懸索橋鋼箱梁彈性索錨箱設(shè)計(jì)與制造工藝研究

顧碧峰,陳 策,丁 磊

(江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,江蘇泰州 225321)

1 工程概況

泰州長江公路大橋位于江蘇省長江的中段,位于江陰大橋和潤揚(yáng)大橋之間。北起自寧通高速公路,向南偏西于永安洲西北跨長江進(jìn)入鎮(zhèn)江揚(yáng)中境內(nèi),沿?fù)P中城區(qū)東側(cè)向西南于小泡沙西端跨夾江,于丹徒姚橋折向東南,終于滬寧高速公路,向南連接常州西繞城高速公路,全長約62 km。

圖2 彈性索錨箱結(jié)構(gòu)(單位：mm)

泰州長江公路大橋?yàn)榇罂缍热宜鳂?兩個主跨跨度均為1 080 m。橋面為6車道,加勁梁采用封閉式流線形扁平鋼箱梁。鋼箱梁總寬39.1 m,梁高3.5 m。中塔為變截面鋼塔,塔高194 m,橫橋向?yàn)殚T式框架結(jié)構(gòu),縱橋向?yàn)槿俗中?中塔與鋼箱梁之間采用彈性拉索連接。

2 彈性索錨箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泰州大橋是三塔懸索橋,通過設(shè)置彈性索來連接鋼中塔與鋼箱梁。彈性索一端固定在加勁梁上,另一端固定在鋼中塔上。該約束可以提高主纜與中主鞍座間抗滑移安全系數(shù)、改善中塔受力、降低鋼箱梁跨中撓度，并減小其縱向活載位移。彈性索、鋼錨箱與主梁連接見圖1。

圖1 彈性索、鋼錨箱與主梁連接(單位：mm)

彈性索錨箱在鋼箱梁上設(shè)在梁段的直腹板外側(cè)風(fēng)嘴內(nèi),兩個彈性索錨箱成1對,上下平行布置,全橋共有8個彈性索錨箱。彈性索錨箱構(gòu)造與鋼箱梁斜拉橋拉索錨箱類似,由40 mm厚的承力板和支撐板焊接成的矩形箱體通過承力板與直腹板間的焊縫連成整體,錨箱材質(zhì)采用Q345D鋼材。彈性索錨箱結(jié)構(gòu)見圖2。

2.2 應(yīng)力驗(yàn)算

按照單根彈性索力按5 000 kN計(jì),對錨箱進(jìn)行了Mises應(yīng)力驗(yàn)算。Mises屈服準(zhǔn)則表述為：在一定的變形條件下,當(dāng)受力物體內(nèi)一點(diǎn)的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時,該點(diǎn)就開始進(jìn)入塑性狀態(tài), Mises應(yīng)力的公式為

式中：σ1——第一主應(yīng)力；

σ2——第二主應(yīng)力；

σ3——第三主應(yīng)力；

σs——材料的屈服點(diǎn)；

K——材料的剪切屈服強(qiáng)度。

彈性索錨箱的Mises應(yīng)力圖見圖3。

圖3 彈性索錨箱Mises應(yīng)力圖

通過計(jì)算,可以看到：直腹板在彈性索錨箱范圍Mises應(yīng)力一般小于90 MPa。除錨箱頂板與直腹板交界處、錨箱側(cè)板與底部橫隔板交界處局部應(yīng)力較大外(最大229 MPa)，其他大部分區(qū)域應(yīng)力小于150 MPa。錨箱前端加強(qiáng)橫隔板除與直腹板、錨箱承壓板交界處局部應(yīng)力較大外,大部分區(qū)域應(yīng)力小于150 MPa。錨箱后端的橫隔板與錨箱交界的角點(diǎn)應(yīng)力較高(200 MPa),大部分Mises應(yīng)力小于130 MPa。所以在部分區(qū)域,如直腹板與錨箱承力板、錨座板相互間連接焊縫均應(yīng)考慮為熔透焊縫。

2.3 制造難點(diǎn)

