小半徑曲線鋼箱梁制造工藝淺析

趙　艷

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司道橋分公司，廣西　南寧　530011)

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小半徑曲線鋼箱梁制造工藝淺析

趙艷

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司道橋分公司，廣西南寧530011)

文章以南寧市鳳凰嶺-高速環(huán)路立交橋匝道上的鋼箱梁制造為例，介紹了小半徑彎道上鋼箱梁的制造工藝及質(zhì)量控制點，以供其他類似橋梁施工參考。

小半徑；曲線；鋼箱梁；制造工藝

0　引言

鋼箱梁以其自重較輕、安裝速度快、跨越能力較強(qiáng)等優(yōu)勢，常常被用于立交匝道跨越某些主干道的部分。曲線形鋼箱梁制造的要點主要是下料、開坡口、組裝、預(yù)拱度設(shè)置、焊接。其中，曲線焊縫的開坡口、焊接又是制約箱梁整體質(zhì)量的關(guān)鍵，必須加以控制?？偲刺ゼ艿脑O(shè)置，對箱梁成橋線形影響也較大。

本文以南寧市鳳凰嶺-高速環(huán)路立交橋為依托，介紹了小半徑彎道上鋼箱梁的下料、焊接、總拼工藝及質(zhì)量控制點，提出了一種簡便且成本低的鋼板曲線坡口切割方法，以及長線預(yù)拼的工藝，為今后的曲線鋼梁橋制造提供借鑒。

1　工程概況

南寧市鳳凰嶺-高環(huán)立交是為解決鳳凰嶺路與高速環(huán)路交叉而設(shè)的大型互通立交。立交的WN匝道、SW匝道、NE匝道共有3段鋼箱梁，分別跨越鳳凰嶺路和高速環(huán)路，其最小曲線半徑為100 m，長度分別為69.66 m、71.96 m、61.62 m，總重960 t。鋼箱梁頂寬9.7 m，底寬5.08 m，為單箱雙室截面，梁高2 m，頂板下設(shè)U形肋，底板上設(shè)I形肋。底板上設(shè)置空間豎直的中腹板一道，兩側(cè)斜的邊腹板各一道，板厚12～16 mm不等；鋼箱梁上部兩側(cè)各有1 700 mm寬挑臂，挑臂處腹板和下翼緣板件厚度均為14 mm。鋼箱梁立面均為斜線加豎曲線組合的結(jié)構(gòu)形式，且設(shè)計中預(yù)加了一定的拱度，平面線形為圓曲線，橫斷面呈2%的坡度。由于鋼箱梁曲率半徑小，梁較窄且為單向橫坡，空間結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，梁高不高，焊接操作空間有限，施工難度大。見圖1。

圖1　鋼箱梁一般斷面圖(單位：mm)

2　小半徑曲線鋼箱制造工藝

小半徑曲線鋼箱梁制造工藝為：(1)對鋼箱梁縱向進(jìn)行分段，橫向進(jìn)行分塊，將鋼箱梁細(xì)化分解到單塊鋼板單元；(2)進(jìn)行鋼板下料、開曲線坡口，再焊接成塊段。制作鋼箱梁整體拼裝的胎架，然后將鋼箱梁塊段吊到胎架上進(jìn)行全橋預(yù)拼，調(diào)整好線形和尺寸，再焊接底板與腹板、腹板與頂板以及橫隔板間的焊縫。上述焊縫經(jīng)無損檢驗合格后，鋼箱梁進(jìn)砂房噴砂除銹，再涂裝，然后進(jìn)存梁場。

鋼箱梁制造工藝流程如圖2所示。

圖2　施工流程圖

2.1結(jié)構(gòu)分解

考慮供料、工裝、設(shè)備起重能力、運輸、現(xiàn)場安裝、焊縫布置原則等因素，將鋼箱梁進(jìn)行節(jié)段劃分。將其橫向劃分為4大塊，左側(cè)翼板、右側(cè)翼板、左側(cè)箱室、右側(cè)箱室?？v向則在橫隔板附近劃分節(jié)段。

(1)考慮供應(yīng)廠商的具體情況，如柳鋼可供應(yīng)的鋼板最寬為2.2 m，因此鋼箱梁橫向分塊的最大寬度為2.2 m的整數(shù)倍，以最大限度的減少焊縫，保證質(zhì)量并節(jié)約材料。另外，考慮箱梁頂、底板均為曲線形，鋼板原材料寬度尺寸按曲線外弧頂點與內(nèi)弧兩端點連線中點的差值計。在此基礎(chǔ)上，鋼板按既定尺寸的原則進(jìn)行訂貨。見圖3。

