工字鋼梁廠內(nèi)加工施工技術(shù)研究

呂小龍

（中交路橋建設(shè)有限公司總承包分公司，北京 100012）

1 工程簡(jiǎn)介

延崇高速河北段GQ2 合同段內(nèi)共計(jì)需制作架設(shè)11座特大、大橋，其中9 座橋梁上部構(gòu)造采用鋼-混工字組合梁，1 座橋梁上部構(gòu)造采用鋼-混組合鋼箱梁，1 座橋上部構(gòu)造采用變截面鋼桁腹預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁，11座橋梁鋼結(jié)構(gòu)工程量約3.3 萬(wàn)t，工字鋼梁工程量約為3萬(wàn)t，體量占比最大。

鋼-混工字組合梁橋梁上部結(jié)構(gòu)由4 片工字鋼梁、2 片邊梁、2 片中梁構(gòu)成，其中橋面寬12.75m，鋼梁中心線區(qū)域梁高2.05m，梁板間隔3.4m。鋼主梁通過(guò)Q345qE 工字形鋼梁，主要包含頂板、底板和腹板等焊接形成，頂、底板為變厚度鋼板，頂板厚25～30mm，底板厚35～50mm，主梁腹板為變厚度鋼板，厚度為12～16mm。主梁相互間選用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。混凝土橋面板和鋼主梁通過(guò)剪力焊釘連接，焊釘尺寸240mm×22mm，縱向間距115～300mm 不等，橫向根據(jù)結(jié)構(gòu)受力布置有4 個(gè)。

鋼主梁相互間利用橫梁實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間隔距離為5.0m，端橫梁、中橫梁采通過(guò)實(shí)腹式，并運(yùn)用焊接工字型截面，橫梁頂板、底板、腹板均通過(guò)等厚度鋼板，頂、底板厚度維持在16mm，端橫梁腹板厚16mm，中橫梁腹板厚20mm，設(shè)置豎向加勁肋，與鋼主梁腹板焊接。其中端橫梁采用外包混凝土加強(qiáng)耐久性。橫向連系采用框架式橫梁，采用L100mm×100mm×12mm Q345D 角 鋼 和TN147mm×200mm×12mm×8mm Q345DT 型鋼；平聯(lián)采用TN147mm×200mm×12mm×8mm Q345DT 型鋼。3×30m 單元工字梁平面布置圖如圖1 所示，4×30m 單元工字梁平面布置圖如圖2 所示，3×40m 單元工字梁平面布置圖如圖3 所示，4×40m 單元工字梁平面布置圖如圖4 所示。

2 施工難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

2.1 工字梁焊接變形控制

工字梁通過(guò)鋼板不等厚完成連接，具有要求高等特性，其變形控制效果之間受到鋼梁幾何尺寸精準(zhǔn)度干擾，所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成零部件相對(duì)較多，焊縫繁瑣同時(shí)呈現(xiàn)集中性，極易導(dǎo)致焊接變形。為了有效避免以上問(wèn)題，降低焊接變形缺陷的出現(xiàn)，需重視以下幾點(diǎn)：

（1）仔細(xì)研讀設(shè)計(jì)圖紙，保證組裝胎座的科學(xué)性與合理性，同時(shí)把控鋼梁組裝精準(zhǔn)度。

（2）仔細(xì)研究不同種類焊縫焊接變形相關(guān)規(guī)律，同時(shí)總結(jié)出焊接變形相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，明確焊接變形量大小，并制定成有效的控制措施。

（3）通過(guò)理論計(jì)算與模擬試驗(yàn)二者融合，明確不同焊縫預(yù)留焊接收縮量，同時(shí)全方位追蹤測(cè)量并及時(shí)給予修正。

圖1 3×30m 單元工字梁平面布置圖

圖2 4×30m 單元工字梁平面布置圖

（4）對(duì)零件的下料、坡口加工、桿件整體組裝等作業(yè)質(zhì)量給予有效的監(jiān)督，同時(shí)通過(guò)科學(xué)的焊接方法，完善焊接工序，最大限度地避免焊接變形出現(xiàn)。

圖3 3×40m 單元工字梁平面布置圖

圖4 4×40m 單元工字梁平面布置圖

2.2 對(duì)接焊縫、熔透焊縫的焊接質(zhì)量控制

對(duì)接以及熔透作為構(gòu)件傳力重要焊縫，對(duì)其焊接質(zhì)量的控制是焊接工藝的關(guān)鍵所在，特別是不等厚對(duì)接焊縫、熔透焊縫焊接變形以及質(zhì)量把控作為研究重點(diǎn)與難點(diǎn)，需做到以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)焊縫類型，通過(guò)分類完成焊接試驗(yàn)，明確焊接形式、焊接設(shè)備、焊接材料、焊接工藝參數(shù)、焊接順序、坡口形式等內(nèi)容。