通過上述計(jì)算可以看到,彈性索錨箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且在應(yīng)力較大區(qū)域需采用熔透焊縫，以確保連接強(qiáng)度。此處直腹板與錨箱承力板、錨座板相互間連接焊縫和腹板與頂、底板及橫隔板的連接焊縫設(shè)計(jì)均為熔透焊縫,而且由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需采用熔敷金屬量少,焊后變形小的坡口。對于錨座板與腹板、頂板的連接焊縫,還要求焊后對焊趾進(jìn)行錘擊處理,以減小應(yīng)力集中,錘擊溫度應(yīng)不小于65 ℃。并且,錨固面又不能整體機(jī)加工,所以保證錨固面的平面度有較大的難度。

3 彈性索錨箱整體制作工藝研究

根據(jù)彈性索錨箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合國內(nèi)鋼材供應(yīng)狀況,選用Q345D鋼材,采用有內(nèi)向外逐層焊接,增加剛性約束等工藝,確保焊接質(zhì)量并控制產(chǎn)品尺寸精度。錨箱主要由錨座板、錨墊板、承力板、支撐板、隔板接板及加勁板等零部件組成,并分別通過承力板、錨座板及隔板接板與直腹板連接成整體。

3.1 零部件的制作工藝

(1) 錨座板合件(圖4)

鋼板預(yù)處理后用數(shù)控切割機(jī)精密切割下料,在錨座板上以孔心為基準(zhǔn)劃線,機(jī)加工過渡斜坡、K型焊接坡口及鋼板厚度。機(jī)加工錨墊板厚度時預(yù)留3 mm工藝修磨量,以孔心為基準(zhǔn)鉆周圈小孔并攻絲。按基線組焊錨座板和錨墊板形成錨座板合件,并以錨座板合件底邊和厚度中心線為基準(zhǔn),在鏜床上加工索孔,確保索孔的孔徑公差和垂直度公差,最后打砂涂裝。根據(jù)“盡量采用熔敷金屬少、焊后變形小”的坡口確定原則,將錨座板與直腹板焊接坡口確定為雙面坡口(原設(shè)計(jì)采用單面坡口加鋼襯墊)；組裝錨座板與錨墊板,將其接觸面密貼度作為重要項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行控制；錨墊板預(yù)留3 mm工藝修磨量,錨箱焊接完后對錨墊板進(jìn)行二次修磨找平。

(2)承力板

鋼板預(yù)處理后用數(shù)控切割機(jī)精密切割下料,在刨床上加工三邊及坡口。在與直腹板及錨座板焊接邊組焊鋼襯墊,最后打砂涂裝。承力板與錨座板焊接采用加鋼襯墊熔透焊接。

(3)支撐板(圖5)

鋼板預(yù)處理后用數(shù)控切割機(jī)精密切割下料,在刨床上加工三邊及坡口。與錨座板焊接邊組焊鋼襯墊,最后打砂涂裝。

圖4 錨座板合件立體

圖5 支撐板簡圖

(4)風(fēng)嘴隔板接板(圖6)

鋼板預(yù)處理后用數(shù)控切割機(jī)精密切割下料,以孔中心為基準(zhǔn)劃線,用銑床加工四邊及坡口。與直腹板焊接邊組焊鋼襯墊,最后打砂涂裝。

圖6 風(fēng)嘴隔板接板簡圖

3.2 整體制作工藝

彈性索錨箱與直腹板的焊接質(zhì)量尤為重要,但由于空間位置狹小,給拼焊作業(yè)帶來很大困難,我們將錨箱從內(nèi)向外、由下向上分步進(jìn)行組裝焊接。彈性索錨箱整體組裝制作工藝示意見圖7。

(1)全面檢測修整直腹板單元,并修正其縱橫基準(zhǔn)線。以修正后的縱橫基準(zhǔn)線劃彈性索錨箱各零部件組裝位置線,并在背面劃工藝加勁板(防止焊接變形)位置線。之后,按線組裝、焊接工藝加勁板。

(2)加勁板翻身后在焊接平臺上按線組裝、焊接錨座板合件,并在小坡口側(cè)清根,確保熔透,焊接時可增加支撐,減小焊接變形。焊接后進(jìn)行探傷、錘擊、全面修整,檢測合格后進(jìn)入下道工序。

圖7 彈性索錨箱整體制作工藝

(3)組裝中間2塊錨箱承力板和風(fēng)嘴隔板接板,其中承力板與直腹板、錨座板采用襯墊留間隙單面焊保證熔透,與隔板接板為頂緊后焊接,隔板接板與直腹板焊縫暫不焊接。焊接后再進(jìn)行探傷、全面修整,檢測合格后方可進(jìn)入下道工序。組裝支撐板前將承力板與支撐板形成的封閉隔艙先進(jìn)行最終除銹、涂裝。

