大跨度双层钢架桥梁制作工艺研究.pdf

87大跨度双层钢架桥梁制作工艺研究来淑梅刘郭周张博翔/中国电建市政建设集团有限公司【摘要】钢结构桥梁工程中，钢结构制作水平直接影响桥梁工程的整体质量和稳定性，鉴于工期较短，经常采用厂内单元制作和预拼装、工地现场大组装的方法。本文结合工程实例，阐述了钢结构桥梁制作和焊接变形控制技术，旨在提高钢结构桥梁制作水平。【关键词】双层钢架桥单元制作乍焊接腹杆1引言新建岐江河大桥的设计为双层钢梁柔性拱桥形式，一种梁与拱的组合结构，全长153m，主梁采用全焊接双层桁架。主桁采用三角形桁架，主桁上、下弦杆均采用箱形截面，主桁腹杆采用箱型、工字形两种截面，主桁节点采用焊接整体节点，主桁节点板板厚为446 0 m m。主桁各杆件与节点焊接连接，与横梁顶、底板焊接，腹板采用M24高强螺栓连接。桥面系采用大横梁十小横肋十纵梁的正交异型桥面板，节点处设大横梁，标准横梁间距为10.6 m，两横梁之间设小横肋，横肋采用变截面，标准节段两横梁之间设3道小横肋。钢桥面顶板厚为16 mm，采用U形加劲肋，钢桥面顶板与弦杆的顶板焊接，横梁腹板与弦杆腹板螺栓连接，底板与弦杆的底板焊接。钢桁架梁主要为栓焊结合形式连接，钢板较厚，焊接量大，容易导致焊接变形。施工技术也十分复杂，结构的拼装吊装难度极大。2双层钢架桥制作工艺流程考虑项目进度工期和经济性，采用工厂内单元制作、现场大段组装的施工方法，构件分段划分，最大限度减小现场工作量。分段制作的原则按照满足工厂加工制作、公路运输条件限制、现场安装起吊能力，确定划分方案，报设计方审批。单元构件划分见图1，主桥结构分段划分包括主桁上弦杆、腹杆、拱肋、桥面板及小横梁、小纵梁等。厂内制作流程：熟悉设计图纸计算建模节段划分单元件划分材料统计采购零部件放样下料单小横梁大横梁小纵梁上弦杆腹杆下弦杆上层桥面板下层桥面板图1单元构件划分元件制作焊接单元件质量检验分段总装胎架布置搭设桁架预拼桥面面板预拼节段总组焊焊接矫正和余量切割装配吊耳和布置测量点涂装防腐标记分段编号和方向标识及出厂日期包装运输。3桥梁加工制作关键技术3.1零件放样及下料采用计算机三维放样技术，用计算机辅助设计，建立三维模型，对各构件进行准确放样，绘制各构件零件详图，作为绘制下料套料图及数控编程的依据。根据制作工艺要求，通过模型采样拆解成单元，再将单元进一步拆解成零件。经计算机数学放样处理，获得零件下料的精确理论尺寸，再根据接头加工要求和焊接收缩量确定下料加工的工艺尺寸，下料工艺尺寸=理论尺寸十焊接收缩量十加工余量。模拟放样后，将精准制作技术运88路桥与市政工程用于整个施工过程，从而确保该工程结构的制作满足施工图样、合同文件及规范的技术要求，零件放样及下料流程见图2。熟悉设计图工艺性分析：（1）单元件划分；（2）焊接坡口设计计算机建模工艺性分析理论尺寸确定焊接、加工补偿量确定成组分析内容：(1）零件下料方式：零件下料尺寸确定（2）零件加工方式：（3）梁段对零件的需求量成组分析是否数控下料材料利用率分析：（1）数控下料零件由数控编程软件理论尺寸确定自行分析：数控编程（2）非数控下料零件以AutoCAD软件面积比例为判断依据：材料利用率分析（3）对不符合条件的套料必须经总工艺师批准才予通过工艺师确定下料图2零件放样及下料流程下料切割前对钢板进行抛丸除锈预处理并喷上车间底漆，切割工艺评定的试件同样进行处理，进行火焰切割工艺评定的试件，当厚度为2 0 mm时，其工艺评定的结果亦适用于小于2 0 mm的各种厚度的钢材；厚度为40mm时，其工艺评定的结果亦适用于大于2 0 mm而小于40 mm的各种厚度的钢材；当厚度大于40 mm时，应按每5mm为一级，分别进行工艺评定。