摘要 大跨度鋼桁梁橋的線形控制是橋梁能否順利安裝完成并達到設計要求線形的關鍵，主要取決于加工制造的精度和預拱度控制。常泰長江大橋主航道橋為主跨1 176 m的雙塔雙索面斜拉橋，空間構造復雜，拼裝線形控制難度大，通過對此桁梁橋整節(jié)段制造線形控制技術的研究分析，結合技術創(chuàng)新，采用主梁標準吊裝段兩節(jié)間為一個節(jié)段在工廠整體制造的工藝，以控制桿件制造、節(jié)段拼裝精度等措施確保制造質量，并采用數(shù)字化技術模擬驗證其制造及拼裝工藝的可行性。經(jīng)過實踐驗證，按照工藝措施方案制作整節(jié)段滿足精度要求，線形控制良好，希望可為此類桁梁橋的加工制作提供參考。

關鍵詞 鋼桁架橋；精度控制；整節(jié)段制造；拼裝線形

中圖分類號 U445.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0114-03

0 引言

近年來，隨著我國橋梁建設技術的快速發(fā)展，橋梁跨徑不斷提高，對于一般跨徑的鋼桁梁，由于其跨徑不大，多采用帶應力起拱的方式，桿件制造為直線桿件，架設時在桿件接口位置通過調(diào)整桿件伸長或縮短實現(xiàn)，制造精度的控制難度不大，后續(xù)二次恒載對線形的影響也不大，線形偏差的發(fā)散對于整體來說影響小。但大跨徑鋼桁梁因其跨度大，結構重要，所以，線形控制要求更加嚴格。施工單位在制造過程中需要采用無應力起拱方式，即桿件在制造時本身需要帶線形，后續(xù)二次恒載對線形的影響大，桿件的線形制造偏差在后續(xù)架設過程中的發(fā)散影響十分嚴重。因此，在大跨橋梁中，對桿件及節(jié)段拼裝的線形控制提出了更高要求[1]。

1 工程概況與結構特點

1.1 工程概況

常泰長江大橋位于泰州大橋與江陰大橋之間，主航道橋采用雙塔斜拉橋方案，主跨跨度1 176 m，全橋總長

2 440 m，孔跨布置為（142+490+1 176+490+142）=2 440 m。

采用兩片主桁結構，標準段主梁桁高為15.5 m，桁寬35.0 m，主桁采用“N”形桁，標準節(jié)間距為14 m，在主塔位置設有非標準節(jié)間，長度分為13.8 m、13.3 m、14.7 m、15 m四種，如圖1所示：

主梁上層橋面采用正交異性整體鋼橋面板，在節(jié)點處設置組合式橫梁，組合式橫梁由節(jié)點橫梁與桁架式橫聯(lián)桿件組成。下層橋面采用鋼箱整體橋面，上層橋面和下層鋼箱均參與主桁共同受力[2]。上弦桿上、下水平板均為平坡，與橋面的縱向拼縫距弦桿中心線水平距離為0.95 m，橋面寬度33.1 m，設2%雙向橫坡。下弦桿上水平板設2.0%橫坡、下水平板為平坡，與橋面的縱向拼縫距弦桿中心線水平距離為1.12 m，橋面寬度32.76 m，在公路行車道和鐵路范圍內(nèi)分別設2%雙向橫坡。

1.2 結構特點

該項目桁梁節(jié)段具有空間桿件多、節(jié)點構造復雜，其制造精度與預拱度控制難度大等特點，要保證項目的高質量完成，需要針對這些難點問題加以研究。

通過對該項目的結構特點和節(jié)段間拼裝線形的精度要求分析，控制好該項目制造線形精度的關鍵是：

（1）如何保證構造復雜的弦桿整體節(jié)點的加工和組裝精度。

（2）節(jié)點處的焊接結構復雜，焊縫類型多樣，焊接變形難于控制。

（3）栓接節(jié)點位置多空間交叉的高強螺栓連接精度如何保證。

經(jīng)過多方案反復論證和數(shù)字化技術創(chuàng)新應用的思路指導下，提出嚴格控制三個關鍵環(huán)節(jié)精度，即桿件制造精度、桁片拼裝精度和整體大節(jié)段的拼裝精度，通過分工藝、分階段控制精度的方式來保證成橋安裝線形的方法。

