大跨徑變截面鋼箱梁加工技術研究

摘 要：鋼箱梁因其跨徑大、工廠化機械制造效率高、可靠性高等優(yōu)點在城市立交橋和跨線橋中被廣泛采用，然而受現(xiàn)場施工條件、大節(jié)段運輸困難和易變形等因素影響，分節(jié)段制造及精確定位拼裝控制變形和減小焊接誤差成為這類鋼箱梁廠內(nèi)加工的重點。該文結(jié)合石家莊市北片區(qū)南水北調(diào)大橋項目，對大跨徑變截面鋼箱梁加工技術展開研究，并研制出鋼箱梁廠內(nèi)加工仿真預拼裝裝置，有效控制梁段制作的尺寸誤差，提高現(xiàn)場施工效率，可為類似的大跨徑邊界鋼箱梁廠內(nèi)加工拼裝項目提供借鑒和參考。

關鍵詞：大跨徑變截面鋼箱梁；節(jié)段制造；預拼裝；加工技術；加工拼裝項目

中圖分類號：U445 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0176-05

Abstract： Steel box girders are widely used in urban overpasses and flyovers because of their long span， high efficiency of factory machinery manufacturing， and high reliability. However， due to factors such as on-site construction conditions， transportation difficulties of large segments and easy deformation， segment manufacturing and precise positioning and assembly to control deformation and reduce welding errors have become the focus of in-factory processing of such steel box girders. Based on the South-to-North Water Diversion Bridge Project in the North Area of Shijiazhuang City， this paper studies the processing technology of long-span variable cross-section steel box girders， and develops a steel box girder in-factory processing simulation pre-assembly device， which effectively controls the size error in beam section fabrication， improves on-site construction efficiency， and can provide reference for similar long-span boundary steel box girder in-factory processing and assembly projects.

Keywords： long-span variable cross-section steel box girder; segment manufacturing; pre-assembly; processing technology; processing and assembly project

鋼箱梁橋作為一種重要的鋼結(jié)構(gòu)橋梁形式，在我國的城市建設和基礎設施建設中扮演著重要角色。隨著我國鋼材生產(chǎn)總量位居世界首位，鋼箱梁橋也迎來了良好的發(fā)展機遇。鋼箱梁橋的制造方法經(jīng)歷了鉚接、栓焊和全焊3個階段的演變，這些技術的不斷發(fā)展和改進為鋼箱梁的制造提供了更高效、更精密的工藝手段。從20世紀60年代起，鋼箱梁的加工工藝技術逐步由傳統(tǒng)的鉚接轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ず附雍退ń?，同時采用火焰數(shù)控精密切割、數(shù)控機床鉆孔等先進技術逐步取代傳統(tǒng)工藝，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。鋼箱梁的制造工藝主要分為切割、組裝、焊接、矯形、鉆孔、除銹、涂油和栓接面處理等環(huán)節(jié)[1]。

王鵬飛等[2]以福建沙埕灣跨海大橋為背景，優(yōu)化自動化生產(chǎn)線的制造工藝，將扁平鋼箱梁的制作工藝引到現(xiàn)代化道路上。韓金鎖等[3]以福州長門特大橋鋼箱梁制造為背景，通過合理可靠的鋼箱梁線性精度控制技術保證鋼箱梁的線形質(zhì)量，為今后大型扁平鋼箱梁線形控制提供經(jīng)驗。王潤國[4]以濟南大西環(huán)黃河特大橋為背景，針對鋼箱梁的結(jié)構(gòu)特點，優(yōu)化鋼箱梁從加工到運輸安裝過程中的施工方法，提高鋼箱梁制造精度，節(jié)約時間、經(jīng)濟成本。但是由于這類大跨徑鋼箱梁節(jié)段多、拼裝單元多、焊接縫多、焊接精度要求高，拼裝工藝過程復雜，因此本文對大跨徑變截面鋼箱梁廠內(nèi)加工技術進行研究，對仿真預拼裝裝置研發(fā)應用，提高鋼箱梁廠內(nèi)加工的精度和效率，為以后此類鋼箱梁制造項目提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

南水北調(diào)大橋位于石家莊市北部片區(qū)，此橋梁跨徑組合為3×30 m+3×30 m+4×30 m+（29.5 m+29.5 m）+（60 m+80 m+60 m）+（2×30.5 m）+2×30 m，右偏角90°。本橋橋梁標準寬度為34.5 m，上部結(jié)構(gòu)只有第五聯(lián)采用等高鋼箱梁，其余聯(lián)段均采用預應力鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁。

