王 松 喻致蓉 張紅杰

(平頂山平煤機(jī)煤礦機(jī)械裝備有限公司 平頂山 467000)

0 引言

與傳統(tǒng)的混凝土鋼筋混合結(jié)構(gòu)箱梁相比，純鋼材焊接結(jié)構(gòu)的鋼箱梁具備強(qiáng)度高、重量輕、塑性韌性好，便于工廠機(jī)械化制造的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)橋梁上部梁體和下部墩柱結(jié)構(gòu)施工可以同階段開展，縮短施工周期，對(duì)交通運(yùn)行影響小，經(jīng)濟(jì)、可靠、施工工藝簡(jiǎn)單，近年來鋼箱梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展極為迅速，大量應(yīng)用于城市橋梁工程設(shè)計(jì)的綜合立交的主線或匝道中[1]。目前已有較多的專家學(xué)者、工程技術(shù)人員對(duì)鋼箱梁制造工藝進(jìn)行了分析和探討,其中：文獻(xiàn)[2-3]主要介紹了借助CAD三維立體建模、CAD加載程序展開放樣,降低鋼箱梁制作難度,提高組裝精度的制造經(jīng)驗(yàn)；文獻(xiàn)[4-6]重點(diǎn)介紹了提高鋼箱梁板單元制造效率和質(zhì)量的工藝措施；文獻(xiàn)[9-11]主要從板單元?jiǎng)澐帧鍐卧圃炫c反變形胎架、節(jié)段制造與預(yù)拼裝工藝等方面,對(duì)鋼箱梁制作工藝進(jìn)行研究。以上研究促進(jìn)了鋼箱梁制造工藝的效率提升和質(zhì)量進(jìn)步，但多數(shù)研究是針對(duì)鋼箱梁制造的某一工程或某些問題,而對(duì)具有平曲線、豎曲線、預(yù)拱度、橫坡、縱坡等綜合因素的鋼箱梁橋制造工藝的專題研究文獻(xiàn)較少。

文章結(jié)合鄭州農(nóng)業(yè)路京廣路互通高架曲線鋼箱梁制造的工程實(shí)踐,對(duì)具有平曲線、豎曲線、預(yù)拱度、橫坡、縱坡的鋼箱梁從分段方案、板單元制造工藝、鋼箱梁節(jié)段制作等細(xì)節(jié)方面對(duì)曲線鋼箱梁制造工藝進(jìn)行系統(tǒng)的探討。

1 工程概況

鄭州市農(nóng)業(yè)路快速通道工程定位為東西向城市快速通道，該通道工程西段起點(diǎn)位于西三環(huán)以西雄鷹路(K0-141.34)，東邊終點(diǎn)銜接中州大道以東地德路(K13+340)，總里程約13.581km。在鄭州市規(guī)劃中是“井字+環(huán)形”快速通道系統(tǒng)的主要組成部分，同時(shí)也是串聯(lián)老城區(qū)、火車站、東部城市新區(qū)等重要交通樞紐的紐帶。本次工程范圍為農(nóng)業(yè)路快速通道工程N(yùn)YLDJSG-2標(biāo)段主線高架橋第2聯(lián)鋼箱梁，橋梁結(jié)構(gòu)為33m+50m+50m+33m，跨越既有的京沙立交橋。全橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用流線形扁平閉式等高度單箱五室構(gòu)造，橋面總寬25.3m，梁高2.0m，橋面設(shè)置2%的雙向縱坡，鋼箱梁平曲線參數(shù)LS=80m，R=1100m；立面曲線參數(shù)R=3200m，T=82.926m，E=1.074m。鋼箱梁頂板、底板均采用正交異性板結(jié)構(gòu)體系。農(nóng)業(yè)路總體布置和鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段截面見圖1。

圖1 農(nóng)業(yè)路鋼箱梁總體布置圖和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段斷面圖

2 農(nóng)業(yè)路鋼箱梁分段設(shè)計(jì)方案與制造難點(diǎn)