3.2单元件制作焊接检查下料的零件号、外形尺寸、对角线、坡口、材质，对顶、底、腹板、隔板、横梁、腹杆、拱肋及风撑等单元件，在装配平台按照单元制作工艺图组焊。对于反变形要求的顶、底板需要置于反变形船形摇摆焊接胎架上焊接，按指定的焊接规范参数施焊，以减少焊接变形。组焊后对单元件垂直度、平面度等进行质量检查并矫正处理。3.3弦杆制作及预拼装3.3.1弦杆分段制作弦杆设计为箱型截面，焊缝较长，节点板开挡尺寸、杆件直线度等都是重点控制项。采用数控下料时，预留焊接收缩量，埋弧自动焊施焊对接焊缝，严格控制板件焊接变形，确保箱型杆件最终直线度成型。根据图纸尺寸，用全站仪配合，在胎架区划出供各单元件定位的标记线，在预先布置的总装胎架上分段进行上下弦杆制作，组装时以左腹板为胎架面，整体卧拼，腹板单元件对正纵横标记线，与胎架模板之间刚性连接固定，腹板上粉线弹出顶板、底板定位线，根据定位组装横隔板。再对线安装顶、底板单元件，并焊接隔板与顶、底板之间的焊缝及腹板与顶、底板之间的焊缝。右侧腹板单元件上胎架定位，各个控制点标记线与横隔板顶紧安装，并焊接隔板与右侧腹板之间的焊缝及右侧腹板与面、底板之间的焊缝。横向端头面板和T形横梁部件组装，组装时面板及T形横梁部件组装均应对合地样点。T形横梁的划线安装精度是控制重点，安装时应保证T形横梁部件的垂直度。面板安装时应保证面板与腹板板边的平整度，不允许出现错边现象，面板与腹板的焊缝焊后应打磨平整。按照同样组装顺序依次组装其余节段，节段与节段之间拖开30 0 mm。3.3.2主桁架厂内预拼装钢桁架厂内进行试拼装，可实现梁段环口的精确匹配，修正梁段的整体线型，避免在高空调整，减少高空作业难度，并加快吊装速度，确保钢桁架的顺利架设。拼装前制定主桁架厂内预拼工艺图，按图进行地样要求定位分段，预拼场地需硬化处理并有足够的承载力，胎架与地面之间通过膨胀螺栓固定，沿控制尺寸布置胎架。单幅桁架采用N十1的预拼模式，全桥分左幅和右幅，单幅分两轮预拼，第一轮最后一个节段参与第二轮预拼。将拼装好的主桁上、下弦杆上胎架，以弦杆腹板为胎架面整体卧拼，梁段对合地样点，与胎架模板之间刚性连接固定。把腹杆单元件置于胎架，定位装配腹杆，腹杆环缝与弦杆环缝匹配，通过码板固定。依次拼装其余节段，节段与节段之间顶紧不拖开，控制腹杆与弦杆、弦杆与弦杆环缝的匹配性，组对完成后，及时复核主弦杆外侧大、小横梁定位尺寸，如有误差及时调整。此步骤是工地横梁对接的关键。组焊腹杆与上、下弦杆临时连接件，装配工地吊耳并布置测量点，测量点距板边线50 0 mm，标记、标识腹杆的二次编码，保证在工地安装过程中梁段编号的唯一性。弦杆分段组焊及桁架整体预拼工艺流程见图3。3.4桥梁面板制作及预拼装为了减少工地面板仰焊焊接量，厂内制作桥面板单元件（含纵横梁）方案，同时考虑现场桥面板单元安装方便，无顺序要求，同分段可任意进行吊装，提高现场施工效率。预拼装时，以面板为胎架面，整体反造，面板单元件对合地样点，与胎架模板之间刚性连接固定，其余面板上胎架对合地样点，面板与面板之间通过码板固定。组装小横梁T形部件，对合小横梁地样线，划线组装小横梁，与面板点焊固定，组装时保证小横梁铅锤于地面。