2 制作方案研究及項目創(chuàng)新點

2.1 制作方案制定

對于該項目的大跨徑鋼桁梁，為減少工地架設調(diào)整工作量，高精度地控制鋼梁的制造和架設尺寸，確保安裝后成橋線形與設計一致，制作方案擬采用大節(jié)段整體架設拼裝。整體節(jié)段內(nèi)部桿件之間采用焊接。整體節(jié)段間上下弦桿及腹桿采用高強螺栓連接，上下層橋面之間采用焊接。整體節(jié)段的制造一般分為三個步驟，即桿件制造→桁片及橋面板塊拼裝→整體節(jié)段拼裝。

2.2 項目創(chuàng)新點

2.2.1 加工尺寸精度及焊接變形控制

焊接變形的控制，是保證桿件精度的關鍵環(huán)節(jié)之一，為保證構件單元的加工尺寸精度和制作質量，下料采用數(shù)控切割，制作過程設計采用滿足剛度要求的專用胎架來保證平面度，桿件采用數(shù)控后鉆孔的螺栓孔制孔方案，以確保制孔精度。此外，桿件單元之間的對接采用在專用組裝胎架上拼裝完成，采用了預變形、馬板約束等措施，并且通過優(yōu)化制作順序和減少或消除焊接殘余應力的方式來控制焊接變形。通過確定合理的組裝工藝，采取必要的焊接變形約束措施，從而保證了桿件的焊接質量。

2.2.2 節(jié)段拼裝及精度管理

采用大節(jié)段制作時，節(jié)段重量大，對多節(jié)段預拼裝中的拼接位置控制、環(huán)境溫度和移位變形等均提出了較高要求。數(shù)字化建造技術在該項目中發(fā)揮了重要作用。項目節(jié)段拼裝過程中，通過采用先進的激光跟蹤測量儀、制作前的計算機模擬仿真等綜合應用，實現(xiàn)了鋼桁梁大節(jié)段的整體預拼裝。通過數(shù)字化模擬，可以大幅度地提高質量管理水平，節(jié)約成本、縮短工期。此外，通過理論研究和試驗驗證，形成了一套誤差累積管理方法，將每個鋼桁梁節(jié)段的實際拼裝精度在計算機中進行模擬預拼裝，分析預測鋼桁梁節(jié)段軸線的偏位數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)問題，可以及時進行節(jié)段端面的加工前修正，采取主動調(diào)整策略實現(xiàn)對鋼桁梁節(jié)段橋位安裝后整體線形的精度控制，避免由于加工精度累積誤差造成線形控制項的超誤差情況。通過在各個環(huán)節(jié)中運用多項先進制造技術，確保項目加工制作和現(xiàn)場安裝的順利完成。

3 線形控制關鍵技術

3.1 桿件制造

該項目橋梁采用無應力線形的設計理念，即通過對桿件在節(jié)點處進行折彎來達到理論線形。因此，桿件在制造時需根據(jù)線形放樣在桿件節(jié)點位置對桿件進行折彎，而后對桿件進行螺栓孔的鉆制[3]?？兹旱闹圃炀燃皸U件的折彎尺寸將直接決定鋼桁梁的起拱精度。項目桿件節(jié)點板為整體節(jié)點，為保證節(jié)點板的加工精度，采用精密數(shù)控切割機床對節(jié)點板進行下料。由于整體節(jié)點弦桿斷面大，孔群數(shù)量多，為保證孔群的整體加工精度，采用雙龍門三維數(shù)控鉆床配合機械樣板的鉆孔方式，即在桿件組焊完成以后，通過雙龍門三維數(shù)控鉆床同時對桿件兩端頭鉆制定位孔，如圖2所示，可自動檢測桿件旁彎和扭曲，保證兩側豎板栓孔的同心度偏差控制在1.0 mm范圍內(nèi)。定位孔鉆制完成后，采用機械樣板通過樣板對線口及桿件定位孔在桿件上完成定位，再通過搖臂鉆床完成其余栓孔的鉆制，桿件拼接板則直接按照理論數(shù)據(jù)進行栓孔鉆制，通過先進數(shù)字化設備的應用保證了桿件的加工制作精度。

