系桿拱肋中箱型及工型彎扭構(gòu)件的制造精度控制

摘要 文章依托景王路跨青陽港大橋拱肋部分，針對箱型及工型彎扭構(gòu)件的制造精度控制問題，從圖紙深化、下料及板件成型、組裝、反變形及質(zhì)量控制等方面研究箱型及工型彎扭構(gòu)件制造及精度控制技術(shù)，并通過施工過程中的驗證，形成了一套針對箱型及工型彎扭構(gòu)件的制造精度控制方法與注意要點。

關(guān)鍵詞 系桿拱肋;彎扭構(gòu)件;精度控制;測量

中圖分類號 U442.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）09-0114-04

引言

鋼結(jié)構(gòu)因其自重輕、強度高、施工周期短等優(yōu)勢，在橋梁領(lǐng)域所占比重越來越大。且隨著制造技術(shù)提高，設(shè)計造型逐步新穎，結(jié)構(gòu)復雜化，其中彎扭構(gòu)件所占比例也越來越高。彎扭構(gòu)件是由部分扭曲且異形的鋼板組焊而成，其制造技術(shù)是鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)的高難技術(shù)。

昆山景王路跨青陽港大橋拱肋的彎扭構(gòu)件，空間結(jié)構(gòu)復雜，制造難度高，為了保證工廠制造桿件的精度和橋址安裝的順利進行，需要從技術(shù)深化到生產(chǎn)制造每個工序進行精度控制手段的研究，該文通過相關(guān)的技術(shù)工藝研究形成了箱型及工型彎扭構(gòu)件的制造工藝，保證了桿件出廠的精度。

1 依托項目簡介

景王路跨青陽港大橋坐落于江蘇省昆山市，東西橫跨昆山市青陽港，連接黑龍江中路平交與秧浦路平交。主橋為（12+158+12）m的鋼桁架系桿拱橋，由四片拱肋組成，拱肋中心距分別為7.55 m、25.8 m。外側(cè)拱肋設(shè)置于人行道外側(cè)，中間拱肋設(shè)置于側(cè)分帶內(nèi)，橋面總寬42.1 m，主橋12 m邊跨出設(shè)置拱肋裝飾，橋梁外側(cè)設(shè)置裝飾風嘴（圖1）。

主拱肋采用高度桁架，拱肋下弦計算跨徑158 m，矢高33 m，矢跨比1/4.75，下弦拱軸線采用二次拋物線，拱肋桁高由拱頂?shù)? m逐漸變化至拱腳16 m。拱肋上下弦桿均采用焊接箱形斷面[1]。

2 典型構(gòu)件重難點分析

彎扭構(gòu)件深化的主要包括三維建模與展開放樣。彎扭構(gòu)件是由部分扭曲且異形的鋼板組焊而成，該類零件的展開放樣，不單是空間曲面的純幾何展開放樣問題。工藝文件必須同時考慮車間加工工藝要求、構(gòu)件加工精度要求、焊接組拼、檢測及拼裝架設(shè)要求，因此，工藝文件需采用多種方式將不同生產(chǎn)要素貫徹落實至桿件全流程生產(chǎn)作業(yè)過程中。

單一鋼結(jié)構(gòu)零件本身存在一定彈性形變范圍，特別是在彎扭型構(gòu)件中，許多零件都需要通過折彎、壓彎、組焊等多種手段，使其處于一個空間三維狀態(tài)中，此時鋼板內(nèi)部極有可能存在較大回彈拘束力，須通過合適的工藝路線，在確保其準確的外形尺寸的同時具備足夠的剛性。

加工制造時由于板件彎扭，構(gòu)件定型定位將控制困難，涉及桿件組裝焊接、出孔及后續(xù)檢測工作。須對應(yīng)制造合適的胎架，找出相應(yīng)控制項點與基準線，制定合理測量工藝與焊接方法。

