摘要：本文通过对江顺大桥主桥栓焊结合钢箱梁为例，重点阐述了钢箱梁单元件制作工艺、焊接工艺、整体预拼装工艺，强调制作过程的尺寸精度控制和焊接变形控制措施。该桥的顺利施工和合龙为其它同类型工程提供借鉴。
关键词：桥梁；钢箱梁；预拼装；焊接
1 工程概况
江顺大桥主桥采用双塔双索面钢一混凝土混合梁斜拉桥，桥跨布置为（60+176)+700+(176+60)=1172m，钢砼结合点设在边跨离主塔158m处。主梁断面采用流线型扁平箱梁。斜拉索采用平面扇形布置，双索面。钢箱梁为大型薄板栓焊结合钢结构，桥面板及其加劲肋采用了栓焊结合的方式（即桥面板焊接、U肋加劲栓接），底板、外腹板、纵隔板及其加劲构造均采用全焊的连接方式。
江顺大桥的主桥钢箱梁采用单箱三室结构，其外廓尺寸为:梁高3.5m，梁全宽37.7m。全桥钢箱梁划分为A～H共8种类型，73个梁段，最重吊装段约346吨，总重约24000吨。
图1 标准节段钢箱梁结构
2 钢箱梁结构特点、工艺难点
1、栓焊结合，变形控制难度大
为保证焊接质量，避免仰焊，提高抗腐蚀能力，桥面板及其加劲肋采用了栓焊结合的方式（即桥面板焊接、U肋加劲栓接），底板、外腹板、纵隔板及其加劲构造均采用全焊的连接方式。钢箱梁纵横构件多，焊接量大、焊接变形大，因而对钢箱梁焊接收缩、变形控制、各向尺寸精度和U肋孔位精度控制难度较大。
2、结构复杂，制造质量要求高
钢箱梁为全焊钢结构，节段单箱尺寸较大，单板厚度与刚度较小，焊缝密集。尤其是钢混结合段、支座构造处、吊索锚固构造等处，结构复杂，受力集中。钢箱梁内部存在大量的对接接头、熔透或坡口角接接头、T型角接接头等多种接头形式以及各种不同的焊接工位，对材料质量、焊接工艺、焊接质量、制造精度、探伤检查均有较高的要求。因此，如何控制其焊接变形焊接残余应力，保证钢箱梁几何尺寸精度及焊接质量是钢箱梁制造的重点和难点。
3 总体制造方案
根据本桥结构特点，桥址地理环境，结合工厂施工条件，采用工厂下料、制造板单元、总拼胎架上按4+1拼装成整节段、涂装、运输至桥址吊装架设、栓焊成桥的制造方案。
3.1单元件制造要点
本桥钢箱梁断面尺寸较大，在满足技术规范的前提下，综合考虑市场上钢板的幅宽，工厂处理和下料加工设备能力，纵肋布置，焊缝间隔等，尽量减少对接焊缝数量，能形成批量生产，容易控制质量及有利单元件生产的规范化，一个节段划分成若干板单元，包括顶板单元、底板单元、斜底板单元、中腹板单元、边腹板单元、横隔板单元、风嘴单元、锚箱等。
1、钢板预处理
钢板进厂复验合格后，方可投入生产。下料前先对钢板的材质、炉批号进行移植，采用60m平板机通过矫平消除钢板的轧制变形（尤其是局部硬弯）和内应力，从而减小制造中的变形。钢板矫平后表面平整度偏差在1mm/m范围之内，不得出现褶皱、翘曲等影响质量的现象，表面预处理Sa2.5级，涂装醇溶性无机硅酸锌车间底漆一道25μm。
2、零件下料
全桥统筹用软件计算横坡、纵坡及预拱度对梁宽度及长度的影响，异形零件全部用AutoCAD进行1：1放样，采用数控编程精密切割下料，其它零件可采用龙门多头切割机下料，另外需要考虑板单元组拼在板宽及板长方向预留工艺余量。尤其本桥横向宽度大，预拼装将会产生横向下挠，故需设置横向预拱度，通过计算需设置26mm预拱度。因此，隔板需增加预设拱度后放样下料。
3、板单元组拼技术
①单元件组拼均应在专门的平台上或胎架上进行，防止或减少热加工中因板件自重影响而产生变形，控制单件板单元的几何尺寸，对于钢箱梁总拼时控制箱梁整体的焊接收缩、焊接变形，确保几何尺寸精度尤为重要。
②为减少因焊接而引起的变形，在焊接前预置反变形量。U肋与底板焊接均为纵向角接焊接，易造成横、纵向变形，为减少应力和调校工作量必须采用反变形胎架焊接。在板单元组焊中，根据其热量输入、应力分布、自由变形状态等特点，采用反变形技术，减小焊接后因收缩引起的角变形，从而大大提高矫正工作效率和板块质量。施焊时采用线能量较小的CO2气体保护自动焊同向、从中往两侧对称施焊，以尽量减小焊接变形。焊接时重点控制焊丝角度、工艺参数，保证熔深、焊缝外观成型，避免咬边等缺陷，板单元制造时根据理论计算以及以往制造钢箱梁的经验，确定板单元的焊接收缩量，在下料时预留相应的收缩余量，板单元采用高精度无码拼装胎架进行拼装。出胎前以胎架上所设线为基准在板块上划出纵横基准线等。
