常泰長江大橋主航道橋整節(jié)段制造線形控制技術(shù)研究

摘要 大跨度鋼桁梁橋的線形控制是橋梁能否順利安裝完成并達(dá)到設(shè)計(jì)要求線形的關(guān)鍵，主要取決于加工制造的精度和預(yù)拱度控制。常泰長江大橋主航道橋?yàn)橹骺? 176 m的雙塔雙索面斜拉橋，空間構(gòu)造復(fù)雜，拼裝線形控制難度大，通過對此桁梁橋整節(jié)段制造線形控制技術(shù)的研究分析，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新，采用主梁標(biāo)準(zhǔn)吊裝段兩節(jié)間為一個(gè)節(jié)段在工廠整體制造的工藝，以控制桿件制造、節(jié)段拼裝精度等措施確保制造質(zhì)量，并采用數(shù)字化技術(shù)模擬驗(yàn)證其制造及拼裝工藝的可行性。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，按照工藝措施方案制作整節(jié)段滿足精度要求，線形控制良好，希望可為此類桁梁橋的加工制作提供參考。

關(guān)鍵詞 鋼桁架橋；精度控制；整節(jié)段制造；拼裝線形

中圖分類號 U445.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0114-03

0 引言

近年來，隨著我國橋梁建設(shè)技術(shù)的快速發(fā)展，橋梁跨徑不斷提高，對于一般跨徑的鋼桁梁，由于其跨徑不大，多采用帶應(yīng)力起拱的方式，桿件制造為直線桿件，架設(shè)時(shí)在桿件接口位置通過調(diào)整桿件伸長或縮短實(shí)現(xiàn)，制造精度的控制難度不大，后續(xù)二次恒載對線形的影響也不大，線形偏差的發(fā)散對于整體來說影響小。但大跨徑鋼桁梁因其跨度大，結(jié)構(gòu)重要，所以，線形控制要求更加嚴(yán)格。施工單位在制造過程中需要采用無應(yīng)力起拱方式，即桿件在制造時(shí)本身需要帶線形，后續(xù)二次恒載對線形的影響大，桿件的線形制造偏差在后續(xù)架設(shè)過程中的發(fā)散影響十分嚴(yán)重。因此，在大跨橋梁中，對桿件及節(jié)段拼裝的線形控制提出了更高要求[1]。

1 工程概況與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 工程概況

常泰長江大橋位于泰州大橋與江陰大橋之間，主航道橋采用雙塔斜拉橋方案，主跨跨度1 176 m，全橋總長

2 440 m，孔跨布置為（142+490+1 176+490+142）=2 440 m。

采用兩片主桁結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段主梁桁高為15.5 m，桁寬35.0 m，主桁采用“N”形桁，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間距為14 m，在主塔位置設(shè)有非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間，長度分為13.8 m、13.3 m、14.7 m、15 m四種，如圖1所示：

主梁上層橋面采用正交異性整體鋼橋面板，在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置組合式橫梁，組合式橫梁由節(jié)點(diǎn)橫梁與桁架式橫聯(lián)桿件組成。下層橋面采用鋼箱整體橋面，上層橋面和下層鋼箱均參與主桁共同受力[2]。上弦桿上、下水平板均為平坡，與橋面的縱向拼縫距弦桿中心線水平距離為0.95 m，橋面寬度33.1 m，設(shè)2%雙向橫坡。下弦桿上水平板設(shè)2.0%橫坡、下水平板為平坡，與橋面的縱向拼縫距弦桿中心線水平距離為1.12 m，橋面寬度32.76 m，在公路行車道和鐵路范圍內(nèi)分別設(shè)2%雙向橫坡。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該項(xiàng)目桁梁節(jié)段具有空間桿件多、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，其制造精度與預(yù)拱度控制難度大等特點(diǎn)，要保證項(xiàng)目的高質(zhì)量完成，需要針對這些難點(diǎn)問題加以研究。

通過對該項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和節(jié)段間拼裝線形的精度要求分析，控制好該項(xiàng)目制造線形精度的關(guān)鍵是：

（1）如何保證構(gòu)造復(fù)雜的弦桿整體節(jié)點(diǎn)的加工和組裝精度。

（2）節(jié)點(diǎn)處的焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫類型多樣，焊接變形難于控制。

（3）栓接節(jié)點(diǎn)位置多空間交叉的高強(qiáng)螺栓連接精度如何保證。

經(jīng)過多方案反復(fù)論證和數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的思路指導(dǎo)下，提出嚴(yán)格控制三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)精度，即桿件制造精度、桁片拼裝精度和整體大節(jié)段的拼裝精度，通過分工藝、分階段控制精度的方式來保證成橋安裝線形的方法。

