淺析鋼拱橋矩型拱肋的制造技術(shù)

王利

摘要：隨著國家加快城市橋梁的發(fā)展，鋼拱橋以其造型美觀、適用于城市河道上的景觀設(shè)計。本文以韓國釜山鋼橋項(xiàng)目為例介紹了鋼拱橋拱肋曲線線形的控制及箱型拱肋的制造技術(shù)關(guān)鍵控制點(diǎn)和制造工藝，這些工藝及控制措施可以為類似的項(xiàng)目的制造提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼拱橋、箱型拱肋;板單元制造;節(jié)段組裝;線形控制;接口間隙

1? 項(xiàng)目概述

韓國釜山鐵路鋼橋位于釜山新港，由六座鋼箱梁橋和一座鋼拱橋組成，其中N9鋼拱橋是里面跨徑最大，制造難度最高的一座下承式拱橋，跨徑為100m，矢高為18.7m，鋼拱橋的拱肋為變截面矩型，單側(cè)整幅拱肋共劃分成十二個節(jié)段，左右兩幅對稱設(shè)計，全橋拱肋共計劃分二十四個節(jié)段。

2? 鋼矩型主拱肋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造工藝難點(diǎn)

韓國釜山鋼拱橋主拱肋采用矩形變高鋼箱加勁肋截面結(jié)構(gòu)，拱軸線采用二次拋物線線形，拱軸線的方程式為：Y=4F/L^2*X*（L-X），矩型拱腳處截面梁高為2.1m，拱頂處截面梁高為1.42m，鋼拱肋橫向等寬1.2m。拱肋節(jié)段間連接采用高強(qiáng)螺栓栓接;拱肋內(nèi)部采用縱向板式直條型加勁肋加強(qiáng)，加勁肋間距隨著拱肋截面變化而相應(yīng)調(diào)整。兩主拱肋間設(shè)置了3根橫撐梁，控制著主拱肋的橫向穩(wěn)定。單幅拱肋共分成12個小節(jié)段，左右兩幅共計24個小節(jié)段。拱腳處拱肋與橋面系主梁為整體節(jié)段。

矩型主拱肋節(jié)段的制造工藝控制點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：1）要控制矩型主拱肋的單元制造的精度，包括下料精度和拼裝精度;2）要控制主拱肋各個小節(jié)段的組焊精度;3）要控制主拱肋的相鄰節(jié)段兩端口匹配的間隙精度控制。

3? 矩型主拱肋制造工藝及相關(guān)難點(diǎn)控制措施

3.1主拱肋節(jié)段制作的工藝方案

鋼拱橋主拱肋的節(jié)段制作工藝方案主要為：先制作板單元構(gòu)件，然后再單個拱肋小節(jié)段進(jìn)行整體組裝、即將單個拱肋節(jié)段分成若干個板單元構(gòu)件，劃分的主要的板單元構(gòu)件有：頂板單元構(gòu)件、底板單元構(gòu)件、左右腹板單元構(gòu)件、中間隔板單元構(gòu)件等。然后組裝成小節(jié)段后進(jìn)行修整，運(yùn)至涂裝車間進(jìn)行除銹油漆涂裝，轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場整體預(yù)拼裝。

待各板單元制作完成并檢驗(yàn)合格后，開始進(jìn)行主拱肋小節(jié)段的組裝工作，先進(jìn)行組裝胎架工裝的制作，每個節(jié)段的胎架線形控制按照設(shè)計的節(jié)段線形加放焊接反變形量以及預(yù)拱變形量，確保節(jié)段線形準(zhǔn)確。然后再以底板單元為基準(zhǔn)面，采用正裝法組裝節(jié)段。即先將底板單元放至線形工裝胎架上，胎架上設(shè)置每個節(jié)段的專用線形模板。依次進(jìn)行板單元構(gòu)件組裝;進(jìn)行底板放置專用胎架上臨時固定，再吊裝隔板單元，按照底板單元上的隔板定位線進(jìn)行定位固定，控制隔板間距尺寸以及與底板單元的角度尺寸，保證每塊隔板單元的垂直角度向著拱軸線的法線方向。接著組裝拱肋節(jié)段左右兩側(cè)腹板單元構(gòu)件，將腹板單元與底板單元和隔板單元進(jìn)行定位固定，可以采用點(diǎn)焊方式或采用專用夾具固定，最后再吊裝頂板單元構(gòu)件，使其與左右兩側(cè)腹板和各個隔板單元固定，控制頂板單元與隔板單元間隙。然后進(jìn)行各板單元間的焊接，采用偶數(shù)焊工對稱施焊法進(jìn)行;先焊接左右腹板與底板的角焊縫，采用在箱內(nèi)焊接，外側(cè)用碳弧氣刨后焊接。再焊接腹板與隔板的角焊縫，將節(jié)段翻身后焊接腹板與頂板的角焊縫。最后再焊接隔板與頂板、腹板以及底板之間的角焊縫，腹板組裝后進(jìn)行焊縫修整、檢測，保證腹板與頂度、底板的角焊縫熔透。

