外砂河大橋鋼箱拱加工線型控制技術

王 輝，成 浩，秦小鋒

(1.中交（汕頭）東海岸新城投資建設有限公司，廣東 汕頭 515041；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430000）

外砂河大橋鋼箱拱加工線型控制技術

王 輝1，成 浩2，秦小鋒2

(1.中交（汕頭）東海岸新城投資建設有限公司，廣東 汕頭 515041；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430000）

針對外砂河大橋為提籃式鋼箱拱的具體工程實踐，分別從板材下料、單元制作、箱體組裝、預拼裝及焊接變形控制等方面分析控制，確保鋼箱拱加工線型。該成果在外砂河大橋提籃式鋼箱拱的加工中成功應用。

鋼箱拱；線型；加工；焊接變形

1 工程概況及重難點

外砂河大橋主橋采用梁拱組合結構體系，跨徑布置為61 m+108 m+61 m=230 m。拱肋采用單箱單室鋼梁，中央分隔帶處拱肋采用豎直拱面，兩側拱肋內傾，與梁面夾角為83.125°，形成提籃拱造型。中跨拱肋計算跨徑為103.7 m，拱軸線矢高為17.4 m；邊跨拱肋計算跨徑為56 m，拱軸線矢高為11 m。主跨拱肋之間用三道X形狀的橫撐進行連接；邊跨拱肋之間用一道X形狀的橫撐進行連接。拱肋結構見圖1。

圖1 外砂河大橋主橋橋型布置圖（單位：cm）

拱肋均采用封閉式矩形變截面鋼箱拱。截面見圖2。

圖2 拱肋截面尺寸示意圖（單位：mm）

該工程的拱段頂板、底板、腹板板厚為32 mm、25 mm與16 mm，加勁肋板厚為 20 mm、16 mm與12 mm。沿拱肋軸線方向每2.5～3 m設一道厚16 mm的橫隔板，與拱肋軸線垂直；在吊點位置設二道厚28 mm鉛垂方向的橫隔板。

外砂河大橋鋼拱為提籃式鋼箱拱，拱肋線型按照二次拋物線，其中頂板、底板線型不一致，即腹板變高曲面。橫撐為空間X撐，所以鋼拱加工重點在于鋼拱線型的控制，一是鋼箱拱加工的幾何尺寸控制，二是焊接變形的控制。

2 鋼拱加工幾何尺寸的控制技術

為保證鋼拱加工線型，從板材下料，單元件制作，組裝，預拼裝等四方面進行分析。

2.1 板材下料

2.1.1 設計圖轉化為施工圖

采用通用的由三維CAD深化設計，精確表達鋼拱肋各桿件節點間的連接關系，采取一圖一件，精細表達清楚每個構件的尺寸，構件實際尺寸精確放樣。由于鋼構件的焊接變形，特別是大跨度、大截面的鋼構件，由于構造復雜，厚薄板的收縮變形不均勻，焊接方向變化，焊接變形較大。結合根據本工程確定以下原則：

（1）箱形構件板件的縱向長度于每個分段連接處的一端應預留不小于50 mm的余量。除合攏節段外，其余拱肋節段的余量在預拼裝時切除。考慮焊接的收縮情況，拱肋箱型結構的腹板寬度設置2 mm的補償量，蓋板寬度設置1 mm的補償量。

（2）拱肋與橫撐連接的牛腿，應在與拱肋連接端設置50 mm的余量，于拱肋與橫撐預拼裝時根據實際情況切除。

（3）橫撐與橫撐對接接頭的余量根據工地的實際情況切除。

2.1.2 放樣、下料

根據結構特點，頂底板單元縱向剛度小，頂底板單元的縱向線型要靠縱向加勁肋保證，鋼拱的空間線型依靠腹板來控制，而橫隔板單元作為箱體組裝的內胎使用[1]，控制箱體的焊接變形及對角差，所以板材下料的精度直接關系到鋼拱加工的線型，板件放樣和下料的加工精度是本工程控制的重點之一。

放樣之前所有零件應計算機放樣，編制數控程序及提供加工樣的制作數據。根據焊接精度控制要求設置零件的余量及焊接加工補償量。

2.1.3 下料切割

切割采用數控等離子切割。切割零件尺寸的允許偏差為±1 mm。切割面硬度不超過HV350[2]。切割面的垂直度不大于0.05倍板厚，表面粗糙度Ra≤25μm，不允許有崩坑，崩坑應磨修勻順。

板材下料完后進行坡口加工。焊接坡口加工可采用機加工或精密切割，坡口尺寸及允許偏差參照由焊接工藝評定確定的施工詳圖等文件。箱型的腹板坡口切割，當板厚t≤30 mm，制作專用切割平臺，保證切割時鋼板放置平整，火焰切割小車沿兩長邊同時切割坡口，加工的質量應符合《精密切割工藝守則》的相關規定；當板厚t≥30 mm，利用刨邊機對翼板、腹板機加工坡口，并除去火焰切割下料的淬硬層。

