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張家口外環線清水河通泰大橋制造工藝

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文針對張家口清水河通泰大橋主橋懸索拱的鋼箱結構特點，對單元件制造、鋼箱組裝、焊接以及工地焊接等方面進行了闡述。
    關鍵詞：鋼箱梁 拱 單元件 組裝 焊接

    1.工程概況
    張家口外環線清水河通泰大橋是一座下承式鋼結構懸索拱橋。主梁與拱通過28根吊索連接（如圖1）。

    主梁與拱材質均為Q345E，工程鋼結構重量約6500噸，其中拱約1800噸。
    主梁跨徑190m，寬33.34m，位于R=600m的平面曲線上，橋面不設縱坡，設置雙向2％的橫坡，主梁跨中設200mm預拱度。主梁為扁平鋼箱梁，中心線梁高3m，頂板、底板厚16mm，邊腹板為30mm；鋼箱梁內設置四道中縱腹板，厚度12mm（在支座前后各3m范圍內加厚至16mm），其距鋼箱梁中心線間距為6m和10.8m；鋼箱梁橫隔板標準間距為3m，中縱腹板和橫隔板上設有人孔。
    拱斜跨主梁，拱腳間距180m，矢跨比0.3451，拱中心長度223.5m，拱為單箱單室鋼箱，寬7.04m，高3.8m，屬于特大型陡拱。板厚26mm，在距拱角10m水平距離范圍內加厚至30mm，采用T型加勁肋，高300mm、200mm，厚度16mm，拱肋上橫隔板間距3m，有吊點處橫隔板厚30mm，無吊點處橫隔板厚12mm。
    主梁、拱通過錨箱、吊索連接。

    2.結構特點及制造方案
    2.1 主梁鋼箱
    主梁鋼箱是由橋頂板、底板、縱腹板、橫隔板、U肋等組成的單箱五室結構。除頂板U肋在段與段間安裝現場采用高強螺栓連接外，所有工廠和現場均為焊接連接。
    鋼箱梁制造分為板單元制造、梁段制造和工地焊接三個工藝階段。本橋主梁中心線長190m，起拱200mm，起拱引起的長度變化不足6mm（如圖2示意），梁段制造可以忽略起拱，起拱在現場安裝過程形成。

    由于所有橫隔板沿平面R600m曲線徑向布置，根據橫隔板距離，分為65段，其中梁兩端頭各有2m長兩段、2.5m長1段，中間3m長59段，每段分為兩節共計130節（如圖3示意）。

    分段接口徑向布置，節段之間采用以折代曲，總體曲線線形主要在板單元制造階段完成，橫坡及成橋線形在梁段制造過程中實現。
    2.2 拱鋼箱
    拱制作過程中,兩側從拱腳到拱頂對稱各6段，最頂上一段為合攏段，共分13段。軸線長度分別為26m、23m、15m、13m和9.5m，其中26m、23m、13m各兩段，15m六段，9.5m一段（如圖4示意）。

    該工程的拱為大型陡拱，結合62m的拱高，7.04m×3.8m的截面，單段重量最小83噸，最大212噸的龐大重量，考慮到構件翻轉、起重能力、場地、安全等因素，決定通過單段制造精度控制，確保單段拱的幾何尺寸，從而取消預拼裝。單段制造過程，由于運輸限制，采取工廠制造單元件、現場組裝焊接的方法。

    3 關鍵工序制作工藝
    3.1主橋梁段制造
    每一段主梁單元件包括：頂板單元、底板單元、橫隔板單元、縱腹板單元。制造時嚴格控制切割下料精度、單元件制造精度、組裝精度和焊接變形。
    （1）頂、底板單元（如圖5）

    頂板U肋54條，底板U肋42條，U肋定位是關鍵，尤其是頂板U肋，現場采用的是高強螺栓連接，段與段的U肋定位、螺栓孔間距直接影響現場高強螺栓施工的對孔率。
    各制造段頂、底板單元采用專用劃線平臺劃線，下料采用全自動數控切割機；U肋的單段下料采用數控帶鋸精確切割，專用胎架樣板鉆孔，確保孔群的精度。統一以橋梁中心線為基準，卡樣板裝配U肋，確保U肋接口不錯位。為消除可能的錯位現象，采取U肋與頂、底板之間焊縫兩端頭各預留300mm不焊，待段與段預拼裝接口調平順后再行焊接的措施。
    頂底板U肋在反變形胎架上焊接，反變形量通過多次實踐而最終確定，焊接完后頂、底板基本平整，局部不平在專用胎架上矯正。U肋與頂、底板之間為坡口角焊縫，設計熔深為U肋板厚的80%，用二氧化碳氣保焊專用小車施焊，焊接時重點控制焊絲角度、小車行走速度和電流、電壓、氣體流量等焊接參數。實踐表明，只要操作熟練，這種U肋焊接方法效率高、焊工勞動強度小，而且能夠避免焊穿，保證焊縫熔深，焊縫成型美觀，無咬邊等缺陷。
    （2）橫隔板、縱腹板單元
    橫隔板采用數控切割下料，寬度方向尺寸變化決定鋼箱的截面高度，同時也形成橫橋向2%的橫坡。由于橫隔板兩側有眾多豎向、橫向加筋肋（如圖6示意），焊接變形控制是關鍵。隔板單元件組裝完成后，要求在專用焊接胎架上平放、墊實、固定牢。采用二氧化碳平焊位置施焊，保證焊接質量，減少焊接變形。

