王泰來(lái)，張興橋，黃 誠(chéng)

1 前言

正交異性鋼橋面板在橋梁鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代的鐵路鋼箱梁橋，20世紀(jì)末大量應(yīng)用于公路橋梁［1］。U型肋作為鋼箱梁的主要構(gòu)件廣泛應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外鋼箱梁鐵路公路市政橋梁上。目前，普遍采用的加工方式有折彎和輥彎兩種。折彎U型肋生產(chǎn)過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，定尺長(zhǎng)度受限，產(chǎn)品一次折彎變形大，變形區(qū)域應(yīng)力過(guò)度集中，產(chǎn)生裂紋的概率高，生產(chǎn)成本偏高。輥彎U型肋相比而言，有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁上得到應(yīng)用。為此，本研究對(duì)輥彎U型肋成形技術(shù)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)探索。

2 開(kāi)發(fā)規(guī)格及控制條件

開(kāi)發(fā)產(chǎn)品規(guī)格為U300 mm×170 mm×280 mm×8 mm。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)發(fā)產(chǎn)品規(guī)格尺寸示意圖

控制項(xiàng)目及允許偏差：開(kāi)口寬B 300（+3，-1）mm；頂寬b（170±1.5）mm；肢高（h1、h2）（280±2）mm；兩肢差（h1-h2）≤2 mm；直線(xiàn)度f(wàn)（側(cè)彎）≤L/1 000或10 mm，取較小值；扭轉(zhuǎn)度總長(zhǎng)度方向≤4 mm，每米≤0.5 mm；坡口角偏差α40（0，+3）（°）；鋸口斜度≤3 mm；外角圓弧半徑R0（40±2）mm。

3 工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)

3.1 輥彎設(shè)備

在Φ189 mm×16 mm機(jī)組上進(jìn)行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，該產(chǎn)線(xiàn)是集開(kāi)口和閉口冷彎型鋼生產(chǎn)為一體的綜合性產(chǎn)線(xiàn)。產(chǎn)線(xiàn)共有成型機(jī)組19架次，前9架為粗成型架次，后10架為精成型架次，具備生產(chǎn)厚度為3～16 mm、展寬為220～750 mm開(kāi)閉口冷彎型鋼，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)銑邊打坡口功能；產(chǎn)線(xiàn)配置螺旋活套，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)速度6～30 m/min，具備Q345系列材質(zhì)、Q420系列材質(zhì)、510L、Q550系列和Q700等高強(qiáng)度材質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力；產(chǎn)品開(kāi)發(fā)采用濟(jì)鋼1700熱連軋生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的Q345qD熱軋帶鋼為原料。濟(jì)鋼1700熱連軋生產(chǎn)線(xiàn)是國(guó)內(nèi)首家具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)ASP生產(chǎn)技術(shù)熱軋帶鋼生產(chǎn)線(xiàn)，運(yùn)用三級(jí)計(jì)算機(jī)控制，并采用了液壓AWC、AGC、液壓彎輥、竄輥等高精度板型控制手段，為U型肋產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了高精度原材料。

3.2 料寬計(jì)算

考慮輥彎過(guò)程中變形區(qū)中性層角R中的偏移，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取中性層角偏移系數(shù)K=0.46，則：

產(chǎn)品底面與側(cè)面夾角：

變形區(qū)R中對(duì)應(yīng)的圓弧長(zhǎng)度：

底面不變形區(qū)長(zhǎng)度：

同理，側(cè)面不變形區(qū)長(zhǎng)度：

即原料寬度確定為710 mm。

3.3 彎曲道次及彎曲角的選擇

開(kāi)口型鋼常規(guī)工藝設(shè)計(jì)一般選取7～9道次、平均彎曲角為15°。此設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)外圓弧角處的應(yīng)力集中，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性差，對(duì)原材料要求較高，道次之間邊部拉延較大，易起邊浪、邊部挫傷等問(wèn)題。對(duì)于變形區(qū)外角圓弧半徑大、高度高的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本低、調(diào)整難度小，但不實(shí)用。為了保證U型肋成品質(zhì)量，設(shè)計(jì)上應(yīng)選擇多道次、小角度的輥彎工藝。本次U型肋成形技術(shù)的工藝開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)選擇的道次及彎曲角見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)成型道次及彎曲角

