钢桁梁桥超细长箱型杆件研制技术及应用.pdf

Highways&Transportation in Inner Mongolia2023年第4期24内蒙古公路与运输文章编号：1 0 0 5-0 57 4-（2 0 2 3)0 4-0 0 2 4-0 5DOI:10.19332/ki.1005DOI:10.19332/ki.1005-0574.2023.04.006钢桁梁桥超细长箱型杆件研制技术及应用麦权想，向晋华（港珠澳大桥管理局，广东珠海519000)摘要：钢桁梁桥因刚度大、重量轻、施工简便等优势，成为钢结构桥梁的主要选择类型之一。随着桥梁宽度需求增加，钢桁梁桥杆件长度增大，形成了超细长复杂箱形杆件结构。超细长复杂箱形杆件整体节点大、连接关系复杂、零件拼板量大、熔透焊缝多、栓接孔群精度要求高，导致加工制作难度提升，质量控制要求也大大提高。为提升超细长复杂箱型杆件制造技术，完善质量控制，文章结合白洋长江公路大桥项目经验，分析其超细长箱型杆件制造技术、钻孔工艺及钢桁梁总成组装技术，应用成果可为类似钢结构桥梁工程提供经验参考。关键词：钢桁梁桥；超细长箱型杆件；制造技术；质量控制中图分类号：TU471.2文献标识码：BAbstract:Steel-truss-girder bridge is one of the main type of steel-structure bridge because of its large rigidity,light weight andsimple construction.With the increase of bridge width,the length of steel-truss-girder bridge bar increases,and a super-slender com-plex box bar structure appears.It is difficult to manufacture the super-slender complex box bar and control its quality due to largejoints,complex connections,large amount of panels,many penetration welds and high accuracy requirements of bolt-joint holes group.In order to improve the manufacturing technology of super-slender complex box bar and perfect the quality control,this paper analyzesthe manufacturing,drilling and steel truss assembling technique of super-slender complex box bar structure based on the project ex-perience of Baiyang Yangtze River Highway Bridge.The research results can provide empirical reference for further construction workin similar steel-structure bridges.Key words:steel-truss-girder bridge,super-slender complex box bar,manufacturing technology,quality control0引言钢桁梁桥是以桁架作为上部主要承重构件的桥梁，是钢结构桥梁的主要类型之一，由于架桥为空腹结构，具有刚度大、重量轻等优点，在铁路桥和公铁两用桥上的应用均非常广泛.2 。