    （3）梁段制造
    1）胎架搭設
    梁段制造過程中，采取以底板單元為制作基面進行正造，制造胎架采用H200*200軋制型鋼作為立柱和橫梁，胎架上平面與鋼箱梁底板吻合（如圖7 示意），采用水平儀、經緯儀、全站儀等儀器測量軸線、標高等控制要素。

    2）梁段的組、拼、焊
    組裝前，對頂、底板、橫隔板、縱腹板等單元件進行檢查驗收，符合質量要求后進入梁段的組裝工序。
    組裝焊接順序為：底板單元上胎→橫隔板單元裝配→縱腹板單元裝配→頂板單元裝配→檢查測量→總體焊接，組裝過程示意圖如圖8。

    組裝過程中，以橫隔板、縱腹板位置為基本截面，保證每一橫截面處的幾何尺寸，通過測量頂板、底板、縱腹板的標高以及鋼梁段的接口口形來控制和檢查梁段的幾何尺寸（圖9 梁段的控制點）。

    預拼裝采取每5段作為一個拼裝單元，主要檢查段與段之間頂、底板、縱腹板的接口是否存在錯口、錯邊現象；檢查U肋高強螺栓接口匹配情況，要求高強螺栓穿孔率100%。預拼后，對每段兩節之間、段與段之間劃上定位點，打上定位點，現場施工按照定位點線進行組裝。
    現場頂、底板接口采用單面坡口，背面采用陶瓷焊接襯墊，正面二氧化碳打底、埋弧焊蓋面的單面焊雙面成型工藝。焊接順序為：底板焊接→頂板焊接→縱腹板焊接→底板U肋嵌補段焊接→邊側腹板焊接，同時遵循從中間向兩側、多作業面對稱施焊的原則。工地施工嚴格控制焊接程序，適時監控橋體線形，確保成橋線形符合設計和規范要求。
    3.2 拱鋼箱制造
    （1）單元件制造
    拱的零件包括頂板、底板、隔板、腹板，縱向T型加筋肋。隔板開孔，縱向T型加筋肋穿過隔板全拱通長。制造過程中，為控制和便于調整單元件的變形，T型加筋肋和1/4隔板要先焊接在頂板、底板、腹板上，故拱分為頂板單元件、腹板單元件和底板單元件三部分（如圖10示意）。

    為不使現場兩段拱間接口出現環形焊縫，要求頂板、底板與腹板在分段接口處相互錯開250mm（圖11）。

    腹板采用數控編程切割，板邊的曲線符合拱的六次方程復雜曲線：

    1）板單元制作
    由于頂板寬度7040mm、腹板寬度為3800mm，運輸超寬。按照充分離用材料、盡量減少接縫的原則，工廠將鋼板排版下料，橫向焊縫工廠焊接，縱向焊縫運輸到現場后再焊接。板單元在工廠開完坡口、預拼后編號、打上定位點，如下圖示意（圖12）。

    板單元的接寬、接長焊縫均采用二氧化碳打底、背面碳弧氣刨清根、埋弧自動焊填充、蓋面的焊接工藝，焊縫質量等級Ⅰ級。
    2）單元件組焊
    單元件在工地專用胎架上組焊，腹板單元的制作胎架頂面為平面，頂、底板單元件的制作胎架頂面橫向平直、縱向曲線起拱，拱度與拱段的一致。以底板為例，制作順序為：底板上胎并與胎架固定，然后隔板與底板組焊，最后后T肋組焊（如圖13）。

