滬通長(zhǎng)江大橋大節(jié)段連續(xù)鋼桁梁制造預(yù)拱度控制工藝研究

李維強(qiáng)，趙澤華，關(guān) 勇，劉春鳳

（1. 中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066205；2. 中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430000）

1 工程概況與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

隨著我國(guó)大跨度鋼橋建設(shè)的快速發(fā)展，為了更有效地控制鋼橋制造和架設(shè)質(zhì)量，減少工地架設(shè)工作量，大型鋼橋梁的大節(jié)段預(yù)拼裝已經(jīng)由橋址逐漸轉(zhuǎn)移至工廠，這對(duì)于大跨度鋼橋的工廠化制造工藝與精度控制提出了前所未有的挑戰(zhàn)。與大跨徑鋼箱梁制造相比，大節(jié)段連續(xù)鋼桁梁空間桿件多、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，其制造精度與預(yù)拱度控制有其自身特點(diǎn)需要加以研究。

滬通長(zhǎng)江大橋是世界上首座跨徑超過(guò)千米的公鐵兩用斜拉橋（如圖1 所示），大橋?yàn)殡p層鋼桁梁結(jié)構(gòu)，下層為4 線鐵路、上層為6 車道高速公路，其主 航 道 橋 跨 徑 布 置 為（140＋462＋1092＋462＋140）m，全長(zhǎng)2296 m。主航道橋采用3 片主桁結(jié)構(gòu)，采用“N”形桁式。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段主梁邊桁桁高16.0 m，中桁桁高16.308 m，桁寬2×17.5 m，每個(gè)主桁節(jié)點(diǎn)均設(shè)橫聯(lián)，全橋共劃分為95 個(gè)節(jié)段。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段公路橋面采用正交異性整體鋼橋面板結(jié)構(gòu)，鐵路橋面采用整體鋼箱結(jié)構(gòu)。公路橋面、鐵路橋面與主桁共同受力。弦桿頂板、底板均為平坡，公路橋面設(shè)2%單向橫坡，鐵路橋面設(shè)2%人字坡［1-3］。滬通長(zhǎng)江大橋采用整體節(jié)段架設(shè)方案，標(biāo)準(zhǔn)梁段的2 個(gè)節(jié)間為1個(gè)整體全焊接節(jié)段。整體節(jié)段內(nèi)部桿件之間采用焊接，整體節(jié)段間的上、下層鋼橋面頂（底）板的工地連接也采用焊接，整體節(jié)段間的上弦桿豎板和底板、下弦桿豎板、斜腹桿工地連接均采用高強(qiáng)度螺栓連接。

針對(duì)大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和節(jié)段間拼裝線形精度要求，分析研究認(rèn)為，鋼桁梁廠制預(yù)拱度控制具有以下難點(diǎn)：整體雙節(jié)點(diǎn)弦桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大，組裝精度不易控制；焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫類型多樣，焊接變形難于控制，難以保證高強(qiáng)螺栓的連接精度；整體節(jié)段尺寸及重量大，對(duì)胎架制作精度及三維測(cè)控網(wǎng)的布置要求高。為此，在總結(jié)同類鋼橋加工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出重點(diǎn)控制以下項(xiàng)點(diǎn)精度來(lái)保證廠制預(yù)拱度：（1）整體雙節(jié)點(diǎn)弦桿的制作精度控制；（2）桁片拼裝精度控制；（3）三維測(cè)控網(wǎng)的精準(zhǔn)布置；（4）整體大節(jié)段的拼裝精度控制。

2 整體雙節(jié)點(diǎn)弦桿制作精度控制

大橋弦桿為整體雙節(jié)點(diǎn)弦桿，為了有效的控制焊接收縮量、制造變形量，保證桿件幾何尺寸、栓孔精度及孔群相互關(guān)系等關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)質(zhì)量［4-5］，制作過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)控制以下四點(diǎn)。

2.1 內(nèi)隔板精度控制桿件扭曲

內(nèi)隔板作為箱形桿件幾何精度控制的一種胎型存在于箱體之中，其是控制桿件箱口尺寸、保證弦桿近端與遠(yuǎn)端扭曲變形在≤2.0 mm 范圍內(nèi)的重要零件，尤其要保證其板邊垂直度偏差控制在≤0.5 mm范圍內(nèi)。為了嚴(yán)格控制內(nèi)隔板的加工精度，制作時(shí)采用精密切割下料+機(jī)加工的工藝。內(nèi)隔板組裝時(shí)必須劃線組裝，同向?qū)ΨQ施焊，以此保證豎板的直線度。