第五聯(lián)橫跨南水北調(diào)干渠，橋梁結(jié)構(gòu)采用跨徑（60 m+80 m+60 m）組合等高鋼箱梁；0.5 m防撞護欄+凈16～20.617 m+0.5 m防撞護欄+0.5 m中分帶+0.5 m防撞護欄+凈16～30.827 m+0.5 m防撞護欄，如圖1所示。主橋平面位于4 092 m圓曲線上，縱斷面位于±3.5%及R=6 500 m的豎曲線上。主橋為單幅橋，橫坡為雙向2%，梁高順橋向等高；橫斷面為單箱7～10箱室，頂寬34.509～48.032 m。

鋼箱梁各零部件在工廠內(nèi)加工，拼裝成節(jié)段后進行梁段預拼裝，仿真模擬現(xiàn)場拼裝，對接口和箱梁整體線形尺寸把控，達到設計要求后，進行分解涂裝，最后驗收合格運輸至現(xiàn)場安裝。

1.2 鋼箱梁節(jié)段劃分

由于第五聯(lián)跨度大，截面尺寸變化快，因此對整段鋼箱梁進行劃分制作，同一梁段長度均勻，寬度按實際結(jié)構(gòu)合理劃分。鋼橋縱向分為11個梁段（A—K），橫向分為9～12個節(jié)段，全橋共計113個節(jié)段，分別如圖2、圖3所示。

分段編號：A1—A9、B1—B9、C1—C9、D1—D10、E1—E10、F1—F10、G1—G11、H1—H11、I1—I11、J1—J11、K1—K12，共113個節(jié)段。

2 大跨徑變截面鋼箱梁加工技術

本工程鋼箱梁組成構(gòu)件繁多，構(gòu)成鋼箱梁的頂板由頂板鋼材和U肋焊接組成，底板、腹板和隔板由對應鋼材和肋板焊接組成，如圖4所示。

鋼箱梁制造過程中，利用三維模型可以準確提供板件尺寸，實現(xiàn)對各單元板材的精確放樣，從而提高拼裝精度、減少修補工作，同時合理排版還能節(jié)約鋼材，減少資源浪費。此外，鋼箱梁的變截面和空間曲線對焊接精度和變形控制提出了高要求，因此需要盡量減少因焊接縫長度增加而引起的變形，以降低對后期梁段拼裝的影響。

2.1 工藝流程

工藝流程如圖5所示。

原材料進廠要通過復驗，剔除不合格原料。鋼材和焊接材料都要符合現(xiàn)行的國家標準，有生產(chǎn)廠家的質(zhì)量合格證明書。

鋼板預處理：對鋼板進行拋丸處理，并涂裝一層車間底漆。

鋼材下料：采用數(shù)控切割機、半自動切割機等，按照圖紙精確切割。

板單元制作：根據(jù)圖紙對板肋、U肋標注，焊接肋條和板材形成板單元。

節(jié)段拼裝要在組裝胎架上進行，組裝前對胎架進行檢查，確認線形尺寸合格后以板單元的邊緣和指定端作為定位基準，進行焊接形成節(jié)段。最后通過仿真預拼裝置進行梁段預拼裝，檢查焊接精度并矯正。

2.2 鋼材切割下料質(zhì)量控制

通過三維建模技術可以精確繪制鋼箱梁的外形，這不僅提高了鋼材的放樣尺寸，還能夠在CAD軟件中加載相應程序，將鋼箱梁的空間曲面板+R24R8+UM2RbDfNi+JEiQA==在平面下展開成下料圖形。在CAD圖紙中可以清晰表達板材的彎曲部位、曲率半徑、弧長等尺寸參數(shù)，然后將這些信息輸入到數(shù)控切割機中。通過計算機編程，先噴出定位噴粉線，再對板材進行精確切割[5]。

在制造過程中，所用材料必須經(jīng)過復驗，對存在缺陷的原材料進行矯正或去除。在進行標記時，應使用專用的劃針和劃線工具，標記基準線、中心線和檢驗控制線，避免使用鑿子等工具。標記時，要注意控制樣沖標記的深度在0.5 mm以內(nèi)，以確保不在鋼板上留下任何永久性劃痕。在劃線時，要適當增加加工余量以應對實際加工中的偏差。鋼箱梁的主要零部件和異形零部件采用數(shù)控等離子切割機進行下料，這樣的操作不僅可以控制零部件的變形量，還能提高生產(chǎn)效率。通過這些先進的制造技術和嚴格的工藝要求，可以生產(chǎn)出精準、高質(zhì)量的鋼箱梁產(chǎn)品，為橋梁建設提供可靠的支持。