3 制造加工方案及過程精度控制

3.1 深化設(shè)計流程及過程精度控制

深化設(shè)計文件主要包括構(gòu)件施工圖與構(gòu)件總拼圖，為保證各個零件處于利于焊接的位置，繪圖前應(yīng)提前與橋址架設(shè)單位溝通好架設(shè)方案再進行深化設(shè)計。因此，橋梁鋼結(jié)構(gòu)是深化工作應(yīng)該是一個自上而下，由整體到局部的作業(yè)方式[2]。

構(gòu)件總拼圖（圖2）中應(yīng)包括：橋梁的塊體劃分、各構(gòu)件的位置圖、構(gòu)件與構(gòu)件之間的輪次劃分及塊體布置圖，其中塊體的布置圖應(yīng)包括吊裝單元各構(gòu)件編號、構(gòu)件與構(gòu)件之間的連接關(guān)系、不同構(gòu)件之間的相對位置關(guān)系。

為保證架設(shè)精度，在吊裝彎扭構(gòu)件前須在地面將構(gòu)件組裝成吊裝單元，為確保彎扭構(gòu)件現(xiàn)場拼裝精度及橋位安裝精度，深化施工圖時須體現(xiàn)構(gòu)件各個端口標定點的相對位置關(guān)系及精度要求，端頭等結(jié)合處需與設(shè)計與土建方反復驗證。

每個構(gòu)件都需要利用施工圖及其他輔助工藝文件來表達多種信息指導生產(chǎn)，施工圖中須考慮每個零件的形狀尺寸、位置尺寸、焊接形式及其他特殊工藝要求，其他工藝文件主要包括下料展開圖、構(gòu)件尺寸輔助圖。

施工圖中需利用合理視圖來體現(xiàn)構(gòu)件外形尺寸、零件尺寸與位置關(guān)系，并建立合理的零件編號。復雜節(jié)點的零件組裝順序、焊接順序、構(gòu)件的分段處理等需結(jié)合車間加工與運輸能力，再進行深化設(shè)計建模和出圖。為防止構(gòu)件在加工制作和運輸過程中產(chǎn)生變形，須通過力學分析等手段確定是否采用臨時支撐或連接件等非永久性結(jié)構(gòu)。

施工圖中的焊接要素須建立焊接工藝評定的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際結(jié)構(gòu)尺寸、空間位置關(guān)系以及制造廠的設(shè)備能力和工藝布局，有針對性地制定出焊接工藝規(guī)程、焊縫編號規(guī)定、焊縫探傷清冊等。

其他工藝文件同樣十分重要，其中零件展開圖，需要包含零件輪廓尺寸、加工工藝方法及精度要求等信息。彎扭板件須同時給出準確的展開尺寸與根據(jù)加工制作工藝完成后的成型控制尺寸[3]。該成型尺寸需提前考慮焊接收縮及裝配需求等要素，預留出加量。

施工圖中的尺寸標注有時無法完全包含所有信息，此時便需要構(gòu)件尺寸輔助圖，包含在橋位狀態(tài)下不同構(gòu)件的相對位置（圖3）。包括自身輪廓尺寸與相對位置關(guān)系，為滿足橋址的線型要求，彎扭構(gòu)件在專門的工作平臺上進行組裝，圖紙中準確反映構(gòu)件各個端口與孔群的相對位置，并利用樣沖點保留輔助線，便于后期出孔，尺寸復驗及橋址架設(shè)等工作。

3.2 下料及板件成型工藝方案及過程精度控制

對于彎扭構(gòu)件來說，部分零件存在自身彎扭，無法通過施工圖中的成型尺寸直接下料，根據(jù)中性層分步展開，根據(jù)展開圖使用數(shù)控切割下料，寬窄與長短方向按零部件板長短適當焊縫收縮余量;為提升板材利用率，部分弧度過大的零件，須分段數(shù)控切割，之后接料成型。對于接料零件，下料后及時打?qū)懱柌俗⒎较?，防止接料方向錯誤。