板件在下料時底板單元、腹板單元、頂板單元在長度方向的一端需要預(yù)留二次切割余量，以保證鋼拱整體成型后的尺寸精度。節(jié)段環(huán)縫處板單元采用一端先孔法鉆孔，另一端采用后孔法工藝施工，保證節(jié)段間預(yù)拼裝時螺栓孔距能夠滿足間隙尺寸控制要求，同時也保證各連接板能夠很好的匹配。

3.2 左右腹板單元制造工藝

主拱肋節(jié)段的左右腹板為曲線線形構(gòu)造，腹板單元的上下邊緣的曲線線形是控制主拱肋整體曲線線形滿足要求的關(guān)鍵點(diǎn)，為了保證左右腹板線形滿足設(shè)計及施工線形要求，對腹板上下邊進(jìn)行整體切割，對兩邊的焊接坡口進(jìn)行機(jī)加工。

腹板單元制作工藝：

（1）腹板下料：由于腹板寬度是變化的，在兩拱腳處的拱肋節(jié)段腹板寬度較大，鋼材供應(yīng)商無法提供此寬度的鋼板，因此須對整個腹板進(jìn)行鋼板對接，鋼板下料采用數(shù)控火焰切割下料，保證腹板線形準(zhǔn)確。腹板對接坡口應(yīng)采用銑邊機(jī)床上加工焊接坡口，并在專用的拼裝水平胎架上，采用埋弧自動焊進(jìn)行板間對接焊，在平臺上劃出縱向加勁肋的裝配位置線。

（2）加勁肋加工、裝配、焊接：縱向加勁肋經(jīng)下料、調(diào)直后利用特制的樣板進(jìn)行兩端頭連接配鉆孔，按腹板板塊上劃出的加勁肋位置線組裝并焊接加勁肋，確保加勁肋的相對位置。加勁肋的焊接應(yīng)采用偶數(shù)焊工進(jìn)行對稱分段施焊。

（3）修整、劃線：板單元焊接完成并外觀檢驗(yàn)合格后進(jìn)行變形修整，并劃板單元定位基準(zhǔn)線，即縱橫基準(zhǔn)定位組裝線，以方便節(jié)段組裝匹配定位。

3.3 頂、底板單元制作

根據(jù)設(shè)計線形，頂、底板單元為矩形單元，在板厚方向上設(shè)有一定線形量。為了保證線形控制整體要求，在組裝加勁肋前進(jìn)行預(yù)變形處理;另外，組裝時應(yīng)在設(shè)有反變形的胎架上進(jìn)行，胎架上設(shè)有可調(diào)節(jié)線形的裝置;加勁肋的焊接按照規(guī)定的焊接順序進(jìn)行對稱分段施焊。焊接順序要求是先中間后兩邊，先里后外，先下后上。板單元的制作工藝控制點(diǎn)有：

（1）下料時長度方向要預(yù)留二次切割余量，寬度方向僅預(yù)留焊接收縮量。

（2）所有零件全部采用火焰數(shù)控切割機(jī)下料，在專用胎架上按線形組焊加勁肋，控制加勁肋的直線度、線形、以及與頂?shù)装逯g的間隙。頂板單元應(yīng)采用倒裝法施工，即將頂板倒放置胎架上，組裝加勁肋。底板單元采用正裝法施工，即以底板為基準(zhǔn)面，正裝縱向加勁肋板。安裝縱向加勁肋板前，應(yīng)在加勁肋板位置處將焊縫區(qū)域打磨光滑。

（3）采用簡單馬板定位裝置，定位組裝加勁肋，保證加勁肋的直線度、垂直度以及線形，控制加勁肋與頂、底板間隙。焊接加勁肋應(yīng)采用對稱分段施焊順序，減少板單元的焊接變形。

