黄茅海大桥钢箱梁制作关键技术研究.pdf

：黄茅海大桥钢箱梁制作关键技术研究收稿日期：作者简介：李西亮（），男，工程师，从事钢结构桥梁工程技术工作李西亮（中铁宝桥集团有限公司，陕西 宝鸡 ）摘要：黄茅海大桥作为大湾区跨海跨江通道的重要组成部分，具有重要意义。介绍了黄茅海大桥钢箱梁的工程概况和结构特点，分析了黄茅海大桥分体式钢箱梁制作难点，对黄茅海大桥分体式钢箱梁各类型板单元的制作和节段总拼的工艺进行了详细阐述，对制作过程中采用的关键技术与措施进行了总结。关键词：黄茅海大桥；分体式钢箱梁；板单元制作；节段总拼中图分类号：文献标识码：文章编号：（）工程概况黄茅海跨海通道项目东连港珠澳大桥，西接西部沿海高速，是组成粤港澳大湾区的重要跨海通道，路线全长 ，设计时速 。与港珠澳大桥、深中通道、南沙大桥、虎门大桥，共同组成大湾区跨海跨江通道群，形成世界级交通枢纽。黄茅海大桥是黄茅海跨海通道的重要组成部分，项目位于珠海市境内。黄茅海大桥主桥长 ，桥梁设计为（）的独柱塔双索面三塔斜拉桥，竖向采用全漂浮约束体系。桥梁主体为分体式钢箱梁结构，高跨比为 ，边中跨比为 ，满足通航要求。钢箱梁分为 类 个梁段。中跨和两侧边跨各设置 个合龙段，中跨合龙段长度 ，边跨合龙段长度 ，标准梁段长度 ，结构主体采用 钢材，桥梁总重约 万 。黄茅海大桥桥型布置图见图 。?结构设计黄茅海大桥主桥采用分体式钢箱梁结构，钢箱梁节段由两个边侧钢箱梁及一个横向连接箱组成（见图 ）。分体式钢箱梁具有自重轻、抗扭抗弯强、抗风稳定性好等优点，在大跨径桥梁中应用广泛。黄茅海大桥横向连接箱顶部设计无横坡，两侧边箱沿箱梁与横向连接箱分界线向边侧设置 横坡。纵向设计线形为两侧边索塔区为 纵坡，中索塔区两侧各 范围为 连续圆弧曲线。?钢箱梁梁高 ，两侧拉索锚固中心横向间距 ，单侧顶板宽 ，风嘴宽 ，平底板宽 ，外侧斜底板宽 ，内侧斜底板宽 ，实腹式横隔板间距 。钢箱梁通长设置内腹板及外腹板，斜拉索锚箱设置在外腹板外缘。每个拉索位置对应横断面处设置横向连接箱，横向连接箱宽 ，高 。钢箱梁除顶板 肋和板肋采用高强度螺栓连接外，钢箱梁环缝及横向连接箱与边箱接口均采用焊接连接。制作难点分析）钢桥面板制作质量控制。为有效控制钢箱梁运行过程中在 肋与面板之间焊缝、纵横肋交叉的弧形缺口处出现疲劳裂纹，桥梁顶板 肋焊缝设计为内外双面焊接，要求外侧检测熔深不小于板厚的 ，钢桥面板 肋焊接质量控制是重中之重。）锚腹板制作精度控制。斜拉索设计为空间三向索，钢箱梁斜拉索锚箱设置于腹板外侧，与钢箱梁外腹板共同构成锚腹板单元，角度关系复杂，其精度关系到钢箱梁与斜拉索的安装，是保证钢箱梁桥位安装精度的关键。）分体式钢箱梁节段制作精度及线形控制。钢箱梁横截面尺寸大，单个节段设置一个横向连接箱，位于钢箱第 卷 第 期年 月 山西建筑 梁端部约 处，节段横向刚度小，焊接量和焊接变形大，如何保证钢箱梁节段截面尺寸和纵向线形及横坡是关键。）下稳定板的变形控制。下稳定板为薄板工型结构，兼有检查小车下轨道功能，其对变形控制要求高。