黃茅海大橋鋼箱梁制作關(guān)鍵技術(shù)研究

李西亮

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司,陜西 寶雞 721006)

1 工程概況

黃茅?？绾Ｍǖ理椖繓|連港珠澳大橋,西接西部沿海高速,是組成粵港澳大灣區(qū)的重要跨海通道,路線全長29.93 km,設(shè)計時速100 km/h。與港珠澳大橋、深中通道、南沙大橋、虎門大橋,共同組成大灣區(qū)跨海跨江通道群,形成世界級交通樞紐。

黃茅海大橋是黃茅海跨海通道的重要組成部分,項目位于珠海市境內(nèi)。黃茅海大橋主橋長2 200 m,橋梁設(shè)計為(100+280+720+720+280+100) m的獨柱塔雙索面三塔斜拉橋,豎向采用全漂浮約束體系。橋梁主體為分體式鋼箱梁結(jié)構(gòu),高跨比為0.25,邊中跨比為0.53,滿足通航要求。鋼箱梁分為16類149個梁段。中跨和兩側(cè)邊跨各設(shè)置1個合龍段,中跨合龍段長度7.5 m,邊跨合龍段長度15 m,標(biāo)準(zhǔn)梁段長度15 m,結(jié)構(gòu)主體采用Q355D鋼材,橋梁總重約6萬t。黃茅海大橋橋型布置圖見圖1。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃茅海大橋主橋采用分體式鋼箱梁結(jié)構(gòu),鋼箱梁節(jié)段由兩個邊側(cè)鋼箱梁及一個橫向連接箱組成(見圖2)。分體式鋼箱梁具有自重輕、抗扭抗彎強(qiáng)、抗風(fēng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點,在大跨徑橋梁中應(yīng)用廣泛。

黃茅海大橋橫向連接箱頂部設(shè)計無橫坡,兩側(cè)邊箱沿箱梁與橫向連接箱分界線向邊側(cè)設(shè)置2%橫坡。縱向設(shè)計線形為兩側(cè)邊索塔區(qū)為2.2%縱坡,中索塔區(qū)兩側(cè)各330 m范圍為R30 000 m連續(xù)圓弧曲線。

鋼箱梁梁高4.0 m,兩側(cè)拉索錨固中心橫向間距44.792 m,單側(cè)頂板寬17.088 m,風(fēng)嘴寬2.798 m,平底板寬6.9 m,外側(cè)斜底板寬5.62 m,內(nèi)側(cè)斜底板寬4.8 m,實腹式橫隔板間距3.0 m。鋼箱梁通長設(shè)置內(nèi)腹板及外腹板,斜拉索錨箱設(shè)置在外腹板外緣。每個拉索位置對應(yīng)橫斷面處設(shè)置橫向連接箱,橫向連接箱寬3.0 m,高4.01 m。鋼箱梁除頂板U肋和板肋采用高強(qiáng)度螺栓連接外,鋼箱梁環(huán)縫及橫向連接箱與邊箱接口均采用焊接連接。

3 制作難點分析

1)鋼橋面板制作質(zhì)量控制。為有效控制鋼箱梁運行過程中在U肋與面板之間焊縫、縱橫肋交叉的弧形缺口處出現(xiàn)疲勞裂紋,橋梁頂板U肋焊縫設(shè)計為內(nèi)外雙面焊接,要求外側(cè)檢測熔深不小于板厚的75%,鋼橋面板U肋焊接質(zhì)量控制是重中之重。

2)錨腹板制作精度控制。斜拉索設(shè)計為空間三向索,鋼箱梁斜拉索錨箱設(shè)置于腹板外側(cè),與鋼箱梁外腹板共同構(gòu)成錨腹板單元,角度關(guān)系復(fù)雜,其精度關(guān)系到鋼箱梁與斜拉索的安裝,是保證鋼箱梁橋位安裝精度的關(guān)鍵。

3)分體式鋼箱梁節(jié)段制作精度及線形控制。鋼箱梁橫截面尺寸大,單個節(jié)段設(shè)置一個橫向連接箱,位于鋼箱梁端部約1/3處,節(jié)段橫向剛度小,焊接量和焊接變形大,如何保證鋼箱梁節(jié)段截面尺寸和縱向線形及橫坡是關(guān)鍵。

4)下穩(wěn)定板的變形控制。下穩(wěn)定板為薄板工型結(jié)構(gòu),兼有檢查小車下軌道功能,其對變形控制要求高。兩側(cè)下穩(wěn)定板平行設(shè)置,橫向無連接,剛度弱。下穩(wěn)定板與橫向連接箱懸挑連接,吊運過程中穩(wěn)定性差,易產(chǎn)生下?lián)虾蛡?cè)彎,影響吊運安全和橋位連接精度。