2.2 豎板單元精度控制桿件撓度

豎板單元由整體節(jié)點(diǎn)板、豎板及縱向板肋組成，其制作按照：零件下料→機(jī)加工→接料→組焊縱肋3 個(gè)步驟進(jìn)行，其控制關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)板精度控制與接料直度控制。對(duì)于寬度較大的節(jié)點(diǎn)板，應(yīng)先完成鋼板接荒料再整體數(shù)控下料來(lái)確保節(jié)點(diǎn)板外形尺寸，通過(guò)五接一接長(zhǎng)而成。接料位置按規(guī)范注意避開(kāi)孔群及桿件主要焊縫位置，節(jié)點(diǎn)板下料趕平后精確劃線，包括斜桿、豎桿軸線、水平中心線及對(duì)接端機(jī)加工線。

按照桿件L＞8 m，旁彎f≤3.0 mm 的允許偏差對(duì)豎板單元進(jìn)行機(jī)加工控制，同時(shí)確保下弦桿的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)板中心距滿足±2.0 mm 范圍內(nèi)的精度要求，在組裝箱體過(guò)程中，避免其在與上、下水平板無(wú)間隙組焊時(shí)，隨彎就彎。

2.3 弦桿孔群精度保證起拱精度

弦桿在兩端設(shè)置連接孔群，孔群精度直接決定鋼桁梁的起拱精度。整體節(jié)點(diǎn)弦桿的節(jié)點(diǎn)部位斷面大，采用傳統(tǒng)的制孔方法工序多，工藝復(fù)雜，立體劃線等人為因素影響較大。故采用雙龍門三維數(shù)控鉆床（如圖2 所示）同時(shí)施鉆弦桿兩端的螺栓孔［6-7］，以其精準(zhǔn)聯(lián)動(dòng)，具有自動(dòng)檢測(cè)桿件的旁彎、扭曲等功能，可以保證豎板極邊孔距偏差在1.0mm 范圍內(nèi)。該設(shè)備具備X-Y-Z三軸同時(shí)施鉆，可以確保不同平面栓孔的縱向、橫向不錯(cuò)位，同時(shí)保證兩側(cè)豎板栓孔的同心度偏差控制在1.0 mm 范圍內(nèi)。

2.4 雙節(jié)點(diǎn)弦桿保證拼裝線形精度

大橋的拼裝線形主要是通過(guò)折線形雙節(jié)點(diǎn)弦桿來(lái)實(shí)現(xiàn)拱度控制，即，豎板接料時(shí)是以系統(tǒng)線為基準(zhǔn)，同時(shí)注意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)板與三個(gè)豎板的上端對(duì)齊，使縱向各基準(zhǔn)點(diǎn)成一條折線，線形在節(jié)點(diǎn)處有角度改變，由于該線形是組裝箱體的縱向基準(zhǔn)線，所以豎板對(duì)接時(shí)直線度及其折點(diǎn)位置、折線角度尤為重要，以某節(jié)段邊桁上弦桿為例，系統(tǒng)線形如圖3 所示。對(duì)于不同位置的節(jié)段折角方向及其角度大小都是各不相同的。

3 三維測(cè)控網(wǎng)的構(gòu)建

為了對(duì)節(jié)段拼裝過(guò)程、節(jié)段尺寸精度進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)控調(diào)整，構(gòu)建包括水準(zhǔn)測(cè)量網(wǎng)、平面線形控制網(wǎng)及全站儀測(cè)量基站等在內(nèi)的三維測(cè)量控制網(wǎng)，如圖4 所示。使用全站儀和經(jīng)緯儀，通過(guò)測(cè)量控制網(wǎng)對(duì)胎架及節(jié)段的所有測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行直接、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)，避免累計(jì)測(cè)量的誤差。拼裝拱度值按照設(shè)計(jì)、監(jiān)控給定線型確定，拱度依靠承重支墩上的墊板及調(diào)節(jié)塊的標(biāo)高調(diào)節(jié)，利用水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)控。

