甌江北口大橋散索鞍鋼結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

王盛銘，董小亮，劉 郴，陳 離，李 明

（1.溫州甌江口大橋有限公司，浙江 溫州 325000；2.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084）

1 工程概況

溫州甌江北口大橋是浙江省繼舟山連島大橋、杭州灣跨海大橋之后又一座國(guó)家級(jí)的重大橋梁工程，是世界上首座三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋，采用寧波至東莞國(guó)家高速公路和國(guó)道228線（南金公路）共線過(guò)江的雙層橋梁方案。主橋橋型方案為215m+2×800m+275m。

該懸索橋上部結(jié)構(gòu)纜索系統(tǒng)主要受力構(gòu)件有主纜、索鞍、索夾及吊索等，其中索鞍又分為主索鞍、散索鞍2種，散索鞍安裝于錨碇支墩處，主要作用是支撐主纜并將主纜索股散開(kāi)分布到錨碇處[1]。散索鞍結(jié)構(gòu)為擺軸式，包括鞍座本體、隔板、上承板、下承板、底板、底座等構(gòu)件。散索鞍長(zhǎng)4.7m、寬4.0m、高6.0m，繩槽最小寬度為985mm，槽底最小豎彎半徑為9m，最小平彎圓弧半徑約12.5m，單件散索鞍重達(dá)92t。甌江北口大橋散索鞍結(jié)構(gòu)如圖1所示。散索鞍鞍體為鑄件與鋼板焊接結(jié)構(gòu)，從上到下分為鞍頭和鞍座2部分，通過(guò)焊接連接。其中，鞍頭鑄鋼件材質(zhì)為ZG270-480H，鞍座鋼板材質(zhì)為Q345R。

圖1 散索鞍結(jié)構(gòu)圖

2 散索鞍鋼結(jié)構(gòu)制造施工技術(shù)

針對(duì)該橋散索鞍體積和重量大、造型復(fù)雜的特點(diǎn)，在保證鑄鋼件順序凝固原則下，同時(shí)結(jié)合之前鞍頭鑄件鑄造經(jīng)驗(yàn)，確定散索鞍鞍頭采用鞍槽整體朝下的鑄造工藝，造型方法采用組芯造型，在散索鞍鞍體焊接過(guò)程中，進(jìn)行了焊前整體預(yù)熱并在焊接過(guò)程中進(jìn)行了多次中間退火以消除焊縫應(yīng)力；散索鞍鞍體機(jī)加工工藝施工采用四軸銑削，采用數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)臺(tái)多次回轉(zhuǎn)角度精加工鞍槽三維結(jié)構(gòu)曲面。

散索鞍鞍體制造工藝流程包括鞍頭鑄造、鞍頭與鞍座焊接、熱處理、機(jī)加工、裝配、試驗(yàn)、涂裝等。

2.1 鞍頭鑄造

散索鞍鞍頭主要作用是支撐主纜，其中設(shè)置有與主纜索股現(xiàn)狀相同的臺(tái)階，外側(cè)面設(shè)置有豎向加強(qiáng)筋板，形狀復(fù)雜，采用鑄鋼件鑄造成型[2]。根據(jù)散索鞍的技術(shù)要求和使用要求，確定散索鞍鞍頭采用鞍槽整體朝下的鑄造工藝，造型方法采用組芯造型。通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行CAE輔助設(shè)計(jì)，在鞍頭鑄造時(shí)綜合考慮凝固收縮自身結(jié)構(gòu)和鑄造型芯的因素，該鞍頭模型收縮率設(shè)定為2.0%。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)及輪廓尺寸的特殊性，為保證鑄件由遠(yuǎn)離冒口端向冒口端逐漸凝固，保證鑄件內(nèi)部組織均勻及密實(shí)，同時(shí)參考計(jì)算機(jī)CAE仿真情況和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最終確定了冒口設(shè)置方案，如圖2所示。