圖2 雙龍門三維數(shù)控鉆床

3.2 桁片拼裝

項目進行桁片拼裝時是通過完全無應力的狀態(tài)來實現(xiàn)桁片的線形，故桁片拼裝對于節(jié)段整體線形來說至關重要，桁片狀態(tài)的線形直接決定了節(jié)段的拼裝線形。桁片拼裝精度控制的關鍵是控制桁高、節(jié)間長度、對角線尺寸、上下弦桿相對位置尺寸、拼裝長度等重要尺寸。在拼裝之前首先要根據(jù)圖紙要求通過高精度水準儀嚴格控制胎架的位置精度以及平面度，并確保支墩有足夠的剛度，避免拼裝過程中由于支墩剛度不足而引起胎架發(fā)生沉降或變形。拼裝前需嚴格檢查桿件尺寸及桿件安裝位置，確保桿件結構安裝位置符合圖紙要求。拼裝時，必須保證板層的密貼，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》（TB 10091—2017）要求，試拼裝時所用的沖釘嚴格按照常泰長江大橋（跨江段）主體工程鋼桁梁、鋼桁梁制造項目制造規(guī)則，沖釘數(shù)量不少于螺栓孔總數(shù)的10%，螺栓不少于螺栓孔總數(shù)的20%。為了達到更高的要求，沖釘使用的沖釘直徑≥33.0 mm時，可充分保證連接關系。溫度對鋼結構的變形影響敏感，為避免溫度對測量結果的影響，在桁片試拼裝完成測量后，檢測工作均避開高溫時間段，選擇溫度相對穩(wěn)定的時間段進行，鋼盤尺測量數(shù)據(jù)均按檢定修正值進行修正計算。

由于桁片拼裝采用的是標準拼接板，在桁片拼裝時無可調(diào)整的余地，但在桁片連續(xù)匹配拼裝時由于累計誤差等影響，可能會導致兩桁邁步、桁片線形偏差、節(jié)間長度誤差等問題。為解決上述問題，項目采用在幾個輪次拼裝過程中選擇合適時機配制拼接板以消除誤差。

3.3 節(jié)段拼裝

整體節(jié)段的拼裝線形直接影響到橋址架設的成橋線形，是整個鋼梁制造過程中最為重要的環(huán)節(jié)[4]。項目能否最終順利完成橋址架設，保證線形與設計一致，一直以來是大跨度桁架橋的重難點問題，以往的現(xiàn)場安裝問題也主要體現(xiàn)在節(jié)段的錯臺、誤差偏大以及拼接后的線形與設計線形有一定的偏差。該項目為解決以上問題，結合先進的設備和數(shù)字化智能建造技術，節(jié)段的拼裝方案采用多節(jié)段連續(xù)匹配拼裝與焊接方案，按照“下層橋面就位→兩側桁片拼裝→橫聯(lián)片體拼裝→上層橋面板塊拼裝”的工藝順序進行，在實體預拼裝前，根據(jù)設計的拼裝方案在計算機中進行模擬預拼裝，設置拼裝控制點并對拼裝節(jié)段的軸線偏差進行計算，通過分析其誤差，優(yōu)化拼裝方案。此外，在實體預拼裝時，在節(jié)段拼裝過程中設置三次質量控制點，實現(xiàn)對拼裝全方位的監(jiān)控。

最終確定節(jié)段拼裝方案主要關鍵步驟如下：

（1）根據(jù)胎架上設置的縱、橫基線和基準點及橋面板塊系統(tǒng)線定位橋面板塊；在端橫隔板處的橋面板頂部選擇四個測量點，根據(jù)設計標高值，使用水準儀配合調(diào)整四點標高滿足規(guī)范要求。

