圓形鏤空鋼桁梁主橋制造工藝

程 斌 林賢光 張 鵬

(1.武漢城市職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢：430064；2.湖北省路橋集團(tuán)有限公司 湖北 武漢：430056)

丹江口市滄浪洲生態(tài)濕地公園步行橋主橋采用圓形鏤空鋼桁架梁橋，橫跨漢江。步行橋大跨徑空間鋼桁架結(jié)構(gòu)形式,目前在我國橋梁建設(shè)行業(yè)中為第一例，施工難度大,施工工藝復(fù)雜。本文介紹了圓形鏤空鋼桁梁主橋制造工藝，為今后同類型橋梁的施工積累經(jīng)驗(yàn)，提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 主橋結(jié)構(gòu)簡介

丹江口市滄浪洲生態(tài)濕地公園步行橋主橋采用(55+2×90+55)m 圓形鏤空鋼桁架橋跨越主航道，詳見圖1橋型布置圖。主橋共分為2個(gè)三角環(huán)及56個(gè)整環(huán)，采取精度控制壓弧制造的不規(guī)則異形單元件,單面焊雙面成型的焊接工藝, 整環(huán)采取在廠家拼接成4個(gè)節(jié)段運(yùn)至現(xiàn)場后臥拼成整體，再將每節(jié)重約20～40噸的56環(huán)鋼桁梁進(jìn)行吊裝焊接拼裝而成。圓筒外徑4.15m，內(nèi)徑3.55m，桁架高8.3m，桁架節(jié)間距5.0m，上下弦桿、腹桿均采用箱型截面，所有桿件高度為0.6m，上下弦桿斷面寬0.6m，加強(qiáng)腹桿寬1.0m、0.8m，其余腹桿寬0.6m，主桁架采用整體式節(jié)點(diǎn)板，全焊接鋼結(jié)構(gòu)，見圖2鋼桁架結(jié)構(gòu)圖。

圖1 橋型布置圖

圖2 鋼桁架結(jié)構(gòu)圖

1.2 鋼材簡介

(1)主橋梁體：梁體結(jié)構(gòu)鋼采用Q345D及Q390D鋼板焊接而成，材料符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T1591-2018)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，選用的焊接材料符合《非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條》(GB/T5117-2012)和《熱強(qiáng)鋼焊條》(GB/T5118-2012)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并與所采用的鋼材材質(zhì)和強(qiáng)度相適應(yīng)[1]。

(2)其余部位采用Q235B鋼材，滿足《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T700-2008)的各項(xiàng)要求。

2 主橋制造

2.1 主橋制作流程

步行橋主橋鋼桁架制造采用工廠內(nèi)拼裝制造成發(fā)運(yùn)節(jié)段，運(yùn)至現(xiàn)場大拼胎架進(jìn)行吊裝節(jié)段的拼裝焊接[2]，見圖3主橋總體制造流程圖。

圖3 主橋總體制造流程圖

2.2 主橋制作關(guān)鍵及重難點(diǎn)

(1)桁架梁工廠制造節(jié)段和吊裝節(jié)段的劃分是關(guān)系到保證桁架梁截面尺寸、成本等方面的重點(diǎn)；

(2)主橋圓形鋼桁架桿件的壓弧制造工作量巨大和精度控制是重點(diǎn)；

(3)桁架梁桿件制造時(shí)蓋板與頂板相對(duì)角度定位是控制桿件截面及相鄰桿件匹配的關(guān)鍵；

(4)主橋桁架梁桿件的蓋腹板均為熔透焊縫，焊接變形的控制是桁架梁制造的難點(diǎn)；

(5)桁架梁桿件制造完成后的合樣檢查是控制桁架梁線型的重點(diǎn)；

(6)主橋大多零件鋼板均為異形件，材料消耗控制難度大；

(7)零件制造檢查工裝，部件的制造檢查工裝、試拼及現(xiàn)場拼裝工裝的設(shè)計(jì)及制作工作量大。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段劃分