随着经济发展，桥梁宽度需求增加，为保证钢桁梁桥的适用性和经济性，杆件长度不断增大,形成了超细长复杂箱形杆件 3.4。当前，国内外超细长箱型杆件(主杆件超3 0 m长,截面在7 0 0 mm700mm以下）钢桁梁桥应用以白洋长江公路大桥钢桁梁最为成熟 5-7 ,该项目通过对超细长箱型杆件制造技术、钻孔工艺及钢桁梁总成组装技术进行针对性研究和设计，有效解决了细长箱形杆件整体节点大、连接关系复杂、零件拼板量大、熔透焊缝多、栓接孔群精度要求高、整体加工制作难度大等问题，实现了先孔法施工（即杆件及连接板在涂装前均钻孔加工完成)在节段总拼上各螺栓连接通孔率1 0 0%的结果，有效提高了超细长箱型杆件钢桁梁的制造质量、效率及经济性，为后续同类型钢桁梁的施工提供了重要参考价值。1工程概况白洋长江公路大桥位于湖北省宜昌市境内，桥址位于长江中游宜昌至枝城河段。桥梁主跨为1 0 0 0 m双塔单跨钢梁悬索桥，主缆矢跨比1/9,主桥钢桁梁用钢量1.44万吨，主要由主桁架、横向桁架、桥面钢纵梁和上下平联组成。钢桁梁在主桁上弦杆端节点处设置竖向塔连杆，全桥共计4个。组合梁桥面系由钢桁梁横梁上弦杆顶面的多跨连续结构支撑，支点处设板式橡胶支座。桥梁截面如图1 所示。主桁架采用华伦式，横向共两片主桁，中心间距3 6 m，桁高7.5m。全桥钢加劲梁共划分为3 5个节段，梁段分为5种类型。主桁采用焊接整体节点式结构，由上弦杆、下弦杆及腹杆组成。主桁上、下弦杆均采用箱型截面，内高6 6 0 mm，内宽6 6 0 mm；板厚2 0 mm，节点处加厚作者简介：麦权想（1 9 8 7 一），男，广东鹤山人，大学本科，路桥工程师，研究方向：土木工程。总第1 9 6 期25麦权想等：钢桁梁桥超细长箱型杆件研制技术及应用至2 8 mm，上弦截面及下弦截面如图2、图3 所示，主桁腹杆均采用工字型截面。桥面钢纵梁上平联横向桁架主桁架下平联。图1桥梁截面（标准段）示意图660顶板整体节点腹板t-20t-20S681一底板=20358.2100图2主桁上弦杆截面（mm）6601280图3主桁下弦杆截面（mm）横向桁架也采用焊接整体节点式结构，由横梁上弦杆、横梁下弦杆及横梁腹杆组成，全桥主桁节间节点处均设有横向桁架。横梁上弦杆采用变高箱型截面，端部与主上弦整体节点等高，横梁腹杆均采用工字型截面。上、下横梁截面如图4所示。上、下平联布置采用K形支撑8,在端部及跨中适当加密，均采用箱形截面。下翼板与支座上的调平钢板采用焊接连接，调平钢板中心厚2 0 mm。_75_400_758101-2S692020504005020400-20(a）上弦横梁截面(b）下弦横梁截面图4上、下弦横梁截面（mm）2技术难点超细长箱型杆件钢桁梁制造的研究内容主要涉及三个方面：超细长箱型杆件的制造方案设计、超细长箱型杆件的钻孔工艺设计、钢桁梁总成组装技术的应用研究。2.1超细长箱型杆件的制造技术钢桁梁超长箱型杆件制造技术可分为弦杆和横梁两部分。杆件总体制造技术综合技术重难点如下：对于超细长箱形结构，盖板、腹板均需拼板接长，拼板质量、变形及外形尺寸需重点控制整体式节点与多个腹杆或横梁之间存在空间位置关系要求，其结构安装时机和精度控制是先孔法的关键。弦杆及横梁主角焊缝为8 0%坡口熔深焊缝，短接头部位采用熔透角焊缝，箱型杆件组装后，焊接应力较大,在细长结构中容易出现扭曲等难以矫正的情况,因此控制杆件装焊精度是关键要点2.2超细长箱型杆件的钻孔超细长箱型杆件的钻孔工艺综合技术重难点如下：对于超细长箱形结构，孔群是空间结构重要连接形式，因此孔群加工方案和精度控制是影响先孔法效果的关键因素孔群加工完成后的检测，因杆件较长，且孔群关系复杂，测量孔群位置关系较为困难。弦杆及横梁有各种连接短接头，短接头上的螺栓孔均已完成，其定位组装精度及变形控制是本项目的关注重点。