沪通桥；双整体节点；超长杆件；新材料；变形控制；Q500qE。
一、工程概况
1.1桥梁概况
沪通长江大桥主梁跨度布置为：（142+462+1092+462+142）m，全长2300m，采用三片主桁结构，标准段主梁桁高为16.0m，桁宽2×17.5m，桁式采用“N”形桁，节间距分为14m。桥梁立面布置图如图1.1-1，一般桁段立体图如图1.1-2。
图1.1-1 桥梁立面布置图
图1.1-2 一般桁段立体图
1.2沪通桥下弦杆结构分析
沪通桥下弦总长28000mm，最大高度4224mm，最大宽度1650mm，箱体内高2200mm，内宽1000mm，最大重量约108吨。下弦腹板由两块异形大节点板与三块方板不等厚对接而成，一侧腹板加劲肋在箱内，另一侧腹板加劲肋在箱外。顶、底板均为通长方板，下弦顶底板均为覆盖式，其大节点板穿过顶板开孔槽。
图1.2-1 下弦杆立体图
二、超长双整体节点箱形弦杆技术特点及重难点分析
2.1沪通桥下弦杆件长达28m，截面为1.2m×2.2m箱型，相对形成细长杆，长细比很大，其力学特性决定了其整体刚度相对较弱，制造过程中的上拱及侧弯、扭曲变化难控制，其双整体节点结构特点在《铁路钢桥制造规范》中没有具体条目规定，需要制定专门制造验收规范。
2.2边桁杆件不对称结构，其焊接变形易造成杆件旁弯，如何控制杆件的焊接变形是杆件制造的重点和难点。箱体两侧不对称焊接对杆件旁弯的影响，横向焊缝焊接对杆件长度的影响都比较难控制。控制弦杆的总长、拱度、旁弯、扭曲，直线度等几何精度是各个制造工序的关键点。
2.3下弦杆存在大量的厚板焊接，全熔透角接、全熔透对接。如何保证焊接质量避免焊接裂纹的产生、减少焊接残余应力、保证焊接接头各项性能以及Q500qE钢材低温冲击韧性，特别是下弦杆面板与腹板之间的围焊缝槽口等关键部位的熔透焊缝质量，是本工程的关键点。
2.4杆件总长28m，零件长度方向都存在板对接，顶底板各对接一道，腹板对接四道。两处节点板竖向系统线距离为14m，杆件焊接过程中不断的热输入会造成杆件纵向的收缩，焊接收缩余量要适当设置，保证杆件成品后要保证此距离的公差在±2mm之内。
2.5节点板与面板焊接部位存在不对称焊接。节点板部位的不对称焊接会造成节点板角变形，在焊接前需要对节点板做适当的反变形，此反变形量需要拿捏准确。腹杆的翼板与节点板采用熔透对接，腹杆的翼板需要插入下弦杆节点板之间焊接，节点板的开档是控制的重点。
三、超长双整体节点箱形弦杆拼焊流程及关键工艺
3.1 杆件制造流程
在以往项目的基础上，根据超长双整体节点箱形弦杆自身特点编制杆件制造工艺。下弦杆制造工艺流程如图3.1-1 所示。
图3.1-1 下弦杆制造工艺流程图
3.2工艺解决方案
3.2.1 零件下料
1）钢材进厂后需做钢板平板处理，释放内应力，平板后钢板平面度小于1mm/m。
2）放样时按要求预留加工余量、焊接收缩补偿量等。原则上铣边余量为6mm，另28米长零件铣边余量根据实际情况多加2mm，横向对接焊缝收缩量按一道对接焊缝3～4mm预留，纵向坡口焊缝收缩量按杆长的0.6‰～0.8‰预留。
3）考虑到腹板单元为28米，为保证腹板系统线与顶板的相对尺寸，下弦腹板上边除节点板处以外其它地方均要铣边，腹板下边通长铣边。腹板由5块板件对接而成，故采用对接完后再进行28米通长铣边，以消除下料及对接工序的误差和变形。
4）顶底板在节段间采用工地焊接连接方式，在下料时，在临近节点边留10mm配切余量，长度留0.07%×L焊接收缩量；为了保证节点板顺利穿过顶板开孔的宽度留有+2~+4mm的公差，宽度方向增加10mm配切量，杆件成型后配切并开制坡口。
