懸索橋鋼箱梁彈性索錨箱設計與制造工藝研究

顧碧峰,陳 策,丁 磊

(江蘇省長江公路大橋建設指揮部,江蘇泰州 225321)

1 工程概況

泰州長江公路大橋位于江蘇省長江的中段,位于江陰大橋和潤揚大橋之間。北起自寧通高速公路,向南偏西于永安洲西北跨長江進入鎮江揚中境內,沿揚中城區東側向西南于小泡沙西端跨夾江,于丹徒姚橋折向東南,終于滬寧高速公路,向南連接常州西繞城高速公路,全長約62 km。

圖2 彈性索錨箱結構(單位：mm)

泰州長江公路大橋為大跨度三塔懸索橋,兩個主跨跨度均為1 080 m。橋面為6車道,加勁梁采用封閉式流線形扁平鋼箱梁。鋼箱梁總寬39.1 m,梁高3.5 m。中塔為變截面鋼塔,塔高194 m,橫橋向為門式框架結構,縱橋向為人字形,中塔與鋼箱梁之間采用彈性拉索連接。

2 彈性索錨箱結構設計

2.1 結構設計

泰州大橋是三塔懸索橋,通過設置彈性索來連接鋼中塔與鋼箱梁。彈性索一端固定在加勁梁上,另一端固定在鋼中塔上。該約束可以提高主纜與中主鞍座間抗滑移安全系數、改善中塔受力、降低鋼箱梁跨中撓度，并減小其縱向活載位移。彈性索、鋼錨箱與主梁連接見圖1。

圖1 彈性索、鋼錨箱與主梁連接(單位：mm)

彈性索錨箱在鋼箱梁上設在梁段的直腹板外側風嘴內,兩個彈性索錨箱成1對,上下平行布置,全橋共有8個彈性索錨箱。彈性索錨箱構造與鋼箱梁斜拉橋拉索錨箱類似,由40 mm厚的承力板和支撐板焊接成的矩形箱體通過承力板與直腹板間的焊縫連成整體,錨箱材質采用Q345D鋼材。彈性索錨箱結構見圖2。

2.2 應力驗算

按照單根彈性索力按5 000 kN計,對錨箱進行了Mises應力驗算。Mises屈服準則表述為：在一定的變形條件下,當受力物體內一點的等效應力達到某一定值時,該點就開始進入塑性狀態, Mises應力的公式為

式中：σ1——第一主應力；

σ2——第二主應力；

σ3——第三主應力；

σs——材料的屈服點；

K——材料的剪切屈服強度。

彈性索錨箱的Mises應力圖見圖3。

圖3 彈性索錨箱Mises應力圖

通過計算,可以看到：直腹板在彈性索錨箱范圍Mises應力一般小于90 MPa。除錨箱頂板與直腹板交界處、錨箱側板與底部橫隔板交界處局部應力較大外(最大229 MPa)，其他大部分區域應力小于150 MPa。錨箱前端加強橫隔板除與直腹板、錨箱承壓板交界處局部應力較大外,大部分區域應力小于150 MPa。錨箱后端的橫隔板與錨箱交界的角點應力較高(200 MPa),大部分Mises應力小于130 MPa。所以在部分區域,如直腹板與錨箱承力板、錨座板相互間連接焊縫均應考慮為熔透焊縫。

2.3 制造難點

通過上述計算可以看到,彈性索錨箱結構復雜,而且在應力較大區域需采用熔透焊縫，以確保連接強度。此處直腹板與錨箱承力板、錨座板相互間連接焊縫和腹板與頂、底板及橫隔板的連接焊縫設計均為熔透焊縫,而且由于結構復雜,需采用熔敷金屬量少,焊后變形小的坡口。對于錨座板與腹板、頂板的連接焊縫,還要求焊后對焊趾進行錘擊處理,以減小應力集中,錘擊溫度應不小于65 ℃。并且,錨固面又不能整體機加工,所以保證錨固面的平面度有較大的難度。

3 彈性索錨箱整體制作工藝研究

根據彈性索錨箱結構特點,結合國內鋼材供應狀況,選用Q345D鋼材,采用有內向外逐層焊接,增加剛性約束等工藝,確保焊接質量并控制產品尺寸精度。錨箱主要由錨座板、錨墊板、承力板、支撐板、隔板接板及加勁板等零部件組成,并分別通過承力板、錨座板及隔板接板與直腹板連接成整體。

3.1 零部件的制作工藝

(1) 錨座板合件(圖4)

鋼板預處理后用數控切割機精密切割下料,在錨座板上以孔心為基準劃線,機加工過渡斜坡、K型焊接坡口及鋼板厚度。機加工錨墊板厚度時預留3 mm工藝修磨量,以孔心為基準鉆周圈小孔并攻絲。按基線組焊錨座板和錨墊板形成錨座板合件,并以錨座板合件底邊和厚度中心線為基準,在鏜床上加工索孔,確保索孔的孔徑公差和垂直度公差,最后打砂涂裝。根據“盡量采用熔敷金屬少、焊后變形小”的坡口確定原則,將錨座板與直腹板焊接坡口確定為雙面坡口(原設計采用單面坡口加鋼襯墊)；組裝錨座板與錨墊板,將其接觸面密貼度作為重要項點進行控制；錨墊板預留3 mm工藝修磨量,錨箱焊接完后對錨墊板進行二次修磨找平。

(2)承力板

鋼板預處理后用數控切割機精密切割下料,在刨床上加工三邊及坡口。在與直腹板及錨座板焊接邊組焊鋼襯墊,最后打砂涂裝。承力板與錨座板焊接采用加鋼襯墊熔透焊接。

(3)支撐板(圖5)