鋼桁架梁的設(shè)計(jì)分段見圖4主橋制造單元?jiǎng)澐质疽?，為便于弧形板的壓制、材料消耗的控制方面考慮，仍以此為基礎(chǔ)進(jìn)行工廠制造單元的制造。

圖4 主橋制造單元?jiǎng)澐质疽?/p>

綜合考慮現(xiàn)場拼裝場地、現(xiàn)場吊裝能力以及吊裝節(jié)段的穩(wěn)定性，將鋼主橋的斜向橢圓圓環(huán)作為吊裝節(jié)段[3], 見圖5主橋結(jié)構(gòu)示意。

圖5 主橋結(jié)構(gòu)示意

為了減少現(xiàn)場焊接工作，在考慮了運(yùn)輸尺寸的前提下，將一個(gè)拱圈劃分為四個(gè)發(fā)運(yùn)節(jié)段，即2個(gè)中間節(jié)段和1個(gè)上弦節(jié)點(diǎn)、1個(gè)下弦節(jié)點(diǎn)，拱圈之間的連接桿件也單獨(dú)發(fā)運(yùn)，見圖6鋼桁架發(fā)運(yùn)節(jié)段劃分圖。

圖6 鋼桁架發(fā)運(yùn)節(jié)段劃分圖

2.4 零件下料

2.4.1 鋼板預(yù)處理

鋼板復(fù)驗(yàn)合格后，方可投入生產(chǎn)，下料前須先對(duì)鋼板的材質(zhì)、爐批號(hào)進(jìn)行移植(鋼印)，經(jīng)輥板機(jī)矯平后對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理[4]，自動(dòng)進(jìn)行拋丸除銹、噴涂車間底漆、烘干，除銹等級(jí)需滿足設(shè)計(jì)文件要求，噴涂無機(jī)硅酸鋅車間底漆一道(厚度20-25μm)。

2.4.2 零件下料

鋼板經(jīng)輥板機(jī)輥平并經(jīng)預(yù)處理后，根據(jù)零件的具體形狀和大小確定下料方法，其下料方法如下：

(1)對(duì)于較長矩形板件采用多嘴頭門式切割機(jī)精切下料；

(2)對(duì)于形狀復(fù)雜的板件采用CAM系統(tǒng)的數(shù)控切割機(jī)精切下料；

(3)對(duì)于較薄的次要零件，采用等離子切割；

(4)對(duì)于型鋼采用剪切機(jī)或焰切下料；

(5)對(duì)于單面焊雙面成型的對(duì)接坡口采用火焰精密切割；

(6)對(duì)于雙面焊接坡口刨邊機(jī)加工；

(7)對(duì)于需要加工的焊接邊或精度要求高的板件采用刨邊機(jī)、銑邊機(jī)加工；

2.5 零件制造

步行橋主橋零件均為異形件，且大部分零件需要卷圓，見圖7制造單元?jiǎng)澐謭D。

圖7 制造單元?jiǎng)澐謭D

其中E節(jié)點(diǎn)與A節(jié)點(diǎn)為主要的異型節(jié)點(diǎn)，見圖8主要異形節(jié)點(diǎn)零件腹板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8 主要異形零件腹板結(jié)構(gòu)示意圖

2.5.1 節(jié)點(diǎn)壓弧制造制作工藝

為了保證各節(jié)點(diǎn)的制造精度,廠內(nèi)制造節(jié)點(diǎn)時(shí)在對(duì)應(yīng)的工裝胎架上完成，胎架采用栓焊結(jié)合的方式制造。

在主桁架的所有節(jié)點(diǎn)中，E節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且是數(shù)量最多的節(jié)點(diǎn)，也是結(jié)構(gòu)最具代表性的節(jié)點(diǎn)，見圖9 E節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖，最大尺寸約為2.7m×1.25m×5.94m，重約5.6t。