圖2 散索鞍鞍頭冒口設(shè)置示意圖

2.2 鞍體焊接

在甌江北口大橋散索鞍鞍體焊接前，對(duì)該鞍體最厚的鑄鋼件與鋼板焊接焊縫，開(kāi)展了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。為模擬實(shí)際焊接狀況，采用120mm厚的鑄件與鋼板對(duì)接熔透焊縫進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)[3]。在焊接過(guò)程中，為防止冷裂紋、熱裂紋和熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織，需對(duì)鞍體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱采用進(jìn)爐整體預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100～120℃，保持鑄鋼與鋼板焊縫的層間溫度為100～150℃，鋼板與鋼板焊縫的層間溫度為60～100℃，測(cè)溫位置離坡口邊緣150mm。與此同時(shí)，鞍體焊接后，需對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)。通過(guò)總結(jié)虎門二橋經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)設(shè)計(jì)要求的《鑄鋼件超聲檢測(cè) 第1部分:一般用途鑄鋼件》（GB/T 7233.1—2009）標(biāo)準(zhǔn)容許的缺陷尺寸也相對(duì)較大，對(duì)鑄鋼件焊縫檢測(cè)評(píng)定要求相對(duì)較為寬松，且該標(biāo)準(zhǔn)是鑄鋼件鑄造缺陷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，而非對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)。該橋鞍體鑄鋼件和鋼板以及鋼板和鋼板的連接焊縫均采用焊縫評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)《焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)》（GB/T 29712—2013）及《焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲波檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》（GB/T 11345—2013）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判，Ⅱ級(jí)為合格。

2.3 鞍體熱處理

因鞍體結(jié)構(gòu)尺寸大，重達(dá)92t，板厚達(dá)100mm，結(jié)構(gòu)件拘束度大，焊接后應(yīng)力非常大，如不及時(shí)進(jìn)行消應(yīng)處理，焊接可能開(kāi)裂。為消除焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力、均勻焊縫和熱影響區(qū)的組織、細(xì)化焊縫和熱影響區(qū)的晶粒、排除焊縫在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氫脆，在焊接過(guò)程中和焊接后進(jìn)行了去應(yīng)力退火熱處理，保證鞍頭與鞍體焊縫的質(zhì)量。在實(shí)際焊接過(guò)程中，鞍體進(jìn)行了2次中間退火熱處理，以消除焊縫應(yīng)力，焊接完成后進(jìn)行了總體退火熱處理。同時(shí)，因鞍體結(jié)構(gòu)尺寸大，熱處理可能存在不均勻現(xiàn)象，為了保證熱處理能達(dá)到設(shè)定效果，能充分消除焊縫焊接應(yīng)力，針對(duì)該索鞍結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開(kāi)展了熱處理仿真分析，對(duì)焊接加熱及升溫、恒溫等關(guān)鍵溫度等工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬分析。仿真分析時(shí)，采用常規(guī)斜線升溫工藝模擬升溫鞍體，鞍體外部溫度大大高于內(nèi)部，內(nèi)外溫差相差較大，如按該方式加熱鞍體，結(jié)構(gòu)內(nèi)部無(wú)法按時(shí)達(dá)到預(yù)定溫度要求，同時(shí)外表面還存在局部過(guò)熱和脫碳。為此，在升溫過(guò)程中增加了一個(gè)恒溫段，恒溫溫度為400℃，以保證熱處理鞍體內(nèi)外部溫度均衡，確保熱處理效果及焊接質(zhì)量，消除焊縫開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

2.4 鞍體機(jī)加工

散索鞍鞍體結(jié)構(gòu)為鑄焊擺軸式，首先進(jìn)行鞍頭及工裝墊塊的粗加工（作為后面加工的基準(zhǔn)），鞍頭粗加工后與底座部分進(jìn)行焊接，焊接完成后在大型落地?cái)?shù)控鏜銑床FB260（主軸直徑為260mm，配備有400t回轉(zhuǎn)工作臺(tái)）上整體精加工鞍槽和底板。

散索鞍鞍槽為三維空間曲面，是整個(gè)散索鞍機(jī)加工的難點(diǎn)。鞍槽加工時(shí)需采用四軸聯(lián)動(dòng)的方式，即通過(guò)機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)及機(jī)床的X、Y、Z軸參與旋轉(zhuǎn)的聯(lián)動(dòng)，使機(jī)床的主軸方向始終為鞍槽底弧的徑向方向，這樣才能將鞍槽槽內(nèi)的全部機(jī)加工余量通過(guò)銑削的方式去除。鞍體加工采用大型數(shù)控鏜銑床加工，數(shù)控程序的編制采用了先進(jìn)的三維造型及加工軟件UG進(jìn)行編制。在加工鞍槽到還有3mm余量時(shí)，檢測(cè)鞍槽的型值點(diǎn)，合格后再進(jìn)行鞍槽的精加工，確保鞍槽槽形的正確性。另外，在鞍頭粗加工時(shí)焊接了找正基準(zhǔn)塊，粗加工時(shí)一起加工，并專門制造了超長(zhǎng)校正桿，加工過(guò)程中用來(lái)校正鞍頭與底面的位置。