2.3超细长箱型杆件钢桁梁的总成组装技术超细长箱型杆件钢桁梁总成组装技术综合重难点如下：在钢桁梁总装前先将超细长杆件组装成大尺寸Highways&Transportation in Inner Mongolia2023年第4期26内蒙古公路与运输片桁结构，如何保证其外形尺寸及环口栓接孔的位置精度是控制重点。如何使组装成大尺寸的片构件（已涂装）实现无损翻身及吊运是本项目的关注重点。片桁上总成胎架定位涉及复杂结构，需精准测控，测量方案是关键要点，受环境影响，纵横向线性高度及垂直度应重点控制。钢桁梁节段尺寸大，重量较大，需选择合适的设备进行转运，并设计专用吊具，配合吊装上船。3超细长箱型杆件研制关键技术3.1超细长箱型杆件制造技术弦杆制造可细化为上弦杆和下弦杆两部分，横梁制造可分为上、下横梁两部分。根据上述结构形式及特点，上弦杆采用反造法组装，下弦杆和下横梁采用正造法组装。反造法是利用组装平台加千斤顶进行装配，将结构顶板置于平台上作为基准面，以纵向中心线为基准划线组装横隔板，再安装内外腹板，焊接横隔板角焊缝，最后安装底板，焊接箱体四周角焊缝，其中上弦杆需翻身焊接，上横梁整体焊缝。制造完成的杆件探伤合格后，在组装平台上进行校正，在检测平台上复核并二次修整基准线及端口线，在专用钻孔模箱上对齐杆件基准线并配钻定位孔，后再用平面模板及C/L型模板完成杆件孔群的加工，再利用杆件结构孔群及短接头连接工装安装斜腹杆及平联短接头，其中上弦杆在吊索耳板处整体镗吊杆孔，最后进行端口余量及手孔切割。正装法是利用组装平台加千斤顶进行装配，将结构底板置于平台上作为基准面，其中上横梁是带坡度的基准面,以纵向中心线及节点中心线为基准划线组装横隔板，然后安装两侧腹板，焊接横隔板角焊缝，最后安装顶板，可整体焊接箱体四周角焊缝。后续探伤、校正、二次划线、配合专用钻孔模箱钻定位孔、利用模板钻孔群、安装短接头、切割手孔及余量与反造法是一致的。3.2超细长箱型杆件钻孔工艺设计超细长箱型杆件钻孔工艺包括整体钻孔模箱、钻孔转化工装、短接头连接工装三部分。由于杆件加工尺寸和长度远大于三维钻床设备的行程，杆件节点数量多，空间螺栓孔群精度控制及检查难度较大。为解决此类问题，白洋长江公路大桥项目研究并提出了一种能适用于各种超长杆件的钻孔方法，即整体钻孔模箱法。该方法是根据杆件的特点设计一组钻孔模箱，每组钻孔模箱的孔群采用三维钻床钻样孔及组装基准孔，样孔上镶嵌钻套，再将几组模箱组装到基座上,对齐基准孔调整后将模箱与基座焊接固定，形成超长杆件钻孔模箱，利用模箱定位及配孔功能快速地完成超长杆件的定位孔钻孔，并结合平面模板及冲钉完成定位孔处螺栓孔群的加工。对于杆件上其他未钻孔群面采用L形或C形钻孔转换工装进行钻孔，L形或C形钻孔工装是根据结构尺寸及采用钻孔模箱完成的孔群为基准进行设计，利用孔群空间关系精确配钻其他面的螺栓孔。对于杆件上的各种构造短接头，为控制短接头上的孔群位置，设计了连接工装包括弦杆内的横梁、腹杆及平联短接头的连接定位工装，横梁内的腹杆及平联短接头的连接定位工装。专用工装的使用，有效解决了空间孔群精度及各短接头定位连接的问题，从而加快了杆件的制造效率。3.3超细长箱型杆件钢桁梁总成组装技术钢桁梁片桁施工平台应符合设计线形要求，且在环口处设计连接模板，控制片桁端头的精度。钢桁梁总成组装工艺包括主弦片桁、横梁片桁及节段制造三部分。在拼装区内指定位置摆放胎架并固定。划地样，标记定位坐标点。定位时，上弦杆或上横梁定位应调整杆件位置至设计尺寸，端头用临时螺栓与胎架固定，防止在试拼过程中发生位移。下弦杆、腹杆及下横梁定位时，调整杆件位置并固定。所有杆件定位完成后，按要求测量整体尺寸，试装拼接板，检查螺栓孔通孔率。检验合格后，分拆下胎,转下道工序。节段拼装时，在指定场地布置胎架，根据监控线形设置标高,并与地面固定,刻划地标定位点。将一侧主桁立面预置上胎，对合定位地标点定位，并与临时反力架固结，防止倾倒。