蘇蘭 石紅昌 楊曉波 黃安明

(德陽(yáng)天元重工股份有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

1 項(xiàng)目背景

虎跳峽金沙江大橋[1]位于香麗高速公路，虎跳峽上游跨越金沙江，是香麗高速公路的控制性工程。大橋全長(zhǎng)1017 m，主橋?yàn)闃蚩?66 m懸索橋[2]，橋面為雙向四車道。設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。主橋?yàn)殡p塔單跨鋼桁梁懸索橋，香麗高速虎跳峽項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)大跨度懸索橋中首次采用滾軸式復(fù)合索鞍[3]，它是一種新型的索鞍結(jié)構(gòu)形式，將常規(guī)懸索橋的主索鞍[4]和散索鞍兩種結(jié)構(gòu)部件的功能合二為一，實(shí)現(xiàn)了主索鞍對(duì)主纜的支撐轉(zhuǎn)向作用和散索鞍對(duì)主纜的活動(dòng)及對(duì)索股的發(fā)散功能。在懸索橋的建設(shè)中如果使用滾軸式復(fù)合索鞍，可以不設(shè)置懸索橋的邊跨段結(jié)構(gòu)，不需要修建常規(guī)的主塔，可大幅度降低主塔建造的高度，對(duì)于在險(xiǎn)峻山區(qū)峽谷修建的懸索橋，可以大大減小對(duì)錨碇位置山體的工程開挖量，大幅度降低建造成本，節(jié)能減排，縮短工期，同時(shí)減小對(duì)環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保施工，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。與傳統(tǒng)主索鞍相比，滾軸式復(fù)合索鞍具有散索功能，而與傳統(tǒng)散索鞍相比，復(fù)合索鞍兩側(cè)主纜轉(zhuǎn)角大，需要承受更大的徑向力。同時(shí)由于復(fù)合索鞍在使用過程中需要活動(dòng)才能將荷載等引起的主纜內(nèi)力傳遞給錨跨索股，因此需要在鞍座底部設(shè)置滾軸，以滿足其活動(dòng)要求。

本文以香麗高速虎跳峽金沙江大橋滾軸式復(fù)合索鞍作為對(duì)象，通過對(duì)其關(guān)鍵制造技術(shù)進(jìn)行分析和研究，總結(jié)形成完善的產(chǎn)品制造技術(shù)，為山區(qū)類似項(xiàng)目提供參考依據(jù)。該滾軸式復(fù)合索鞍(結(jié)構(gòu)組成見圖1)鞍體下設(shè)不銹鋼板-輥?zhàn)?不銹鋼板滾動(dòng)副，以適應(yīng)施工及運(yùn)營(yíng)過程中的相對(duì)移動(dòng)。

(a)復(fù)合索鞍整體

2 滾軸式復(fù)合索鞍制造施工難點(diǎn)

該復(fù)合索鞍的制造施工主要包括錨跨側(cè)鞍體、中跨側(cè)鞍體、上(下)承板、擋板、滾動(dòng)系統(tǒng)的制造、運(yùn)輸與安裝，主要施工難點(diǎn)如下：

(1)該復(fù)合索鞍固定主纜的鞍槽部分形狀復(fù)雜，采用ZG270-480H鑄造而成，鑄鋼鞍頭重量大(錨跨側(cè)鞍頭重26.6 t，中跨側(cè)重23.6 t)，體積大，鞍頭的鞍槽、主筋板、側(cè)筋板的壁厚變化大，主筋板和鞍槽、鞍槽和側(cè)筋板的交接部位易形成帶狀熱節(jié)，其補(bǔ)縮難以兼顧，順序凝固控制困難，易出現(xiàn)疏松、縮孔、氣孔、夾渣等質(zhì)量缺陷。

(2)該復(fù)合索鞍鞍體采用鑄焊結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)，鞍槽用鑄鋼鑄造，底座由鋼板焊成，鞍頭和底座材料為異質(zhì)材料，對(duì)接接頭處板厚一般80 mm以上，屬于特厚板的異質(zhì)材料焊接，焊接要求高，中間控制過程要求嚴(yán)格，鞍體屬于受力部件，焊接變形大[5]。同時(shí)鞍體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，焊縫分布度高，空間相對(duì)狹小，坡口形式不一致，焊接的工作量大，單件鞍體焊接需用焊絲4 t?？v向收縮和橫向收縮較大，焊接應(yīng)力和變形大。