圖9 E節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

節(jié)點(diǎn)壓弧制造難點(diǎn)和主要控制點(diǎn)如下：

(1)零件尺寸精度控制(含弧度)；

(2)各零件的定位拼裝精度；

(3)部件幾何尺寸控制措施；

(4)焊接質(zhì)量和焊接變形控制以及最終的部件成型的檢查。

2.5.2 節(jié)點(diǎn)的焊接

2.5.2.1 焊接順序

(1)焊接任何部位，工件應(yīng)在胎架上施焊,防止因焊接應(yīng)力產(chǎn)生桿件的扭曲變形。

(2)焊接箱形棱角及角焊縫。允許桿件向內(nèi)側(cè)的旁彎不大于3mm，各道工序焊接完成后，檢查矯正，焊接順序如下：

a.對(duì)稱焊接箱型桿件主角焊縫，先焊接外側(cè)蓋板與腹板角焊縫，再焊接外側(cè)蓋板與中間蓋板角焊縫，最后焊接中間蓋板的與腹板的角焊縫。

b.在胎架上對(duì)線定位拼裝內(nèi)側(cè)腹板單元，腹板單元各板件先行焊接完畢，焊接完成后，檢查矯正。

c.在胎架上對(duì)線定位拼裝內(nèi)側(cè)腹板單元，檢查內(nèi)側(cè)腹板單元與地樣、各定位線的匹配，檢查合格后定位焊固定，然后對(duì)稱施焊各角焊縫。

d.在胎架上對(duì)線定位拼裝內(nèi)側(cè)隔板單元，檢查合格后定位焊固定，然后對(duì)稱施焊各角焊縫。

(3)施焊24小時(shí)后，經(jīng)外觀檢查合格后，按要求進(jìn)行無損檢驗(yàn)。

2.5.2.2 主要工藝措施

各零件在下料未壓弧前須對(duì)各控制尺寸進(jìn)行測量檢查、找正，零件在壓弧后，應(yīng)和胎架對(duì)弧度進(jìn)行檢查并矯正[5]。

由于結(jié)構(gòu)的特殊性決定各部件的兩側(cè)腹板焊接時(shí)受熱并不均勻，焊縫較長一側(cè)焊接變形必然較大，在部件制造時(shí)應(yīng)總結(jié)變形規(guī)律，若尺寸變形基本一致，應(yīng)根據(jù)變形情況適當(dāng)設(shè)置反變形量，即適當(dāng)減小壓弧半徑以控制部件線型。

由于各部件箱型截面、蓋腹板角度均有變化，各零件在拼裝前均按施工圖繪制相交零件的安裝定位線，并在箱口處設(shè)置工藝隔板以保證拼裝精度(定位線及工藝隔板尺寸均采用三維輔助放樣)。

部件箱型截面尺寸較小，焊接采用單面焊雙面成型的焊接工藝，背面貼鋼襯墊，內(nèi)部焊接保證空氣的通暢[6]，采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，焊絲采用GFL-72(?1.2),CO2氣體純度大于99.5%。見表1 GFL-72 焊絲熔敷金屬化學(xué)成分、力學(xué)性能。

表1 GFL-72 焊絲熔敷金屬化學(xué)成分(wt%)及力學(xué)性能

部件焊接成型后應(yīng)檢查主要控制尺寸(箱口尺寸，箱口對(duì)角線，相鄰箱口尺寸及對(duì)角線)，并合專用檢查胎架檢查部件的曲面精度。

2.6 發(fā)運(yùn)節(jié)段的拼裝焊接

為了減小現(xiàn)場工作量、保證焊接質(zhì)量、控制吊裝節(jié)段線型，在廠內(nèi)將部分部件拼裝焊接為發(fā)運(yùn)節(jié)段，發(fā)運(yùn)節(jié)段的拼焊匹配制造，檢查合格后才能出廠，匹配拼裝制造見圖10對(duì)線定位拼裝下弦節(jié)點(diǎn)圖、圖11對(duì)線定位拼裝腹桿節(jié)點(diǎn)圖、圖12對(duì)線定位拼裝中間節(jié)點(diǎn)圖、圖13對(duì)線定位拼裝腹桿節(jié)點(diǎn)圖、圖14對(duì)線定位拼裝節(jié)段間節(jié)點(diǎn)圖、圖15對(duì)線定位拼裝上弦節(jié)點(diǎn)圖。