（2）依據(jù)焊接試驗(yàn)所得結(jié)果制定切實(shí)可行的焊接方案并選擇相符合的焊接工藝。

（3）設(shè)計(jì)保證焊接質(zhì)量和便于控制焊接變形的工藝裝備，確保焊接工藝的有效實(shí)現(xiàn)和焊接變形的有效控制。

（4）編制關(guān)鍵焊縫的質(zhì)量控制計(jì)劃，并從原材料復(fù)驗(yàn)、下料、加工、焊接、檢測(cè)等方面給予全方位的監(jiān)督。

2.3 預(yù)拼裝的質(zhì)量控制

預(yù)拼裝施工技術(shù)作為廠內(nèi)精度以及橋位架設(shè)精度關(guān)聯(lián)的重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)鋼梁廠內(nèi)加工和施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝架設(shè)無(wú)縫對(duì)接非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。為保證預(yù)拼裝達(dá)到預(yù)期的效果將采取如下措施：

（1）制作專用的拼裝胎架，胎架模擬橋梁架設(shè)的支墩工況，按施工設(shè)計(jì)的坡度和拱度進(jìn)行拼裝。胎架通過(guò)工字型鋼進(jìn)行搭設(shè)，保證剛度，明確試裝過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變形；預(yù)拼裝施工準(zhǔn)備環(huán)節(jié)需對(duì)胎架進(jìn)行水準(zhǔn)、平面測(cè)量，保證試裝平面度精準(zhǔn)度滿足相關(guān)規(guī)范。

（2）保證所有拼裝構(gòu)件處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，提升預(yù)拼裝檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)度以及可靠度，滿足預(yù)拼裝的最終目標(biāo)。

（3）胎架上定位工字鋼梁時(shí)，要對(duì)構(gòu)件平面度、拼裝所有對(duì)角線差、節(jié)間長(zhǎng)度、梁高等項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行檢查，確保整體預(yù)拼裝精度，保證橋梁架設(shè)精度要求。

3 主要施工方法

工字鋼梁的加工主要在加工廠內(nèi)完成，主要施工流程如圖5 所示。

圖5 工字鋼梁加工制作流程

3.1 工字梁構(gòu)件制作

（1）制作工藝。主梁、橫梁工型桿件由翼緣板、腹板等零件組成，最大斷面尺寸為外高2050mm，外寬700mm。桿件最大制作長(zhǎng)度20000mm，最大重量約12.8t。

（2）工字梁構(gòu)件工藝。工字梁構(gòu)件制作工藝流程：鋼板復(fù)檢→數(shù)控精切下料→主梁、橫梁?jiǎn)螛?gòu)件組焊→桿件矯正→加勁肋組焊→整體鉆孔，具體操作流程如圖6所示。

圖6 工字梁構(gòu)件制作工藝流程

①下料。通過(guò)數(shù)控火焰切割機(jī)抑或門(mén)式切割機(jī)精切下料。下料時(shí)翼緣板、腹板長(zhǎng)度需預(yù)設(shè)焊接收縮量、二次切頭量，保證腹板預(yù)拱曲線尺寸誤差低于2mm。在下料前期需對(duì)其外觀給予檢查，并對(duì)表層缺陷給予處理。根據(jù)零件的具體形狀和大小確定下料方法，對(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的矩形板件通過(guò)多嘴頭門(mén)式切割機(jī)進(jìn)行精切；形態(tài)繁瑣的板件需通過(guò)CAM 系統(tǒng)數(shù)控切割機(jī)完成精切；較規(guī)則薄板次要板件則通過(guò)剪切下料；型鋼通過(guò)鋸切或焰切完成；鋼板對(duì)接坡口通過(guò)火焰進(jìn)行切割。鋼板或型鋼切斷面如果是非焊接邊緣，切斷面需保障其光滑、整齊、無(wú)毛刺；長(zhǎng)度的方向直線度公差需滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；厚度方向垂直度公差需小于厚度的1/10，并低于2.0mm。所有零部件進(jìn)行下料時(shí)，需依據(jù)縱、橫向焊縫焊接量大小，預(yù)留出焊接收縮量、加工余量、修邊余量等。零部件的下料需通過(guò)數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控直條切割機(jī)或半自動(dòng)切割機(jī)進(jìn)行切割下料。