4 制作工藝

黃茅海大橋鋼箱梁制作采用“鋼板預(yù)處理→零件加工→板單元制作→總拼(預(yù)拼裝)→橋位連接”的總體工藝流程進(jìn)行,即鋼板預(yù)處理完成后進(jìn)行各類零件下料和加工,再制作板單元,然后分梯次總拼成鋼箱梁節(jié)段,同步在總拼胎架上進(jìn)行節(jié)段預(yù)拼裝,最后解體完成節(jié)段打砂涂裝[1-3]。

根據(jù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合鋼材加工能力、運輸特點、鋼箱梁加工工藝、輪載等因素對鋼箱梁進(jìn)行制作分塊。鋼箱梁單幅頂板橫向分為5塊,底板橫向分為6塊,隔板橫向分為5塊,風(fēng)嘴與橫向連接箱單獨制作,同時對塔區(qū)超長節(jié)段D(22.5 m),D1(28.5 m)梁段進(jìn)行縱向分塊。鋼箱梁分塊見圖3,圖4。

4.1 頂、底板單元制作工藝

頂、底板單元由面板、U形肋(板條肋)、隔板接板等零件組成,寬度2.6 m～4.06 m之間,是鋼箱梁的主要構(gòu)件。為控制板單元精度,減少焊接變形對板單元尺寸影響,頂、底板單元均采用二次切邊工藝,即下料時預(yù)留二次配切工藝量,板單元組焊并修整完成后僅切割基準(zhǔn)端預(yù)留工藝量,總拼完成后再進(jìn)行二次配切端的切割,以保證鋼箱梁節(jié)段接口尺寸和環(huán)縫間隙精度。

頂、底板單元從下料到完成制作全程在智能生產(chǎn)線完成,通過數(shù)控激光劃線機(jī)、板單元自動組裝定位機(jī)、U肋板單元矯正機(jī)等智能化設(shè)備的使用,極大提高了板單元的制作質(zhì)量和效率(見圖5)。頂板單元采用U肋內(nèi)外埋弧焊專機(jī)從工藝上保證焊縫設(shè)計熔深要求,并采用超聲波相控陣檢測技術(shù)驗證U肋焊縫熔深。底板單元U肋設(shè)計為單面貼角焊縫,采用門式多電極焊接專機(jī)在專用船型反變形焊接胎架上完成焊接。

4.2 腹板單元制作工藝

腹板單元分為內(nèi)、外腹板單元,由縱肋、接頭板等組成,采用長度方向二次配切工藝:零件數(shù)控下料完成后,在組焊平臺上完成板單元組焊工作,拼裝過程中控制接頭位置、板肋垂直度等項點,焊后矯正焊接變形并修正基線后,劃線切割基準(zhǔn)側(cè)短邊和坡口。

4.3 錨腹板單元制作工藝

錨腹板單元由外腹板單元和錨箱單元組成,采用“外腹板單元+錨箱單元+錨墊板”的工藝:在制作完成并檢驗合格的外腹板單元上劃線依次組焊錨箱單元、錨墊板,嚴(yán)格控制錨箱組裝精度,焊后修整焊接變形,最后切割基準(zhǔn)端預(yù)留量,完成錨腹板單元的制作。由于錨箱與腹板間焊縫均為厚板熔透焊縫,局部焊縫密集,因此焊接過程中需采取有效措施減小焊接變形,以保證錨腹板的整體制作精度。

錨箱單元制作工藝(如圖6所示)如下:

1)鋼板預(yù)處理后數(shù)控精切下料,下料時預(yù)留工藝量。對承壓板與錨墊板接觸面、加勁板磨光頂緊焊接邊等位置進(jìn)行機(jī)加工。

2)在組裝平臺上劃線依次組焊錨拉板、承壓板、外側(cè)加勁板,嚴(yán)格控制磨光頂緊邊組裝間隙。

3)火焰修整焊接變形,控制錨拉板與承壓板垂直度、錨拉板板邊直線度。

4.4 橫隔板單元制作工藝

鋼箱梁隔板橫向劃分為5塊,邊側(cè)兩塊以接板形式組焊到腹板單元上,中間3塊單獨制作。隔板單元由隔板、橫向加勁、豎向加勁等部分組成。零件預(yù)留一定工藝量,數(shù)控精切下料后在平臺上完成劃線和組裝定位,利用焊接機(jī)器人完成焊接,探傷合格后修整焊接變形完成隔板單元制作。由于隔板厚度主要為10 mm和12 mm薄板結(jié)構(gòu),且加勁肋為單側(cè)設(shè)置,焊接變形較大,需采取必要的工藝措施有效控制隔板單元平面度。