2.1 鋼箱梁分段設(shè)計(jì)方案

農(nóng)業(yè)路工程曲線鋼箱梁材質(zhì)采用Q345qD鋼材，總質(zhì)量約2595噸。由于該工程全橋結(jié)構(gòu)重量較大，受運(yùn)輸因素、起重條件的制約。為了滿足鋼箱梁節(jié)段的工廠機(jī)械化制造、運(yùn)輸尺寸、現(xiàn)場(chǎng)吊裝能力、頂推施工組織措施等各項(xiàng)環(huán)節(jié)的綜合要求，全橋鋼箱梁必須進(jìn)行縱向、橫向的節(jié)段劃分[2-3,6,8,11-12]，以達(dá)到制造、運(yùn)輸、頂推安裝的施工要求。綜合比選權(quán)衡上述因素，全橋鋼箱梁沿縱橋向劃分為13個(gè)節(jié)段，沿橫橋向?qū)挾谭较騽澐譃?個(gè)節(jié)段即5個(gè)箱室+2個(gè)挑臂，合計(jì)91個(gè)節(jié)段。分段方案如圖2所示。

圖2 農(nóng)業(yè)路鋼箱梁分段方案圖

2.2 鋼箱梁制造難點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本鋼箱梁為全焊接鋼結(jié)構(gòu)，梁段之間連接要求采用對(duì)接熔透焊縫連接，組織實(shí)施的重點(diǎn)、難點(diǎn)如下：

1)由于本工程鋼箱梁在線型上同時(shí)具有豎曲線、平曲線，曲線鋼箱梁的橋梁道路中心線為空間三維空間曲線[1-2，7]，線形較為復(fù)雜，尤其是箱室內(nèi)外弧斜腹板放樣需考慮疊加豎曲線和預(yù)拱等參數(shù)，放樣難度大。在制造工廠二次深化設(shè)計(jì)零部件和下料圖紙放樣時(shí)需要綜合考慮豎曲線、預(yù)拱度、橫坡、縱坡等因素對(duì)零件尺寸的疊加影響[1，9]。

2)鋼箱梁頂板、底板由不同板厚組拼焊接成型，因此U肋零件的裝配精度尤其重要。曲線板單元及U肋零件的彎曲加工、拼裝及焊接難度大，有效控制頂板底板板單元制造過程中的組裝誤差和焊接變形，保證全橋橫隔板的自由插入率是制造的關(guān)鍵之一[4]。

3)由于該工程鋼箱梁存在豎曲線、平曲線、2%的橫向坡度等因素,導(dǎo)致單個(gè)鋼箱梁節(jié)段塊體焊接成型時(shí)候扭曲較大,因而對(duì)鋼箱梁箱口尺寸、組裝線形偏差、焊接變形控制等方面提出了更高的要求[1]。鋼箱梁節(jié)段箱口曲線接口的切割尺寸精度的控制、錯(cuò)臺(tái)尺寸，拼裝線形精度控制等關(guān)鍵制造工序匹配難度大。

4)曲線鋼箱梁頂、底板存在CO2氣體保護(hù)和埋弧自動(dòng)焊等，頂板、底板面板與U肋焊接成為整體后，頂板、底板的焊接收縮量難以有效制約，對(duì)接焊接構(gòu)造的焊接變形數(shù)據(jù)控制難度大[4]。同時(shí)焊接要求高，大多焊縫要進(jìn)行超聲波、磁粉及X射線等探傷。

因此，如何制約其焊接變形數(shù)據(jù)和焊接殘余應(yīng)力值，確保后續(xù)板件的定位尺寸精度及全橋幾何尺寸精度是鋼箱梁制造的難點(diǎn)。

2.3 鋼箱梁板單元件制造總體要求

1)由前文介紹，本橋平面分別位于緩和曲線和圓曲線上(平曲線參數(shù)LS=80m，R=1100m),縱斷面縱坡從起始樁號(hào)至K5+267.074為1.75%，余下豎曲線為向上拱起的半徑R=3200m圓弧。平面放樣時(shí)通過計(jì)算決定采用以直代曲處理，精度滿足施工要求。本橋立面線形組為橋梁設(shè)計(jì)預(yù)拱度之二次拋物線與鋼箱梁成橋線形的累計(jì)相加，各類型的單元件應(yīng)嚴(yán)格按立面線形數(shù)據(jù)加工，因此確保鋼箱梁整體放樣數(shù)值的準(zhǔn)確無誤是鋼箱梁制造成功的決定因素[2]。

2)通過前面總體布置圖可知，本曲線鋼箱梁全橋?yàn)榫徍颓€，在全橋里程上橫隔板里程點(diǎn)布置線互不平行，總體上呈沿鋼箱梁面中心曲線法線方向內(nèi)小外大“喇叭口”放射狀。在最終立面線形，必須不得對(duì)隔板單元、頂板單元、底板單元、腹板單元的加工產(chǎn)生不良影響。

