倒梯形雙層橋面鋼桁梁制造關(guān)鍵技術(shù)

賀紅星，鄧運(yùn)生，胡 鼎，朱金遠(yuǎn)，袁 達(dá)，劉雪成，謝 衛(wèi)，田 浩

常見鋼桁梁形式有矩形截面鋼桁梁、單層橋面鋼桁梁，其桿件、板單元件等構(gòu)件的制造技術(shù)較成熟。不同于常見鋼桁梁，蟠龍大橋主橋鋼梁為倒梯形雙層橋面鋼桁梁，其空間弦桿、上下層橋面板等的制造及拼裝存在一些難點(diǎn)，無法直接借鑒常見鋼桁梁的制造技術(shù)。本文分析蟠龍大橋主橋鋼桁梁特點(diǎn)，通過節(jié)段科學(xué)劃分、下料精度嚴(yán)格控制、專用組裝胎架等制造關(guān)鍵技術(shù)的采用，有效地解決了倒梯形雙層橋面鋼桁梁制造難題，保證了制造質(zhì)量。

1 工程概況

贛州蟠龍大橋主橋跨越章江，共5 跨（54+63+108+108+63）m，全長396m。主橋上部結(jié)構(gòu)為三塔單索面鋼桁梁矮塔斜拉橋，主梁和主塔均為鋼結(jié)構(gòu)。蟠龍大橋主橋立面布置見圖1。

圖1 贛州蟠龍大橋主橋立面圖

主橋含雙層鋼橋面鋼桁梁組合梁和三座鋼塔，總重約8300t。主梁為板桁結(jié)合鋼桁梁，桁架為倒梯形（圖2），主要由兩片主桁、上層橋面板及下層橋面板構(gòu)成，兩側(cè)桁片與上、下橋面板間連接為焊接形式，桁片均采用雙節(jié)間全焊桁片結(jié)構(gòu)型式。

圖2 橋面系結(jié)構(gòu)形式及組成

片桁設(shè)計(jì)節(jié)段長度為9m/段，每榀桁片由1根上弦桿、一根下弦桿和3 根腹桿全焊接而成，上下弦桿為閉口箱型截面，腹桿為矩形截面。腹桿為空間斜腹桿，外傾角度為15°。

上、下層橋面均采用正交異性鋼橋面板，橋面結(jié)構(gòu)由面板單元、縱梁、橫梁組成（圖3）。橋面板和片桁的上、下弦桿頂/底面焊接在一起形成板桁組合結(jié)構(gòu)。

圖3 主梁桁架結(jié)構(gòu)示意圖

2 主橋制造難點(diǎn)

與常見矩形截面鋼桁梁、單層橋面鋼桁梁相比，本橋主橋制造難點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

1）鋼桁梁設(shè)計(jì)沿縱橋向劃分為44 個(gè)節(jié)段，其中上弦桿節(jié)點(diǎn)有6 種不同類型，下弦桿節(jié)點(diǎn)有8種不同類型，每一節(jié)點(diǎn)的弦桿與斜腹桿的夾角均存在差異，使得場內(nèi)加工控制難度大；節(jié)點(diǎn)處腹桿接頭內(nèi)側(cè)板與上、下弦桿底、頂板傾斜相交（圖4）。上下弦桿拼裝是內(nèi)場制造難點(diǎn)。

圖4 主梁結(jié)構(gòu)部位示意圖

2）主橋鋼桁梁腹桿為空間桿件，與上下弦桿形成的夾角種類多，且存在外傾角度，對下料、加工精度要求高，難度大。保證弦桿節(jié)點(diǎn)精確安裝制造，是內(nèi)場制造難點(diǎn)。

3）腹桿分為上弦桿接頭、下弦桿接頭和腹桿中間段三段，上下接頭與上下弦桿一起加工，中間段獨(dú)立加工，分段斷面采用熔透焊接的形式連接。在考慮焊縫以及溫度變化的前提下，準(zhǔn)確控制斜腹桿三段長度，也是鋼桁梁內(nèi)場及現(xiàn)場制造的難點(diǎn)。

4）鋼桁梁為雙層倒梯形結(jié)構(gòu)，片桁安裝時(shí)，由于重力影響，在焊接之前難以維持穩(wěn)定，如何精確定位并臨時(shí)固定片桁結(jié)構(gòu)，是鋼桁梁現(xiàn)場制造的難點(diǎn)及重點(diǎn)。

5）橋面板U 肋數(shù)量大，面板單元件成細(xì)長狀，剛度較小，且本橋?yàn)殡p層橋面，板件數(shù)量多，如何控制橋面焊接變形，為鋼桁梁雙層橋面板制造難點(diǎn)。

