安特衛(wèi)普閘門(mén)和開(kāi)啟式鋼橋的制作技術(shù)探討

摘要：圍繞比利時(shí)閘門(mén)項(xiàng)目中閘門(mén)與桁架鋼橋的制作工藝展開(kāi)探討，分析制作過(guò)程中的施工難點(diǎn)，并提出具體解決措施，最后對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行總結(jié)，為相關(guān)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：閘門(mén);桁架鋼橋;焊接

1? ? 工程概況

比利時(shí)閘門(mén)項(xiàng)目主要包括四座閘門(mén)制作和兩座俯仰式桁架鋼橋制作兩個(gè)重要部分，是一個(gè)內(nèi)河碼頭上的兩個(gè)重要設(shè)施，制造標(biāo)準(zhǔn)使用歐洲EN 1090-2標(biāo)準(zhǔn)，施工等級(jí)使用EXC3級(jí)，公差要求為等級(jí)2，該要求為歐洲標(biāo)準(zhǔn)中的最高要求[1]。

2? ? 比利時(shí)閘門(mén)

2.1? ? 閘門(mén)制作

該項(xiàng)目共4個(gè)閘門(mén)，每個(gè)閘門(mén)長(zhǎng)約80 m，寬約10.5 m，高約28 m，重約2 500 t。單個(gè)閘門(mén)結(jié)構(gòu)體積大，整體呈“門(mén)”字型框架結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)主要由12 mm、15 mm厚，材質(zhì)為歐標(biāo)S355J2+N鋼板以及相同材質(zhì)的T肋、U肋型材組合成片狀板單元，再通過(guò)H型鋼作為直撐和斜撐形成閘門(mén)框架。單座閘門(mén)在框架底部和端面安裝有約50 t的防碰撞硬木，水下部分安裝有2 000多塊鋁陽(yáng)極，起到防腐蝕作用，中間箱體內(nèi)部安裝有5個(gè)系統(tǒng)的功能管系，與下小車(chē)、上小車(chē)以及一套完整的纏繞系統(tǒng)完成閘門(mén)的橫向行走，起到在潮起潮落時(shí)對(duì)碼頭水平面控制的作用。圖1為閘門(mén)示意圖。

2.2? ? 制作難點(diǎn)與解決措施

本項(xiàng)目采用整體預(yù)拼法制造技術(shù)來(lái)進(jìn)行閘門(mén)制造，制作時(shí)主要難點(diǎn)有：

（1）閘門(mén)體積非常大，因此對(duì)于車(chē)間來(lái)說(shuō)如何劃分段尤其重要。根據(jù)常理判斷分段越少越有利于生產(chǎn)，但是結(jié)合車(chē)間跨度、制造能力、鋼廠生產(chǎn)的鋼板長(zhǎng)度等因素，最終決定將閘門(mén)整體分為5段，每段長(zhǎng)度13～14 m，每段噸位在500 t左右。

（2）單段箱體合理劃分成若干板單元，其壁板板單元面積達(dá)400 m2，重約85 t，鋼板厚度僅15 mm，外側(cè)面安裝有33排三種規(guī)格的橫向T型加強(qiáng)肋，內(nèi)側(cè)面安裝有4～5排縱向T型加強(qiáng)肋，制作時(shí)外形尺寸以及整體平整度控制難度大。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，將單個(gè)箱體分段壁板分成兩部分進(jìn)行制造，精確計(jì)算拼板、T肋焊接、校正收縮量，以此確保壁板外形尺寸和整體平整度。

（3）閘門(mén)結(jié)構(gòu)類(lèi)同于雙層箱體，兩段箱體對(duì)接時(shí)在保證中間箱體不錯(cuò)位的情況下同時(shí)需確保外層箱體準(zhǔn)確對(duì)位。采用5段箱體在車(chē)間內(nèi)整體拼裝成型的方法進(jìn)行制造，以此確保箱體分段之間順利對(duì)接。