3.4 彎曲工藝方法的選擇

為了解決輥彎變形區(qū)殘余應(yīng)力集中，防止折彎開(kāi)裂以及保證成品尺寸穩(wěn)定性，采用小角度大圓弧半徑的折彎工藝，15道次輥彎，平均每道次折彎角為5.3°，變形區(qū)外弧折彎半徑最大達(dá)592.80 mm；同時(shí)最后4道次采取輥彎-反彎工藝，最大限度改善變形區(qū)殘余應(yīng)力，增加變形區(qū)域，防止應(yīng)力集中。成型前半段為了增加變形區(qū)長(zhǎng)度，采用定點(diǎn)變徑折彎方式；而在成型后半段則采用定徑變點(diǎn)折彎方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)輥花圖的設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2），以保證外圓弧角尺寸的穩(wěn)定性。

圖2 輥彎輥花圖

3.5 生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案

1）邊浪。在成型過(guò)程中，由于邊部拉延形成邊浪，影響產(chǎn)品形狀及精度控制。為此，在成型前，必須確保各機(jī)架軋輥的對(duì)中調(diào)整，保證各道次上下輥中心對(duì)稱(chēng)，避免由于帶鋼寬度分配不均引起的邊浪。調(diào)整機(jī)架間速度（所有機(jī)架單傳，可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)整），實(shí)現(xiàn)帶鋼在成型過(guò)程中機(jī)架間微張力輥彎，減少及消除邊浪。

2）在線(xiàn)坡口加工。在成型機(jī)前，設(shè)置在線(xiàn)銑邊機(jī)，該設(shè)備由兩側(cè)對(duì)稱(chēng)4把銑刀對(duì)帶鋼邊部進(jìn)行在線(xiàn)連續(xù)加工，銑刀實(shí)現(xiàn)0～90°任意調(diào)整。銑邊機(jī)前后設(shè)置兩架對(duì)中立輥和壓平輥，限制帶鋼的左右偏移以及上下跳動(dòng)，左右移動(dòng)距離控制在±0.25 mm，上下跳動(dòng)應(yīng)控制在±1 mm。

3）肢高差超標(biāo)。在水平機(jī)架間增加C形立輥，通過(guò)調(diào)整C形立輥，對(duì)邊部實(shí)現(xiàn)有效限制，防止帶鋼在機(jī)架間扭轉(zhuǎn)。萬(wàn)能機(jī)架立輥沿機(jī)架中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)調(diào)整，精度控制在±0.25 mm。

4 產(chǎn)品實(shí)際控制水平

4.1 產(chǎn)品檢驗(yàn)方式

1）在線(xiàn)檢測(cè)。樣板測(cè)量?jī)?nèi)、外腔形狀符合度；角度尺、R規(guī)測(cè)量各道次變形與工藝符合情況。2）下線(xiàn)測(cè)量。首件測(cè)量在U肋專(zhuān)用檢測(cè)平臺(tái)上進(jìn)行。3）生產(chǎn)過(guò)程中按抽檢頻次測(cè)量。U肋橫斷面尺寸測(cè)量采用鋼直尺、直角尺或深度尺配合檢測(cè)；長(zhǎng)度檢測(cè)采用經(jīng)檢定的鋼卷尺測(cè)量；縱向旁彎采用拉鋼絲或細(xì)繩的方法測(cè)量。

4.2 外形尺寸實(shí)測(cè)偏差

濟(jì)鋼冷彎型鋼公司生產(chǎn)的U型肋產(chǎn)品外形尺寸實(shí)際控制偏差見(jiàn)表2。

表2 U型肋外形尺寸實(shí)際偏差

4.3 坡口加工水平

1）在線(xiàn)銑邊機(jī)的應(yīng)用，保證了坡口加工精度的有效控制。U300 mm×170 mm×280 mm×8 mm規(guī)格產(chǎn)品要求坡口角度為40°，鈍邊2 mm。實(shí)際控制角度偏差≤1°，鈍邊公差為（2±0.5）mm。

2）坡口角度的一致性保證了焊接時(shí)焊絲輸送的穩(wěn)定性，從而易于實(shí)現(xiàn)焊縫余高的穩(wěn)定控制。鈍邊精度的控制防止了焊縫燒穿，可提高焊接強(qiáng)度。

4.4 成品性能檢測(cè)