圖10 對(duì)線定位拼裝下弦節(jié)點(diǎn)圖

圖11 對(duì)線定位拼裝腹桿節(jié)點(diǎn)圖

圖12 對(duì)線定位拼裝中間節(jié)點(diǎn)圖

圖13 對(duì)線定位拼裝腹桿節(jié)點(diǎn)圖

圖14 對(duì)線定位拼裝節(jié)段間節(jié)點(diǎn)圖

圖15 對(duì)線定位拼裝上弦節(jié)點(diǎn)圖

拼裝完成后按照焊接工藝要求焊接發(fā)運(yùn)節(jié)段的廠內(nèi)焊縫，焊接完成后矯正、檢查，見圖16節(jié)段矯正圖。發(fā)運(yùn)節(jié)段內(nèi)的廠內(nèi)對(duì)接焊縫均為熔透焊縫，采用內(nèi)襯鋼襯墊的方法焊接[7]，見圖17對(duì)接坡口圖。

圖16 節(jié)段矯正圖

圖17 對(duì)接坡口圖

檢查合格后安裝臨時(shí)匹配件，拆分轉(zhuǎn)存放，拼裝過程中注意收集數(shù)據(jù)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)運(yùn)段制造提供借鑒。

由于各部件蓋板為平面結(jié)構(gòu)，拼裝時(shí)各部件均以蓋板進(jìn)行定位，在平臺(tái)上劃出縱向接頭蓋板端部中心點(diǎn)投影點(diǎn)，通過吊垂線的方式對(duì)部件的定位進(jìn)行檢查并找正[8]。

焊接采用鋼襯墊留間隙，單面焊雙面成型的焊接方案，采用小電流，低熱輸入的焊接工藝，控制焊接變形。

在胎架上設(shè)置靠模，焊接前將部件與靠模固定，通過約束自由度適當(dāng)控制焊接變形。

3 工地現(xiàn)場組拼

3.1 拼裝流程

現(xiàn)場拼裝擬采用先在地面平胎架上組焊成單獨(dú)拱圈，再吊裝至橋位滿布胎架處進(jìn)行立體拼裝焊接，見圖18立體拼裝圖，主要流程：胎架制作→拼裝下弦節(jié)點(diǎn)→拼裝腹桿→拼裝中間節(jié)點(diǎn)→拼裝上弦節(jié)點(diǎn)→完成拱圈拼裝。

圖18 立體拼裝圖

按照施工順序依次進(jìn)行拼裝制造，立體拼裝依次完成拱圈、節(jié)段間腹桿、箱型上弦桿的焊接，見圖19現(xiàn)場拼裝圖。

圖19 現(xiàn)場拼裝圖

3.2 焊接坡口形式及焊接參數(shù)

鋼桁梁節(jié)段頂、底、腹板均采用對(duì)接焊縫，坡口形式見圖20鋼梁節(jié)段對(duì)接接頭示意，焊接參數(shù)見表2焊接參數(shù)表。

圖20 鋼梁節(jié)段對(duì)接接頭示意

表2 焊接參數(shù)表

4 結(jié)語

步行橋大跨徑空間鋼桁架結(jié)構(gòu)形式,目前在我國橋梁建設(shè)行業(yè)中為第一例，通過合理分段、壓弧制造、單面焊雙面成型、數(shù)控切割機(jī)精切、焊接變形控制、胎架精度控制等方法，解決了制作難度大、精度要求高等難題，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量制造。經(jīng)過工程項(xiàng)目部12個(gè)月的日夜鏖戰(zhàn)，克服了持續(xù)高溫、秋汛及大壩泄洪的影響，步行橋?qū)⒊蔀榈そ跐h江大橋之后的又一座景觀地標(biāo)，市民和游人可經(jīng)步行橋，到達(dá)河道中的三個(gè)沙灘島嶼，享受親水休閑生活，游覽滄浪洲生態(tài)濕地公園。