组装小纵梁，对合小纵梁地样线，划线组装小89大跨度双层钢架桥梁制作工艺研究（a）外侧腹板单元件上胎架（b）横隔板组焊（c）顶、底板上胎架组焊（d）顶部加劲组焊（e）内侧腹板上胎架组焊（f）端头横梁及面板组焊（h）主桁上、下弦杆上胎架（g）依次组装其余节段（i）腹杆组装(i）依次拼装其余节段图3弦杆分段组焊及桁架整体预拼工艺流程90路桥与市政工程纵梁，与面板点焊固定，组装时保证小纵梁铅锤于地面。桥梁面板制作及预拼装工艺流程见图4。3.5拱肋制作及预拼装拱肋采用箱型截面，拱肋制造需采用二次抛物线，不设预拱。为便于连接吊索，吊索处拱肋腹板往下延长设吊索耳板，局部加厚，并在吊索中心处设2 块圆形厚钢板。钢拱肋组拼在专用刚性固定胎架上进行。拱肋轴线线型控制在地面上整体放样刻画拱肋轮廓地标点，通过轮廓控制点和地标点对合的方式保证拱肋的轴线线型。拱肋长度方向的精度采取匹配切割相邻节段接口端部的工艺余量，为抵消焊接收缩导致板块变短，预留切割量，从而保证了拱肋弧长以及接口对焊缝间隙的一致。分段组装时，首先下腹板单元件上胎架、对合地样点，与胎架模板之间刚性连接固定，按照定位尺寸装配隔板，组装两侧面、底板，检查面、底板对合地样线，与腹板点焊固定，组装上腹板，依次组装其余拱肋节段，拱肋箱体内空间狭小，为方便人员进入箱体内施焊，保证通风排烟的安全，节段与节段接口采取脱开300mm方式拼装，拱肋拼装流程见图5。4焊接变形控制技术焊接质量及变形控制是钢结构桥梁制作过程的重要环节之一，焊接变形主要有纵向收缩和横向收缩、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等。影响焊接变形的主要因素是焊接热量和结构刚度，采取整体焊接变形（a）单元件组装（b）反变形船形摇摆焊接胎架上焊接（c）面板单元件上胎架码板固定（d）组装小横梁T形部件（e）组装小纵梁（f）组装两侧其余小纵横梁（g）组装后拆解运输单元（h）现场组装图4桥梁面板制作及预拼装工艺流程91大跨度双层钢架桥梁制作工艺研究（b）隔板组装（a）下腹板单元件上胎架（c）侧面及底板组装（d）上腹板组装（e）拱肋厂内预拼装（f）节段与节段接口脱开图5拱肋拼装流程图控制措施，由于桥梁各（段）部件的板材均为中厚板，焊接后刚性拘束大，焊后残余应力较大，容易导致冷裂纹缺陷的产生，所以施焊前采取预热措施，焊接中严格按照焊接工艺试验确定的焊接线能量和焊接工艺参数进行。在装配工艺方面，设计合理的坡口、焊接顺序和焊接方向，箱型构件内外焊缝需同时焊接。4.1拼板焊接工艺焊接拼板接头时，正面打底焊道宜采用分段跳焊方法施焊。清根后可采用CO，气体保护焊打底，埋弧焊焊接，也可以直接采用埋弧焊焊接。4.2U肋板单元焊接工艺桥面为正交异性钢桥面板结构，构造细节复杂、质量控制难度大，缺乏标准化的构造设计和加工工艺要求，U肋焊接优化工艺是关键环节。顶、底板U肋的角焊缝应在反变形胎架上亚船位工位施焊，采用双面自动焊方式，保证钢桥面U肋板全熔透焊缝探伤合格率。采用U肋板单元机械矫正机可矫正板单元的焊接变形4.3横隔板单元焊接工艺普通横隔板应先焊加劲圈的对接焊缝，再焊加劲圈的角焊缝，采用实芯焊丝CO2气体保护焊。4.4节段总装焊接工艺焊接横隔板与顶板、底板、腹板时应分区域对称施焊，尽量避免热量过于集中，以减小焊接变形。焊接腹板与顶、底的角接接头时应采用分段退焊方法施焊。顶板对接接头采用陶质衬垫，实芯焊丝CO，气体保护焊打底，埋弧焊盖面。横隔板与顶板、底板、腹板焊接采用实芯焊丝CO，气体保护焊和药芯焊丝CO，气体保护焊。4.5焊缝检测技术钢结构桥梁设计要求的熔透一级焊缝均需要进行超声波十射线探伤的无损检测技术，以检测焊缝的内部质量是否符合设计和规范要求。