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      1. 張家口外環(huán)線清水河通泰大橋制造工藝

        作者:建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
        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(jié)構(gòu)特點(diǎn),對單元件制造、鋼箱組裝、焊接以及工地焊接等方面進(jìn)行了闡述。
          關(guān)鍵詞:鋼箱梁 拱 單元件 組裝 焊接

          1.工程概況
          張家口外環(huán)線清水河通泰大橋是一座下承式鋼結(jié)構(gòu)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(zhì)均為Q345E,工程鋼結(jié)構(gòu)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(shè)縱坡,設(shè)置雙向2%的橫坡,主梁跨中設(shè)200mm預(yù)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(nèi)設(shè)置四道中縱腹板,厚度12mm(在支座前后各3m范圍內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)間距為3m,中縱腹板和橫隔板上設(shè)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(nèi)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(diǎn)處橫隔板厚30mm,無吊點(diǎn)處橫隔板厚12mm。
          主梁、拱通過錨箱、吊索連接。

          2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)構(gòu)。除頂板U肋在段與段間安裝現(xiàn)場采用高強(qiáng)螺栓連接外,所有工廠和現(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(jié)共計130節(jié)(如圖3示意)。

          分段接口徑向布置,節(jié)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(xiàn)。
          2.2 拱鋼箱
          拱制作過程中,兩側(cè)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(jié)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(gòu)件翻轉(zhuǎn)、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(yù)拼裝。單段制造過程,由于運(yùn)輸限制,采取工廠制造單元件、現(xiàn)場組裝焊接的方法。

          3 關(guān)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(yán)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(guān)鍵,尤其是頂板U肋,現(xiàn)場采用的是高強(qiáng)螺栓連接,段與段的U肋定位、螺栓孔間距直接影響現(xiàn)場高強(qiáng)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(shù)控切割機(jī);U肋的單段下料采用數(shù)控帶鋸精確切割,專用胎架樣板鉆孔,確保孔群的精度。統(tǒng)一以橋梁中心線為基準(zhǔn),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(xiàn)象,采取U肋與頂、底板之間焊縫兩端頭各預(yù)留300mm不焊,待段與段預(yù)拼裝接口調(diào)平順后再行焊接的措施。
          頂?shù)装錟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(shè)計熔深為U肋板厚的80%,用二氧化碳?xì)獗:笇S眯≤囀┖?,焊接時重點(diǎn)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(shù)。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(qiáng)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(shù)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(cè)有眾多豎向、橫向加筋肋(如圖6示意),焊接變形控制是關(guān)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(zhì)量,減少焊接變形。

          (3)梁段制造
          1)胎架搭設(shè)
          梁段制造過程中,采取以底板單元為制作基面進(jìn)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(jīng)緯儀、全站儀等儀器測量軸線、標(biāo)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(jìn)行檢查驗收,符合質(zhì)量要求后進(jìn)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(biāo)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(diǎn))。

          預(yù)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(xiàn)象;檢查U肋高強(qiáng)螺栓接口匹配情況,要求高強(qiáng)螺栓穿孔率100%。預(yù)拼后,對每段兩節(jié)之間、段與段之間劃上定位點(diǎn),打上定位點(diǎn),現(xiàn)場施工按照定位點(diǎn)線進(jìn)行組裝。
          現(xiàn)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(bǔ)段焊接→邊側(cè)腹板焊接,同時遵循從中間向兩側(cè)、多作業(yè)面對稱施焊的原則。工地施工嚴(yán)格控制焊接程序,適時監(jiān)控橋體線形,確保成橋線形符合設(shè)計和規(guī)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(diào)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(xiàn)場兩段拱間接口出現(xiàn)環(huán)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(shù)控編程切割,板邊的曲線符合拱的六次方程復(fù)雜曲線:

          1)板單元制作
          由于頂板寬度7040mm、腹板寬度為3800mm,運(yùn)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(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后再焊接。板單元在工廠開完坡口、預(yù)拼后編號、打上定位點(diǎn),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(zhì)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(diào)整好弧度的T肋按照劃線位置線穿過橫隔板預(yù)留孔,保證T肋與底板弧度吻合,如間隙過大,用火焰調(diào)整T肋,絕對不能用外力使底板弧度與T肋弧度吻合,調(diào)整后點(diǎn)焊固定,最后使用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接,T肋與底板焊縫的質(zhì)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(diào)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?shù)装?、腹板在長度方向預(yù)留L/1000的余量、寬度方向預(yù)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(biāo)高以復(fù)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(chǔ)采用200mm厚混凝土。為滿足拱肋線型的要求,根據(jù)實體放樣,胎具制作時設(shè)有預(yù)拱度。拱肋胎具采用I20、I25、[25型鋼搭設(shè),長度按拱肋分段長度確定,樁位間距2000mm;寬度設(shè)置為7200mm,樁位間距3500mm,搭設(shè)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(diào)整好底板位置,測量拱度符合起拱要求后,將底板與胎架進(jìn)行固定(如圖14示意)。

          2)兩側(cè)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(diǎn)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(biāo)高等,無誤后點(diǎn)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(zhì)量等級為Ⅰ級,為了保證質(zhì)量、減小焊接變形,施工中大量使用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)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?xì)怏w保護(hù)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(zhì)量,避免仰焊,采用加設(shè)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(cè)坡口,二氧化碳焊接,里側(cè)碳弧氣刨清根焊接的工藝。

          5)拱的檢查驗收
          由于拱不能預(yù)拼,采取精度管理的辦法控制制造的質(zhì)量,拱段的檢查測量貫穿于整個制造過程??紤]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(jìn)行測量和監(jiān)控。鋼箱L/1000的余量實測后打點(diǎn)、劃線切除,并開設(shè)出現(xiàn)場接口的坡口,為吊裝焊接準(zhǔn)備。
          6)拱的現(xiàn)場接口焊接
          按照專項方案搭設(shè)好臨時支撐體系后,進(jìn)行拱的吊裝和現(xiàn)場接口焊接工作(圖18)。

          確認(rèn)標(biāo)高、拱軸線偏移、拱垂直度無誤后,進(jìn)行接口固定、焊接。采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊,腹板開設(shè)外側(cè)坡口,里側(cè)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(zhǔn)備下一段的吊裝,以此類推完成后續(xù)各段的吊裝和焊接作業(yè)。由于高空作業(yè),特制了施工吊籃,保證組裝、焊接施工的人員、設(shè)備安全,同時防風(fēng)保證焊接質(zhì)量。

          4.結(jié)語

          通過精心組織、精細(xì)管理、勇于創(chuàng)新,克服了技術(shù)要求高、加工量大、工期緊張、工地施工環(huán)境、氣候條件差、超大件運(yùn)輸與吊裝等困難,優(yōu)質(zhì)高效地完成了本工程的制造和現(xiàn)場裝焊等工作,最后進(jìn)行了錨箱、吊索的施工,如今,結(jié)構(gòu)新穎別致,造型優(yōu)美流暢的張家口清水河通泰大橋已經(jīng)建成通車(如圖19)。本文主要對主橋、拱鋼箱的制造過程的關(guān)鍵工藝和施工方法進(jìn)行了總結(jié)介紹,為類似結(jié)構(gòu)的工程提供了一個可參考的成功實例。



          參考文獻(xiàn):
          1.《建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊》中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會編著
          2.《建筑施工計算手冊》中國建筑工業(yè)出版社、江正榮編著
          3.《機(jī)械設(shè)計手冊》燃料化學(xué)工業(yè)出版社、聯(lián)合編寫組編著
          4.《工程測量規(guī)范》(GB 50023-95)
          5.《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG 041-2000)
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