4.5 抗風(fēng)構(gòu)造制作工藝

抗風(fēng)構(gòu)造主要有水平隔渦板和中央穩(wěn)定板,由薄壁面板及加勁板組成,結(jié)構(gòu)簡單,其制作工藝與隔板類似。

4.6 橫向連接箱制作工藝

橫向連接箱為大截面箱型構(gòu)造,主要由頂板、底板、腹板、隔板單元和橫向連接箱接頭等部分組成,板單元的制作工藝與鋼箱梁板單元類似。橫向連接箱主要采用“定位底板→組立隔板→組裝腹板→組裝頂板”的工藝完成組焊(見圖7),檢驗合格后根據(jù)橫坡預(yù)設(shè)工藝量配切兩端頭接口。

4.7 風(fēng)嘴制作工藝

風(fēng)嘴由頂板、斜頂板、底板、隔板單元組成,為槽型結(jié)構(gòu),板單元的制作工藝與鋼箱梁板單元類似。風(fēng)嘴截面為不規(guī)則四邊形,在專用組裝胎架上采用“定位底板→組立隔板→組裝斜頂板→組裝頂板”的工藝完成(見圖8),需重點控制風(fēng)嘴旁彎、扭曲、錨管孔位精度等項點。

4.8 鋼箱梁總拼

鋼箱梁總拼采用“9+1”節(jié)段立體、階梯推進(jìn)的方式整體進(jìn)行,同步進(jìn)行預(yù)拼裝,每輪次設(shè)置一個復(fù)位段(見圖9)。具體工藝如下:

底板單元定位:全面檢測總拼胎架縱橫線形,各檢測項點符合圖紙要求后以測量塔為基準(zhǔn),按規(guī)定次序依次鋪設(shè)底板單元,控制縱基線與測量塔距離。內(nèi)側(cè)斜底板單元鋪設(shè)前需先定位組裝橫向連接箱接頭,保證接頭中心位置精度。檢測底板單元縱橫基線位置和控制點標(biāo)高并進(jìn)行精調(diào),符合要求后將底板單元與胎架進(jìn)行定位焊接。

橫隔板單元定位:以底板上縱、橫基線和隔板位置線為基準(zhǔn)依次組立定位橫隔板,控制隔板垂直度、縱橫向位置偏差等項點符合規(guī)范要求后進(jìn)行定位焊接,并設(shè)置臨時斜撐進(jìn)行穩(wěn)固。

腹板單元定位:以底板上縱、橫基線和腹板位置線為基準(zhǔn)分別組裝內(nèi)腹板、錨腹板單元,利用內(nèi)、外側(cè)測量塔輔助腹板單元進(jìn)行精調(diào),控制橫隔板接頭與隔板錯臺、錨點位置、腹板單元豎向角度偏差等重要項點符合規(guī)范要求。

頂板單元定位:以縱、橫基線為基準(zhǔn)按照規(guī)定次序依次組裝頂板單元,并根據(jù)線形、橫坡進(jìn)行微調(diào),各控制點標(biāo)高檢測合格后碼固定位。

風(fēng)嘴定位:以鋼箱梁縱橫基線為基準(zhǔn),吊裝風(fēng)嘴,嚴(yán)格控制風(fēng)嘴縱向位置,確保錨管位置精度。

橫向連接箱定位:以橫基線為基準(zhǔn)組裝橫向連接箱,注意控制橫向連接箱箱口與橫向連接箱接頭錯臺,符合要求后組裝接口嵌補段并定位焊接。

抗風(fēng)構(gòu)造定位:以縱橫基線為基準(zhǔn),組裝水平隔渦板和中央穩(wěn)定板。為保證下穩(wěn)定板穩(wěn)定性,避免下?lián)?用型鋼對其設(shè)置橫向臨時支撐,增強(qiáng)其整體剛度。檢測組裝定位等項點符合要求后進(jìn)行定位焊接。

焊接與修整:按照工藝進(jìn)行焊接,焊縫探傷檢測合格后修整焊接變形。

接口匹配:全面檢測預(yù)拼長度、縱向線形、橫坡、錨固定位點位置及鋼箱梁節(jié)段尺寸,并進(jìn)行調(diào)整,檢查并修整節(jié)段接口間隙、錯臺,各項點均檢測合格后安裝匹配件并解體出胎,移交打砂涂裝。

5 關(guān)鍵技術(shù)與措施

5.1 鋼箱梁精度控制技術(shù)