4 整體大節(jié)段的拼裝精度控制

4.1 桁片組裝精度要求

主桁桁片為全焊接結(jié)構(gòu)，焊接收縮量和變形量為控制重點(diǎn)，因此需要對(duì)其尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制，既要保證桁高、對(duì)角線差，又要保證主桁與橫梁的連接，同時(shí)還要避免箱口對(duì)接發(fā)生錯(cuò)口情況。參照如圖5所示的主桁尺寸，主桁尺寸允許偏差如下：桁高H允許偏差+2.0～+4.0 mm；1/2 斜桿接口位置H1允許偏差+1.0～+2.0 mm；斜桿中心線長(zhǎng)度L5允許偏差0～+3.0 mm；錨點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)中心水平距離L0允許偏差0～+3.0 mm；對(duì)角線差│L2－L3│允許偏差不大于3.0 mm；節(jié)點(diǎn)中心距L1允許偏差－1.0～+3.0 mm；弦桿端部孔與節(jié)點(diǎn)中心距L0允許偏差0～+2.0 mm；極邊孔距L允許偏差0～+2.0 mm；斜豎桿蓋板接口錯(cuò)位不大于1.5 mm；平面度不大于3.0 mm；桁片平面外彎曲不大于4.0 mm；桁片扭曲不大于3.0 mm；相鄰整節(jié)段的上下弦桿及斜腹桿的中心線匹配偏差控制在不大于±0.5 mm。

4.2 連續(xù)匹配拼裝工藝

桁片組裝采用多節(jié)段連續(xù)匹配拼裝的方案，桁片組裝與試拼裝同時(shí)進(jìn)行，要求每一輪不小于4 個(gè)桁片，在上一輪拼裝完成后留下一段作為下一輪的母段參與拼裝，從而保證相鄰桁片之間的順利連接；其拼裝順序?yàn)槎ㄎ簧舷孪覘U→拼裝腹桿→焊接腹桿與下弦節(jié)點(diǎn)之間焊縫→焊接腹桿與上弦節(jié)點(diǎn)之間焊縫。4 個(gè)節(jié)段主桁組裝示意如圖6 所示，拼接板制孔采用平板數(shù)控鉆床鉆孔。

為避免誤差累積，每個(gè)節(jié)段桁片組裝完成后均要測(cè)量，測(cè)量合格后方可焊接。桁片組裝過(guò)程中除對(duì)本項(xiàng)目制作規(guī)則上列出的各控制項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行控制測(cè)量外還需對(duì)圖6 所標(biāo)注的項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量控制。

4.3 整節(jié)段拼裝精度控制

在主桁桁片、公路橋面板塊、鐵路鋼箱橋面以及橫聯(lián)片體拼裝焊接并檢測(cè)合格后，進(jìn)入整節(jié)段拼裝，整節(jié)段拼裝采用多節(jié)段連續(xù)匹配拼裝，首輪首段拼裝順序與其他整節(jié)段稍有不同，首段是按照一側(cè)鐵路鋼箱橋面就位→中間桁片拼裝→另一側(cè)鐵路鋼箱橋面拼裝→兩側(cè)桁片拼裝→橫聯(lián)片體拼裝→上層公路橋面板塊拼裝的工藝順序拼裝，而后續(xù)整節(jié)段則是在已拼裝完成的整節(jié)段上首先定位拼裝中間桁片，然后再拼裝兩側(cè)鐵路鋼箱橋面，后面順序與首段相同。

鋼桁梁整體拼裝在大型專用拼裝胎架上完成，外胎的制作精度直接影響節(jié)段的拱度。在胎架制作完成后對(duì)節(jié)段節(jié)點(diǎn)與環(huán)口處支墩標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，嚴(yán)格控制胎架標(biāo)高在±1 mm 以內(nèi)，每輪次整節(jié)段拼裝完成后進(jìn)行整節(jié)段預(yù)拼裝檢測(cè)，主要包括：

1）測(cè)量整節(jié)段接口尺寸（桁寬、桁高、對(duì)角線差、橋梁中線位置、主桁中心距、拱度、面板坡度，如圖7 所示），要求同一整節(jié)段的兩片整體桁片桁高偏差方向一致，且保證桁片垂直度在允許偏差≤3.0 mm 的范圍內(nèi)。保證橋位栓孔通過(guò)率及連接質(zhì)量；鋼桁梁整體拼裝線形靠胎架來(lái)保證，拱度值利用可調(diào)楔形支墩進(jìn)行調(diào)整（如圖8 所示），節(jié)段與中軸線偏差利用胎架支墩的滑移支座調(diào)節(jié)（如圖9所示）。

