深港西部通道深圳灣公路大橋鋼箱梁制造施工

曲振梅 邵天吉 中鐵山橋集團有限公司 066205

深港西部通道深圳灣公路大橋鋼箱梁制造施工

曲振梅 邵天吉 中鐵山橋集團有限公司 066205

對深港西部通道深圳灣公路大橋（深圳側(cè)）通航孔橋鋼箱梁的結(jié)構(gòu)特點和制造難點進行總結(jié)，介紹了鋼箱梁制造中的關(guān)鍵工藝技術(shù)及質(zhì)量保證措施。

深圳灣公路大橋；鋼箱梁制造；工藝技術(shù)；質(zhì)量控制

Shenzhen Bay Bridge；steel box beam construction；process technology；quality control

1、工程概況

深港西部通道深圳灣公路大橋的通航孔橋為（180+90+75）m獨斜塔單索面三跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋，主跨180m，主橋鋼箱梁全長345m位于半徑R=11907m凸形圓弧豎曲線上，同時邊跨88.35m位于半徑R=4000m的平曲線上。分14種類型共31個梁段。橋面寬38.6m，梁高4.122m（內(nèi)輪廓），設(shè)2.5%雙向橫坡，主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345-C，斜拉索銷鉸連接耳腹板采用厚度為80mm、材質(zhì)為Q420q-E鋼板。主橋設(shè)計基準年限為120年。圖1為建成通車的深港西部通道深圳灣大橋，主橋全貌見圖2，橫斷面見圖3。

圖1 建成通車的深港西部通道深圳灣公路大橋

圖2 主橋全貌 (m)

2、鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點及制造難點

（1）獨斜塔單索面斜拉橋，塔墩從鋼箱梁中間穿過，設(shè)計上世界領(lǐng)先、國內(nèi)首創(chuàng)；塔、墩、梁屬鋼 — 混凝土剛性固結(jié)，該部位梁段結(jié)構(gòu)特殊，受力關(guān)系復(fù)雜，是一個嶄新的結(jié)構(gòu)體系，制造質(zhì)量要求精度高，施工控制技術(shù)難度大。

圖3 鋼箱梁標準斷面圖 m

（2）鋼箱梁由角度各不相同、非對稱單索面的24根斜拉索采取吊耳腹板銷鉸連接方式成為一整體，其中吊耳板與腹板為一個整體構(gòu)件的設(shè)計，在國內(nèi)斜拉橋中首次采用。

（3）鋼箱梁斷面尺寸大，其梁高4. 122m和橋面寬38.6m均創(chuàng)國內(nèi)同類橋梁之最，橋梁單位長度用鋼量達23.58t/m，給鋼箱梁整體組焊預(yù)拼裝施工及吊裝運輸帶來難度。

（4）吊耳腹板加工及焊接施工難度大，吊耳腹板是斜拉索和鋼箱梁的連接件，作為橋梁的主要傳力構(gòu)件，其銷鉸孔整體加工制造精度高，需設(shè)計專門的立體鏜孔工裝；吊耳縱腹板材料特殊，采用80mm厚Q420q—E鋼板，焊接板厚，拘束應(yīng)力大，該種規(guī)格及材質(zhì)的材料在國內(nèi)橋梁施工中并不常用，因此對這種鋼板要進行深入的研究和特殊的焊接試驗及特別施工，保證其焊接接頭的質(zhì)量。

（5）鋼箱梁合攏段采用無余量合攏，即合攏段未留工地安裝配切量，架設(shè)對梁段制造精度要求高；施工過程中梁段實際壓縮量、空間線形補償量與設(shè)計理論計算上會存在一定偏差，這對通過控制梁段幾何尺寸來保證梁段間連接帶來較大難度。

3、鋼箱梁制造關(guān)鍵工藝

限于篇幅，本文僅針對鋼箱梁平曲線特點的制造技術(shù)作重點介紹。對于上述制造難點分析中的其它問題，在施工中所采取的技術(shù)方案、工藝措施不再詳述。

3.1 梁段立體放樣

本橋邊跨設(shè)計有88.35m鋼箱梁處于半徑R=11907m豎曲線和半徑R=4000m平曲線的綜合橋梁線形上，而在設(shè)計圖紙中僅給出各梁段按設(shè)計里程的基準溫度下的水平投影長度，并對梁段長度進行了標準化，而在實際制作過程中必須知道梁段長度的實際制造尺寸，一般情況下，梁段長度的制造尺寸=設(shè)計尺寸+空間補償量+縱向擠壓收縮量+焊接收縮量-焊接間隙量，經(jīng)放樣和計算分析，梁段頂板單元的制造長度在制造時應(yīng)考慮6mm的空間補償量，底板單元的制造長度則不受空間補償量的影響，吊耳腹板和邊縱腹板在制造時的上邊緣尺寸應(yīng)比下邊緣尺寸長6mm。