两侧下稳定板平行设置，横向无连接，刚度弱。下稳定板与横向连接箱悬挑连接，吊运过程中稳定性差，易产生下挠和侧弯，影响吊运安全和桥位连接精度。制作工艺黄茅海大桥钢箱梁制作采用“钢板预处理零件加工板单元制作总拼（预拼装）桥位连接”的总体工艺流程进行，即钢板预处理完成后进行各类零件下料和加工，再制作板单元，然后分梯次总拼成钢箱梁节段，同步在总拼胎架上进行节段预拼装，最后解体完成节段打砂涂装 。根据钢箱梁结构特点，结合钢材加工能力、运输特点、钢箱梁加工工艺、轮载等因素对钢箱梁进行制作分块。钢箱梁单幅顶板横向分为 块，底板横向分为 块，隔板横向分为 块，风嘴与横向连接箱单独制作，同时对塔区超长节段 （），（）梁段进行纵向分块。钢箱梁分块见图 ，图 。?顶、底板单元制作工艺顶、底板单元由面板、形肋（板条肋）、隔板接板等零件组成，宽度 之间，是钢箱梁的主要构件。为控制板单元精度，减少焊接变形对板单元尺寸影响，顶、底板单元均采用二次切边工艺，即下料时预留二次配切工艺量，板单元组焊并修整完成后仅切割基准端预留工艺量，总拼完成后再进行二次配切端的切割，以保证钢箱梁节段接口尺寸和环缝间隙精度。顶、底板单元从下料到完成制作全程在智能生产线完成，通过数控激光划线机、板单元自动组装定位机、肋板单元矫正机等智能化设备的使用，极大提高了板单元的制作质量和效率（见图 ）。顶板单元采用 肋内外埋弧焊专机从工艺上保证焊缝设计熔深要求，并采用超声波相控阵检测技术验证 肋焊缝熔深。底板单元 肋设计为单面贴角焊缝，采用门式多电极焊接专机在专用船型反变形焊接胎架上完成焊接。?腹板单元制作工艺腹板单元分为内、外腹板单元，由纵肋、接头板等组成，采用长度方向二次配切工艺：零件数控下料完成后，在组焊平台上完成板单元组焊工作，拼装过程中控制接头位置、板肋垂直度等项点，焊后矫正焊接变形并修正基线后，划线切割基准侧短边和坡口。锚腹板单元制作工艺锚腹板单元由外腹板单元和锚箱单元组成，采用“外腹板单元 锚箱单元 锚垫板”的工艺：在制作完成并检验合格的外腹板单元上划线依次组焊锚箱单元、锚垫板，严格控制锚箱组装精度，焊后修整焊接变形，最后切割基准端预留量，完成锚腹板单元的制作。由于锚箱与腹板间焊缝均为厚板熔透焊缝，局部焊缝密集，因此焊接过程中需采取有效措施减小焊接变形，以保证锚腹板的整体制作精度。锚箱单元制作工艺（如图 所示）如下：）钢板预处理后数控精切下料，下料时预留工艺量。对承压板与锚垫板接触面、加劲板磨光顶紧焊接边等位置进行机加工。?）在组装平台上划线依次组焊锚拉板、承压板、外侧加劲板，严格控制磨光顶紧边组装间隙。）火焰修整焊接变形，控制锚拉板与承压板垂直度、锚拉板板边直线度。横隔板单元制作工艺钢箱梁隔板横向划分为 块，边侧两块以接板形式组焊到腹板单元上，中间 块单独制作。隔板单元由隔板、横向加劲、竖向加劲等部分组成。零件预留一定工艺量，数控精切下料后在平台上完成划线和组装定位，利用第 卷 第 期年 月 李西亮：黄茅海大桥钢箱梁制作关键技术研究焊接机器人完成焊接，探伤合格后修整焊接变形完成隔板单元制作。