②坡口的加工。鋼板對(duì)接前，采用半自動(dòng)火焰切割機(jī)進(jìn)行對(duì)接坡口加工，并用角磨機(jī)打磨清理坡口及其兩側(cè)30mm 范圍內(nèi)的鐵銹、割渣及氧化皮等雜物，坡口加工尺寸根據(jù)焊接工藝、焊接工藝評(píng)定等要求進(jìn)行加工。如有翼緣板接長(zhǎng)的構(gòu)件，先對(duì)翼緣板劃線、切割坡口、拼裝、焊接及修整。

③鋼板（構(gòu)件）對(duì)接。盡量采用定尺鋼板減少板料對(duì)接，當(dāng)需對(duì)接時(shí)必須滿足：工字鋼梁的翼緣板拼接縫和腹板拼接縫的間距不應(yīng)小于200mm，翼緣板拼接長(zhǎng)度不應(yīng)小于2 倍板寬；腹板拼接寬度不小于300mm，長(zhǎng)度不應(yīng)小于600mm。鋼板（部件）對(duì)接在專用調(diào)平后的工裝胎架上進(jìn)行，依據(jù)焊接工藝進(jìn)行對(duì)接焊接（一般大破口方向先焊接，背面清根，埋弧自動(dòng)焊蓋面），焊接完成后如圖7 所示。

④工字梁組對(duì)。H 型工字梁在H 型鋼組立機(jī)上完成組裝，如圖8 所示。先平鋪下翼緣板在組立即上，調(diào)平后再組立腹板，通過(guò)滾輪及定位來(lái)調(diào)節(jié)垂直度，最后加蓋上翼緣板進(jìn)行組立。在組立時(shí)，利用組立機(jī)定位滾輪進(jìn)而調(diào)整翼板平面度、翼板與腹板垂直度，并通過(guò)直角尺對(duì)其進(jìn)行檢查。

圖7 翼緣板對(duì)接焊接示意圖

圖8 H 型工字鋼梁組立機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)組立示意圖

將下翼板以及腹板完成組對(duì)后，在組立機(jī)吊裝上翼板，使得腹板以及上翼緣接觸組立。組立時(shí)，腹板與翼緣板的對(duì)接縫錯(cuò)開(kāi)≥200mm，如圖9 所示。組立過(guò)程中，通過(guò)直尺、角尺對(duì)腹板、翼板組立中心偏差、垂直度依次進(jìn)行測(cè)量。

圖9 腹板與翼緣板的對(duì)接縫錯(cuò)開(kāi)示意圖

⑤工字梁焊接。工字梁焊縫選擇龍門(mén)自動(dòng)焊機(jī)在船形位置，焊縫的兩旁實(shí)施交替焊接，同事避免角變形。焊接并探傷后，用工型矯正機(jī)修整焊接變形，控制翼緣板對(duì)腹板的傾斜度≤0.5mm，龍門(mén)焊機(jī)如圖10 所示。

圖10 龍門(mén)自動(dòng)焊機(jī)示意圖

焊接前，焊接工型鋼兩端頭配以引弧板和熄弧板，保證其長(zhǎng)度大于80mm。焊接完成后引弧板和熄弧板應(yīng)采用氣割切除，禁止錘擊。焊接選用門(mén)型埋弧焊機(jī)船型位置完成焊接。引弧板、熄弧板設(shè)置及焊接順序如圖11所示。工型鋼4 條主焊縫采取門(mén)式埋弧焊機(jī)完成埋弧自動(dòng)焊焊接，按交叉的焊接順序完成操作。熔透焊縫根據(jù)相關(guān)工藝要求完成作業(yè)，一般采取非對(duì)稱坡口，背縫清除后需再次進(jìn)行作業(yè)。同時(shí)端頭配置引弧板和熄弧板。焊縫內(nèi)部缺陷需通過(guò)碳弧氣刨、砂輪等將其清除，并利用砂輪修磨，在修改前期需對(duì)其缺陷是否消除明確，等確認(rèn)后方可進(jìn)行修補(bǔ)。其中焊縫用用無(wú)損檢驗(yàn)方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，相同焊縫同樣區(qū)域返修次數(shù)需低于2 次。如超過(guò)2 次需設(shè)定合理的方案完成相關(guān)返修工作，并作記錄。