（4）閘門(mén)箱體分段體積大、重量重，拼裝合攏時(shí)調(diào)整較為困難。在箱體分段出車(chē)間之前，根據(jù)標(biāo)志塔上的縱向控制線及車(chē)間內(nèi)標(biāo)記的等高線，整體畫(huà)出閘門(mén)各分段上的縱向控制線以及等高線，作為外場(chǎng)合攏調(diào)整的基準(zhǔn)線，并在各分段合攏端口安裝好工藝法蘭支座。分段轉(zhuǎn)運(yùn)至拼裝場(chǎng)地后，利用液壓平板車(chē)粗定位，然后使用橫移鎬進(jìn)行精確調(diào)整。

（5）4座閘門(mén)需要約10 000 m2的拼裝場(chǎng)地，根據(jù)其拼裝特性及場(chǎng)地情況，閘門(mén)拼裝合攏位置無(wú)法使用浮吊直接起吊，需將整座閘門(mén)整體移位至浮吊起吊范圍內(nèi)吊裝上船。單座閘門(mén)總重約2 600 t（包含腳手架），使用7臺(tái)歌德浩夫液壓平板車(chē)和4臺(tái)索埃勒液壓平板車(chē)共11臺(tái)車(chē)對(duì)其進(jìn)行整體移位。

（6）閘門(mén)在橫向行走過(guò)程中，為防止其左右搖擺，控制其行走平衡，在閘門(mén)底部安裝有兩塊馬氏體不銹鋼塊（1Cr17Ni2），厚148 mm，寬350 mm，長(zhǎng)600 mm。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，研究出一種馬氏體不銹鋼的焊接方法，圓滿完成了閘門(mén)平衡支撐塊的焊接工作。

3? ? 開(kāi)啟式桁架鋼橋

3.1? ? 鋼橋制作

開(kāi)啟式桁架鋼橋全長(zhǎng)約100 m，寬約21 m，高約22 m，其中橋面長(zhǎng)約71 m。鋼橋主要由橋面、桁架、頂部斜撐、自行車(chē)道、鑄鋼組件、直筒體（板厚t=65 mm）及配重箱等部分組成。鋼橋旋轉(zhuǎn)鉸點(diǎn)設(shè)置于兩側(cè)桁架上，通過(guò)鉸軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)使其可以打開(kāi)及閉合。該橋橋面及自行車(chē)道采用縱橫加筋梁的正交異性鋼板體系作為橋面系結(jié)構(gòu)，橋面寬度方向設(shè)有5組斜度不一的坡度，并在橋面上方裝有一組火車(chē)軌道，火車(chē)軌道直線度及高低差要求高。桁架由上弦、腹桿及下弦三部分組成，上弦為π型箱梁結(jié)構(gòu)，腹桿為工字鋼，下弦為四面箱型結(jié)構(gòu)，三者通過(guò)焊接連成一體。根據(jù)圖紙要求，橋在X方向和Z方向均預(yù)設(shè)拱度，給分段制造、拼裝以及尺寸控制帶來(lái)較大難度。

3.2? ? 制作難點(diǎn)及解決措施

針對(duì)以上特點(diǎn)，鋼橋制造時(shí)，考慮的制作難點(diǎn)有：

（1）鋼橋在Z方向上設(shè)置拱度，考慮通過(guò)以直代曲的方法進(jìn)行制造。首先，根據(jù)鋼橋桁架腹板對(duì)接縫位置對(duì)鋼橋桁架進(jìn)行分段，并做圖與理論拱度值進(jìn)行比對(duì)，需滿足最大偏差≤3 mm，然后根據(jù)桁架分段位置初定橋面分段位置，外方要求橋面上U肋嵌補(bǔ)段對(duì)接縫位置距離隔板位置≤500 mm，根據(jù)此要求對(duì)橋面分段位置再進(jìn)行調(diào)整。