3)為保證成品橋梁立面線形，需要對(duì)腹板單元件，頂板、底板具體細(xì)分，事先保留焊接制造、火調(diào)校正的反變形工作量，最后確切保證成橋立面線形。

全橋成品線形確保設(shè)計(jì)尺寸精度作為鋼箱梁制造的決定因素。

2.4 鋼箱梁制造工藝

2.4.1 板單元制造焊接工藝

鋼箱梁加工制作的最小組成單元是橫隔板單元、頂板單元、腹板單元、底板單元，此類最小組成單元的外形尺寸精度和焊縫品質(zhì)最終確定鋼箱梁節(jié)段和成橋的幾何精度、線形和內(nèi)在品質(zhì)，采用合理的板單元制造工藝是鋼箱梁制造的關(guān)鍵[12]。板單元焊接時(shí)采用針對(duì)本橋?qū)ｉT設(shè)計(jì)的反變形焊接胎架固定，并在胎架橫向事先保留拱度尺寸用于控制橫向變形。焊接時(shí)反變形胎架可以根據(jù)實(shí)際需要順時(shí)針、逆時(shí)針兩個(gè)正反向扭轉(zhuǎn)，使板單元焊縫基本處在船型位置焊接，因此可以確保焊縫的外觀成形和有效的熔深質(zhì)量[4]。

2.4.2 鋼箱梁節(jié)段加工組裝工藝

板單元組件及部件加工完成后，在總拼胎架上實(shí)施多段鋼箱梁梁段的連續(xù)匹配組焊和出廠前預(yù)拼裝?？偲刺ゼ芸v向各點(diǎn)標(biāo)高設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)立面線形并設(shè)置預(yù)拱度。預(yù)拱度在總拼胎架上按照設(shè)計(jì)圖紙預(yù)拱度數(shù)值沿各跨跨中依次向上設(shè)置，并按照二次拋物線多點(diǎn)平順過渡，確?？偲刺ゼ苌详P(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)標(biāo)高數(shù)值為預(yù)拱度及立面曲線的疊加，這是保證鋼梁工廠制作成功的關(guān)鍵。同時(shí)應(yīng)注意胎架剛度和胎架基礎(chǔ)的承載力，采用合理措施確保在使用過程中消除變形和沉降的不利影響。

組裝工藝如下：以總拼胎架作為外胎控制總體外形尺寸，以橫、縱隔板單元作為內(nèi)胎以控制內(nèi)部腹板、頂板相對(duì)尺寸，各類型板單元按縱、橫基準(zhǔn)線就位，以總拼胎架測(cè)量塔和縱、橫基準(zhǔn)線作為基準(zhǔn)，按規(guī)定順序組拼各類型板單元零部件，另外采用必要的輔助措施加固設(shè)施以確保制造精度和安全[10，12]。為了確保鋼箱梁梁段對(duì)接時(shí)方便調(diào)校各對(duì)接鋼板的相互位置從而限制箱體接口處面板錯(cuò)臺(tái)量，將腹板等端部焊縫預(yù)留150～200mm長(zhǎng)度暫不焊接，待工地安裝架設(shè)時(shí)再施焊，促成立體階梯形推進(jìn)方式逐段拼裝與焊接。組拼完后對(duì)鋼箱梁節(jié)段進(jìn)行焊接，裝配匹配件。鋼箱梁節(jié)段加工工序如下圖3所示。

圖3 農(nóng)業(yè)路鋼箱梁節(jié)段加工工序圖

2.4.3 鋼箱梁制造幾何尺寸精度控制措施

外形尺寸精度控制措施如表1所示。

表1 農(nóng)業(yè)路鋼箱梁制作外形尺寸精度控制措施

3 焊接工藝與質(zhì)量控制措施

3.1 焊接工藝要求

1)頂板對(duì)接焊縫：采取CO2氣體保護(hù)焊打底，埋弧自動(dòng)焊蓋面，氣保焊絲采用ER50-6實(shí)芯焊絲(φ1.2)，埋弧焊絲選用H08Mn2E(φ5.0)，配合SJ101q焊劑使用。

2) 底板對(duì)接焊縫：采取CO2氣體保護(hù)焊焊接，焊絲采用ER50-6實(shí)芯焊絲(φ1.2)。

3)板不等厚對(duì)接焊縫：本結(jié)構(gòu)采取埋弧自動(dòng)焊焊接，焊絲采用H08Mn2E埋弧焊絲(φ5.0)，并配合SJ101q焊劑使用。