由于隔板厚度主要为 和 薄板结构，且加劲肋为单侧设置，焊接变形较大，需采取必要的工艺措施有效控制隔板单元平面度。抗风构造制作工艺抗风构造主要有水平隔涡板和中央稳定板，由薄壁面板及加劲板组成，结构简单，其制作工艺与隔板类似。横向连接箱制作工艺横向连接箱为大截面箱型构造，主要由顶板、底板、腹板、隔板单元和横向连接箱接头等部分组成，板单元的制作工艺与钢箱梁板单元类似。横向连接箱主要采用“定位底板组立隔板组装腹板组装顶板”的工艺完成组焊（见图 ），检验合格后根据横坡预设工艺量配切两端头接口。?风嘴制作工艺风嘴由顶板、斜顶板、底板、隔板单元组成，为槽型结构，板单元的制作工艺与钢箱梁板单元类似。风嘴截面为不规则四边形，在专用组装胎架上采用“定位底板组立隔板组装斜顶板组装顶板”的工艺完成（见图 ），需重点控制风嘴旁弯、扭曲、锚管孔位精度等项点。?钢箱梁总拼钢箱梁总拼采用“”节段立体、阶梯推进的方式整体进行，同步进行预拼装，每轮次设置一个复位段（见图 ）。具体工艺如下：?底板单元定位：全面检测总拼胎架纵横线形，各检测项点符合图纸要求后以测量塔为基准，按规定次序依次铺设底板单元，控制纵基线与测量塔距离。内侧斜底板单元铺设前需先定位组装横向连接箱接头，保证接头中心位置精度。检测底板单元纵横基线位置和控制点标高并进行精调，符合要求后将底板单元与胎架进行定位焊接。横隔板单元定位：以底板上纵、横基线和隔板位置线为基准依次组立定位横隔板，控制隔板垂直度、纵横向位置偏差等项点符合规范要求后进行定位焊接，并设置临时斜撑进行稳固。腹板单元定位：以底板上纵、横基线和腹板位置线为基准分别组装内腹板、锚腹板单元，利用内、外侧测量塔辅助腹板单元进行精调，控制横隔板接头与隔板错台、锚点位置、腹板单元竖向角度偏差等重要项点符合规范要求。顶板单元定位：以纵、横基线为基准按照规定次序依次组装顶板单元，并根据线形、横坡进行微调，各控制点标高检测合格后码固定位。风嘴定位：以钢箱梁纵横基线为基准，吊装风嘴，严格控制风嘴纵向位置，确保锚管位置精度。横向连接箱定位：以横基线为基准组装横向连接箱，注意控制横向连接箱箱口与横向连接箱接头错台，符合要求后组装接口嵌补段并定位焊接。抗风构造定位：以纵横基线为基准，组装水平隔涡板和中央稳定板。为保证下稳定板稳定性，避免下挠，用型钢对其设置横向临时支撑，增强其整体刚度。检测组装定位等项点符合要求后进行定位焊接。焊接与修整：按照工艺进行焊接，焊缝探伤检测合格后修整焊接变形。接口匹配：全面检测预拼长度、纵向线形、横坡、锚固定位点位置及钢箱梁节段尺寸，并进行调整，检查并修整节段接口间隙、错台，各项点均检测合格后安装匹配件并解体出胎，移交打砂涂装。关键技术与措施 钢箱梁精度控制技术）由于斜拉索设计为空间三向索，钢箱梁锚箱角度定位关系复杂。为此，利用 软件进行三维建模，结合制造线形对锚箱等关键结构进行精准放样，根据转换的二维图纸确定零件下料轮廓，保证零件尺寸精度。）顶板纵肋孔群精度控制：钢箱梁顶板 肋、板肋节段间为高强螺栓连接。