(4)組裝、焊接外側(cè)2塊錨箱承力板和底部支撐板,確保承力板與隔板接板磨光頂緊后焊接,其中承力板焊接同上,支撐板與錨座板采用襯墊留間隙單面焊保證熔透,與承力板為單面坡口焊接,最后焊接隔板接板與直腹板焊縫。焊接后進(jìn)行探傷、全面修整,檢測。最后,組裝上部支撐板,并進(jìn)行焊接,焊接方法同上,焊后探傷、全面修整,修磨錨墊板平面度至公差要求,并切除背面工藝加勁板。

3.3 工藝保證措施

由于該部位板厚較大,熔透焊縫多,在確保焊接質(zhì)量的前提下,采用了熔敷金屬少,焊后變形小的坡口。用線能量小的藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接,并嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱工藝和焊縫錘擊工藝。嚴(yán)格檢測直腹板平面度合格后,在劃線平臺上修正縱橫基準(zhǔn)線,并劃出彈性索錨箱各零部件組裝位置線。由于空間狹小,彈性索錨箱各零部件與直腹板從內(nèi)向外依次進(jìn)行對稱組裝和焊接,分別完成探傷、修整后再進(jìn)入下道工序作業(yè)。在直腹板對應(yīng)彈性索錨箱位置設(shè)置加強(qiáng)板,并在焊接錨座板、承力板及隔板接板時增加支撐件,防止焊接變形。特別要控制錨座板與拉索方向垂直度、錨座板與直腹板垂直度,各承力板間、錨座板和隔板接板間組裝精度,錨座板孔與隔板接板孔的同心度等。在彈性索錨箱零部件制作時進(jìn)行打砂涂裝,焊接完成后進(jìn)行補(bǔ)涂裝,避免整體無法打砂涂裝的情況。

3.4 錨固面平面度控制工藝

彈性索錨固部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜,熔透焊縫密集,錨固面又不能整體機(jī)加工,保證錨固面的平面度有較大的難度。為此,在工藝上將錨墊板和錨座板分別進(jìn)行機(jī)加工,為此制作了專用的研磨平尺,反復(fù)檢測研磨,確保單板的平面度,再將錨墊板和錨座板組焊成一外厚90 mm的合件,提高其剛性,然后參與錨箱的組焊,形成錨腹板單元后對錨固面進(jìn)行檢查,對殘余變形由機(jī)械鉗工進(jìn)行研磨處理,最終平面度控制在0.2 mm以內(nèi)。

3.5 檢測結(jié)果

彈性索錨箱幾何精度、整體尺寸達(dá)到了《泰州長江公路大橋懸索橋鋼箱梁制造驗(yàn)收規(guī)則》的要求。錨箱板件長寬允許偏差±2 mm,錨座板與腹板垂直度2 mm,索孔中心與直腹板距離的偏差±3 mm。焊縫外觀采用量尺及目視檢測,檢測結(jié)果符合制造規(guī)則要求,焊縫外形均勻,成形良好,焊道與焊道、焊道與基本金屬間過渡平滑,焊渣和飛濺物清除干凈。焊縫內(nèi)部缺陷檢測采用超聲波、X射線探傷、磁粉探傷等檢測手段進(jìn)行,焊縫內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)良,外觀成型良好,焊縫一次探傷合格率達(dá)到99%以上,成品探傷合格率達(dá)100%,焊縫接頭力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)和規(guī)則要求。

4 結(jié)論

泰州大橋?yàn)樘卮笮腿宜鳂?通過設(shè)置彈性索來連接鋼中塔與鋼箱梁。彈性索錨箱在鋼箱梁上設(shè)在梁段的直腹板外側(cè)風(fēng)嘴內(nèi),在全面分析各種極限應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)上,開展了相關(guān)設(shè)計(jì)。制造單位通過深化施工圖設(shè)計(jì),采用熔敷金屬量少,焊后變形小的坡口,優(yōu)選了組裝次序,增加剛性約束等工藝,確保了焊接質(zhì)量并控制產(chǎn)品尺寸精度,從而從設(shè)計(jì)和施工上保證了工程的安全。

[1] 交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTJ 041—2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2000.

[3] 交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.DB32/T947—2006 公路橋鋼箱梁制造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.