2 制作方案研究及項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 制作方案制定

對于該項(xiàng)目的大跨徑鋼桁梁，為減少工地架設(shè)調(diào)整工作量，高精度地控制鋼梁的制造和架設(shè)尺寸，確保安裝后成橋線形與設(shè)計(jì)一致，制作方案擬采用大節(jié)段整體架設(shè)拼裝。整體節(jié)段內(nèi)部桿件之間采用焊接。整體節(jié)段間上下弦桿及腹桿采用高強(qiáng)螺栓連接，上下層橋面之間采用焊接。整體節(jié)段的制造一般分為三個(gè)步驟，即桿件制造→桁片及橋面板塊拼裝→整體節(jié)段拼裝。

2.2 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

2.2.1 加工尺寸精度及焊接變形控制

焊接變形的控制，是保證桿件精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，為保證構(gòu)件單元的加工尺寸精度和制作質(zhì)量，下料采用數(shù)控切割，制作過程設(shè)計(jì)采用滿足剛度要求的專用胎架來保證平面度，桿件采用數(shù)控后鉆孔的螺栓孔制孔方案，以確保制孔精度。此外，桿件單元之間的對接采用在專用組裝胎架上拼裝完成，采用了預(yù)變形、馬板約束等措施，并且通過優(yōu)化制作順序和減少或消除焊接殘余應(yīng)力的方式來控制焊接變形。通過確定合理的組裝工藝，采取必要的焊接變形約束措施，從而保證了桿件的焊接質(zhì)量。

2.2.2 節(jié)段拼裝及精度管理

采用大節(jié)段制作時(shí)，節(jié)段重量大，對多節(jié)段預(yù)拼裝中的拼接位置控制、環(huán)境溫度和移位變形等均提出了較高要求。數(shù)字化建造技術(shù)在該項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。項(xiàng)目節(jié)段拼裝過程中，通過采用先進(jìn)的激光跟蹤測量儀、制作前的計(jì)算機(jī)模擬仿真等綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鋼桁梁大節(jié)段的整體預(yù)拼裝。通過數(shù)字化模擬，可以大幅度地提高質(zhì)量管理水平，節(jié)約成本、縮短工期。此外，通過理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，形成了一套誤差累積管理方法，將每個(gè)鋼桁梁節(jié)段的實(shí)際拼裝精度在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行模擬預(yù)拼裝，分析預(yù)測鋼桁梁節(jié)段軸線的偏位數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)問題，可以及時(shí)進(jìn)行節(jié)段端面的加工前修正，采取主動(dòng)調(diào)整策略實(shí)現(xiàn)對鋼桁梁節(jié)段橋位安裝后整體線形的精度控制，避免由于加工精度累積誤差造成線形控制項(xiàng)的超誤差情況。通過在各個(gè)環(huán)節(jié)中運(yùn)用多項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，確保項(xiàng)目加工制作和現(xiàn)場安裝的順利完成。

3 線形控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 桿件制造

該項(xiàng)目橋梁采用無應(yīng)力線形的設(shè)計(jì)理念，即通過對桿件在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行折彎來達(dá)到理論線形。因此，桿件在制造時(shí)需根據(jù)線形放樣在桿件節(jié)點(diǎn)位置對桿件進(jìn)行折彎，而后對桿件進(jìn)行螺栓孔的鉆制[3]?？兹旱闹圃炀燃皸U件的折彎尺寸將直接決定鋼桁梁的起拱精度。項(xiàng)目桿件節(jié)點(diǎn)板為整體節(jié)點(diǎn)，為保證節(jié)點(diǎn)板的加工精度，采用精密數(shù)控切割機(jī)床對節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行下料。由于整體節(jié)點(diǎn)弦桿斷面大，孔群數(shù)量多，為保證孔群的整體加工精度，采用雙龍門三維數(shù)控鉆床配合機(jī)械樣板的鉆孔方式，即在桿件組焊完成以后，通過雙龍門三維數(shù)控鉆床同時(shí)對桿件兩端頭鉆制定位孔，如圖2所示，可自動(dòng)檢測桿件旁彎和扭曲，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)。定位孔鉆制完成后，采用機(jī)械樣板通過樣板對線口及桿件定位孔在桿件上完成定位，再通過搖臂鉆床完成其余栓孔的鉆制，桿件拼接板則直接按照理論數(shù)據(jù)進(jìn)行栓孔鉆制，通過先進(jìn)數(shù)字化設(shè)備的應(yīng)用保證了桿件的加工制作精度。