圖11 焊接順序示意圖

⑥矯直。焊接成型后工型鋼矯正需通過(guò)型鋼翼緣矯正機(jī)完成，現(xiàn)場(chǎng)加工如圖12 所示。

圖12 工字鋼梁矯正機(jī)示意圖

⑦加勁肋裝配。工型鋼焊接完成并矯正合格后，轉(zhuǎn)至專用臺(tái)架上進(jìn)行加勁肋板的裝配。在此前期需完成放樣測(cè)量，明確勁板裝配尺寸精準(zhǔn)度。工字鋼梁預(yù)拼裝及加勁板模型圖如圖13 所示。

圖13 工字鋼梁預(yù)拼裝及加勁板模型圖

⑧主梁工型鋼制作段兩端鉆孔。主梁工型鋼制作段兩端腹板和翼緣板上的螺栓連接孔在矯正檢驗(yàn)驗(yàn)收合格后用節(jié)點(diǎn)板配鉆孔，現(xiàn)場(chǎng)施工圖如圖14 所示。在劃線平臺(tái)上重新修正桿件的中心基線，并以中心基線為基準(zhǔn)劃出桿件的鉆孔對(duì)向線、切頭線。采用卡樣板鉆制連接孔群，小車精密切割兩端頭及腹板手孔斜邊并打磨；用預(yù)先制作的鉆模板對(duì)正基準(zhǔn)線后進(jìn)行配鉆孔。

圖14 工字鋼梁主梁鉆孔圖

⑨栓釘焊接。鋼混工字組合梁結(jié)構(gòu)通過(guò)栓釘將工型梁與混凝土橋面板結(jié)合成一體，栓釘主要起傳遞剪力的作用。栓釘焊接在工廠制作完成。

3.2 端橫梁、中橫梁構(gòu)件制作

延崇高速公路河北段鋼混工字組合梁的結(jié)構(gòu)形式是由端橫梁、中橫梁、橫向連系等結(jié)構(gòu)組合而成的金屬結(jié)構(gòu)。端橫梁、中橫梁的制作流程：鋼板復(fù)檢→數(shù)控精切下料→劃線→腹板與翼板組對(duì)→焊接→加勁肋裝焊→桿件矯正→栓釘焊接。

（1）劃線。延崇高速公路河北段鋼混工字組合梁的端橫梁和中橫梁的翼板、腹板均為平直板件結(jié)構(gòu)，組立時(shí)在翼板上劃出中心線。

（2）腹板與翼板組對(duì)。腹板與上下翼緣在組立機(jī)上進(jìn)行組對(duì)。

（3）端、中橫梁焊接。工字梁焊縫采用埋弧自動(dòng)焊機(jī)在船形位置進(jìn)行焊接，焊縫兩側(cè)交替施焊，控制角變形。焊接并探傷后，用工型矯正機(jī)修整焊接變形，控制翼緣板對(duì)腹板的傾斜度≤0.5mm。焊接前，焊接工型鋼兩端頭配置引弧板和熄弧板，保證其長(zhǎng)度＞80mm。焊接完成后引弧板和熄弧板應(yīng)采用氣割切除，禁止錘擊。工型鋼4 條主焊縫利用門(mén)式埋弧焊機(jī)完成埋弧自動(dòng)焊焊接，按交叉的焊接順序進(jìn)行施焊。熔透焊縫根據(jù)焊接工藝要求進(jìn)行焊接，采取非對(duì)稱坡口，背縫清根后再進(jìn)行焊接。端頭設(shè)置引弧板和熄弧板。

（4）栓釘裝焊。延崇高速公路河北段鋼混工字組合梁結(jié)構(gòu)通過(guò)栓釘將工型梁與混凝土橋面板結(jié)合成一體，栓釘主要起傳遞剪力的作用，栓釘焊接在工廠制作完成，具體結(jié)構(gòu)物如圖15 所示。栓釘?shù)男螤?、尺寸?yīng)符合圖紙及規(guī)范要求。在進(jìn)行焊接時(shí)需選用螺柱焊機(jī)及焊槍等設(shè)備。在前期需消除焊釘焊接區(qū)鐵銹、油污及水分，焊接瓷環(huán)需放置于烘干箱中150℃烘2h。焊釘組焊面完成打砂除銹，并對(duì)其水、銹、氧化皮等相應(yīng)雜質(zhì)進(jìn)行清除。栓釘焊接保證在室內(nèi)、溫度在5℃以上完成操作。若溫度低于5℃時(shí)，需對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱至50℃后才能夠進(jìn)行焊接。若底面金屬潮濕，需通過(guò)火焰烘烤去濕進(jìn)行下步工序。在具體焊接過(guò)程中，焊釘與鋼板需維持垂直，焊槍不可搖晃，直至焊接金屬完全固化。

