超寬扁平鋼箱梁制造解析

吳宏亮

（南通振華重型裝備制造有限公司，江蘇 南通 226010）

1 工程概況

齊魯黃河大橋作為濟(jì)南攜河北跨重要通道，且是“三橋一隧”的重要組成，是濟(jì)南市“北跨”攜河發(fā)展的重要通道。全長(zhǎng)6.742 公里，其中跨黃河主橋長(zhǎng)2.52公里，主跨采用跨度為420 米的網(wǎng)狀吊桿拱橋。齊魯大橋采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，且設(shè)計(jì)為雙向八車道，主橋中間預(yù)留城市軌道交通空間，主線預(yù)留向北延伸空間。

圖1.1 齊魯黃河大橋總體布置圖

主橋全寬為 60.7m，公軌同層且軌道居中，橋梁布置雙向八車道+雙線輕軌+非機(jī)動(dòng)車道+人行道。主橋鋼材主要材質(zhì)采用 Q345qE、Q420qE。標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)度為9 米，設(shè)置兩道空腹式橫隔板，兩道縱腹板，整體梁體結(jié)構(gòu)偏柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1.2 齊魯黃河大橋模型圖

2 制作難點(diǎn)

齊魯黃河大橋鋼箱梁設(shè)計(jì)為全焊結(jié)構(gòu)，焊縫密集，焊接所引起的焊接變形和殘余應(yīng)力較大，對(duì)板單元焊接質(zhì)量和焊接變形控制要求較高。對(duì)鋼箱梁加工制作帶來較大的困難，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）齊魯黃河大橋鋼箱梁，主結(jié)構(gòu)采用的板厚比較薄，隔板采用空腹式隔板，縱腹板與頂、底板焊縫為全熔透焊縫，對(duì)構(gòu)件焊接質(zhì)量和變形控制的要求比較高；

（2）錨拉板構(gòu)件與橫隔板、縱隔板間的全熔透焊縫是全橋最關(guān)鍵的傳力焊縫，其焊縫質(zhì)量控制尤為關(guān)鍵；

（3）齊魯黃河大橋鋼箱梁橫截面寬度達(dá)到60.7 米，是國內(nèi)外迄今為止最大的截面，其橫向坡度標(biāo)高控制難度較大。

3 制作總體工藝流程

為保證鋼箱梁整體制造產(chǎn)品質(zhì)量，鋼箱梁制造采用“板件→板單元→板單元合件→鋼箱梁組裝→預(yù)拼裝→橋位連接”的生產(chǎn)方式生產(chǎn)。采用“一橋兩址”的總體模式組織施工，即在南通振華重型裝備制造基地完成各類板單元的制作，橋位現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)加工廠完成鋼箱梁小節(jié)段組裝、預(yù)拼裝、涂裝及存梁工作，橋位現(xiàn)場(chǎng)完成相鄰環(huán)縫焊接及涂裝。

4 制作工藝

4.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)齊魯黃河大橋鋼箱梁特點(diǎn)，對(duì)圖紙結(jié)構(gòu)中I 肋單元、U 肋板單元和橫隔板單元的制作流程進(jìn)行分解，針對(duì)每個(gè)板單元制造流程進(jìn)行工位布置、設(shè)計(jì)工裝、升級(jí)設(shè)備、進(jìn)行工序轉(zhuǎn)換的物流設(shè)計(jì)，形成智能化板單元生產(chǎn)流水線，以提高板單元的制作效率、降低生產(chǎn)成本。

4.2 正交異性橋面板制作

正交異性橋面板單元采用U 肋自動(dòng)裝配機(jī)進(jìn)行組裝和定位焊接。鋼板定位完成后首先進(jìn)行焊縫部位自動(dòng)劃線、打磨和除塵；然后再利用液壓卡具對(duì)U 形肋進(jìn)行自動(dòng)定位和壓緊，保證組裝間隙小于0.5 毫米；利用先進(jìn)的機(jī)器人焊接系統(tǒng)進(jìn)行定位焊接，實(shí)現(xiàn)U 形肋定位焊自動(dòng)化，保證U 形肋坡口根部焊接質(zhì)量。為提高生產(chǎn)效率、減少裝配誤差、保證產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4.2-1 U 形肋自動(dòng)打磨、劃線圖