圖3　鋼板訂貨需求尺寸示意圖

(2)制造車間內(nèi)的龍門吊起重噸位固定，鋼箱梁分塊的最大重量不能超過此數(shù)值。另外，目前公路上允許的貨車的最大寬度僅為3 m，分塊的最大寬度不能超過此數(shù)值。

(3)焊縫的布置原則：

①盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸；

②便于焊接操作，避免仰焊位置施焊；

③采用剛性較小的節(jié)點形式，避免焊縫密集和雙向、三向焊縫相交；

④焊縫位置避開高應(yīng)力區(qū)；

⑤縱橫兩方向的對接焊縫，采用T型交叉，交叉點的距離≥200 mm，且拼接料的長度和寬度≥300 mm。

2.2鋼板單元件下料與開坡口

鋼板單元件在車間內(nèi)下料，所有鋼板單元件均采用數(shù)控全自動切割機(jī)進(jìn)行切割。

下料后的工序是板邊開坡口。由于鋼板下料后的邊為曲線，采用常規(guī)的直軌道銑邊機(jī)無法開曲線坡口。鋼板較長，超過10 m，使用常規(guī)的數(shù)控銑邊機(jī)也無法開這么長的坡口。如果采購大型的數(shù)控銑邊機(jī)，成本需要上百萬。國內(nèi)大型的數(shù)控銑邊機(jī)數(shù)量極少，僅江蘇省泰興市有，如果將鋼板運至有大型數(shù)控銑邊機(jī)的廠家加工，運費較高，來回時間也長。

為節(jié)約成本及便于控制工期，采用改進(jìn)的半自動切割機(jī)開坡口。在半自動切割機(jī)(G1-100A)上加裝工藝靠模(如圖4所示)，其與氣割小車割槍同側(cè)，起水平定位作用，切割機(jī)利用其定位出行走路線，進(jìn)行坡口氣割。此外，將切割機(jī)軌道彎成與板邊相同的弧線，進(jìn)一步確定切割機(jī)的行走路線。其它按半自動氣割工藝參數(shù)進(jìn)行。經(jīng)改進(jìn)后，半自動切割機(jī)就可以切割出弧線形的坡口了。

圖4　改進(jìn)的半自動切割機(jī)示例圖

使用改進(jìn)的半自動切割機(jī)開坡口，再輔以砂輪機(jī)打磨，焊縫的坡口質(zhì)量完全滿足要求，該方法既簡便又經(jīng)濟(jì)。

2.3箱梁分塊制造

鋼板單元下料好，U肋也壓成型后，依照板肋安裝位置線，進(jìn)行板肋拼裝定位，點焊固定基準(zhǔn)端，沿拼裝定位線進(jìn)行拼裝，通過煨彎調(diào)矯，端部放置千斤頂調(diào)節(jié)等措施，調(diào)校板肋的平面曲線。嚴(yán)格控制隔板位置的定位精度，隔板處定位精度誤差≤2 mm。檢查坡口裝配尺寸符合要求后，進(jìn)行點固焊。點焊間距400～450 mm，焊長50～100 mm，焊高≤4 mm，板肋兩端30 mm范圍內(nèi)不準(zhǔn)點固焊，點固完畢后用橫隔標(biāo)準(zhǔn)樣板檢測。

將組拼合格的塊件轉(zhuǎn)移至反變形焊接胎架上，用螺旋頂壓緊板單元，實現(xiàn)反變形。在實際應(yīng)用上，板件的變形影響因素具有較多的不可確定性，根據(jù)板厚、板寬、板長、焊縫密集度、焊角高度、作業(yè)區(qū)溫度、作業(yè)區(qū)濕度等不同，應(yīng)對反變形矢高做出相應(yīng)調(diào)整，通過參數(shù)計算，初步確定反變形弦高，然后通過實驗最終確定反變形胎架弦高。

2.4箱梁總拼

鋼箱梁總拼采取全橋一次性預(yù)拼?？偲床捎谩罢b法”，以地胎架為外胎，以橫隔板和腹板為內(nèi)胎，各板單元按縱、橫基線就位，輔以加固設(shè)施確保精度和安全。梁段組裝按照“底板→中腹板→橫隔板→外腹板→頂板”的順序，實現(xiàn)立體階梯形推進(jìn)方式逐段組裝與焊接，見表1。

表1　總拼工藝流程表

總拼胎架設(shè)計：

(1)胎架縱向線形按照橋梁的縱向設(shè)計線形疊加預(yù)拱度并預(yù)留焊接收縮余量；胎架橫向按照設(shè)計的2%的橫坡搭設(shè)；胎架平面線形按設(shè)計圓曲線設(shè)置。在胎架的底部和側(cè)面還設(shè)置起頂位置以隨時糾正鋼梁因重力等因素造成的線形變化。