坡口加工完成后檢驗板材偏差，并采用銑刨機進行邊緣加工、休整。

2.2 單元件制作

鋼拱肋為箱型構件，劃分為頂板板單元，底板板單元，腹板板單元和隔板單元。其中頂、底板板塊的線型是根據拱肋頂、底板曲線方程的線型分段劃分得到的分段制造線型。根據分段制造線型制作頂底板板塊的胎架，胎架應具有足夠的剛度和穩定性滿足板塊制造的要求，且在制造的過程中考慮板塊焊接變形量設置一定的反變形量，保證拱肋線型，見圖3。

圖3 頂板單元胎架示意圖

單元件制作注意事項：

（1）為防止頂、底、腹板在單元件加工過程中產生變形，在頂、底、腹板單元件在縱向勁板焊接過程中設置U型卡板將單元與胎架進行剛性固定。

（2）頂底板單元加工應力的消除

頂底板為二次拋物線，但是由于頂底板剛度相對較小，拋物線的曲率半徑相對較大，所以頂底板的線型的成型采用胎架和縱向加勁肋的線型控制。頂底板在胎架作用下發生彈性變形，產生彎曲應力，在頂底板與胎架之間的剛性約束解除后，頂底板在彎曲應力的作用下必然后發生反向變形，而影響頂底板單元的線型，所以在頂底板單元加工完成后，在頂底板單元的背面，縱向加勁肋的位置采用自動割刀進行熱加工，消除頂底板單元的彎曲應力。熱加工的溫度應控制在600℃～800℃之間，加工后鋼材溫度應緩慢冷卻，降低到室溫前，不得錘擊鋼料或用水急冷。

2.3 組裝

（1）組裝形式

構件組裝可根據實際需要進行正裝、倒裝或側裝。根據拱肋與X橫撐構件結構特點，拱肋采用側裝，X橫撐采用正裝。

（2）組裝胎架

a.組裝胎架的制作應按各構件的胎架制作文件執行。組裝的胎架立柱材料根據胎架設計文件及工廠實際情況選定，必須保證胎架的強度；胎架基礎應堅固，在結構的自重作用下的下沉不能超過1 mm。在胎架及平臺地面上，應標明結構尺寸及形狀的相關數據，有助于制作和檢驗。

b.根據廠內制作的場地條件，中跨采用半跨胎架，邊跨拱肋采用整體胎架。在胎架上根據拱肋線型進行整體放樣，以保證拱肋加工線型，也節約了拱肋預拼裝的時間。

c.橫撐設置整體胎架，以保證中間合攏口的尺寸。

（3）拱肋組裝（見表1）

表1 拱肋組裝

（4）拱肋橫撐制作（見表2）

表2 拱肋橫撐制作

2.4 預拼裝

（1）拱肋節段預拼裝

由于中跨拱肋采用半跨胎架上組裝，邊跨拱肋采用整體胎架，在拱肋加工完成后安裝匹配件，進行匹配連接，所以拱肋節段不需要另外進行預拼裝。

（2）X型橫撐的預拼裝

橫撐節段的預拼裝采用橫撐節段及與橫撐節段相連的拱肋節段進行整體預拼裝，正裝形式進行。

分段拼裝以中垮拱頂橫撐為例說明。制作正裝立體胎架→在地面平臺上，劃出結構的控制線（中心線、結構外輪廓線分段接頭）→根據控制線，定位拱肋節段ZBE/ZZE→定位BHC-R1和BHC-L1，并切除橫撐兩端的加工余量→定位ZHC-R1和ZHC-L1，并切除與拱肋節段相接側的加工余量，保留與BHC相連側的加工余量→牛腿與拱肋節段焊接完成后切除牛腿與橫撐之間的連接（牛腿是與橫撐節段一起加工而成），見圖4。

圖4 橫撐預拼裝圖

3 焊接焊接變形控制

熔化焊屬于熱加工，焊縫的形成是一個連續的短時冶金過程，在焊接過程中由于受熱不均勻引起近縫區金屬的塑性變形，焊接完成后焊縫收縮作用將引起變形。變形是客觀存在的，變形控制的好壞直接關系焊接后的矯正難度、結構幾何尺寸，構件連接精度，主要從預留收縮量，調整焊接順序、方向、剛性約束等方面進行變形控制。