2.5 鞍體涂裝

在涂裝作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照涂裝環(huán)境要求進(jìn)行，同時(shí)按照預(yù)涂、噴涂、漆膜修補(bǔ)、熱噴涂的工藝要求對(duì)散索鞍進(jìn)行涂裝。涂裝完畢后，漆膜表面應(yīng)無(wú)流掛、橘皮、裂紋、針孔、氣泡等缺陷，漆膜飽和豐滿，色澤一致并無(wú)漏涂現(xiàn)象，同時(shí)涂層外觀均勻一致，無(wú)明顯的氣孔及裸露的斑點(diǎn)，無(wú)未附著或附著不牢固的金屬熔融顆粒和影響涂層使用的一切缺陷。油漆外觀滿足相關(guān)要求后，再進(jìn)行漆膜厚度及熱噴涂附著力檢測(cè)[5]。

2.6 鞍體試裝配及擺軸試驗(yàn)

為保證散索鞍各零件在現(xiàn)場(chǎng)能順利安裝，散索鞍的各主要零件加工完后，在廠內(nèi)進(jìn)行了試裝配。首先裝配上、下承板，確保銷孔順利對(duì)接，然后將上、下承板落位到底座上，再依次安裝鞍體及其他附件。散索鞍裝配完成并檢驗(yàn)合格后，再將鞍體吊到底座上面裝配成安裝狀態(tài)。通過(guò)在鞍槽兩端綁定手拉葫蘆拉動(dòng)鞍體進(jìn)行擺動(dòng)，測(cè)定鞍體在兩側(cè)的擺動(dòng)角度。

3 質(zhì)量控制

在散索鞍的制造過(guò)程中，嚴(yán)格遵照設(shè)計(jì)施工圖，在監(jiān)理工程師的監(jiān)督下，總體上從毛坯采購(gòu)、鑄造、焊接、機(jī)加工、表面涂層防護(hù)、理化檢測(cè)等方面，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行了全面有效的監(jiān)控。在實(shí)施質(zhì)量控制的過(guò)程中，嚴(yán)格按照施工評(píng)審后的工藝方案、檢驗(yàn)工藝進(jìn)行施工和檢查，每個(gè)完工的零部件都有完整的質(zhì)量記錄、探傷報(bào)告，并按工程管理要求匯集成冊(cè)。具體體現(xiàn)在：

（1）無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的質(zhì)量控制。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)狀進(jìn)行分析評(píng)估和策劃，保證在散索鞍制造過(guò)程中無(wú)損探傷準(zhǔn)確，確保產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。

（2）鑄件毛坯的質(zhì)量控制。因鑄件毛坯關(guān)乎產(chǎn)品的最終質(zhì)量，同時(shí)散索鞍噸位尺寸大，存在一定的鑄造難度，所以需按工藝要求對(duì)模具造型、爐前分析、熱處理、理化試驗(yàn)等鑄造生產(chǎn)的全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。毛坯出廠前經(jīng)過(guò)出廠驗(yàn)收，鑄造廠家提供毛坯的鑄造爐批號(hào)、化學(xué)成分、機(jī)械性能、熱處理報(bào)告等，同時(shí)提供試樣回廠復(fù)驗(yàn)。試樣回廠復(fù)驗(yàn)合格后，才允許進(jìn)行后續(xù)加工。

（3）零部件焊接、機(jī)加工、涂裝、裝配的質(zhì)量控制。毛坯回廠后的全過(guò)程，均按該項(xiàng)目質(zhì)量管理體系文件的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行質(zhì)量控制，同時(shí)執(zhí)行首件驗(yàn)收制度。

（4）外購(gòu)件的質(zhì)量控制。在產(chǎn)品組織策劃過(guò)程中，直接從專業(yè)廠家采購(gòu)緊固件等專業(yè)性較強(qiáng)的零件，并且從采購(gòu)技術(shù)協(xié)議、制造過(guò)程監(jiān)督、出廠檢驗(yàn)、回廠復(fù)驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)精心策劃，確保產(chǎn)品質(zhì)量得到較好的控制。同時(shí)，嚴(yán)格規(guī)定散索鞍拉桿的拉力載荷、螺母的保載、墊圈的硬度試驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

甌江北口大橋散索鞍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散索鞍重約92t。在其鋼結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中涉及鞍頭鑄造、鞍體焊接、焊接熱處理、機(jī)加工、涂裝、裝配和試驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)。相關(guān)人員通過(guò)分析總結(jié)以往懸索橋散索鞍制造施工工藝，在優(yōu)化了相應(yīng)的工藝方案及計(jì)算機(jī)模擬分析前提下，解決了甌江北口大橋散索鞍鋼結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中的難題，同時(shí)散索鞍制造后經(jīng)檢測(cè)及試驗(yàn)驗(yàn)證，散索鞍各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求。