圖4.2-2 U 形肋自動(dòng)裝配、點(diǎn)焊

正交異性橋面板單元在雙向反變形胎上焊接，通過自動(dòng)液壓卡具預(yù)設(shè)雙向反變形，采用半龍門式焊接機(jī)器，雙工位布置的系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行船位焊接。該機(jī)器人焊接系統(tǒng)采用世界最先進(jìn)的電弧跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)坡口根部位置偏差的智能化跟蹤調(diào)整，跟蹤精度達(dá)到0.2mm，解決了多頭龍門焊機(jī)探針跟蹤偏差大的問題。采用雙向反變形船位施焊技術(shù)，確保焊縫根部焊接質(zhì)量、外觀成型及板單元焊后平整度，減少焊后矯正。該技術(shù)是保證U 形肋板單元制造質(zhì)量、提高使用耐久性的關(guān)鍵。

圖4.2-3 U 肋機(jī)器人焊接

4.3 隔板單元制作

齊魯黃河大橋橫隔板采用空腹式角鋼栓接形式，其角鋼采用背靠背焊接形式作為橫撐結(jié)構(gòu)，角鋼與隔板上、下連接板采用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行栓接。隔板作為鋼箱梁拼裝的重要構(gòu)件，其形位尺寸精度對(duì)鋼箱梁整體尺寸控制尤為重要，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)空腹式隔板加工制作提出更高的要求。

通過以下幾點(diǎn)控制整體精度：

①設(shè)計(jì)專用胎架用于隔板裝配和焊接，胎架設(shè)計(jì)為梅花樁形式，采用多樁柱形式用于控制隔板的整體平面度，樁柱全部采用地錨螺栓進(jìn)行加固，以免焊接應(yīng)力過大產(chǎn)生變形。

隔板組焊專用胎架

②對(duì)于背靠背形式的角鋼，為保證產(chǎn)品的完整性以及高栓連面的抗滑移施擰系數(shù)滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，先對(duì)角鋼進(jìn)行涂裝預(yù)涂，然后再進(jìn)行角鋼組件的預(yù)制，角鋼預(yù)制過程中對(duì)預(yù)涂油漆造成局部破損的要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)涂。高栓連接面螺栓孔加工完成后再進(jìn)行防滑油漆的涂裝。

③為減小焊接應(yīng)力對(duì)高栓的影響，隔板在組裝時(shí)對(duì)上下連接板采取不同的工藝方案進(jìn)行組裝，上端連接板采用先孔形式與角鋼組件進(jìn)行連接，該連接采用工藝銷釘預(yù)連接；隔板下部連接板先與隔板組件進(jìn)行焊接，焊接完成后完成矯正工作后采用連接板工裝進(jìn)行配鉆下部連接板螺栓孔，最后再拆除工藝銷釘和隔板工裝，安裝預(yù)制好的背靠背角鋼，并按要求施擰高強(qiáng)度螺栓。

4.4 節(jié)段拼裝

在節(jié)段組裝過程中，按照自下向上、自中間向兩邊的順序，實(shí)現(xiàn)立體階梯式推進(jìn)方式逐段組裝與焊接。鋼箱梁組拼時(shí)，以拼裝胎架為外胎，以橫隔板、縱腹板為內(nèi)胎，重點(diǎn)控制橋梁縱橫向的線形、鋼箱梁整體幾何形狀和尺寸精度、相鄰環(huán)口的精確確匹配等。

（1）總拼胎架及測(cè)量控制網(wǎng)

總拼胎架按照設(shè)計(jì)院和橋位監(jiān)控單位提供的線型數(shù)據(jù)制作拼裝線形，并預(yù)留鋼箱梁受焊接收縮和重力的影響而產(chǎn)生的變形量以及橫向焊接收縮變形量；每輪次小節(jié)段下胎后，應(yīng)重新對(duì)胎架進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，并做好相應(yīng)的檢測(cè)記錄。

為便于過程測(cè)量控制，在總拼胎架兩端設(shè)置三對(duì)測(cè)量標(biāo)識(shí)塔，其中一對(duì)設(shè)置在鋼箱梁中心處，另外兩對(duì)設(shè)置在鋼箱梁邊腹板處，并在標(biāo)識(shí)塔頂端設(shè)有永久標(biāo)尺，中間劃有“”標(biāo)識(shí)；胎架周邊布置標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)以形成標(biāo)高測(cè)量網(wǎng)，測(cè)量點(diǎn)基礎(chǔ)要加固處理，保證沉降≤2mm；構(gòu)成測(cè)量網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)不得少于4 個(gè)，并定期進(jìn)行檢測(cè)。