(3)復(fù)合索鞍鞍體為兩半分體組合結(jié)構(gòu)，最終產(chǎn)品在塔頂組合后使用，為了保證安裝位置和入纜的準(zhǔn)確性，索鞍鞍體組合后的大底平面和組合后鞍槽的一致性是個(gè)重點(diǎn)，另外索鞍鞍槽為三維空間曲面，鞍槽線型空間的精度保證是個(gè)難點(diǎn)，同時(shí)由于鞍槽深度較深，加工時(shí)機(jī)床主軸方向行程大，導(dǎo)致機(jī)床主軸剛性差，對(duì)加工設(shè)備的加工能力也是一個(gè)考驗(yàn)。

(4)滾動(dòng)系統(tǒng)的滾軸(見圖2)單件重量達(dá)1796 kg，材質(zhì)為30CrNi3，調(diào)質(zhì)硬度為325～350HBW，工件外形?400 mm×170 mm×3500 mm，工件的尺寸精度和位置精度要求高，滾軸兩端孔對(duì)外圓同心度要求高，滾軸上與上承板的導(dǎo)向平鍵配合的鍵槽加工精度要求高。如果每一根槽距達(dá)不到要求的精度，則會(huì)導(dǎo)致上承板的導(dǎo)向平鍵無法落入每一根滾軸的鍵槽中。

圖2 滾軸工程圖

(5)復(fù)合索鞍滾動(dòng)系統(tǒng)框架為柔性結(jié)構(gòu)，與滾軸的裝配精度要求高，安裝后滾軸需要沿著框架上預(yù)定的滾動(dòng)位移方向滾動(dòng)，這就要求在起吊、運(yùn)輸和安裝過程中必須要保證滾動(dòng)系統(tǒng)裝配體自身的結(jié)構(gòu)，又能夠?qū)L動(dòng)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定形和加固。

3 復(fù)合索鞍制造過程中的主要施工技術(shù)

復(fù)合索鞍的制造包括鞍體的制造和滾動(dòng)系統(tǒng)制造，鞍體制造的主要流程為：分體鑄造→鋼板采購(gòu)檢測(cè)→異質(zhì)材料裝配焊接→產(chǎn)品的機(jī)械加工→產(chǎn)品部件的試裝→產(chǎn)品試驗(yàn)→成品的防腐保護(hù)。

滾動(dòng)系統(tǒng)制造的主要流程為：框架的制造→滾輪的制造→滾動(dòng)系統(tǒng)試裝→試驗(yàn)調(diào)試→產(chǎn)品防腐保護(hù)。

3.1 鞍頭鑄造

鞍頭鑄造要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 903—2014《懸索橋索鞍索夾》的要求[6]，由于U字型鞍槽結(jié)構(gòu)的特殊性，鞍頭鑄件易在薄弱的交接部位形成帶狀熱節(jié)，同時(shí)由于鑄件尺寸形狀的原因，鑄造易在薄壁處或者狹窄位置處出現(xiàn)常規(guī)的疏松、氣孔、夾渣等缺陷。

針對(duì)鞍頭鑄造易出現(xiàn)的上述質(zhì)量問題，采用專業(yè)鑄造工藝軟件進(jìn)行模型模擬優(yōu)化分析，確定合理澆鑄方案，通過優(yōu)選大冒口、厚板補(bǔ)縮加強(qiáng)、鞍槽口朝向(向上)、布置相關(guān)防變形拉筋、留足足夠的工藝余量、考慮冷鐵的適宜位置、保證鋼水按照預(yù)定的順序凝固、過程中做好鑄件的熱處理控制[7]。

3.2 鞍體焊接

索鞍鞍體為鑄焊結(jié)構(gòu)，鞍頭和鞍座為異種鋼(鑄鋼件和碳鋼件)的焊接，而鑄鋼件與碳鋼件的焊接性主要取決于淬硬性、母材的組織狀態(tài)、冷裂紋敏感性和冷卻速度[8]。根據(jù)索鞍鞍體焊接技術(shù)要求，焊縫須進(jìn)行超聲波和表面探傷。焊縫探傷質(zhì)量保證是關(guān)鍵，在正式產(chǎn)品焊接前進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，確定合理的焊接工藝參數(shù)。