3.2 頂、底板單元、斜底板單元制造工藝

3.2.1 板單元劃分

綜合考慮供料、運輸及批量生產(chǎn)等因素，將每個梁段劃分為若干板單元，盡量避免或減少零散部件參與鋼箱梁組裝。由于平曲線原因，與普通梁段相比，該平曲線梁段中的頂板單元、底板單元、斜底板單元及部分邊縱腹板單元長度均不相同，同時沿橋梁縱中線無對稱關(guān)系，因此需要優(yōu)化工藝方案，降低制造難度。以下以頂板單元為例加以介紹。

3.2.2 預(yù)留配切余量

頂板單元是由鋼板和U形加勁肋組成，其中鋼板形狀為直角梯形，直角梯形高即為鋼板的寬度，直角梯形的下底和上底是鋼板的長邊和短邊，為了保證梁段整體拼裝焊接后端部頂板和底板邊緣的直線度，板單元在制造時把直角梯形的直邊定為基準端，直角梯形的斜邊加工藝配切余量，以基準端為畫線定位基準組裝U形加勁肋，同理在梁段整體拼裝時仍以該基準端為定位端，待梁段焊接、修整后統(tǒng)一配切頂、底板預(yù)留余量端。

3.2.3 頂板單元U形肋鉆孔

由于平曲線原因，為了保證梁段間頂板U形肋拼接板上孔群間距在規(guī)范范圍內(nèi)并使其標準化，每塊頂板單元上的4根U形肋長度各不相同，且長度尺寸數(shù)值相差有規(guī)律均為3mm，如圖5所示頂板單元上的U形肋長度依次為11940mm、11943mm、11946mm、11949mm，即每根U形肋兩端螺栓孔群間距也是依次相差3mm。

以往普通U形肋螺栓孔制作是用專門U形肋旋轉(zhuǎn)鉆孔胎鉆制，以保證每根U形肋孔徑、孔間距及4組孔群間相對尺寸關(guān)系的準確性，而專門U形肋旋轉(zhuǎn)鉆孔胎僅有幾組固定孔群間距的鉆孔樣板，對于這種孔群間距尺寸之差小且種類多的U形肋無法通用。根據(jù)U形肋旋轉(zhuǎn)鉆孔胎的設(shè)計原理：U形肋一端頂緊胎具基準端→卡具固定→旋轉(zhuǎn)至平位→兩端同時鉆孔→旋轉(zhuǎn)至另一側(cè)平位→兩端同時鉆孔。可以看出，增加兩端螺栓孔群間距的種類是胎具適用于更多種長度類型U形肋的關(guān)鍵。因此，從這一點出發(fā)，結(jié)合板單元U形肋長度特點，對該U形肋旋轉(zhuǎn)鉆孔胎具進行重新優(yōu)化設(shè)計，在胎具基準端增設(shè)δ=3mm厚工藝調(diào)整墊，把板單元上最長的U形肋兩端孔群間距L定為胎具固定的鉆孔樣板間距，那么其它三根U形肋兩端孔群間距即依次為L-δ、L-2δ、L-3δ，通過在胎具定位端依次添加工藝調(diào)整墊δ、2δ、3δ來實現(xiàn)其它長度U形肋螺栓孔的鉆制。下面以兩端孔群間距尺寸為L-δ的U形肋為例來說明優(yōu)化設(shè)計后旋轉(zhuǎn)鉆孔胎使用方法，其胎具使用簡易圖見圖5，鉆孔工藝流程見圖6。

圖5 胎具使用簡易圖

3.2.4 頂板單元組裝焊接及修整

（1）頂板單元U形肋組裝采用高精度無碼組裝胎配合畫線定位，組裝胎設(shè)有鋼板、U形肋螺栓孔定位裝置和縱、橫基線，組裝時有坡口的基準頭和胎型橫、縱定位擋靠嚴。將縱、橫基線返到頂板上，并打上樣沖眼。注意4根不同長度U形肋組裝位置的次序，重點保證U形肋的位置精度。