1)由于斜拉索設(shè)計為空間三向索,鋼箱梁錨箱角度定位關(guān)系復(fù)雜。為此,利用CATIA軟件進(jìn)行三維建模,結(jié)合制造線形對錨箱等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)放樣,根據(jù)轉(zhuǎn)換的二維圖紙確定零件下料輪廓,保證零件尺寸精度。

2)頂板縱肋孔群精度控制:鋼箱梁頂板U肋、板肋節(jié)段間為高強(qiáng)螺栓連接。為避免因施工誤差過大而導(dǎo)致的高強(qiáng)螺栓孔群超差使橋位連接困難,拼接板采用“先孔法”與“后孔法”結(jié)合的工藝,即部分拼接板采用先孔法鉆制兩端全部孔群,其余部分則僅鉆制一端頭孔群,另一端頭橋位測量后配鉆。

3)設(shè)計專用組裝胎架:根據(jù)錨箱、橫向連接箱、風(fēng)嘴等結(jié)構(gòu)特點和尺寸分別設(shè)計專用組裝胎架,對板單元組裝定位進(jìn)行精確控制。

4)橫向預(yù)拱設(shè)置:鋼箱梁制作時,橫向連接箱橫向水平放置,通過整體旋轉(zhuǎn)兩側(cè)邊箱設(shè)置0.15%的橫向預(yù)拱,抵消焊接反彈量和橋位施工載荷影響,保證了成橋后鋼箱梁設(shè)計橫坡2%的驗收要求(見圖10)。

5)縱向線形控制:鋼箱梁縱向制造線形=設(shè)計線形+橋梁恒載預(yù)拱+1/3車道荷載預(yù)拱。根據(jù)分體式鋼箱梁[4]截面特點和幾何尺寸,設(shè)計制作專用總拼胎架?？偲刺ゼ苤黧w固定,橫梁上設(shè)置活動牙板,牙板標(biāo)高可根據(jù)鋼箱梁底板縱向線形進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)高程控制點要求在鋼箱梁頂板、底板上設(shè)置測量控制點,利用經(jīng)緯儀測量輔助調(diào)整標(biāo)高,保證鋼箱梁總拼各階段整體線形符合設(shè)計和規(guī)范要求?？偲淳€形和高程控制如圖11所示。

6)節(jié)段長度控制:板單元制作時以索塔為中心,遠(yuǎn)離索塔側(cè)設(shè)置為配切端,板單元制作時預(yù)留配切工藝量。鋼箱梁總拼后,根據(jù)梁段設(shè)計長度、彈性壓縮量、焊接收縮、焊接間隙等計算配切量,按線進(jìn)行鋼箱梁節(jié)段環(huán)口的配切。

7)合龍段設(shè)置:為消除施工誤差和溫度影響,保證鋼箱梁整體長度,根據(jù)架設(shè)方案,邊、中跨各設(shè)置1處合龍段,全橋共設(shè)置合龍段3個。合龍段制作時預(yù)留充足配切量,根據(jù)橋位架設(shè)時測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行配切,保證合龍接口精準(zhǔn)就位。

5.2 測量監(jiān)控措施

結(jié)合鋼箱梁截面尺寸大等特點,分幅設(shè)置外、中、內(nèi)測量塔共6個,與橫向基線形成“六縱一橫”測量網(wǎng),配合板單元基線定位,控制各板單元、橫向連接箱、風(fēng)嘴等組裝時的位置和標(biāo)高(見圖12),以避免過程累計誤差,保證節(jié)段制作精度。

5.3 焊接變形控制措施

1)設(shè)計合理的焊接接頭坡口形式。根據(jù)接頭構(gòu)造形式、焊接空間,盡量采用金屬填充量小、尺寸對稱的坡口形式。

2)選用焊接線能量小的焊接方法。厚板焊縫采用多層多道焊接工藝;通過焊接試驗選用合理焊接參數(shù),減小焊接過程熱輸入。

3)采用焊接反變形措施,在反變形胎架上進(jìn)行板單元焊接。

4)采用合理的焊接順序和焊接方向,橫向連接箱等箱型構(gòu)件縱向主焊縫同方向焊接,隔板焊縫宜從中間向兩邊焊接。

6 結(jié)語

根據(jù)黃茅海大橋分體式鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點,通過在板單元制作、節(jié)段總拼、線形控制等過程中結(jié)合智能生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線,采取合理有效的工藝方法和質(zhì)量控制措施,能保證鋼箱梁節(jié)段的制作精度,滿足鋼箱梁驗收質(zhì)量的要求。同時,通過對黃茅海大橋分體式鋼箱梁的制作工藝和關(guān)鍵技術(shù)的總結(jié),也為同類型鋼箱梁的制作積累了經(jīng)驗。