索鞍的鋼板厚度尺寸最大達(dá)100 mm，屬于特厚板焊接。由于焊縫分布不規(guī)律，焊縫相對(duì)密集，坡口形式不一致，焊接的工作量大，焊接殘余應(yīng)力和空間變形大。在鞍體焊接中通過以下措施控制：(1)設(shè)定合理的裝焊順序、深淺坡口的焊接控制，采取錘擊消應(yīng)。(2)采用分層多道小線能量焊接，嚴(yán)格按照評(píng)定合格的焊接評(píng)定參數(shù)進(jìn)行焊接，焊接過程中做好變形控制。(3)做好勤翻身、多人對(duì)稱焊接。(4)按照工藝技術(shù)要求做好裝焊過程中的熱處理消應(yīng)處理，減少焊接殘余應(yīng)力。

3.3 鞍體加工

復(fù)合索鞍鞍槽為既有豎彎又有平彎的三維空間曲面，為保證加工精度，提高加工效率，適宜采用回轉(zhuǎn)法[9]進(jìn)行加工，本項(xiàng)目鞍體加工采用回轉(zhuǎn)法、組合整體加工方式，采用四軸聯(lián)動(dòng)大型數(shù)控鏜銑床進(jìn)行加工(見圖3)。機(jī)床主軸?260 mm，X軸行程18 m，Y軸行程9 m，Z+W軸行程3.3 m。X、Y、Z、W軸定位精度0.02 mm/1000 mm。機(jī)床配備450 t數(shù)控聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，工作臺(tái)面5500 mm×8000 mm，承重450 t，行程5 m，B軸旋轉(zhuǎn)定位精度12″。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)擁有優(yōu)秀的人機(jī)交互性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，其優(yōu)越的伺服系統(tǒng)、位置測(cè)量系統(tǒng)和補(bǔ)償系統(tǒng)，更好地保證多軸聯(lián)動(dòng)加工精度。適合索鞍三軸及四軸聯(lián)動(dòng)加工，同時(shí)加工車間配置有起吊能力400 t+150 t的行車，可以滿足復(fù)合索鞍整體組合加工的需要[10]。

圖3 主索鞍體組合整體精加工

加工時(shí)利用調(diào)平組對(duì)工裝，將兩件滾軸式復(fù)合索鞍鞍體成對(duì)組合，找正對(duì)齊后，打入定位鋼銷，用連接螺栓把緊，側(cè)面連接的中分面筋板位置進(jìn)行壓塊的焊接固定，按已精加工的中分面的工藝基準(zhǔn)面和半精加工的大底平面基準(zhǔn)找正，精銑組合索鞍大底平面到位，保證索鞍兩半組合后索鞍鞍體的整個(gè)底平面的平面度符合技術(shù)規(guī)范。

應(yīng)用數(shù)控程序半精加工、精加工鞍槽兩側(cè)壁平面和各圓弧繩槽臺(tái)階面，保證各臺(tái)階面圓弧輪廓度滿足圖紙技術(shù)要求。

在機(jī)床上臨時(shí)配裝已經(jīng)加工好的上承板到組合鞍體底部，通過專用工裝夾緊，配鉆、鉸鞍體底平面與上承板連接的鋼銷孔。最后將鞍體翻身正放，精加工寬度側(cè)面，鉆拉桿孔。

3.4 滾軸加工

滾軸毛坯采用合金鋼鍛件制作，毛坯采購(gòu)回廠后進(jìn)行材料復(fù)驗(yàn)和毛坯尺寸檢查，合格后進(jìn)入機(jī)械加工(見圖4)。根據(jù)滾軸結(jié)構(gòu)分析，加工滾軸首先需進(jìn)行粗加工，使各面滿足探傷條件；粗加工后對(duì)滾軸進(jìn)行超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)，檢測(cè)合格后再對(duì)滾軸進(jìn)行調(diào)質(zhì)(淬火+回火)熱處理，調(diào)質(zhì)熱處理后半精加工滾軸，半精加工并檢測(cè)合格后，最后對(duì)滾軸進(jìn)行精加工并檢測(cè)。為保證滾軸的加工精度及質(zhì)量要求，需采取以下措施：