圖2 雙龍門三維數(shù)控鉆床

3.2 桁片拼裝

項(xiàng)目進(jìn)行桁片拼裝時(shí)是通過完全無應(yīng)力的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)桁片的線形，故桁片拼裝對于節(jié)段整體線形來說至關(guān)重要，桁片狀態(tài)的線形直接決定了節(jié)段的拼裝線形。桁片拼裝精度控制的關(guān)鍵是控制桁高、節(jié)間長度、對角線尺寸、上下弦桿相對位置尺寸、拼裝長度等重要尺寸。在拼裝之前首先要根據(jù)圖紙要求通過高精度水準(zhǔn)儀嚴(yán)格控制胎架的位置精度以及平面度，并確保支墩有足夠的剛度，避免拼裝過程中由于支墩剛度不足而引起胎架發(fā)生沉降或變形。拼裝前需嚴(yán)格檢查桿件尺寸及桿件安裝位置，確保桿件結(jié)構(gòu)安裝位置符合圖紙要求。拼裝時(shí)，必須保證板層的密貼，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10091—2017）要求，試拼裝時(shí)所用的沖釘嚴(yán)格按照常泰長江大橋（跨江段）主體工程鋼桁梁、鋼桁梁制造項(xiàng)目制造規(guī)則，沖釘數(shù)量不少于螺栓孔總數(shù)的10%，螺栓不少于螺栓孔總數(shù)的20%。為了達(dá)到更高的要求，沖釘使用的沖釘直徑≥33.0 mm時(shí)，可充分保證連接關(guān)系。溫度對鋼結(jié)構(gòu)的變形影響敏感，為避免溫度對測量結(jié)果的影響，在桁片試拼裝完成測量后，檢測工作均避開高溫時(shí)間段，選擇溫度相對穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行，鋼盤尺測量數(shù)據(jù)均按檢定修正值進(jìn)行修正計(jì)算。

由于桁片拼裝采用的是標(biāo)準(zhǔn)拼接板，在桁片拼裝時(shí)無可調(diào)整的余地，但在桁片連續(xù)匹配拼裝時(shí)由于累計(jì)誤差等影響，可能會(huì)導(dǎo)致兩桁邁步、桁片線形偏差、節(jié)間長度誤差等問題。為解決上述問題，項(xiàng)目采用在幾個(gè)輪次拼裝過程中選擇合適時(shí)機(jī)配制拼接板以消除誤差。

3.3 節(jié)段拼裝

整體節(jié)段的拼裝線形直接影響到橋址架設(shè)的成橋線形，是整個(gè)鋼梁制造過程中最為重要的環(huán)節(jié)[4]。項(xiàng)目能否最終順利完成橋址架設(shè)，保證線形與設(shè)計(jì)一致，一直以來是大跨度桁架橋的重難點(diǎn)問題，以往的現(xiàn)場安裝問題也主要體現(xiàn)在節(jié)段的錯(cuò)臺、誤差偏大以及拼接后的線形與設(shè)計(jì)線形有一定的偏差。該項(xiàng)目為解決以上問題，結(jié)合先進(jìn)的設(shè)備和數(shù)字化智能建造技術(shù)，節(jié)段的拼裝方案采用多節(jié)段連續(xù)匹配拼裝與焊接方案，按照“下層橋面就位→兩側(cè)桁片拼裝→橫聯(lián)片體拼裝→上層橋面板塊拼裝”的工藝順序進(jìn)行，在實(shí)體預(yù)拼裝前，根據(jù)設(shè)計(jì)的拼裝方案在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行模擬預(yù)拼裝，設(shè)置拼裝控制點(diǎn)并對拼裝節(jié)段的軸線偏差進(jìn)行計(jì)算，通過分析其誤差，優(yōu)化拼裝方案。此外，在實(shí)體預(yù)拼裝時(shí)，在節(jié)段拼裝過程中設(shè)置三次質(zhì)量控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對拼裝全方位的監(jiān)控。

最終確定節(jié)段拼裝方案主要關(guān)鍵步驟如下：

（1）根據(jù)胎架上設(shè)置的縱、橫基線和基準(zhǔn)點(diǎn)及橋面板塊系統(tǒng)線定位橋面板塊；在端橫隔板處的橋面板頂部選擇四個(gè)測量點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高值，使用水準(zhǔn)儀配合調(diào)整四點(diǎn)標(biāo)高滿足規(guī)范要求。

（2）按照胎架上定位基線定位拼裝一側(cè)桁片，安裝方位調(diào)整穩(wěn)固裝置，確保拼裝安全以及可調(diào)整，以便于控制拼裝精度及臨時(shí)固定。