圖4 頂板單元構(gòu)造圖 mm

圖6 鉆孔工藝流程

（2）頂板單元U形肋焊接考慮U形肋坡口角焊縫的焊接角變形和其對預(yù)設(shè)拱度的影響。

（3）在專用組裝胎內(nèi)組裝橫隔板接板，接板位置靠胎型自動定位，減少人為因素造成的誤差。

3.3 梁段制造

3.3.1 整體組焊預(yù)拼裝

板單元及零部件制造完成后，進行多梁段連續(xù)匹配組焊和預(yù)拼裝并一次完成。組裝采用正裝法，以胎架為外胎，以橫縱隔板為內(nèi)胎，各板單元按縱、橫基線就位，輔以加固設(shè)施確保精度和安全。梁段組裝按工藝順序，以立體階梯形逐段推進方式，實現(xiàn)連續(xù)組裝、焊接和預(yù)拼裝。

3.3.2 平曲線線形控制

平曲線鋼箱梁整體預(yù)拼裝方案是用各梁段縱中線長度擬合成半徑R=4000m的平曲線，由于鋼箱梁斷面成中心對稱，只要控制梁段縱向中心線符合設(shè)計平曲線線形即可，因此每個梁段的中心底板定位尤為重要。如圖8所示，在第一塊中心底板定位前，從基準端坡口處精確返出測量檢查線，令第一塊中心底板縱中線與胎架測量塔縱向中心線重合，并通過碼板與胎架點焊剛性固定，第二塊中心底板定位時控制縱向距離L1、兩端測量檢查線與板單元縱中線交點的橫向偏移量值a、b，初定位完成后再用已知偏角β和距離L2進行校核，如有誤差需重新調(diào)整至符合線形，同理依次定位其它中心底板單元。中心底板完成定位后，依次向兩邊組焊其它的底板單元。

圖7 平曲線線形控制示意

4、質(zhì)量控制措施

4.1 原材料質(zhì)量

（1）對80mm厚的Q420q-E鋼板進行Z向拉伸試驗，鋼板S含量和Z向斷面收縮率均滿足GB5313中的最高標準Z35級，且Z向拉伸斷面收縮率高達73%，表明該鋼板的抗層狀撕裂性能優(yōu)異。

（2）對該80mm厚的Q420qE鋼板還進行焰切工藝評定試驗，從材料進廠和下料加工方面加強控制。

4.2 焊接質(zhì)量

（1）焊接工藝評定是制定焊接工藝的前提條件，根據(jù)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)特點、接頭形式和板厚及材質(zhì)組合，選擇典型的焊縫，共進行了43種接頭形式的焊接試驗。

（2）焊接工藝規(guī)程不但確定了焊接方法、焊接設(shè)備、焊接材料、坡口形式、焊接參數(shù)，同時制定了有利于控制焊接變形的焊接順序、焊接方向等工藝措施。

（3）嚴格執(zhí)行焊工管理制度、焊材發(fā)放制度、工藝管理制度、焊縫檢驗制度等各種與焊接有關(guān)的規(guī)章制度。

（4）對不同焊接部位采用不同的檢驗手段。按無損檢驗工藝要求分別采用了超聲波探傷、X射線探傷、磁粉探傷對不同焊縫檢測。

通過以上措施和手段，有效地保證了鋼箱梁的焊接質(zhì)量。

4.3 幾何尺寸精度控制

（1）完善的工藝方案和完備的工藝裝備，是保證制造精度的基本支持條件。鋼箱梁制造之前，根據(jù)工藝方案確定了擬投入鋼箱梁生產(chǎn)的工藝裝備，設(shè)計的各類工裝。

（2）在鋼箱梁的制作過程中，采用預(yù)留收縮量、焊接彈性馬板、預(yù)置反變形、調(diào)整焊接順序和焊接方向等措施，有效地控制了焊接變形，確保了幾何精度。

5、結(jié) 語

（1）深港西部通道深圳灣公路大橋的通航孔橋鋼箱梁通過了成橋靜、動荷載試驗，并已于2007年7月1日竣工通車。

（2）通過該橋鋼箱梁制造的工程實踐，在介紹鋼箱梁制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)和質(zhì)量保證措施過程中，尤其著重闡述了國內(nèi)斜拉橋中不多見的平曲線鋼箱梁制造的工藝技術(shù)，有參考價值。

Steel Box Girder Erection method of Shenzhen Bay High way Bridge, Hong Kong-Shenzhen West Corridor

Qu Zhenmei Shao Tianji
China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co.,，Ltd.Qin Huangdao，Hebei Province，066205

The paper summed up the structure features and

construction difficulties of steel box beam in navigationhole section of Shenzhen Bay Bridge, Hong Kong-Shenzhen Western Corridor on the side of Shenzhen city, and then introduced the key process technologies and relevant quality control measures in constructing steel box beams.

曲振梅，男，1963年4月出生，工程師，1985年畢業(yè)于大連鐵道學(xué)院機械制造專業(yè)，工學(xué)學(xué)士；

邵天吉，男，1975年11月出生，高級工程師。