为避免因施工误差过大而导致的高强螺栓孔群超差使桥位连接困难，拼接板采用“先孔法”与“后孔法”结合的工艺，即部分拼接板采用先孔法钻制两端全部孔群，其余部分则仅钻制一端头孔群，另一端头桥位测量后配钻。）设计专用组装胎架：根据锚箱、横向连接箱、风嘴等结构特点和尺寸分别设计专用组装胎架，对板单元组装定位进行精确控制。）横向预拱设置：钢箱梁制作时，横向连接箱横向水平放置，通过整体旋转两侧边箱设置 的横向预拱，抵消焊接反弹量和桥位施工载荷影响，保证了成桥后钢箱梁设计横坡 的验收要求（见图 ）。）纵向线形控制：钢箱梁纵向制造线形 设计线第 卷 第 期年 月山西建筑?形 桥梁恒载预拱 车道荷载预拱。根据分体式钢箱梁 截面特点和几何尺寸，设计制作专用总拼胎架。总拼胎架主体固定，横梁上设置活动牙板，牙板标高可根据钢箱梁底板纵向线形进行调整。根据高程控制点要求在钢箱梁顶板、底板上设置测量控制点，利用经纬仪测量辅助调整标高，保证钢箱梁总拼各阶段整体线形符合设计和规范要求。总拼线形和高程控制如图 所示。?）节段长度控制：板单元制作时以索塔为中心，远离索塔侧设置为配切端，板单元制作时预留配切工艺量。钢箱梁总拼后，根据梁段设计长度、弹性压缩量、焊接收缩、焊接间隙等计算配切量，按线进行钢箱梁节段环口的配切。）合龙段设置：为消除施工误差和温度影响，保证钢箱梁整体长度，根据架设方案，边、中跨各设置 处合龙段，全桥共设置合龙段 个。合龙段制作时预留充足配切量，根据桥位架设时测量的数据进行配切，保证合龙接口精准就位。测量监控措施结合钢箱梁截面尺寸大等特点，分幅设置外、中、内测量塔共个，与横向基线形成“六纵一横”测量网，配合板单元基线定位，控制各板单元、横向连接箱、风嘴等组装时的位置和标高（见图 ），以避免过程累计误差，保证节段制作精度。?焊接变形控制措施）设计合理的焊接接头坡口形式。根据接头构造形式、焊接空间，尽量采用金属填充量小、尺寸对称的坡口形式。）选用焊接线能量小的焊接方法。厚板焊缝采用多层多道焊接工艺；通过焊接试验选用合理焊接参数，减小焊接过程热输入。）采用焊接反变形措施，在反变形胎架上进行板单元焊接。）采用合理的焊接顺序和焊接方向，横向连接箱等箱型构件纵向主焊缝同方向焊接，隔板焊缝宜从中间向两边焊接。结语根据黄茅海大桥分体式钢箱梁结构特点，通过在板单元制作、节段总拼、线形控制等过程中结合智能生产设备和生产线，采取合理有效的工艺方法和质量控制措施，能保证钢箱梁节段的制作精度，满足钢箱梁验收质量的要求。同时，通过对黄茅海大桥分体式钢箱梁的制作工艺和关键技术的总结，也为同类型钢箱梁的制作积累了经验。参考文献：杨元录，曹园华 桃夭门大桥钢箱梁制造关键工艺及质量控制 钢结构，（）：，武黎明，刘伟，马增岗 芜湖长江公路二桥主桥钢箱梁制造关键技术与质量控制 公路交通科技（应用技术版），（）：谭敏刚 高架桥钢箱梁构造及制造工艺探讨 山西建筑，（）：徐亮 分体式钢箱梁组焊变形控制技术 钢结构，（）：（，）：，：；第 卷 第 期年 月 李西亮：黄茅海大桥钢箱梁制作关键技术研究