图2无码拼装胎架组拼U肋
图3反变形胎架施焊U肋
U肋的制造质量和焊接好坏直接关系到板单元的制造，为此生产中重点控制U肋的加工质量特别是U肋的坡口加工精度，并在焊接过程中严格控制焊接电流、电压、速度、焊丝与面底板间的夹角、焊接方向等焊接参数，以保证达到良好的熔透深度和焊缝外观成形。
③横隔板的焊接在专门的胎架中进行，通过胎架刚性固定，控制焊接收缩和焊接变形，保证横隔板的尺寸精度。隔板单元件焊缝密集，焊接采用线能量小的药芯CO2气体保护焊进行，焊接顺序为：中间→两边→四周，竖向焊缝焊接方向一致，纵向焊缝焊接方向从中往两侧对称。隔板单元焊接完成后，采用控制火焰温度和密集梅花点的方式进行火焰矫正，保证单元件平面度。
④吊索锚箱等处是传递索力的关键部位，其制造质量十分重要。在制造过程中结合支座构造、索梁锚固构造、钢混结合段的结构特点，编制关于支座构造处、索梁锚固构造、钢混结合段制造的专项工艺及检测规范，制定详细的定位、装焊次序。为保证焊接质量，严格控制装配质量和焊接顺序，并采用焊前预热，严格控制焊缝层间温度多层多道进行焊接。焊后采用高频冲击工艺消除应力处理，降低焊接残余应力的峰值以提高焊缝的抗疲劳强度。锚箱承压板与外腹板焊后，其过度圆弧段切割后打磨匀顺并进行超声波锤击。锚箱用软件进行三维空间放样，并分解为二维角度进行单元件制造锚箱单元件。
图4锚箱结构示意图
3.2 钢箱梁节段组装及预拼装
本桥钢箱梁横截面大，节段制作及预拼在同一胎架上一次完成。组装采用“正装法”，以胎架为外胎，以中腹板、横隔板为内胎，各板单元按纵、横基线就位，辅以加固设施以确保精度和安全。为使梁段对接时易于调校各板的相互位置，将中腹板、外腹板、风嘴等端部焊缝留200mm长暂不焊，待安装架设时再施焊。梁段组装按照桥底板→中间腹板→中横隔板→边腹板→钢锚箱→顶板→风嘴→吊点→附属结构等单元的顺序，实现立体阶梯形推进方式逐段组装与焊接。预拼装作业的主要内容有：确定桥面线形，确定并控制钢箱梁的总长度、拱度、旁弯，修整顶板、底板的长度和环缝坡口，检查并矫正环缝两侧构件的匹配性等，预拼装控制要点如下：
1、胎架定位
在总拼装场地搭设2个80m长的专用预拼装胎，胎架顶面牙板与钢梁隔板位置对齐，定位高度与需根据每一轮次钢梁线形（考虑预拱度），利用经纬仪、水准仪作出精确定位。同时，作出纵横基准线。按照“4+1”的方案，按架设顺序分两个作业段进行总拼，主桥钢箱梁从跨中向两边跨开始组装及预拼装，由于结构的差别，第一轮次的拼装完成后，对胎架进行局部改造用于后续标准梁段的拼装。上次预拼装结束后留下最后1个梁段参与下一次预拼，依此类推。
2、底板拼焊
胎架上横向按中间向两侧、纵向按近塔侧向远塔侧的顺序铺设底板，斜底板与水平底板角度利用样板检测。为避免横隔板及外腹板安装时与斜底板抵触，最外侧斜底板较理论位置高度平行下移50mm，待外腹板安装后调整到位。底板纵、横向定位线与胎架定位点对齐，用水准仪和经纬仪测量整一轮次的底板中轴线及两边的标高及轴线的偏差。单元定位无误后底板与胎架码固。采用CO2气体保护焊打底，埋弧自动焊填充、盖面焊接同一梁段底板间的对接焊缝，反面贴陶瓷衬垫，单面焊双面成型，预留3mm焊接收缩余量，且焊接间隙为6~8mm。焊接顺序为先施焊中轴线位置的焊缝，再逐步施焊两边的焊缝且左右对称施焊，焊接方向为从拼装基准端（近塔侧）开始向施焊非基准端施焊。焊后焊缝修整，外观检查，无损检测。逐步测量邻板单元的U肋隔板处及纵向两端相间距和每块底板的中心线与中间底板中心线的间距，发现有偏差时应调整下一板单元的间距，避免偏差的累积。
3、横隔板及中腹板拼装