3 總體方案

蟠龍大橋主橋片桁弦桿、腹桿及橋面板單元件采用工廠散件加工，現(xiàn)場拼裝焊接的方式，鋼梁首件制作完成后，首先在工場內(nèi)進(jìn)行總拼，對各構(gòu)件尺寸進(jìn)行檢查驗(yàn)收，符合設(shè)計(jì)圖紙要求后，開始批量制造。由于腹桿與上、下弦桿間的夾角不固定，為保證夾角準(zhǔn)確，腹桿上下接頭在工廠內(nèi)同上下弦桿一起制作。制作好的單元件和片桁陸運(yùn)至橋位處，進(jìn)行總裝匹配焊接。

采用工廠加工制造、現(xiàn)場拼裝的方式，對鋼結(jié)構(gòu)制造精度要求高，一旦制造的幾何尺寸存在誤差將直接累積到實(shí)橋中，且無法消除，對現(xiàn)場頂推安裝進(jìn)度和精度將帶來極大的影響。

4 倒梯形雙層橋面鋼桁梁制造關(guān)鍵技術(shù)

為解決倒梯形雙層橋面鋼桁梁制造遇到的難題，保證鋼桁梁制造質(zhì)量，在借鑒常見鋼桁梁橋制造經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，充分考慮本橋桁架桿件及橋面板特征，提出了倒梯形雙層橋面鋼桁梁制造關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 弦桿節(jié)點(diǎn)精確制作技術(shù)

上下弦桿的節(jié)點(diǎn)板均在工廠內(nèi)制作，節(jié)點(diǎn)板系統(tǒng)線種類繁多，腹桿的上下弦桿接頭與上、下弦桿形成的夾角存在細(xì)微變化，按照上下弦桿與腹桿接頭分開制作，然后進(jìn)行焊接的方法，很難將節(jié)點(diǎn)板系統(tǒng)線的角度控制好，且腹桿接頭與上下弦桿的平面均存在斜向相交的情況。

1）弦桿節(jié)點(diǎn)板精確制作技術(shù)，是將腹桿接頭與弦桿之間夾角的空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題，使角度控制變得容易。將弦桿與腹桿接頭作為一個(gè)整體下料，只需要下料前在鋼板原材平面上畫出每個(gè)節(jié)點(diǎn)板對應(yīng)的輪廓和角度即可精確制造出與之對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)板的一個(gè)面（圖5），使用相同的方法制作出節(jié)點(diǎn)板的另一個(gè)面，再將兩個(gè)面板進(jìn)行組裝即可。

圖5 節(jié)點(diǎn)板處面板下料示例

2）得到兩個(gè)角度準(zhǔn)確的面板后，只需要控制好斜腹桿的外傾角度即可制作出腹桿接頭與弦桿間角度準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)板。

采用專用槽型組裝胎架，以橫基線為基準(zhǔn)，先進(jìn)行底板、U 肋和底板縱向條肋焊接，然后劃線組裝隔板，隔板總體為平行四邊形，銳角為75°，邊長以弦桿閉口箱的內(nèi)邊為準(zhǔn)，在隔板四面上根據(jù)條肋寬度和厚度開設(shè)4 個(gè)條肋卡槽，先將剩余三面條肋與腹（頂）板焊接完成后，再進(jìn)行組裝。

下弦桿頂板組裝時(shí)，由于與內(nèi)側(cè)腹板上的腹桿接頭存在斜向相交情況，無法直接進(jìn)行安裝。為此根據(jù)腹桿接頭尺寸在頂板上進(jìn)行開孔，使腹桿接頭能夠直接穿過頂板，頂板安裝到位后，對相貫線孔洞進(jìn)行焊接。

頂板開孔時(shí)，根據(jù)腹板傾斜角度（15°）控制好開孔內(nèi)壁坡度，以滿足后續(xù)坡口焊接要求。為盡量減少開孔長度，腹桿接頭末端在頂板上的投影長度不得大于頂板于腹板相貫線長度，開孔長度為相貫線長度+4cm。所有斜腹桿外傾角度均為15°，采用一套槽型胎架即可適用于所有上弦桿或下弦桿制作，節(jié)省材料并能最小化偶然誤差。弦桿節(jié)點(diǎn)板制造過程示意見圖6。

圖6 弦桿節(jié)點(diǎn)板制造示意圖

4.2 空間斜腹桿制作安裝控制技術(shù)

蟠龍大橋主橋鋼桁架空間斜腹桿為閉口箱型，截面為矩形截面。斜腹桿中間段單獨(dú)制作，現(xiàn)場焊接安裝，上、下接頭與上、下弦桿一起制作。斜腹桿的制作和安裝存在的問題及措施如下。