所有焊缝在焊缝金属冷却92路桥与市政工程后进行外观检查，不得有裂纹、未熔合、焊瘤、夹渣、未填满弧坑及漏焊等缺陷。焊缝施焊2 4h，经外观检验合格后，再进行无损检验。对于厚度大于30 mm的高强度钢板焊接接头，在施焊48 h后进行无损检验，焊缝无损检验的质量分级、检验方法、检验部位和等级应符合钢结构工程施工质量验收标准（GB502052020）和公路桥涵施工技术规范（JTG/T36502020）焊缝无损检验质量规定。5涂装施工工艺该工程防腐涂装的构件主要分为：工形梁构件涂装、钢箱梁涂装、节点板及拼接板摩擦面涂装、桥位焊缝区域补涂及整体面漆的涂装。整体涂装施工前，通过试验确认表面处理及表面喷涂的工艺参数和涂装过程合理性，试件的制备采用与涂装现场施工相同的程序，通过对试件进行试喷，在满足表面处理要求的情况下，确定并记录空气压力、喷射角度、喷射速度。6大跨度双层钢架桥梁制作工艺实施效果制作完成后按照公路钢结构桥梁质量检验评定规程（D B32/T 39392 0 2 0）、公路桥涵施工技术规范（JTG/T36502020）等相关规范进行，出厂前对板件、部件和节段实测检验，关键项目的合格率达到100%。验收控制项目主要包括主桁杆件的高度、长度盖板宽度、工形件盖板对腹板垂直度、弯曲、扭曲及对角线控制等；纵横梁的高度、长度、盖板宽度、旁弯、拱度、腹板平面度控制等。钢梁梁节段实测项目主要包括节间长度、桁高、主桁中心距、平面对角线差、端面对角线差等。试拼装长度、宽度检查项目规定允许偏差值为土2 mm，高度允许偏差士1.5mm，旁弯不大于3.0 mm，拱度起拱方向偏差不大于10 mm，反向偏差为一3mm，试拼装检验在无日照影响的条件下进行，经实测，厂内试拼装、预拼装的主要尺寸都在允许偏差范围内。该桥梁上、下弦杆划分为15段制作，根据运输和吊装能力，对分段梁制作完成后，厂内预拼，工地3拼合龙；箱型腹杆8 段，工型腹杆3段，对桁架主体进行试拼装；拱肋分为6 段制作，风撑以桥梁中心线，左右划分4个单元，共9个单元制作，经现场安装，主桥及拱肋顺利合龙。大跨度双层钢架桥梁制作过程必须以标准化、通用化为原则，进行模块化分段制作，借助Tekla三维软件、计算机排料进行控制，为减少工地焊接量（仰焊），制定厂内制作桥面板单元件（含纵横梁）方案，使得施工现场桥面板单元安装方便，无顺序要求，提高厂内流水作业和现场安装施工效率，节约制作工期14d，经济效益显著。7结语钢结构桥梁建设中，工厂内制作是工程施工的关键环节，随着钢结构桥梁的广泛应用，钢结构设计构造细节复杂，质量控制难度大，必须借助于先进的施工技术工艺和生产设备，提高钢结构制作的精确度和质量，为现场安装施工提供更便利的条件。本文通过新建岐江河大桥进行合理分段划分、厂内大量采用自动焊等先进的焊接工艺和设备，采用合理的焊接顺序，有效地控制了焊接变形。厂内主桁整体预拼，腹杆与弦杆安装临时连接件，保证了现场安装精度。参考文献1王坤钢结构桥梁施工技术控制要点分析J中国金属通报，2 0 2 0（5）：154-155.2肖建阳钢结构桥梁施工工艺及质量的控制J.技术研究建筑交通，2 0 2 2：2 11-2 14.3范军旗正交异性钢桥面板U肋角焊缝全熔透焊接工艺研究J焊接技术，2 0 2 0，49（11)：4145.4王宾，李晶蕊，姜泽侯小单元制作工艺在钢结构桥梁中的应用和发展JJ施工技术，2 0 17，46（增刊)：949-950.5陶群英，刘德文，程飞新疆乌昌大道跨头屯河大桥双层焊接钢桁架的制造和安装技术J市政工程，2 0 18，40（11)：19 7 9-19 8 1.