（3）按照胎架上定位基線定位拼裝另一側(cè)桁片，安裝桁片的方位調(diào)整穩(wěn)固裝置等，關(guān)鍵控制桁片垂直度、兩側(cè)桁片相對位置尺寸（平、立面對角線差）、主桁中心距、控制點(diǎn)標(biāo)高等。調(diào)整各部位尺寸直至滿足規(guī)范要求。

（4）橫聯(lián)片體就位后輔以臨時(shí)支撐措施；橫聯(lián)片體拼裝完成后，進(jìn)行質(zhì)量停止點(diǎn)檢測，包括主桁中心距、橫斷面對角線差等，同時(shí)嚴(yán)格控制橫聯(lián)片體上節(jié)點(diǎn)標(biāo)高。

（5）根據(jù)胎架上設(shè)置的縱、橫基線和基準(zhǔn)點(diǎn)及橋面板塊系統(tǒng)線定位上層橋面板塊，上層橋面板塊就位后進(jìn)行質(zhì)量停止點(diǎn)檢測，包括水平面對角差，上橋面標(biāo)高、主桁中心距等[5]。

（6）按照下層橋面塊體→兩側(cè)桁片→橫聯(lián)片體→上層橋面板塊的順序依次定位拼裝后續(xù)節(jié)間桿件。焊接過程中嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，兩側(cè)對稱同時(shí)施焊接，減少焊接變形。焊接順序如下：

①對稱焊接下層橋面鋼箱塊體與下弦桿間焊縫。先焊接橫梁與下弦桿接頭板對接焊縫，再焊接橋面板、底板縱向?qū)雍缚p。

②對稱焊接上層橋面塊體與上弦桿間焊縫。先焊接橫梁與上弦桿接頭板對接焊縫，再焊接橫聯(lián)片體上節(jié)點(diǎn)與橫梁下蓋板間熔透角焊縫，再焊接橋面板縱向?qū)雍缚p。

③對稱焊接橫聯(lián)片體邊節(jié)點(diǎn)與主桁腹桿間熔透角焊縫。

④焊接其他焊縫。

超大節(jié)段試拼裝是項(xiàng)目的一個(gè)創(chuàng)新應(yīng)用，結(jié)合數(shù)字化建造基地的先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，采用“4+1”模式，大節(jié)段試拼長度超過100 m，即采用一個(gè)輪次桁片拼裝結(jié)束時(shí)，為保證節(jié)段連續(xù)匹配拼裝，需預(yù)留一個(gè)節(jié)段作為母段參與下一輪次的拼裝。母段的恢復(fù)要嚴(yán)格按照上個(gè)節(jié)段的狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，不可出現(xiàn)軸線、高程上的隨意調(diào)整；焊接操作上嚴(yán)格控制焊接順序，確保桁寬可控；焊接順序從下到上、從中間到兩邊、從中間到兩端，便于應(yīng)力釋放。

4 結(jié)語

大跨徑連續(xù)鋼桁梁橋制造線形復(fù)雜，精度控制難度大，起拱方式多采用無應(yīng)力方式。該文依托常泰長江大橋的鋼橋制作工藝進(jìn)行實(shí)踐，提出了采用大節(jié)段鋼桁梁的線性精度控制方法，即拼裝工藝，主要包括以下兩方面：

（1）通過采取的數(shù)控加工工藝，提高弦桿制孔精度，嚴(yán)格控制弦桿制作精度，保證了上、下弦桿件的扭曲、撓度、線形拱度等尺寸，從而實(shí)現(xiàn)整體節(jié)點(diǎn)桿件的高精度制造。

（2）采用大節(jié)段連續(xù)匹配拼裝工藝，通過先進(jìn)的數(shù)控制造技術(shù)、數(shù)字化模擬技術(shù)，建立一套高精度誤差累積控制方法，控制桁片拼裝、整節(jié)段拼裝的精度，實(shí)現(xiàn)整體大節(jié)段的高精度拼裝。

常泰長江大橋節(jié)段制造過程采用了多項(xiàng)國內(nèi)先進(jìn)加工設(shè)備和數(shù)字化測量技術(shù)，通過對其拼裝線形精度控制工藝的深入研究，提出了各工序的控制要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)。在依托項(xiàng)目中經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，證明是高效率、高質(zhì)量的工藝方法，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)精度要求，驗(yàn)證了該創(chuàng)新技術(shù)及工藝的科學(xué)性、合理性，為后續(xù)鋼桁梁橋預(yù)拱度的控制提供了借鑒，為未來大跨徑鋼桁梁橋的高精度智能化建造起到了推動(dòng)作用。

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