加劲桁梁横断面杆件与主桁立面杆件上胎用工装螺栓和冲钉定位并临时栓接，另一侧主桁立面杆件上胎定位，用工装螺栓和冲钉定位并临时栓接。上、下平联杆件、组合梁钢纵梁上胎定位，采用工装螺栓和冲钉定位并临时栓接，安装节段内的附属构件。4超细长箱形杆件施工技术和质量控制4.1技术控制钢桁梁杆件、片桁及小节段施工过程中，为保证从总第19 6 期27麦权想等：钢桁梁桥超细长箱型杆件研制技术及应用杆件到总成的全过程基本实现10 0%的通孔率及无损制造，需严格执行全先孔法栓接和无损制造的施工工艺，并通过对首轮钢梁总成各项制造尺寸检测，控制精度满足质量要求。全先孔法栓接接触施工工艺如下所述。杆件零件拼板控制根据上下弦杆与上下横梁的结构特点，上下弦杆的节点腹板划线后采用机加工处理余量和过渡坡口；嵌人式的顶底板宽度上进行整体机加工，用于控制杆件组装质量；横隔板四周进行机加工，用于控制箱体扭曲；下弦底板各节间增加焊接收缩量。上下横梁的顶底腹板板厚相同，上横梁顶腹板和下横梁底腹板均选用3拼1的划分方式，嵌入式的顶底板和横隔板均进行机加工。此外，横梁的腹板只有一侧开制坡口，容易产生旁弯，在专用的线性平台上进行零件矫正。因矫正导致的零件收缩对超细长的零件拼板质量控制有较大影响，需对首批零件的下料精度及校正收缩量进行大量的数据收集，对施工工艺参数进行优化调整，以控制拼板质量，减少应力。杆件的组焊控制。为保证杆件装配的直线度，实现零件快速定位，控制杆件焊后变形。白洋长江公路大桥项目借鉴箱型杆件组装机的原理，设计了组焊一体胎架（如图5所示），用于标准杆件的快速装焊。为控制焊接变形，选用焊接热输入量小的CO,气体保护焊，在焊接顺序上，主角焊缝应从中间往两侧对称施焊，并采用侧向限位控制焊接变形。焊接后杆件在解除各向约束的情况下，若初始扭曲值不大于6 mm，则证实了此方法能较好地解决超细长杆件扭曲变形的难题。弦杆及横梁的组装、焊接、校正均在组焊一体施工平台上实施，火焰校正后刻划杆件中心线，检验合格的杆件才可转入后续工序杆件的划线控制。弦杆和横梁在专用平台上划线，根据杆件上已有的中心线及节点线进行二次校正，用激光经纬仪和划针对杆件划线，包括各钻孔节点处中心线、杆件中心线、端口余量等。杆件的钻孔控制白洋长江公路大桥项目自主研制的整体钻孔模箱，将模箱与下部连接型钢形成整体，保证温度收缩的一致性。杆件定位需对齐模箱定位线及其上面的模板，采用磁力钻钻取腹板两侧定位通孔，而后在钻孔区域用平面模板进行钻孔。弦杆及横梁的顶底板上螺栓孔采用C/L形钻孔模板进行钻孔，该技术共涉及15种转换钻孔，40 种平面模板。杆件的短接头安装控制弦杆和横梁的短接头安装共设计了8 种转换接头，A-A333322222222BB1607007001000700700100070070010007007002409000B-B1607007001000700700100070070010007007009000图5组焊一体工装结构图转换接头包括弦杆腹杆、横梁腹板、横梁短接头、平联短接头等类型，实现了快速定位，且在节段总成中得到了检验，螺栓通孔率10 0%。片桁杆件的控制。主桁片桁及横梁片桁在支撑墩上采用正造法，支撑墩的模板上采用透明橡胶垫进行涂层保护，杆件端头设有定位工装，用于控制杆件的对角线尺寸。上下弦杆和上下横梁对端口尺寸及地标进行定位，再安装竖杆及斜杆，用冲顶及工装螺栓固定，在检查片桁的线性后，严格按图纸及施工流程进行高强螺栓施工。Highways&Transportation in Inner Mongolia2023年第4期28内蒙古公路与运输4.2质量控制箱形杆件为全桥主要受力构件，其制孔精度和整体节点的焊接质量是本项目关键所在，因此，制造质量控制是本桥结构质量把关的重中之重。4.2.1板料及部件精度控制整体节点板的精度控制整体节点板由数控等离子或火焰切割机按封闭线非共边下料法下料，矩形板由多头数控火焰切割机下料。