（2）鋼橋制作周期短，制作要求高，鋼橋上每塊鋼板圖紙中均定義了疲勞等級(jí)，根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)：疲勞構(gòu)件上不允許母材損傷，并且不得在疲勞構(gòu)件上搭焊任何臨時(shí)構(gòu)件，疲勞構(gòu)件對(duì)接焊縫需打磨至與母材齊平等高。因此，需改變以往的制作工藝。通常數(shù)控下料零件在起弧和收弧位置以及切割至數(shù)控胎架位置會(huì)產(chǎn)生母材缺陷，針對(duì)此情況，在數(shù)控此批零件時(shí)周圈留有5 mm余量，數(shù)控下料后，使用數(shù)控鏜銑床加工去除余量，并加工出焊接坡口;疲勞構(gòu)件吊點(diǎn)設(shè)置時(shí)，將吊耳設(shè)置于疲勞等級(jí)較低的鋼板或未來(lái)的對(duì)接縫上，并且吊裝方案提交用戶(hù)通過(guò)后才可施工。

（3）鋼橋桁架分上弦、下弦、腹桿三部分，其中下弦底板伸出耳板與橋面下方大T肋翼板對(duì)接，合理設(shè)置上弦、下弦以及橋面大T肋收縮余量，確保三者每個(gè)開(kāi)檔尺寸精度。

（4）鋼橋旋轉(zhuǎn)鉸點(diǎn)設(shè)置于第五段桁架上，此片桁架上涉及有鉸點(diǎn)軸孔、液壓油缸頂升軸孔、安全插銷(xiāo)軸孔，各軸孔同軸度要求高，并且液壓油缸頂升孔和安全插銷(xiāo)孔以鉸點(diǎn)軸孔為基準(zhǔn)，有相應(yīng)的位置尺寸要求，制作難度大。通過(guò)對(duì)第五段桁架側(cè)片合理分段、制造以及嚴(yán)格的尺寸控制，來(lái)使各項(xiàng)尺寸滿足要求。

（5）根據(jù)圖紙以及歐洲EN 1090標(biāo)準(zhǔn)要求，U肋與橋面板根部未熔透區(qū)域≤1 mm，焊喉要求≥U肋板厚。利用傳統(tǒng)橫焊技術(shù)無(wú)法滿足施工要求，因此項(xiàng)目部設(shè)計(jì)制造了橋面板單元船型焊胎架，將U肋焊縫由橫焊轉(zhuǎn)化為平焊，使用CO2自動(dòng)焊接小車(chē)對(duì)U肋焊縫進(jìn)行焊接，兩座橋U肋焊縫熔深全部通過(guò)驗(yàn)收。

（6）俯仰式桁架鋼橋鉸點(diǎn)組件由C460鑄鋼、C35鍛鋼、S355NL鋼板等特殊材料組合而成，重約50 t。鑄鋼與S355NL圓筒體為對(duì)接焊縫，厚度125 mm;C35鍛鋼與S355NL圓筒體為角接焊接，焊接厚度100 mm，均為厚板焊接。此組件外形不規(guī)則，C460鑄鋼焊接制造為國(guó)內(nèi)首次，設(shè)計(jì)制造了一套專(zhuān)用焊接工裝，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了鑄鋼焊接坡口以及鑄鋼和鍛鋼的焊接方法，實(shí)現(xiàn)了鑄鋼件和圓筒體對(duì)接縫的自動(dòng)焊接。

（7）桁架上弦為π型梁，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，同時(shí)帶來(lái)焊接量不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題[2]，且隔板3 150 mm一檔，控制其旁彎和拱度以及扭曲是制作上弦的難題。工藝上在上弦箱體內(nèi)增加工藝隔板，約1 500 mm一檔，同一分段左右側(cè)上弦裝配成型后，將其背靠背裝配在一起，使用工藝卡馬固定形成一個(gè)整體，有效解決了結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題。

（8）鋼橋橋面板厚16 mm，橋截面寬度達(dá)15 m，在橋截面上有5個(gè)折彎點(diǎn)，形成流水坡。折彎角度大小不一，最大折彎處達(dá)120 mm，最小折彎處20.5 mm。根據(jù)鋼橋截面形狀，搭制折彎成型胎架，將鋼橋橋面反做（即橋面朝下），使用多個(gè)配重壓制鋼橋橋面線型使橋面與線型胎架接觸，然后將制作成型的隔板組件組裝到位，定位焊固定，控制橋面線型。