根據(jù)構(gòu)件的特點和加工設(shè)備條件，在確保板件成型的精度和外觀的前提下可以利用強制成型、卷圓成型和火焰加工裝設(shè)備強制成型三種方式：

（1）強制成型：對于長度較長、彎度較小，板厚較薄的零件，直接在工裝胎架上利用外力壓制到位，強制成型，并通過跳焊的方式直接定位[4]。

（2）卷圓成型：為降低組裝難度，減少應(yīng)力，對彎度較大的零件，先采用卷板機初步卷制，使零件彎弧與加工要求相符，卷制彎度宜稍小不宜大，便于組裝[5]（圖4）。

（3）熱矯成型。對于一些長度較短、寬度及彎扭較大的零件，有時采用火焰配合工裝設(shè)備通過多次熱矯，強制成型（圖5）。

在構(gòu)件的加工過程中，將根據(jù)零件的不同類型采取不同的成型加工方式，彎扭構(gòu)件的加工及成型后檢查彎扭構(gòu)件加工成型質(zhì)量及精度的好壞：其直接影響構(gòu)件外部線型與后期組焊拼裝制作安裝的精度，若板件加工偏差過大，在后期作業(yè)中只能通過外力冷矯到位，此時鋼板內(nèi)部將形成較大回彈拘束力。將不利于桿件的組焊與總拼作業(yè)與過程中的精度控制。箱型或工型組裝前應(yīng)采用靠板或全站儀等設(shè)備進行效驗，不合格的需經(jīng)矯形后重新校核。

3.3 組裝及反變形工藝及過程精度控制措施

3.3.1 胎架制作工藝及過程精度控制

首先，根據(jù)構(gòu)件大小確定制造平臺的大小，平臺應(yīng)平整，保障其承受構(gòu)件自重及沖擊載荷后不變形，尋找其核心尺寸控制位置（如隔板處，接頭板處）及邊緣位置，通過施工圖紙深化得出控制點坐標，從而設(shè)置胎架，在控制點的選取上，注意間距的控制，在保證裝配及焊接可操作性的前提下，盡量降低胎架高度;且胎架的高度需通過多種測量手段進行復驗，保證誤差在1 mm內(nèi)。

3.3.2 構(gòu)件裝配工藝及過程精度控制

根據(jù)接頭板布置與頂?shù)装寰€型的不同，不同桿件分別采用正裝與側(cè)裝等多種方式，在板單元檢驗合格后，吊裝至胎架，保證其重要控制點與胎架的接觸，對重要控制點檢測合格后，開展組焊作業(yè)，利用火工及輔助外力設(shè)備，使各關(guān)鍵控制點與坐標、尺寸一一對應(yīng)就位，誤差不超過2 mm（圖6）。注意在火工加熱過程中，控制鋼板溫度在500～800 ℃[6]。

3.3.3 焊接工藝制定

因該類構(gòu)件在焊接過程中無法形成完全剛性結(jié)構(gòu)，不可避免地出現(xiàn)構(gòu)件下胎與運輸過程中的彈性形變，如何保證構(gòu)件下胎架后減少構(gòu)件的反彈和控制焊接變形尤為重要，此時需通過一些合理的焊接工藝措施，主要做法有：

（1）主焊縫采用焊接變形小、焊接效率高的二氧化碳氣體保護焊對稱焊接，采用多層多道焊，從中間到兩邊逐步對稱焊接。

（2）板厚>30 mm的零件需進行焊前預熱，預熱溫度控制在60～100 ℃之間，預熱范圍應(yīng)≥100 mm，為保證連續(xù)焊接，道間溫度應(yīng)控制在80～200 ℃之間[7]。