4)腹板、隔板熔透角焊縫：采取CO2氣體保護(hù)焊，焊絲采用E501T-1藥芯焊絲(φ1.2)。

5)U肋坡口焊縫：采取CO2氣體保護(hù)焊，氣保焊絲采用E501T-1藥芯焊絲(φ1.2)。

坡口形式如下圖4所示。

圖4 農(nóng)業(yè)路鋼箱梁對(duì)接焊縫坡口形式示意圖

a—頂板/底板對(duì)接焊縫；b—板不等厚對(duì)接焊縫；c—腹板、隔板熔透角焊縫；d—U肋坡口焊縫。

3.2 焊接質(zhì)量控制措施

在本工程中鋼箱梁的隔板單元、頂板單元、底板單元、腹板單元等關(guān)鍵板單元的焊接變形限制相當(dāng)關(guān)鍵，將直接影響到全橋鋼箱梁的整體線形尺寸和結(jié)構(gòu)受力安全[10，12]。為保證鋼箱梁幾何結(jié)構(gòu)精度，必須采取合理的焊接工藝限制關(guān)鍵板單元的焊接變形量和組裝位置尺寸精度。本工程主要從工藝、設(shè)備、焊接人員、過程、檢查等方面進(jìn)行焊縫品質(zhì)控制。

(1)在鋼箱梁加工制作前完成焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，界定焊接工藝參數(shù)及焊接材料類型。嚴(yán)格控制焊接順序、焊接方向。采用多種工藝措施，使用對(duì)稱焊、分段退焊、跳焊、多層多道焊等焊接方法，使各道焊縫的焊接殘余應(yīng)力和變形的方向相反并且彼此抵消，如圖5所示。對(duì)于鋼箱梁支座附近梁段間對(duì)接接頭應(yīng)先施焊頂板焊縫、再底板焊縫，最后腹板焊縫；對(duì)于鋼箱梁跨中梁段間對(duì)接接頭則應(yīng)先施焊底板焊縫、再頂板焊縫、最后焊接腹板焊縫；對(duì)于1/4點(diǎn)跨附近頂、底板焊接可按鋼箱梁彎矩包絡(luò)圖判斷，腹板保留在最后進(jìn)行焊接[9]。

(2)焊工必須持證上崗且從事其證書規(guī)定范圍及有效期內(nèi)焊接操作。

(3)保溫筒、電焊機(jī)、烘焙箱、CO2流量計(jì)等設(shè)備使用前重新計(jì)量，確保計(jì)量指示精確度、性能可靠性。

(4)綜合控制焊接變形。

①在組裝和焊接各個(gè)部分時(shí)，焊接工藝和順序應(yīng)使變形和收縮盡量小，并減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

②要特別注意鋼箱梁施焊后產(chǎn)生的變形，為每一種板單元的加工創(chuàng)立一個(gè)焊接程序，將程序同接頭焊接工藝和整個(gè)制造方法結(jié)合起來，以加工出滿足橋梁規(guī)范要求的板單元。

圖5 焊接順序圖

③必要時(shí)將焊接工藝和變形控制方案提交業(yè)主、監(jiān)理征求意見。

④在對(duì)收縮有較大拘束條件下進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫應(yīng)連續(xù)焊完。

⑤各類型板單元構(gòu)件焊接前，必須采用反變形焊接技術(shù)后方可進(jìn)行施焊。當(dāng)構(gòu)件焊接后產(chǎn)生較大的變形，必須進(jìn)行矯正；矯正后，板單元零部件表面不得有明顯的凹跡或毀傷，并且容許偏差必須在許可范圍之內(nèi)[11]。

4 結(jié)語

合理的制造工序和焊接工藝是保證鋼箱梁線形、提高制造效率、保證架設(shè)節(jié)段匹配精度的重要條件。根據(jù)曲線鋼箱梁的特點(diǎn)，通過采用對(duì)上述關(guān)鍵板單元的拼裝工序和焊接變形控制技術(shù)，鄭州農(nóng)業(yè)路高架曲線鋼箱梁91個(gè)鋼箱節(jié)段的幾何尺寸和變形量均滿足相關(guān)規(guī)范要求，為下一步鋼箱梁的架設(shè)施工提供了有力保障。通過對(duì)農(nóng)業(yè)路工程鋼箱梁制造工藝,焊接變形控制等關(guān)鍵制造技術(shù)的分析探討，對(duì)本工程的曲線鋼箱梁制造取得了較好的工程效果，可為類似工程提供參考。