修正底板上横隔板及中腹板的安装定位线，以底板的横、纵基线为基准，从近塔侧向远塔侧交替按线组装中腹板及横隔板单元，保证中腹板、横隔板及底板三者垂直度及间距。注意控制横向两横隔板间的焊接间隙，水准仪测量中腹板及横隔板的标高及纵向旁弯，确认无误后定位焊。中腹板及横隔板丝杆支撑，并对垂直度做微调，确保组装的安全及精度。
4、外腹板及锚箱拼装、调整斜底板
横向以胎架基准线定位，纵向以基准端及胎架基线定位组装外腹板，用经纬仪检测两外腹板之间宽度及纵向直线度，必须根据胎架上的纵、横基准线及通过高精度全站仪对锚箱角度进行精确定位安装，严格控制锚箱中心纵、横距误差在规范容许范围之内，确认无误后定位焊。外腹板安装后利用千斤顶将最外侧斜底板调整到位，起顶时应两侧同时均匀，起顶到位后用板单元下塞垫压板，无误后定位焊。首先施焊横隔板间的对接焊缝，再焊接横隔板、中腹板与底板的焊缝以及横隔板与中腹板间的焊缝，最后施焊横隔板与外腹板间的焊缝。
5、顶板单元拼装
由内向外依次铺设顶板单元，以基准端及胎架纵横基线为基准，水准仪测量顶板系统线、标高及横向坡度，确认无误后定位焊，并与下部横隔板码固。从中间依次向两侧对称组焊顶板单元，并焊接顶板单元与横隔板单元件焊缝。顶板单元组装时，注意调整与中腹板的位置关系。焊接采用对称施焊，纵向对接焊缝位置采用码板控制横向收缩。组装顶板时应注意水平方向的相对位置，在水准仪和经纬仪监控下组装顶板单元，以控制箱体高度及横向2.0％的单向横坡。焊后焊缝修整，外观及无损检测。
6、风嘴单元及锚管拼装
以基准端及胎架上纵横向基线安装风嘴单元，水准仪测量风嘴纵向直线度及标高，且确保钢箱梁总宽度及箱口对接线，确认无误后定位焊。先焊隔板与外腹板间的焊缝，再焊接风嘴顶、底板与外腹板间的焊缝。焊后焊缝修整，外观及无损检测。由风嘴顶板相贯孔插入锚管，并对其纵横向位置及角度进行检测，确认无误后定位焊。施焊与承压板及顶板间的焊缝。
7、利用角模以横肋上孔定位钻制顶板上临时吊点及后锚固点孔。
8、钢箱梁上所有焊缝施焊及检测合格并对钢箱梁矫正完成后，解除钢箱梁与胎架码板，全面修磨码板点焊部位。待钢箱梁尺寸检验合格后，以胎架上定位线及水准仪修正梁段纵横向基准线。以修正后的基线为基准并考虑预拱度对顶底板长度的影响，划出顶底板及外腹板的配切线，采用半自动小车对钢箱梁进行配切。
9、检测钢箱梁的长度，重点控制任意锚点的间距，当发现超差时，应通过调整钢箱梁端口工地焊接的焊缝间隙来调整。检测钢箱梁的整体旁弯，拱度，超差的进行调整。检测钢箱梁相邻接口的匹配情况，并按制规要求进行调整。安装匹配件，通过监控及设计单位提供的钢箱梁工厂制造线形，计算出顶底板的长度差，并报监理工程师同意，通过调整匹配件之间垫块的厚度实现预拱度。
10、各项尺寸、线形检验及调整合格后，以标准拼接板作为样板采用空心钻配钻出无孔端U肋的栓孔。
11、运梁台车驮运已拼梁段出胎，调整胎架线形及布置，最后一段梁段移至胎架首部，以后面一梁段为母梁，继续拼装下一轮次箱梁。
12、涂装，发运。钢箱梁涂装前对钢箱梁零件自由边进行打磨倒角，圆弧半径为2mm。钢箱梁存放支撑位置应为临时支点位置，不得随意设置支撑点，避免应钢箱梁自重引起支点位置的变形。
4 结语
实践表明，江顺大桥主桥钢箱梁制造过程中，通过对零件下料、单元件制造、焊接质量、焊接变形和预拼装等关键点进行精确控制，施工过程顺利，最终顺利合拢、通车，达到了预期效果，对其它同类型钢箱梁制造具有很好的指导及借鉴意义。
参考文献
[1] Q/CR 9211-2015.铁路钢桥制造规范.
[2] JTG T F50-2011 公路桥涵施工技术规范.
[3] 付荣柏.焊接变形的控制与矫正.机械工业出版社.
[4] 娄健.钢箱梁斜拉桥横向预拱度的设置[N].合肥工业大学学报，2013-12-26（6）.
论文作者:马得利
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：腹板论文; 底板论文; 横隔论文; 单元论文; 顶板论文; 纵向论文; 横向论文; 《基层建设》2019年第7期论文;