    先焊接橫隔板，再焊接T肋，目的是橫隔板焊接完后可以制約T肋焊接過程造成的底板變形。調整好弧度的T肋按照劃線位置線穿過橫隔板預留孔，保證T肋與底板弧度吻合，如間隙過大，用火焰調整T肋，絕對不能用外力使底板弧度與T肋弧度吻合，調整后點焊固定，最后使用二氧化碳氣體保護焊焊接，T肋與底板焊縫的質量等級為Ⅱ級。底板單元焊接完成后，檢查橫向平直度和縱向的拱度，局部不符合采用火焰加熱調整平直度和拱度。頂板與腹板的制作方法相同，各單元件制作過程中，隔板的定位誤差控制在2mm之類。
    單元件的制作，頂底板、腹板在長度方向預留L/1000的余量、寬度方向預留4mm 的焊接收縮量，長度方向的余量在整段鋼箱制作完成實測后切除。單元件在制造、檢查過程中，主要測量板的長度、寬度和對角線，并用水平議測量標高以復核拱度。
    （2）拱鋼箱制造
    由于拱肋單段重量大，為確保胎具不下沉，胎具基礎采用200mm厚混凝土。為滿足拱肋線型的要求，根據實體放樣，胎具制作時設有預拱度。拱肋胎具采用I20、I25、[25型鋼搭設，長度按拱肋分段長度確定，樁位間距2000mm；寬度設置為7200mm，樁位間距3500mm，搭設高度500mm。
    拱的裝配順序如下：
    1）底板上胎：在胎具上放出底板控制線，將制作好的底板單元上胎，調整好底板位置，測量拱度符合起拱要求后，將底板與胎架進行固定（如圖14示意）。

    2）兩側腹板就位，將腹板單元吊裝到底板單元上，檢查腹板與底板的垂直度、截面寬度、隔板對接等情況，無誤后點固焊連接固定（如圖15示意）。

    3）頂板就位，將頂板單元吊裝就位，檢查腹板與底板的垂直度、鋼箱截面寬度、截面高度、截面對角線、鋼箱的長度、隔板對接情況、頂板的標高等，無誤后點固焊連接固定（如圖16示意）。

    4）拱的焊接
    組裝后，拱段制作的焊接主要是隔板對接口、4道主焊縫的焊接，坡口如圖17所示，焊縫質量等級為Ⅰ級，為了保證質量、減小焊接變形，施工中大量使用二氧化碳氣體保護焊和埋弧自動焊。焊接順序是先焊隔板焊縫，再依照分散對稱的原則焊接4道主焊縫。隔板對接焊縫采用二氧化碳氣體保護焊，背面碳弧氣刨清根的工藝。箱體主焊縫上面兩道為保證焊接質量，避免仰焊，采用加設鋼襯墊，二氧化碳打底、埋弧自動焊蓋面的工藝；下面兩道采用單面外側坡口，二氧化碳焊接，里側碳弧氣刨清根焊接的工藝。

    5）拱的檢查驗收
    由于拱不能預拼，采取精度管理的辦法控制制造的質量，拱段的檢查測量貫穿于整個制造過程。考慮到焊接收縮，組裝過程中，使鋼箱截面寬度+4mm、截面高度+2mm；焊接前、焊接過程中、焊接后分三次對鋼箱截面寬度、截面高度、截面對角線、鋼箱的長度、鋼箱拱度等進行測量和監控。鋼箱L/1000的余量實測后打點、劃線切除，并開設出現場接口的坡口，為吊裝焊接準備。
    6）拱的現場接口焊接
    按照專項方案搭設好臨時支撐體系后，進行拱的吊裝和現場接口焊接工作（圖18）。

    確認標高、拱軸線偏移、拱垂直度無誤后，進行接口固定、焊接。采用二氧化碳氣體保護焊，腹板開設外側坡口，里側清根；頂、底板為避免仰焊，采用單面坡口、背面加陶瓷襯墊的單面焊雙面成型的焊接工藝。接口焊接至焊縫深度的 2/3后，方可摘鉤，準備下一段的吊裝，以此類推完成后續各段的吊裝和焊接作業。由于高空作業，特制了施工吊籃，保證組裝、焊接施工的人員、設備安全，同時防風保證焊接質量。

    4.結語

    通過精心組織、精細管理、勇于創新，克服了技術要求高、加工量大、工期緊張、工地施工環境、氣候條件差、超大件運輸與吊裝等困難，優質高效地完成了本工程的制造和現場裝焊等工作，最后進行了錨箱、吊索的施工，如今，結構新穎別致，造型優美流暢的張家口清水河通泰大橋已經建成通車（如圖19）。本文主要對主橋、拱鋼箱的制造過程的關鍵工藝和施工方法進行了總結介紹，為類似結構的工程提供了一個可參考的成功實例。



    參考文獻：
    1.《建筑鋼結構施工手冊》中國鋼結構協會編著
    2.《建筑施工計算手冊》中國建筑工業出版社、江正榮編著
    3.《機械設計手冊》燃料化學工業出版社、聯合編寫組編著
    4.《工程測量規范》(GB 50023-95)
    5.《公路橋涵施工技術規范》(JTG 041-2000)
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