(2)在胎架上設(shè)置縱、橫基線和基準(zhǔn)點，以控制梁段的位置和高度，確保各部尺寸和立面線形。胎架外設(shè)置獨立的地樣點，以便用其對胎架進(jìn)行復(fù)核。

總拼胎架的結(jié)構(gòu)：在鋼箱梁三道腹板與每道橫隔板的交點處的下方設(shè)置雙拼的Ⅰ20 b支撐立柱，由于橋梁縱坡較大，工鋼立柱的高度因隨之而變化；每道橫隔板處設(shè)置(20×250×6 900)mm的橫向水平支撐板與立柱焊連；支撐板上每隔1 250 mm設(shè)置一道(16×200×H)mm(H為牙板高度)的牙板以適應(yīng)鋼梁的橫向坡度。

2.5焊接

箱梁總拼完成后，對鋼箱梁的縱橫向?qū)涌p采用CO2氣體保護(hù)半自動焊焊接，開單向坡口，單面焊雙面成形。對腹板與頂?shù)装搴缚p為角焊縫，采用V形坡口，也使用CO2氣體保護(hù)半自動焊焊接。首先焊接箱內(nèi)側(cè)，然后反面清根，再焊接箱外側(cè)。對橫隔板與頂?shù)装搴缚p以及腹板的焊縫為角焊縫，則CO2氣體保護(hù)焊手工焊接，采用小直徑的ER50-6φ1.2mm焊絲，控制焊接變形。

3　工藝技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析

鋼箱梁分塊制造，板單元的劃分充分考慮了原材料的尺寸、焊縫的合理布置、車間和現(xiàn)場的起重能力等因素。由此確定每塊鋼板的訂貨尺寸，有助于控制下料后的尾料剩余量，降低材料成本。

在曲線鋼箱梁的頂、底板下料時，如采用大型的數(shù)控銑邊機(jī)，設(shè)備的采購、運輸、安裝費用較高，對于總量<1 000t的鋼箱梁來說，成本攤銷較大。采用改進(jìn)的半自動火焰切割機(jī)開坡口，使之適應(yīng)鋼板邊的曲線形狀。該設(shè)備操作簡單，鋼板邊經(jīng)切割，再用砂輪機(jī)打磨后，其焊縫坡口質(zhì)量完全滿足要求。該設(shè)備投入的成本低，每臺增加成本≤1 000元，坡口質(zhì)量不比數(shù)控銑邊機(jī)差。相比之下，采用改進(jìn)的半自動火焰切割機(jī)開坡口更可行。

鋼箱梁的總拼，由于箱梁長度不長，總長均在70m左右，耗費的胎架數(shù)量并不算多，并可在3聯(lián)鋼箱梁總拼中周轉(zhuǎn)使用。且鋼箱梁的橫坡伴隨著平曲線，再加之預(yù)拱度，使結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高異常復(fù)雜，短線預(yù)拼很難保證鋼箱梁線形。因此，采取全段鋼箱梁在廠房內(nèi)整體預(yù)拼，才可充分保證梁的整體線形，有助于鋼箱梁安裝時精確就位。

4　結(jié)語

小半徑曲線鋼箱梁制造前需要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)分解，按定尺采購鋼板材料，可減小材料損耗。板單元下料應(yīng)采用數(shù)控切割機(jī)。在無大型數(shù)控銑邊機(jī)的情況下，鋼板開坡口可采用改進(jìn)的半自動切割機(jī)，工藝簡單，操作簡便，也節(jié)約了成本，值得推廣。在總拼時，在鋼箱梁長度≤100m的情況下，均可以采用長線預(yù)拼法，將整聯(lián)箱梁的胎架制作出來，并在胎架設(shè)置好預(yù)拱度和橫向坡度，可最大限度地保證箱梁的總體線形。該工藝適用于各種城市或公路立交匝道橋曲線半徑在100m以下的小半徑曲線鋼箱梁的施工，還可應(yīng)用于機(jī)場、車站、碼頭等的曲線鋼箱梁結(jié)構(gòu)的制造。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]Q/CR9211-2015，鐵路鋼橋制造規(guī)范[S].

Discussions on Manufacturing Process of Small-radius Curve Steel Box-girder

ZHAO Yan

(Road and Bridge Branch of Guangxi Road and Bridge Engineering Group，Nanning，Guangxi，530011)

With the steel box-girder manufacturing on the ramp of Nanning Fenghuangling-Expressway Ring Road Overpass as the example，this article described the manufacturing process and quality control point of small-radius curve steel box-girder，hoping to provide the construction reference for other similar bridges.

Small radius；Curve；Steel box-girder；Manufacturing process

U445.47+1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.025

1673-4874(2016)07-0096-04

2016-06-10

趙艷(1982—)，工程師，研究方向：路橋施工管理。