（4）劃出板單元縱橫向定位基準(zhǔn)線，劃出板單元余量端線。

3.4 隔板單元制作

隔板作為矩形主拱肋節(jié)段的組裝內(nèi)胎使用，控制著節(jié)段精度尺寸，控制其制造精度直接影響著拱肋節(jié)段的精度尺寸。隔板下料時應(yīng)優(yōu)先使用數(shù)控下料或等離子切割機(jī)下料;在組焊縱橫加勁肋板時，宜選用線能量小的焊接參數(shù)，以控制板單元焊接變形。

3.5 主拱肋節(jié)段拼裝焊接

主拱肋節(jié)段拼裝應(yīng)在專用線形胎架上進(jìn)行，胎架線形應(yīng)設(shè)有反變形量，胎架強(qiáng)度和剛性應(yīng)滿足節(jié)段組裝的穩(wěn)定性要求。

拱肋節(jié)段拼裝焊接時的控制關(guān)鍵點(diǎn)有：第一是要嚴(yán)格控制主拱肋節(jié)段兩端口截面幾何尺寸;第二是要控制好節(jié)段的整體線形要順滑一致;第三要控制節(jié)段端口間螺栓孔群的加工精度。

3.5.1 主拱肋節(jié)段裝配精度控制要點(diǎn)

（1）要保證主拱肋的外形幾何尺寸，避免產(chǎn)生大的應(yīng)力和焊接變形，拱肋的焊接應(yīng)采用先內(nèi)部后外部、先下部后上部、先中心后兩邊的對稱分段焊接原則;

（2）采用“同步式”組裝的原則。為了保證拱肋組裝精度，采取邊組裝、邊控制、邊修整的組裝原則，以避免組裝后出現(xiàn)變形較大修整困難。

（3）嚴(yán)格對線組裝。要利用板單元劃出的縱橫基準(zhǔn)線進(jìn)行定位組裝。

（4）在靠近拱肋兩端口的端頭附近處設(shè)置工藝隔板或臨時支撐控制端口匹配尺寸。

（5）要嚴(yán)格控制熔透焊縫的焊接質(zhì)量，選用合理的焊接參數(shù)，包括焊接坡口的設(shè)置、焊接方法的選用、防風(fēng)防雨防潮的措施。同時為了避免仰焊，采用構(gòu)件翻身焊接。

（6）要嚴(yán)格控制組裝間隙，特別是頂?shù)装鍐卧c腹板單元間的重要焊縫間隙。

3.5.2 焊接變形的控制措施

（1）由于拱肋采用的板材一般較厚，在焊接過程中接頭的冷速快，焊接殘余應(yīng)力會較大，容易產(chǎn)生冷裂紋等缺陷。為了避免這些缺陷的產(chǎn)生，在焊接前采取對鋼板進(jìn)行加熱措施控制焊接質(zhì)量。

（2）通過焊接工藝規(guī)程控制焊接變形量，就是在項(xiàng)目開工前，通過制定合理的焊接工藝評定試驗(yàn)以及組織焊工考試，確定合理的焊接工藝參數(shù)以減少焊接變形及焊接缺陷的產(chǎn)生。

3.6 節(jié)段端口間螺栓孔群的加工精度的控制

相鄰節(jié)段在組裝時應(yīng)都好端口匹配，在預(yù)拼裝檢驗(yàn)合格后及時安裝好臨時匹配件控制相鄰間隙。相鄰節(jié)段應(yīng)保證一側(cè)在組裝前采用先孔法先鉆好孔，可利用鉆孔模板進(jìn)行配鉆。另一節(jié)段匹配端采用后孔法，在預(yù)拼裝完成后進(jìn)行配鉆，采用鉆孔模板進(jìn)行配鉆。匹配連接板應(yīng)采用相同的模板配鉆，并做好連接板的標(biāo)記，以免造成連接板的匹配度不合格。

4結(jié)束語

上述的矩型鋼拱肋的制造技術(shù)可以為以后的相似結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的制造提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn);拱肋節(jié)段組裝精度控制方法、以及焊接變形控制、螺栓孔群匹配控制等方法，可應(yīng)用于其它類似結(jié)構(gòu)的制造中去。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鐵道部山海關(guān)橋梁工廠.TB10212-2009鐵路鋼橋制造規(guī)范[S].北京.中國鐵道出版社，2009

[3]韓國釜山鐵路鋼橋制造及運(yùn)輸計劃書[2007]