5）隔板是箱形杆件组焊的内胎，是保证弦杆宽度、高度及箱体对角线的关键部件，因此隔板应四周铣边，四周均预留5mm铣边余量，数控精密切割下料。加劲肋下料时预留的焊接收缩量按所焊接主板的焊接收缩量进行预留。加劲肋下料后应对旁弯和直线度进行检查，不满足允许偏差应机加工或矫正。为保证横梁接头腹板的高度及与箱体之间的间隙均匀，横梁腹板接头需铣三边。
3.2.2 板单元预制
1）板料接长。大节点板和方形长板分别开对接坡口，首先完成如下图大节点板与两端的方形长板对接缝1，形成两个8~10米板件后再进行中间段方形板的两条对接接长焊缝，即下图中所示的对接缝2。划系统线，以节点中心为基准，延伸系统线，通过调整杆件远端系统点的距离偏差<1mm，来保证两个整体节点间距的精确度。如下图3.2-1中所示意测量a1,b1,c1,d1偏差满足要求后方允许对接，需复测各点。
图3.2-1 节点板与腹板对接示意图
2）拼装加劲肋。为减少加劲肋焊接产生的腹板角变形及达到焊接质量要求，必须在翻转胎架上进行施焊，其胎架应留有适当的反变形量。腹板宽度为2200mm，反变形量按照20mm设置。反变形措施如下图3.2-2所示。
图3.2-2 焊接翻转胎架示意图
加劲肋焊后产生的角变形采用热校的方法校正,角变形控制在0.5mm以内。焊接完加劲肋板的板单元件如图3.2-3所示意。
图3.2-3 下弦杆板单元示意图
3.2.3 杆件组拼
1）由于腹板节点板穿过顶板，存在围焊缝，为了方便熔透焊接，采用倒拼法。
2）在组拼胎架上铺设顶板单元，以横基线和纵基线为基准，余量平均分配到两端，划线时，应根据杆件预留焊接收缩余量按长度平均分配的原则，计算横隔板之间预留的焊接收缩量，组装时应加上该收缩量。给定为每2800mm预留0.8进行排布，横隔板间隔允差±0.5mm,划横隔板、竖腹板拼装线，按线组装横隔板,检测垂直度<1mm。如图3.2-4，3.2-5所示。
图3.2-4 铺设顶板单元
图3.2-5 横隔板拼装
3)对内侧腹板定位线进行第二次划线，在拼装胎架内按安装线对齐安装内侧腹板单元，腹板单元穿过顶板上围焊缝槽口，为保证能顺利穿插，腹板与顶板槽口允许间隙小于4mm，与腹板垂直度小于0.5mm。如图3.2-6所示。
图3.2-6 安装内侧腹板单元
4) 对外侧腹板定位线进行第二次划线，在拼装胎架内按系统线对齐安装外侧腹板单元,对齐横向、纵向基准线，腹板与顶板单元、横隔板贴紧，两两之间间隙小于0.5mm，两两垂直度小于1mm。检查各系统线、安装线尺寸。另外还须检测的是内外侧两大节点的对齐偏差小于0.5mm。检测合格后定位焊。如图3.2-7所示。
图3.2-7 安装外侧腹板单元
5) 在拼装胎架内安装底板单元，底板单元为覆盖式，安装时先检查腹板内档尺寸，特别是大节点位置处。检查合格后定位焊。如图3.2-8所示。
图3.2-8 安装底板单元
四、超长双整体节点箱形弦杆工厂焊接技术
4.1 设计专门焊接胎架
箱体焊接必须在专门焊接胎架上进行，焊接胎架具备刚性固定功能，焊前进行刚性固定，刚性固定示意如图4.1-1所示。
图4.1-1 焊接胎架刚性固定示意图
4.2 优化焊接工艺
优化焊接顺序和焊接工艺参数，尽量减少焊接过程热输入。纵向焊缝从一端到另一端顺序施焊，隔板立焊缝从下往上施焊，能够两条焊缝对称同时施焊则两条焊缝同时对称作业，减少旁弯和扭曲。具体焊接顺序示意如图4.2-1，4.2-2所示。
图4.2-1 焊接顺序示意图一
图4.2-2 焊接顺序示意图二
4.3 不对称焊接的反变形措施
下弦杆的结构特点决定了节点板与面板的熔透焊缝为角接焊缝，外侧节点板只能在箱体内侧施焊，内侧节点板虽然可以两侧施焊，但是坡口角度大小不同也导致焊接时节点板两侧热输入有较大差别。节点板部位的不对称焊接会造成节点板角变形。焊前对节点板做反变形措施可以很好的解决节点板熔透焊的角变形，达到减少焊接后角变形的调校工作量。