2）進(jìn)行整節(jié)段預(yù)拼裝長(zhǎng)度、節(jié)間長(zhǎng)度、旁彎、軸線及錨點(diǎn)間距的測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置在主桁中心線上，利用全站儀測(cè)量各點(diǎn)三維坐標(biāo)，保證整節(jié)段拼裝幾何尺寸精度；利用精密水準(zhǔn)儀在節(jié)段拼裝完成后對(duì)橋面節(jié)點(diǎn)和環(huán)口處的標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量整節(jié)段拱度及面板坡度，與測(cè)量的接口尺寸共同組成一整套準(zhǔn)確的拼裝數(shù)據(jù)，確保拱度值在制造驗(yàn)收規(guī)則要求范圍內(nèi)［8-9］，拱度測(cè)點(diǎn)示意如圖10 所示。即：當(dāng)計(jì)算拱度f(wàn)≤60 mm 時(shí)，允許偏差±3 mm；當(dāng)f＞60 mm 時(shí)，允許偏差±5f/100，且≤10 mm。對(duì)整個(gè)節(jié)段進(jìn)行軸線偏差測(cè)量，確保拼裝誤差在允許偏差的±1.5 mm 范圍內(nèi)，整節(jié)段預(yù)拼裝項(xiàng)點(diǎn)測(cè)量如圖11 所示。

3）整節(jié)段拼裝完成后將主桁架中心線（橫、縱向）、拱度、橋梁中心線等測(cè)點(diǎn)清晰的刻劃在整節(jié)段表面，作為橋位安裝定位以及連接施工的基礎(chǔ)［10］。

4.4 焊接變形控制

整體桁片在拼裝過(guò)程中，焊縫為熔透焊縫，易產(chǎn)生焊接變形，而一旦焊接成整體桁片后剛度又很大，變形極難修整。為保證主桁片桁高和螺栓孔連接精度，在主桁桁高方向預(yù)留3 mm 焊接收縮量，桁片組裝時(shí)腹桿與上弦桿用限位檔角限位不要點(diǎn)焊，待腹桿與下弦桿焊縫完成后再定位焊接，使之在下弦節(jié)點(diǎn)焊接時(shí)腹桿在長(zhǎng)度方向上有自由伸縮的空間，減少焊接收縮對(duì)桁高的影響。采用多節(jié)段連續(xù)匹配拼裝，利用工藝拼接板預(yù)先用沖釘螺栓拼接后再進(jìn)行焊接，在焊接、矯正完成后，更換成成品拼接板復(fù)位連接驗(yàn)證接口栓孔通過(guò)率，確保栓孔率達(dá)100%；采用隨時(shí)監(jiān)控跟蹤反饋修整預(yù)留量，選用高級(jí)焊工、機(jī)器人焊接焊縫，確保焊縫一次合格率。焊接過(guò)程嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)定的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，采用線能量小的焊接方法；多層多道焊，要做到雙面對(duì)稱施焊，盡量減少焊接變形，確保桿件尺寸。

5 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)代大跨徑連續(xù)鋼桁梁橋越來(lái)越多地采用大節(jié)段整體制造和架設(shè)工藝，本文結(jié)合滬通長(zhǎng)江大橋的鋼橋制造實(shí)踐，提出了大節(jié)段鋼桁梁的廠制預(yù)拱度及高精度拼裝的控制工藝，主要包括以下三方面：

（1）通過(guò)加強(qiáng)對(duì)內(nèi)隔板、豎板單元的制造精度、弦桿制孔精度、弦桿系統(tǒng)線形精度的控制，保證了上、下弦桿件的扭曲、撓度、線形拱度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，從而實(shí)現(xiàn)整體雙節(jié)點(diǎn)弦桿的高精度制造。

（2）三維測(cè)控網(wǎng)的精準(zhǔn)布置，可以對(duì)拼裝胎架以及大節(jié)段的整個(gè)拼裝過(guò)程進(jìn)行直接、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，以便隨時(shí)監(jiān)控調(diào)整，避免因測(cè)量不及時(shí)產(chǎn)生的累計(jì)誤差影響拼裝精度。

（3）采用連續(xù)匹配拼裝工藝，加強(qiáng)對(duì)桁片拼裝、整節(jié)段拼裝尺寸精度、拱度、軸線精度以及焊接變形的控制，實(shí)現(xiàn)整體大節(jié)段的高精度拼裝。

通過(guò)上述關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)的控制，保障了大橋的高精度合龍，表明了廠制預(yù)拱度控制工藝實(shí)用可行，為類似鋼桁梁預(yù)拱度的控制提供了理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。