鋼種為Q345qD規(guī)格U300 mm×170 mm×280 mm×8 mm產(chǎn)品成型后，在U肋的平板位置和輥彎角度取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，輥彎角部的強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)率有所降低。

表3 U肋產(chǎn)品力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

5 應(yīng)用分析

5.1 經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)對(duì)輥彎U型肋和折彎U型肋加工成本的調(diào)查，輥彎U型肋優(yōu)勢(shì)明顯，成本分析見(jiàn)表4。例如，某大型橋梁工程，對(duì)于U型肋需求量為5 000 t，如果采用輥彎成型U型肋加工制作，噸鋼可節(jié)約成本829元，可直接降低橋梁鋼結(jié)構(gòu)加工企業(yè)原料采購(gòu)成本414.5萬(wàn)元。另外，輥彎U型肋任意長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)，可降低對(duì)接焊接加工成本，該項(xiàng)工程間接經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)在500萬(wàn)左右。

表4 輥彎和折彎生產(chǎn)U型肋成本分析對(duì)比

5.2 技術(shù)性分析

輥彎和折彎U型肋關(guān)鍵技術(shù)分析比較見(jiàn)表5。

表5 輥彎和折彎生產(chǎn)U型肋工藝技術(shù)分析對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

輥彎U型肋技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益明顯，輥彎U型肋市場(chǎng)應(yīng)用前景非常廣闊。本研究開(kāi)發(fā)的材質(zhì)Q345qD、U300 mm×170 mm×280 mm×8 mm以及U300 mm×170 mm×280 mm×10 mm、U324 mm×262 mm×208 mm×8 mm等規(guī)格輥彎U型肋產(chǎn)品應(yīng)用到青島、成都、太原等市政橋梁，用戶(hù)反映供貨及時(shí)，加工方便，形狀性能等滿(mǎn)足使用要求。

為了彌補(bǔ)普通U型肋焊接位置強(qiáng)度不夠，焊接過(guò)程不穩(wěn)定等問(wèn)題，目前正在開(kāi)發(fā)變截面U型肋產(chǎn)品，該產(chǎn)品因截面厚度不等，需在線(xiàn)熱加工和冷彎共同來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用熱軋加工成型工藝，先對(duì)邊部局部區(qū)域進(jìn)行感應(yīng)加熱，將該局部區(qū)域加熱到950～1 000℃，使鋼內(nèi)部組織實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化狀態(tài)，到達(dá)軟化目的；然后對(duì)加熱區(qū)域變截面部位進(jìn)行增厚加工；再在成型機(jī)第一道次采用閉口孔型對(duì)敦厚區(qū)域進(jìn)行軋制。完成熱軋加工后，再配以輥彎冷成型工藝，最終實(shí)現(xiàn)變截面U型肋的生產(chǎn)。在冷彎產(chǎn)線(xiàn)要完成熱軋加工，需對(duì)產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行適應(yīng)性改造，配以感應(yīng)加熱設(shè)備和實(shí)現(xiàn)熱軋軋制的機(jī)架道次，此產(chǎn)品正在研發(fā)中。

彎曲位置殘余應(yīng)力研究，旨在研究輥彎和折彎工藝形成產(chǎn)品的殘余應(yīng)力水平的定量確定，進(jìn)一步研究殘余應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂的定量條件。彎曲位置的在線(xiàn)熱處理，以消除彎角部位殘余應(yīng)力和裂紋傾向，降低腐蝕速度。在線(xiàn)打孔和開(kāi)槽，在線(xiàn)預(yù)處理，避免中間產(chǎn)品的多次倒運(yùn)，縮短加工周期，具有一定經(jīng)濟(jì)效益。隨著橋梁材料向高強(qiáng)度、耐腐蝕等方向發(fā)展，相應(yīng)材質(zhì)U型肋彎曲技術(shù)也須跟進(jìn)研究。

［1］ 白玲，方興，王輝，等.崇啟大橋大跨度連續(xù)鋼箱梁關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，2009.

［2］ 趙欣欣，劉曉光，張玉玲.正交異性鋼橋面板設(shè)計(jì)參數(shù)和構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞研究進(jìn)展［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2010，25（8）：1-7.

［3］ 杜紅清.400×200×5冷彎等邊槽鋼孔型設(shè)計(jì)［J］.軋鋼，2006，23（5）：24-26.

［4］ 小奈弘.冷彎成形技術(shù)［M］.劉繼英，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.