2.3 頂板、底板、腹板單元制作質(zhì)量控制工序

在鋼箱梁制造過程中，需要將預先刻在組裝胎架平臺上的橫、縱基線、U肋和板肋定位基準線返到板片上，并在板片兩端打上樣沖眼。通過這些基準線和樣沖眼，確保板片的精準定位和組裝準確性。以U肋和板肋端頭定位線為基準，進行U肋和板肋的組裝。在整個組裝過程中，嚴格控制由焊接引起的變形，必要時進行變形修整，以確保板單元的準確性和一致性。

組裝焊接完成后，使用樣沖在基準頭與基準邊相交一角處打上梁段號和板單元號，以便后續(xù)的追蹤和管理。底板和腹板單元與板肋進行焊接組裝，而頂板單元與U肋進行焊接組裝。通過這樣的組裝工藝，確保了鋼箱梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和整體性，為后續(xù)的加工和安裝提供了可靠的基礎。

2.4 隔板單元制作精度控制工序

隔板位于箱梁內(nèi)部，與頂板、腹板和底板焊接固定，其加工精度對梁段尺寸和節(jié)段接口件匹配精度有直接影響。用數(shù)控切割機噴出隔板的縱、橫基線。以隔板縱、橫基線為基準，把所有加強肋的位置劃出并焊接加勁肋。板邊與胎架用碼板固定，對稱焊接，焊接時嚴格控制變形量。拼裝完成后，在隔板底角顯著處沖打梁段號和板單元號[5]。焊接后的板單元要重新修整檢驗，以確保板單元平面的平整度。

2.5 鋼箱梁節(jié)段拼裝、焊接工序

對于邊側(cè)段由于幾何線形變化較大的部分，采用反造組裝法[6]，以確保準確性和穩(wěn)定性。而中間段則采用正造法進行組裝。通過這樣的差異化組裝方法，可以更好地應對不同部位的幾何形狀變化，確保鋼箱梁整體結(jié)構(gòu)的精確性和穩(wěn)定性。

整體制造過程中，采用連續(xù)匹配組裝、焊接和拼裝的方式，能夠顯著提高梁段間的匹配精度、制造線形精度，并加快施工進度。這種流程使得每個梁段之間的過渡更加平滑，確保了整體鋼箱梁結(jié)構(gòu)的一致性和穩(wěn)定性，同時也為后續(xù)的施工和安裝提供了更好的條件和效率。

2.5.1 邊側(cè)段反造組裝

在鋼箱梁的制造過程中，利用拼裝胎架作為外胎，將梁段倒置后按順序安裝頂板、隔板、腹板和斜底板。隔板可作為內(nèi)胎，用于定位拼裝斜底板。各板件按基線就位，隨后進行拼裝和焊接。通過對胎架、頂板、隔板、腹板和底板的線形進行精確控制，確保鋼箱梁整體尺寸、線形符合設計要求，保障其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和幾何形狀精確性，以滿足工程設計標準，如圖6所示。

2.5.2 中間段正造組裝

在梁段預拼裝過程中，采用拼裝胎架作為外胎，隔板作為內(nèi)胎，以確保各板件單元精準地對準基線并安全安放。通過精準的定位和加固設施的輔助，確保板件的準確位置和安全性。這種方法能夠有效地保證預拼裝的準確性和穩(wěn)定性，為后續(xù)的焊接和組裝提供良好的基礎。按照工藝流程，采用分段裝配焊接的方式，實現(xiàn)立體階梯式推進。利用水準儀等精密測控儀器對胎架、底板、隔板、腹板、頂板的線形進行控制，以確保整體尺寸、線形符合鋼箱梁的設計要求，如圖7所示。

圖6 邊側(cè)段反造組裝流程圖

2.5.3 箱體焊接順序

在鋼箱梁的焊接過程中，一系列優(yōu)化步驟確保了焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1）首先焊接內(nèi)部焊縫，再焊接外部焊縫，以確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)的牢固和完整性。