圖4.4-1 典型節(jié)段制造胎架及測(cè)量控制網(wǎng)布置示意圖

（2）板單元塊體制作

由于齊魯黃河大橋?qū)儆诔瑢挻蠼孛?，橋面板?duì)接焊縫數(shù)量較多，為減少總拼胎架上焊接工作量，提高拼裝制作質(zhì)量，縮短制作周期。

①在頂（底）板單元參與到節(jié)段組裝前，先在專用胎架上組焊橫隔板上接板，再將兩件板單元拼焊成一個(gè)吊裝塊體。

②拼接時(shí)需預(yù)留焊接收縮量，以便有效控制兩側(cè)焊縫相鄰U 形肋的中心距尺寸，且根據(jù)不同板厚預(yù)置一定的雙向反變形，以保證焊后板塊的尺寸精度和平面度。板單元對(duì)接焊縫兩側(cè)30mm 寬范圍打磨除銹，焊接采用在背面貼陶瓷襯墊的單面焊工藝，CO2 氣體保護(hù)焊打底，埋弧自動(dòng)焊填充、蓋面，板單元單面焊雙面成形。

③在兩拼制作過程中根據(jù)不同板厚收集相應(yīng)的焊接收縮余量，以減少后續(xù)的矯正工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。

圖4.5-4 板單元裝配示意圖

圖4.5-5 板單元埋弧自動(dòng)焊接

（3）節(jié)段匹配組焊和預(yù)拼裝

鋼箱梁小節(jié)段制造采用連續(xù)匹配組裝、焊接和預(yù)拼裝一次完成的組拼工藝。為實(shí)現(xiàn)這一目的，須有兩個(gè)前提條件，首先是節(jié)段拼裝胎架應(yīng)按照監(jiān)控單位給定的線形設(shè)置牙板高程，并預(yù)放橫向反變形；然后是各類控制板單元加工長(zhǎng)度，并預(yù)留一定焊接收縮余量，保證節(jié)段長(zhǎng)度誤差控制在制造驗(yàn)收規(guī)則規(guī)定的允許偏差之內(nèi)。每輪次拼裝完成后，以兩端測(cè)量塔為基準(zhǔn)，重新劃出鋼箱梁每節(jié)段的縱橫基準(zhǔn)線，并以基線為基準(zhǔn)重新劃出梁段兩側(cè)的坡口切割線，根據(jù)工藝文件對(duì)余量端進(jìn)行修割。齊魯黃河大橋采用多節(jié)段連續(xù)匹配組裝、焊接和預(yù)拼裝同時(shí)的方案，組裝時(shí)預(yù)留一個(gè)梁段參與下一輪的預(yù)拼裝，確保整體線型及端口匹配平順。

鋼箱梁節(jié)段組裝采用正裝方案，即以總拼胎架為外模，以隔板為內(nèi)模，按照“底板→斜底板→中間橫隔板→邊橫隔板→檢修道→頂板→斜頂板→錨固吊索→邊頂板”的順序，實(shí)現(xiàn)鋼箱梁立體階梯式推進(jìn)，逐段組裝與焊接。

圖4.5-6 鋼箱梁組裝

（5）橫向坡度控制

頂板縱向?qū)雍缚p的焊接變形是鋼箱梁截面發(fā)生改變的主因，為保證橫向坡度，首先，通過頂板單元塊體制作，減少總拼對(duì)接焊縫縱向收縮變形，其次，根據(jù)以往橋梁制作經(jīng)驗(yàn)，在總拼胎架制作時(shí)預(yù)放一定的焊接反變形，最后，頂板在總拼胎架上采取對(duì)稱施焊的方式以減少焊接變形。

5 結(jié)語

齊魯黃河大橋設(shè)計(jì)為世界第一寬度的網(wǎng)狀吊桿形式鋼箱梁，其制造工藝復(fù)雜，焊接變形控制難度較大。通過各工序嚴(yán)格把控，有效控制各類組焊變形，提升超寬鋼箱梁整體制造質(zhì)量。