（9）橋面底部有三種規(guī)格的加強(qiáng)U肋：分別為200 mm高、250 mm高和350 mm高。其中350 mm高U肋為主結(jié)構(gòu)橋面板下面的U肋，每個(gè)橋面分段下面有21排，利用傳統(tǒng)的兩次折制方法，U肋與折邊機(jī)干涉，故設(shè)計(jì)制造350 mm高專(zhuān)用U肋折制壓模，一次性折制350 mm高U肋，有效解決了350 mm高U肋制造難題。

4? ? 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1? ? 閘門(mén)項(xiàng)目

比利時(shí)閘門(mén)在車(chē)間制作時(shí)利用了兩跨重型車(chē)間，每跨車(chē)間各自單獨(dú)制作一個(gè)閘門(mén)，確保兩個(gè)閘門(mén)同時(shí)開(kāi)工制作。每一跨車(chē)間使用面積約為7 800 m2，其中閘門(mén)整體成型胎架約為2 000 m2，各板單元制作水平胎架約為5 800 m2。在車(chē)間內(nèi)將兩個(gè)閘門(mén)同時(shí)進(jìn)行整體成型，從板片制作開(kāi)始到第一個(gè)分段出車(chē)間，平均施工周期為4個(gè)月。兩個(gè)閘門(mén)同時(shí)完成后，可繼續(xù)同時(shí)開(kāi)始制作后面兩座閘門(mén)，確保了制作的連續(xù)性，充分利用了生產(chǎn)資源。在外場(chǎng)拼裝時(shí)，同時(shí)布置了4個(gè)外場(chǎng)拼裝工位，保證4個(gè)閘門(mén)可以同時(shí)進(jìn)行總拼，單個(gè)閘門(mén)在外場(chǎng)拼裝到結(jié)束，只需要2個(gè)月即可完成主焊縫和嵌補(bǔ)段的焊接。在材料方面，針對(duì)于大面板的特點(diǎn)，通過(guò)提前繪制拼板圖，根據(jù)拼板圖定尺采購(gòu)鋼板，使大板拼板的鋼板利用率達(dá)到了98.3%。在焊接方面，由于涉及大量大板的肋以及U肋的角接，工藝上利用了高效的CO2自動(dòng)角焊焊接技術(shù)，節(jié)省了人力成本，改善了工作環(huán)境，縮短了制作周期，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益逾百萬(wàn)元。

4.2? ? 鋼橋項(xiàng)目

鋼橋項(xiàng)目共投入水平胎架約3 800 m2，成型胎架約2 300 m2，可同時(shí)進(jìn)行兩座鋼橋板單元的生產(chǎn)制作，內(nèi)、外場(chǎng)同時(shí)確保了在9個(gè)月內(nèi)完成兩座鋼橋的制造。在有限的場(chǎng)地及有限的時(shí)間內(nèi)完成兩座鋼橋的制造，在先進(jìn)的工藝制作技術(shù)指導(dǎo)下，充分利用了有限的資源，最高效地完成了任務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的綠色生產(chǎn)。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該項(xiàng)目成功制造，在大型閘門(mén)及鋼橋制作方面，項(xiàng)目部掌握了一套先進(jìn)且成熟的施工技術(shù)體系，為今后國(guó)內(nèi)外大型閘門(mén)及俯仰式桁架鋼橋制造提供了技術(shù)支持，同時(shí)也為國(guó)家大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了前瞻性的技術(shù)探索和實(shí)踐。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 趙星，羅海生.淺談數(shù)字化技術(shù)在比利時(shí)安特衛(wèi)普閘門(mén)項(xiàng)目中的運(yùn)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（30）：262.

[2] 陳爭(zhēng)軍.淺談鋼閘門(mén)制作過(guò)程焊接變形的預(yù)防和控制[J].楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，18（1）：14-17.

收稿日期：2020-01-10

作者簡(jiǎn)介：趙星（1984—），女，江蘇揚(yáng)州人，工程師，從事路橋工程設(shè)計(jì)管理方面的工作。