(a)精車外圓 (b)四軸聯(lián)動(dòng)龍門銑銑鍵槽 (c)鏜床鏜銷孔 (d)涂防銹油后的滾輪成品

(1)鍛造時(shí)在滾軸毛坯兩端長(zhǎng)度方向預(yù)留工藝凸臺(tái)余量，粗加工時(shí)加工成型；

(2)在半精車和精銑170 mm扁兩面時(shí)均按兩工藝臺(tái)階為基準(zhǔn)進(jìn)行精加工；

(3)加工中以標(biāo)記一端作為工藝基準(zhǔn)，并在數(shù)控龍門銑上采用定制的可聯(lián)動(dòng)的數(shù)控旋轉(zhuǎn)輔助裝備進(jìn)行鍵槽的加工，確保每一根滾輪的兩鍵槽中心距誤差控制在0.05 mm以內(nèi)；

(4)采用磨床進(jìn)行精加工，在外表面全部精加工完后進(jìn)行外圓及兩工藝臺(tái)階外圓的精磨加工(確保各外圓同心)；

(5)以兩端工藝凸臺(tái)為基準(zhǔn)加工兩端孔，確保兩端孔與外圓同心。

3.5 滾輪起吊工裝的設(shè)計(jì)和制作

復(fù)合索鞍滾動(dòng)系統(tǒng)框架為柔性結(jié)構(gòu)，與滾軸的裝配精度要求高，根據(jù)滾動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了專用的滾動(dòng)系統(tǒng)起吊運(yùn)輸工裝(圖5)，該工裝既能保證滾動(dòng)系統(tǒng)裝配體自身的結(jié)構(gòu)，又能夠?qū)L動(dòng)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定型和加固[11]。

(a)滾輪結(jié)構(gòu)與起吊工裝組合 (b)起吊示意圖

3.6 復(fù)合索鞍拼裝及擺動(dòng)試驗(yàn)

滾軸式組合索鞍各零部件制作完成并檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行廠內(nèi)試裝配(見圖6)，裝配前所有零部件清理干凈。

圖6 滾軸式組合索鞍試裝配

(1)首先在裝配工作平臺(tái)上組裝滾輪、框架及滾輪軸為一個(gè)整體單元，將滾軸式組合索鞍底板吊放在裝配平臺(tái)上并調(diào)水平，將下承板吊放安裝在底板上，將組裝好的滾輪框架整體吊放在下承板上。

(2)將上承板放在工作平臺(tái)上，將兩件滾軸式組合索鞍鞍體分別吊放在上承板上，鞍體底部鋼銷孔與上承板的定位鋼銷對(duì)正，與上承板組裝就位，兩件鞍體對(duì)合平面貼緊，裝定位鋼銷并用連接螺栓把合擰緊，采用專用固定工裝將上承板與鞍體聯(lián)結(jié)固定。

(3)將主索鞍及上承板整體起吊放置在滾輪副上，調(diào)整滾軸式組合索鞍相關(guān)裝配件位置，檢查各裝配尺寸和形狀是否符合圖紙要求，各零部件的相對(duì)位置及鞍體的中線、TP點(diǎn)、IP點(diǎn)位置須做出永久性定位標(biāo)記，裝配后檢查滾輪是否滾動(dòng)靈活，有無卡阻現(xiàn)象。

(4)滾軸式組合索鞍試裝配合格后進(jìn)行索鞍預(yù)偏試驗(yàn)，檢驗(yàn)鞍體相對(duì)于下承板之間的相對(duì)滑移能否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的滑移值。

4 結(jié)束語

香麗高速虎跳峽項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)大跨度懸索橋中首次采用滾軸式復(fù)合索鞍，大大減小對(duì)錨碇位置山體的工程開挖量，大幅度降低建造成本，節(jié)能減排，縮短工期，同時(shí)減小對(duì)環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保施工，產(chǎn)品制造涉及多工序銜接專業(yè)的制造，通過對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)的研究和分析，總結(jié)歸納了先進(jìn)的產(chǎn)品制造工藝，解決了鑄造、焊接、機(jī)加工中的難點(diǎn)問題，設(shè)計(jì)了專用的工裝吊具，解決了滾輪系統(tǒng)的起吊和運(yùn)輸問題，復(fù)合索鞍制造完成后，質(zhì)量檢測(cè)完全符合設(shè)計(jì)規(guī)范及產(chǎn)品技術(shù)要求，目前該橋已建設(shè)完畢并全線通車。該橋的順利建設(shè)為以后類似地質(zhì)環(huán)境下的橋梁建設(shè)提供了參考和依據(jù)。