（2）按照胎架上定位基線定位拼裝一側桁片，安裝方位調(diào)整穩(wěn)固裝置，確保拼裝安全以及可調(diào)整，以便于控制拼裝精度及臨時固定。

（3）按照胎架上定位基線定位拼裝另一側桁片，安裝桁片的方位調(diào)整穩(wěn)固裝置等，關鍵控制桁片垂直度、兩側桁片相對位置尺寸（平、立面對角線差）、主桁中心距、控制點標高等。調(diào)整各部位尺寸直至滿足規(guī)范要求。

（4）橫聯(lián)片體就位后輔以臨時支撐措施；橫聯(lián)片體拼裝完成后，進行質量停止點檢測，包括主桁中心距、橫斷面對角線差等，同時嚴格控制橫聯(lián)片體上節(jié)點標高。

（5）根據(jù)胎架上設置的縱、橫基線和基準點及橋面板塊系統(tǒng)線定位上層橋面板塊，上層橋面板塊就位后進行質量停止點檢測，包括水平面對角差，上橋面標高、主桁中心距等[5]。

（6）按照下層橋面塊體→兩側桁片→橫聯(lián)片體→上層橋面板塊的順序依次定位拼裝后續(xù)節(jié)間桿件。焊接過程中嚴格執(zhí)行焊接工藝，兩側對稱同時施焊接，減少焊接變形。焊接順序如下：

①對稱焊接下層橋面鋼箱塊體與下弦桿間焊縫。先焊接橫梁與下弦桿接頭板對接焊縫，再焊接橋面板、底板縱向對接焊縫。

②對稱焊接上層橋面塊體與上弦桿間焊縫。先焊接橫梁與上弦桿接頭板對接焊縫，再焊接橫聯(lián)片體上節(jié)點與橫梁下蓋板間熔透角焊縫，再焊接橋面板縱向對接焊縫。

③對稱焊接橫聯(lián)片體邊節(jié)點與主桁腹桿間熔透角焊縫。

④焊接其他焊縫。

超大節(jié)段試拼裝是項目的一個創(chuàng)新應用，結合數(shù)字化建造基地的先進設備和技術，采用“4+1”模式，大節(jié)段試拼長度超過100 m，即采用一個輪次桁片拼裝結束時，為保證節(jié)段連續(xù)匹配拼裝，需預留一個節(jié)段作為母段參與下一輪次的拼裝。母段的恢復要嚴格按照上個節(jié)段的狀態(tài)進行恢復，不可出現(xiàn)軸線、高程上的隨意調(diào)整；焊接操作上嚴格控制焊接順序，確保桁寬可控；焊接順序從下到上、從中間到兩邊、從中間到兩端，便于應力釋放。

4 結語

大跨徑連續(xù)鋼桁梁橋制造線形復雜，精度控制難度大，起拱方式多采用無應力方式。該文依托常泰長江大橋的鋼橋制作工藝進行實踐，提出了采用大節(jié)段鋼桁梁的線性精度控制方法，即拼裝工藝，主要包括以下兩方面：

（1）通過采取的數(shù)控加工工藝，提高弦桿制孔精度，嚴格控制弦桿制作精度，保證了上、下弦桿件的扭曲、撓度、線形拱度等尺寸，從而實現(xiàn)整體節(jié)點桿件的高精度制造。

（2）采用大節(jié)段連續(xù)匹配拼裝工藝，通過先進的數(shù)控制造技術、數(shù)字化模擬技術，建立一套高精度誤差累積控制方法，控制桁片拼裝、整節(jié)段拼裝的精度，實現(xiàn)整體大節(jié)段的高精度拼裝。

常泰長江大橋節(jié)段制造過程采用了多項國內(nèi)先進加工設備和數(shù)字化測量技術，通過對其拼裝線形精度控制工藝的深入研究，提出了各工序的控制要點及關鍵技術。在依托項目中經(jīng)過實踐檢驗，證明是高效率、高質量的工藝方法，達到了預期的目標精度要求，驗證了該創(chuàng)新技術及工藝的科學性、合理性，為后續(xù)鋼桁梁橋預拱度的控制提供了借鑒，為未來大跨徑鋼桁梁橋的高精度智能化建造起到了推動作用。

參考文獻

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