3.1 鋼板對接焊縫

鋼板對接焊縫的焊接變形控制只要從焊接工藝上進行分析控制：

（1）在剛性平臺上進行焊接，防止和減少在熱加工中桿件在自重下變形。同時鋼板與剛性平臺固定，待焊縫冷卻至室溫后方可解除。

（2）確定合適的坡口尺寸和焊接順序。在確保質量和方便操作的前提下盡量減小坡口的角度，從而減小填充量和焊接變形。

（3）采用多道焊接，降低線能量，多層焊接時，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時熱輸入甚小，加熱范圍窄，產生的收縮變形小，而且前層焊縫成型后對后一層焊縫形成約束（第二道約為第一道收縮量的20%，第三道約為5%～10%），因此，多層焊時的收縮變形比單層焊時小得多[3]。

3.2 單元焊接

單元的焊接主要是腹板單位和頂底板單元的焊接。控制變形的主要措施如下：

（1）反變形胎架的使用。認真分析焊接變形規律，并通過焊接變形實驗確定焊接變形量的大小，以確定反變形胎架的反變形量。

（2）焊接方法

a.焊接方向應一致，防止產生扭曲變形。由于縱向焊縫多，采用分散焊接，防止一側集中加熱。

b.縱向加勁肋兩側的角焊縫對稱焊接，反正加勁肋側向扭曲。

c.焊接方法采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊。藥芯焊絲CO2氣體保護焊焊接線能量小，焊接變形小。

3.3 箱體的焊接

（1）選擇合適的焊接順序，焊接對稱進行，焊接順序見圖5。

圖5 拱肋節段組裝焊接示意圖

（2）在節段的箱口和內部適當位置設置剛性支撐，增加結構整體剛度，減少由于焊縫收縮引起的幾何尺寸變化。在節段的內部采用橫隔板作為剛性支撐（相當于內胎），箱口采用型鋼作為剛性支撐。

由于橫隔板作為剛性支撐，相當于內胎，所以必須保證橫隔板的加工精度。首先采用等離子數控切割機進行下料，并開坡口，然后采用銑刨機進行邊緣加工，確保橫隔板的下料尺寸準確，最后橫隔板安裝時進行精確定位，確保橫隔板的平面位置及垂直度。

4 結語

通過上述一系列技術的使用，外砂河大橋鋼拱加工線型良好，值得推廣借鑒的經驗：

（1）采用數控等離子切割機，鋼拱單元板的尺寸得到很好的控制。

（2）對于鋼板對接確定適當的坡口尺寸，控制每一條焊縫的焊接填充量，減少焊接變形。

（3）采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊，多道焊接，焊接線能量小，焊接變形小。

（4）頂、底、腹板單元件加工根據設計曲線設計單元件加工胎架，采用反變形措施的焊縫預反變形量，保證線型準確性。

（5）節段組裝中跨設計半跨組裝胎架和邊跨設計整體組裝胎架，既很好的保證鋼拱線型，又節約了預拼裝。

（6）在箱體整體組裝焊接時，在箱口和內部適當位置增加剛性工藝隔板或者剛性支撐，增加結構整體剛度，減少由于焊縫收縮引起的幾何尺寸變化。

[1]胡漢舟,劉自明,秦順全,等.武漢天興洲公鐵兩用長江大橋斜拉橋技術總結[M].北京：中國鐵道出版社,2009.

[2]TB 10212-2009,鐵路鋼橋制造規范[S].

[3]胡漢舟,文武松,秦順全,等.京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋技術總結[M].北京：中國鐵道出版社,2011.

重慶東水門大橋南立交F、G匝道通車全長1.06 km

重慶東水門大橋南立交兩條匝道近日通車內環快速路—上新街、上新街—內環快速路—江北將更便捷，并緩解江南立交、盤龍立交的擁堵。這也是東水門大橋南立交最先開通的兩條匝道。

立交共有7條匝道，東水門大橋南立交項目主要解決東水門大橋、內環快速路和涂山路之間的交通組織轉換問題。項目于2013年7月正式進場開工建設，包括南立交、涂山路改造、軌道環線上新街站建設、“P+R”換乘綜合體、龍門浩小學改擴建。

這里是重要的軌道交通換乘點，項目的建成將有效加強渝中、南岸茶園、上新街沿線、彈子石片區的交通聯系。

此次通車的東水門大橋南立交F和G匝道全長1.06 km，投資0.88億。

兩條匝道通車后，可以實現從內環快速路—上新街、上新街—內環快速路—江北的交通鏈接，為上新街片區居民出行提供便利，同時也極大地緩解了江南立交和盤龍立交的交通擁堵狀況。東水門大橋南立交最大的亮點，就是在建的一個大型的P+R換乘停車樓。以后，人們可以將私家車停在大型停車樓內，再換乘軌道6號線、環線等，到達渝中區、江北區等多個地方。

東水門大橋上內環的匝道預計今年10月通車，內環上東水門大橋匝道年底通車。

U445

B

1009-7716（2016）05-0175-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.050

2016-01-19

王輝（1974-），男，湖南益陽人，工程師，從事路橋梁工程施工技術管理工作。