鋼板預處理后用數控切割機精密切割下料,在刨床上加工三邊及坡口。與錨座板焊接邊組焊鋼襯墊,最后打砂涂裝。

圖4 錨座板合件立體

圖5 支撐板簡圖

(4)風嘴隔板接板(圖6)

鋼板預處理后用數控切割機精密切割下料,以孔中心為基準劃線,用銑床加工四邊及坡口。與直腹板焊接邊組焊鋼襯墊,最后打砂涂裝。

圖6 風嘴隔板接板簡圖

3.2 整體制作工藝

彈性索錨箱與直腹板的焊接質量尤為重要,但由于空間位置狹小,給拼焊作業帶來很大困難,我們將錨箱從內向外、由下向上分步進行組裝焊接。彈性索錨箱整體組裝制作工藝示意見圖7。

(1)全面檢測修整直腹板單元,并修正其縱橫基準線。以修正后的縱橫基準線劃彈性索錨箱各零部件組裝位置線,并在背面劃工藝加勁板(防止焊接變形)位置線。之后,按線組裝、焊接工藝加勁板。

(2)加勁板翻身后在焊接平臺上按線組裝、焊接錨座板合件,并在小坡口側清根,確保熔透,焊接時可增加支撐,減小焊接變形。焊接后進行探傷、錘擊、全面修整,檢測合格后進入下道工序。

圖7 彈性索錨箱整體制作工藝

(3)組裝中間2塊錨箱承力板和風嘴隔板接板,其中承力板與直腹板、錨座板采用襯墊留間隙單面焊保證熔透,與隔板接板為頂緊后焊接,隔板接板與直腹板焊縫暫不焊接。焊接后再進行探傷、全面修整,檢測合格后方可進入下道工序。組裝支撐板前將承力板與支撐板形成的封閉隔艙先進行最終除銹、涂裝。

(4)組裝、焊接外側2塊錨箱承力板和底部支撐板,確保承力板與隔板接板磨光頂緊后焊接,其中承力板焊接同上,支撐板與錨座板采用襯墊留間隙單面焊保證熔透,與承力板為單面坡口焊接,最后焊接隔板接板與直腹板焊縫。焊接后進行探傷、全面修整,檢測。最后,組裝上部支撐板,并進行焊接,焊接方法同上,焊后探傷、全面修整,修磨錨墊板平面度至公差要求,并切除背面工藝加勁板。

3.3 工藝保證措施

由于該部位板厚較大,熔透焊縫多,在確保焊接質量的前提下,采用了熔敷金屬少,焊后變形小的坡口。用線能量小的藥芯焊絲CO2氣體保護焊進行焊接,并嚴格執行焊前預熱工藝和焊縫錘擊工藝。嚴格檢測直腹板平面度合格后,在劃線平臺上修正縱橫基準線,并劃出彈性索錨箱各零部件組裝位置線。由于空間狹小,彈性索錨箱各零部件與直腹板從內向外依次進行對稱組裝和焊接,分別完成探傷、修整后再進入下道工序作業。在直腹板對應彈性索錨箱位置設置加強板,并在焊接錨座板、承力板及隔板接板時增加支撐件,防止焊接變形。特別要控制錨座板與拉索方向垂直度、錨座板與直腹板垂直度,各承力板間、錨座板和隔板接板間組裝精度,錨座板孔與隔板接板孔的同心度等。在彈性索錨箱零部件制作時進行打砂涂裝,焊接完成后進行補涂裝,避免整體無法打砂涂裝的情況。

3.4 錨固面平面度控制工藝

彈性索錨固部位結構復雜,熔透焊縫密集,錨固面又不能整體機加工,保證錨固面的平面度有較大的難度。為此,在工藝上將錨墊板和錨座板分別進行機加工,為此制作了專用的研磨平尺,反復檢測研磨,確保單板的平面度,再將錨墊板和錨座板組焊成一外厚90 mm的合件,提高其剛性,然后參與錨箱的組焊,形成錨腹板單元后對錨固面進行檢查,對殘余變形由機械鉗工進行研磨處理,最終平面度控制在0.2 mm以內。

3.5 檢測結果

彈性索錨箱幾何精度、整體尺寸達到了《泰州長江公路大橋懸索橋鋼箱梁制造驗收規則》的要求。錨箱板件長寬允許偏差±2 mm,錨座板與腹板垂直度2 mm,索孔中心與直腹板距離的偏差±3 mm。焊縫外觀采用量尺及目視檢測,檢測結果符合制造規則要求,焊縫外形均勻,成形良好,焊道與焊道、焊道與基本金屬間過渡平滑,焊渣和飛濺物清除干凈。焊縫內部缺陷檢測采用超聲波、X射線探傷、磁粉探傷等檢測手段進行,焊縫內在質量優良,外觀成型良好,焊縫一次探傷合格率達到99%以上,成品探傷合格率達100%,焊縫接頭力學性能滿足設計和規則要求。

4 結論

泰州大橋為特大型三塔懸索橋,通過設置彈性索來連接鋼中塔與鋼箱梁。彈性索錨箱在鋼箱梁上設在梁段的直腹板外側風嘴內,在全面分析各種極限應力狀態的基礎上,開展了相關設計。制造單位通過深化施工圖設計,采用熔敷金屬量少,焊后變形小的坡口,優選了組裝次序,增加剛性約束等工藝,確保了焊接質量并控制產品尺寸精度,從而從設計和施工上保證了工程的安全。

[1] 交通部公路規劃設計院.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 交通部公路規劃設計院.JTJ 041—2000 公路橋涵施工技術規范[S].北京：人民交通出版社，2000.

[3] 交通部公路規劃設計院.DB32/T947—2006 公路橋鋼箱梁制造規范[S].北京：人民交通出版社，2006.