1）制作 由于上下腹桿接頭同上下弦桿一起制作，且安裝時(shí)是以上下弦桿之間凈距作為依據(jù)，接頭之間的部分即為斜腹桿中間段，在正式拼裝前，中間段下料長度雖可控制在一定區(qū)間內(nèi)，但要在考慮焊縫寬度以及焊接變形的前提下控制精確卻很難。

中間段長度精確控制是空間斜腹桿安裝控制技術(shù)主要措施之一，其原理為在同一節(jié)段上下弦桿接頭制作完成后再進(jìn)行中間段制作。在焊縫寬度不能精確到毫米時(shí)，在計(jì)算出腹桿中間段和焊縫總長度的前提下，按較小值（約2cm）預(yù)估兩端焊縫寬度，下料原則為“寧長勿短”，這樣可將斜腹桿中間段制作長度控制在+5cm 范圍內(nèi)，稍長部分采用現(xiàn)場打磨切割處理即可。

2）安裝 由于桁架斜腹桿為閉口箱型，在對接焊接時(shí)，箱內(nèi)焊縫沒有作業(yè)空間，無法實(shí)施。

空間斜腹桿安裝控制技術(shù)是在斜腹桿上下弦桿接頭處各取下一塊40cm 寬鋼板為閉口箱型內(nèi)部焊縫提供作業(yè)空間，在內(nèi)部焊縫施工完成后，再將兩塊鋼板復(fù)原（圖7）。

圖7 腹桿內(nèi)部焊縫施工

4.3 倒梯形鋼桁架安裝臨時(shí)固定技術(shù)

對倒梯形鋼桁架結(jié)構(gòu)來說，腹桿除與上下弦桿間存在不同夾角外，還存在15°外傾角度，空間斜腹桿拼裝時(shí)難以精確定位；在片桁安裝時(shí)受自身重力Gtan15°的外傾力，難以臨時(shí)固定。

鋼桁架安裝臨時(shí)固定方式為：①采用專用拼裝胎架將空間斜腹桿拼裝轉(zhuǎn)換為平面臥拼，降低安裝定位難度；②在安裝時(shí)采用專門設(shè)計(jì)三角支架抵抗倒梯形片桁重力引起的外傾力。

1）應(yīng)用專用組拼胎架，上、下弦桿均在專用組裝胎架上采用臥拼工藝組裝（腹桿平面保持水平狀態(tài)，上、下弦桿成設(shè)計(jì)角度進(jìn)行組裝和焊接）。組拼胎架采用型材制造，按桿件結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)，能有效控制桿件的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。胎架斜撐板按桿件傾斜角度設(shè)計(jì)，與胎架立柱采用焊接連接，腹桿桿件拼裝時(shí)，上、下弦桿通過加板點(diǎn)焊與胎架臨時(shí)固定，有效保證腹桿與上、下弦桿間的角度。在胎架上設(shè)置縱、橫基線和基準(zhǔn)點(diǎn)，以控制桿件的位置和高度，確保各部位尺寸。胎架外設(shè)置獨(dú)立的基線、基點(diǎn)，以便隨時(shí)對胎架進(jìn)行檢測和校正。

2）應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的臨時(shí)桁架作為片桁安裝時(shí)臨時(shí)受力構(gòu)件。拼裝好的片桁重量大約為80t，設(shè)計(jì)臨時(shí)支撐桁架時(shí)充分考慮片桁安裝時(shí)的外傾力，臨時(shí)桁架由[20 型鋼焊接而成，斷面為三角形，以四根?325×10 鋼管樁作為基礎(chǔ)，分別從水平和豎直兩個(gè)方向連接片桁，保證片桁在完成與橋面板的焊接前處于穩(wěn)定狀態(tài)（圖8）。

圖8 臨時(shí)支撐桁架

5 結(jié)語

蟠龍大橋倒梯形雙層橋面鋼桁梁制造關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用，有效解決了其鋼桁梁空間斜腹桿下料精度控制、安裝定位困難的問題，也提出了倒梯形桁架安裝臨時(shí)固定、鋼橋面板現(xiàn)場拼裝解決方式。上述關(guān)鍵技術(shù)的順利實(shí)施，保證了主橋鋼桁梁及橋面板的制造精度及施工效率，為主橋頂推落梁提供了保障，該橋于2021 年9 月1 日開始場內(nèi)加工制作，2022 年3 月20 日完成第三輪頂推，期間施工過程順利，鋼桁架和橋面板拼裝質(zhì)量良好，拼裝工效高，驗(yàn)證了蟠龍大橋倒梯形雙層橋面鋼桁梁制造關(guān)鍵技術(shù)的可行性，為今后類似橋梁建設(shè)提供了有益經(jīng)驗(yàn)參考。