3.3 橫向連系梁制作

橫向連系梁是工字鋼梁主梁的梁結(jié)構(gòu)件。橫向連系梁的制作流程：下料→鉆孔→預(yù)拼裝。

（1）下料。采用火焰切割和數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行型鋼和連接板的下料。

（2）劃線鉆孔。將下料完成的連接板和型鋼置于專用劃線工裝胎架上，進(jìn)行劃線鉆孔。

圖15 端橫梁及中橫梁施工模型圖

（3）預(yù)拼裝。將加工完成后的部件在專用工裝上進(jìn)行預(yù)拼裝。

橫向連系梁現(xiàn)場(chǎng)施工圖及模型圖如圖16 所示。

圖16 橫向連系梁現(xiàn)場(chǎng)施工圖及模型圖

3.4 施工永久鋼模板制作

施工永久鋼模板是鋼混工字組合梁上部與混凝土的連接構(gòu)件，由面板、T 型鋼、圓鋼組合裝焊而成。制作流程：下料→折彎→裝焊。

（1）下料。①鋼板（面板）下料：采用剪板進(jìn)行剪切下料；②T 型鋼下料：采用火焰切割進(jìn)行T 型鋼下料加工；③圓鋼下料：采用火焰切割進(jìn)行圓鋼下料。

（2）鋼折彎。將下料完成的鋼板在自制的專用折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行折彎處理。將下料完成的圓鋼在專用鋼筋折彎?rùn)C(jī)上進(jìn)行折彎處理，如圖17 所示。

圖17 永久鋼模板成型機(jī)器及半成品圖

（3）板裝焊。將下料完成和折彎完成的構(gòu)件在水平工裝胎架上進(jìn)行焊接組裝。

3.5 廠內(nèi)整體預(yù)拼裝

（1）預(yù)拼裝目的。為驗(yàn)證施工的合理性，圖紙及工藝文件的正確性，工藝裝備及設(shè)備精度的可靠性，確保橋位架設(shè)順利架設(shè)，廠內(nèi)需進(jìn)行首跨橋梁預(yù)拼裝。鋼混工字組合梁預(yù)拼裝將左右兩主梁?jiǎn)卧獦?gòu)件與中間橫梁進(jìn)行廠內(nèi)拼裝。試拼裝主要采用平面試裝法，構(gòu)件放置在試拼裝胎座上，各單元構(gòu)件處于自由狀態(tài)進(jìn)行，重點(diǎn)檢查其外形尺寸、拱度、坡度及彎度是否合格。

（2）鋼梁試裝場(chǎng)地布置。預(yù)拼裝安排在長(zhǎng)度、寬度滿足要求的場(chǎng)地進(jìn)行，要求地面平整，基礎(chǔ)良好。按橋梁的立面線型參數(shù)進(jìn)行預(yù)拱度和縱坡設(shè)置，平面線型按底面放樣投影進(jìn)行控制，鋼梁預(yù)拼如圖18 所示。

圖18 鋼梁預(yù)拼裝示意圖

（3）預(yù)拼裝操作程序。①拼裝用胎架進(jìn)行布置和全面檢測(cè)；②將首個(gè)組合梁?jiǎn)卧獢[放在胎架上，調(diào)整主梁與中梁的高度差，然后吊裝第二個(gè)單元構(gòu)件，調(diào)整好左右構(gòu)件的組裝間距和高度差，進(jìn)行臨時(shí)固定；③安裝中間橫梁及其他聯(lián)系桿件，調(diào)整好其組裝尺寸，檢測(cè)構(gòu)件中心距、節(jié)間長(zhǎng)度、對(duì)角線等關(guān)鍵尺寸，滿足規(guī)范要求后，將組裝定位板用安裝螺栓及沖釘定位；④重復(fù)上程序工作，完成至少兩跨組件的首件試拼裝；⑤拱高、節(jié)間長(zhǎng)度、旁彎、預(yù)拼裝全長(zhǎng)、拱度、坡度、彎度、對(duì)角線、中心距、螺栓栓孔通過(guò)率等項(xiàng)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

延崇高速河北段GQ2 合同項(xiàng)目工字鋼梁在中交路建所屬項(xiàng)目中體量大，在施工上尚未形成成熟且成套的標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝，項(xiàng)目在管理過(guò)程中采取了有效的技術(shù)、質(zhì)量、安全措施后，在計(jì)劃工期內(nèi)圓滿完成了工字鋼梁的施工任務(wù)，對(duì)于中交路建后續(xù)承接類似項(xiàng)目的工字鋼梁的施工工藝標(biāo)準(zhǔn)化上有積極的指導(dǎo)意義和推動(dòng)作用。