为保证整体节点板节间距的准确性，只在矩形板上预留收缩量。为保证对接边与系统线垂直度及竖腹板的直线度，采用机加工方式开制对接坡口及过渡坡口。对接缝选用坡口钝边4mm6mm组装顶紧焊接反面清根熔透焊的焊接工艺。焊接时采用预反变形分次翻面分层多道的方法，并通过焊前预热、层间控温、规范引熄弧板等措施，保证焊接质量、减小焊接变形，从而保证板料接长时的节间距长度。内隔板加工精度控制内隔板为箱形杆件的内胎，加工尺寸的精度直接影响杆件组装的精度。隔板在下料后，四边都需要进行铣边，且同一批次加工的隔板需要在同一边缘做好标记，在组装时，同一边缘方向要一致，避免杆件产生扭曲。板料接长精度控制腹板或盖板接长时，需要保证各零件的中心线重合，以保证装配精度，焊接时，尽量采用埋弧自动焊，焊后对其进行机械矫正并修正中心线4.2.2组装工序质量控制工艺措施。针对上弦杆的制造，已制定了详细的制造技术步骤和组装加工工艺规程，对每一步焊前焊后尺寸进行标注和检测整体节点板内宽控制为确保腹杆插入顺利及栓接面的密贴，需要采取一定技术措施严格控制弦杆整体节点板插人部位的根部宽度尺寸。基于提高节点板处内撑板插入部位的装配精度的原则，对隔板及节点内撑板的边缘进行加工，收窄宽度公差带5成果应用及成效通过对长度超30 m的超细长带空间接头箱型杆件制造技术的研究，白洋长江公路大桥将常规分节组装工艺调整为一体成型技术，研究组装控制杆件定位、装配顺序、节点尺寸缩放、焊接工艺及顺序等参数，有效解决了超细长杆件制造难题，提高了接头定位精度，实现了控制超细长杆件初次成型变形在6 mm内的优异质量，在类似的钢桁梁杆件制造中得到应用。根据超30 m细长箱型杆件带空间接头的钻孔工艺设计方案，研发了一种组合式整体钻孔模箱，有效解决了超细长杆件孔群精度定位问题及孔距测量问题，配合研发了多种平面C/L型转化模板解决空间接头钻孔问题，极大地提高了施工效率，更好地保证了产品质量。结合长30 m、宽37.5m、高8.7 m、重约450 t（单个节段)的超细长箱型杆件钢桁梁制造总成工艺流程分析，将节段分成2 块30 m8.7m的主桁和4块34m8.7m的横梁片桁进行制造与控制、再在长18 0 m的线形胎架上采用“5+1”方式进行节段匹配与总装制造，实现了全桥杆件间近百万个螺栓孔连接通孔率10 0%6结语结合白洋长江公路大桥钢架桥梁的工程实例，对超细长箱型杆件制造技术、钻孔工艺及超细长箱型杆件钢桁梁总成组装进行了技术研发和实践研究，取得了良好的应用成果。该项目的技术应用实现了超细长杆件先孔法技术施工的突破，提升了钢桁架的制造技术能力，填补了超细长大型钢桁梁施工的空白，为今后大型钢桁梁制造提供了丰富的经验支持，为钢结构制造行业的进步做出了重要贡献。参考文献1刘锦.钢桁梁桥结构安全性分析 J.公路交通技术，2 0 16,32(5)：56-6 0.2郭明泉，魏晓江.跨线铁路钢桁梁拖拉施工技术 J.广东公路交通，2 0 14(01):46-50.3卢丽群.钢桁梁桥施工的力学特性研究 .西部交通科技，2 0 2 1（0 1：117-120.4尚宪超.钢桁梁桥节点的力学性能分析 D.南京：东南大学,2 0 2 0.5寇海平，陈伟.白洋长江公路大桥索塔超低下横梁施工技术 .建筑技术开发,2 0 2 1,48(2)：17-18.6舒江，刘琪，彭元诚.白洋长江公路大桥主桥设计 J.桥梁建设，2 0 19,49(1):77-82.7肖安斌,陈伟，邓亨长，等.湖北白洋长江公路大桥施工关键技术 J公路,2 0 2 1,6 6(9):2 19-2 2 5.8李琛.钢桁架桥梁X形、K形鸟嘴式焊接节点的疲劳性能研究 D.上海：上海交通大学，2 0 19.收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 8