在工厂内采用热矫的方式做反变形，反变形的部位为焊缝根部至焊脚往上5mm的范围。加热温度不能超过800℃，严禁过烧。反变形量根据节点板厚做细微调整，节点板48mm板厚按照经验值10mm/米设置。反变形示意如下图4.3-1所示。
图4.3-1 节点板部位反变形示意
4.4 节点板围焊缝焊接工艺优化
在焊接常规措施焊前预热、层温控制、焊后保温等基础上，制定围焊部位特殊焊接工艺措施：一条焊缝尽量在同一工时内完成，若中断焊接，则须采取保温措施，再次施焊时须按规范要求重新预热。开槽端部100mm范围内严禁起熄弧，对意外熄弧处，将此处打磨去除3mm深、20mm长的焊缝金属并匀顺过渡，对搭接的起熄弧处也同样处理。焊缝表面进行打磨处理完毕后探伤，合格后对端部150mm范围内进行超声波锤击，锤击后此焊缝不得再进行返修、修磨。围焊缝部位顶板和节点板的坡口形式以及加工精度对于焊接探伤合格至关重要，从熔透焊接区到熔深焊接区设置150mm长度的坡口过渡区，此过渡区的坡口无法采用自动设备开制，只能通过人工开制，后期的修磨需要谨慎处理，保证与前后坡口的匀顺过渡。节点板围焊缝的构造细节如下图4.4-1 所示。
图4.4-1 节点板围焊缝部位构造细节
4.5 新型材料Q500qE钢材焊接质量保证措施
沪通桥墩顶部位弦杆采用Q500qE材质钢板，在工厂焊接质量稳定性这一块是个难题，通过对于Q500qE高强钢的焊接工艺参数、焊接材料的匹配、焊缝的力学性能试验研究，制定专门的焊接作业指导书，用于指导工厂焊接。
Q500qE材质定位焊采用CJ607Q焊条电弧焊。埋弧焊采用的SJ105q焊剂碱性大，极易吸潮，因此一次领用的使用时间需控制在2小时以内，超过时间后需重新领用，防止使用受潮的焊剂。过程中加强预热温度及层间温度的控制，测温区域为距焊缝30~50mm范围，最后一道盖面焊完成后熔渣暂不清除，并盖上石棉保温1小时以上。一条焊缝尽量在同一工时内完成，若中断焊接，则须采取保温措施，再次施焊时须按规范要求重新预热。
五、结束语
钢桁梁设计理念的发展经历了一个从散节点到单整体节点再到双整体节点的过程。与单整体节点相比，双整体节点的杆件几何尺寸精度控制更加困难、焊接收缩引起的拱度、旁弯、扭曲等变形更加复杂。在制造工艺设计过程中，对零件下料、板单元对接、杆件组装、整体焊接每个工序都要研究影响制造的关键技术，制定有针对性的工艺措施。从沪通桥现场安装的情况来看，弦杆的制造精度以及整体质量完全满足架设需求。通过各项关键技术的研究，解决了超长双整体节点箱形弦杆工厂制造的几何尺寸精度控制、焊接变形控制、新材料Q500qE材料的工厂焊接等难题。以上取得的成果为今后超长双整体节点箱形弦杆工厂制造提供了可借鉴的经验。
参考文献
[1]《铁路桥涵施工规范》（TB10203-2002)
[2]《铁路钢桥制造规范》（Q/CR 9211-2015)
[3]《铁路桥涵施工规范》（TB10203-2002）. 北京：中国铁道出版社，2002.
[4]《钢结构工程施工质量验收规范》.中国计划出版社，2002年3月.
[5]《铜陵公铁两用长江大桥北边跨钢梁施工技术》 桥梁建设杂志，2016.8
[6]沪通长江大桥HTQ-2标主航道桥钢桁梁制造规则（QB/HTZQ-2015）
[7]付荣柏.焊接变形的控制与矫正.机械工业出版社.2006.6.
论文作者:黄旭光
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：节点论文; 腹板论文; 下弦论文; 顶板论文; 单元论文; 所示论文; 如图论文; 《基层建设》2019年第7期论文;