（3）保證所有構(gòu)件對接焊縫的焊接應(yīng)盡量在胎架上施焊，焊接時使用跳焊，先焊接彎扭較大的部位，后焊接彎扭小的部位。

（4）箱體內(nèi)部設(shè)置隔板及部分定位板，外部可設(shè)置碼板，除了保證裝配精度，還可起到剛性支撐作用，可有效控制焊接變形。

4 質(zhì)量控制項點與方法

構(gòu)件焊接完成后，將構(gòu)件重新吊裝置于原制作胎架之上進行檢查[8]，從兩個方面檢查構(gòu)件加工質(zhì)量：

在焊接質(zhì)量層面：設(shè)計要求全焊透的一、二級焊縫采用超聲波探傷進行內(nèi)部缺陷的檢驗，超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時，應(yīng)采用射線探傷，其內(nèi)部缺陷分級及探傷方法應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級法》（GB 11345）或《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質(zhì)量分級》（GB3323）的規(guī)定;同時焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷。一級、二級焊縫不得有表面氣孔、夾渣，弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。且一級焊縫不得有咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷。

在構(gòu)件外形尺寸方面：

（1）胎架上位置控制點與構(gòu)件之間的間隙大小，即控制點部位（隔板，接頭板及兩端口等位置）的制作誤差，可以用塞尺檢查，確保構(gòu)件在焊接過程中不會因自身重力而影響曲線光滑度[9]。

（2）搭設(shè)整體胎架，將各段構(gòu)件進行整體預裝，可以檢驗對口精度，整體制作誤差，可以用全站儀進行精度檢測。

在焊接完成24小時后，檢查人員應(yīng)對構(gòu)件進行復檢工作，發(fā)現(xiàn)線型與接口不吻合的位置，通過火焰熱矯+機械外力冷矯配合作業(yè)，使桿件滿足設(shè)計與橋址架設(shè)需求。

5 總結(jié)

該文提出的彎扭構(gòu)件的制造精度控制手段，在景王路跨青陽港大橋拱肋部分施工作業(yè)中，得到了實際運用，并取得了較好的成果，橋址連接效果良好。該文所提出的工藝流程和質(zhì)量控制措施，為后續(xù)同類型箱型及工型彎扭構(gòu)件的加工精度控制提供寶貴豐富有效的經(jīng)驗。

參考文獻

[1]戴世宏. 昆山市景王路跨青陽港大橋設(shè)計分析[J]. 山東交通科技， 2020（1）： 74-75+91.

[2]張佳第. 鋼箱梁制造工藝及焊接質(zhì)量控制研究[J]. 中國設(shè)備工程， 2021（6）： 84-85.

[3]王壘， 陳輝， 邢遵勝， 等. 彎扭構(gòu)件制作及安裝精度控制[C]//第五屆全國鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)交流會論文集， 2014： 75-80.

[4]王光， 曹鳴習. 鋼結(jié)構(gòu)彎扭構(gòu)件制作技術(shù)研究[J]. 世界有色金屬， 2017（12）： 245-246.

[5]趙慶科， 師哲. 空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作工藝研究[J]. 鋼結(jié)構(gòu)， 2015（1）： 54-58.

[6]鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準： GB 50205—2020[S]. 北京：中國計劃出版社， 2020.

[7]鐵路鋼橋制造規(guī)范： Q/CR 9211—2015[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2015.

[8]黃現(xiàn)振， 紀華亭， 郝正旺. 淺談箱型空間彎扭構(gòu)件制作精度控制[J]. 中國建筑金屬結(jié)構(gòu)， 2013（24）： 46.

[9]華建民， 蔡蕾， 王歡.? 超大彎扭構(gòu)件制作的關(guān)鍵技術(shù)[C]. 第六屆全國鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)交流會論文集， 2016： 82-85.

收稿日期：2022-04-21

作者簡介：劉洋（1981—），男，碩士研究生，高級工程師，從事橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造、橋梁工程項目管理、技術(shù)研發(fā)工作。