2）初期采用間斷焊定位，隨后進行滿焊，以確保板件位置的準確性和焊縫質(zhì)量。

3）采用對稱施焊方法，平衡焊接過程中的熱量分布，減少變形和應力集中的可能性。

4）先焊接短焊縫，再焊接長焊縫，以減少焊接過程中的熱變形，確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5）先焊接受影響較小的零件，再焊接變形較大的焊縫，以最大程度減少焊接變形，確保結(jié)構(gòu)的精確性。

6）對頂板的對接焊縫、腹板和頂?shù)装宓暮缚p均要求同向焊接，確保焊接質(zhì)量和一致性。

7）在節(jié)段焊接時，采用多節(jié)段、分區(qū)域同時施焊，避免溫度過高，減小焊接變形。

8）結(jié)束第一道焊縫后，解除板單元和胎架的所有連接，確保后續(xù)焊接在無約束狀態(tài)下進行，減少焊接應力的影響7e7+qIe6fJY5u+axnxM5Ow==。

圖7 中間段正造組裝流程圖

3 鋼箱梁梁段預拼裝

完成邊段制作后，將其轉(zhuǎn)移到梁段預拼裝的總裝配胎架上。在橫向定位過程中，使用胎架上的定位線（地樣線）與板單元的縱基線對準，而在縱向定位時，則以胎架上的定位線（地樣線）與板單元的橫基線對準。經(jīng)過嚴格的檢查，確認定位符合要求后，對板進行固定。一旦預拼裝完成，即可開始安裝塊體之間的臨時連接配件、臨時吊耳等。這些配件的安裝旨在確保各塊體之間的暫時固定和協(xié)調(diào)。重要的是要注意，盡管完成了預拼裝，但塊體之間的構(gòu)件不會立即進行焊接。相反，它們將被保留，直到梁段移至橋位現(xiàn)場后再進行焊接。這種做法旨在確保焊接作業(yè)在適宜的環(huán)境下進行，如工廠內(nèi)部的專用焊接設備或在橋位現(xiàn)場的特定焊接條件下，以確保焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

通過固定架和硬化地基連接，將焊接的鋼箱梁節(jié)段與仿真預拼裝置固定，調(diào)節(jié)液壓機使得預拼裝置符合鋼箱梁橋型，調(diào)整活動架方便鋼箱梁完成對接試驗，進行調(diào)整和修補，完成廠內(nèi)仿真預拼裝。

該大跨徑變截面鋼箱梁廠內(nèi)加工仿真預拼裝置，可調(diào)節(jié)活動架和固定架之間的距離，根據(jù)不同橋型調(diào)整成對應的胎架系統(tǒng)，減小了胎架搭設的工作量，提升工作效率，通過固定塊和活動塊，對連接橫梁位置進行固定，連接橫梁橫向移動，帶動鋼箱梁橫向移動，完成預拼裝測試，降低了測試難度，提高了工作效率，通過安裝板完成對鋼箱梁的固定工作，使鋼箱梁可以跟隨連接橫梁同步移動，如圖8所示。

圖8 廠內(nèi)預拼裝置

4 結(jié)束語

本文以南水北調(diào)大橋第五聯(lián)鋼箱梁加工項目為背景，對大跨徑變截面鋼箱梁廠內(nèi)加工技術和廠內(nèi)仿真預拼裝技術進行分析探討，得出如下結(jié)論。

1）科學的圖紙轉(zhuǎn)化、板單元的劃分、工藝的設計及方案的制定是工程成功實施的前提。

2）采用研制的鋼箱梁廠內(nèi)加工仿真預拼裝裝置，能有效控制焊接變形造成的積累誤差，對提高加工質(zhì)量和提升施工效率有很大促進作用。

參考文獻：

[1] 葉曉志.鋼結(jié)構(gòu)橋梁加工安裝技術的研究與應用[D].濟南：山東大學，2013.

[2] 王鵬飛，費銘，許金明.扁平流線型鋼箱梁的現(xiàn)代化制造技術及發(fā)展趨勢[J].公路交通科技（應用技術版），2020，16（2）：6-7，10.

[3] 韓金鎖，陳柯.扁平鋼箱梁制造線形精度控制技術[J].公路，2018，63（6）：113-115.

[4] 王潤國.超高變截面鋼箱梁制造關鍵技術研究[J].安徽建筑，2024，31（2）：36-37，128.

[5] 陳小松，吳法賓，趙祥云.變高扭曲面鋼箱梁制作工藝[J].江蘇建筑，2010（3）：73-75.

[6] 鄧朝友.淺談大跨度變截面鋼箱梁的分段與預拱度控制[J].中國新技術新產(chǎn)品，2022（17）：112-115.