工字鋼梁廠內加工施工技術研究

呂小龍

（中交路橋建設有限公司總承包分公司，北京 100012）

1 工程簡介

延崇高速河北段GQ2 合同段內共計需制作架設11座特大、大橋，其中9 座橋梁上部構造采用鋼-混工字組合梁，1 座橋梁上部構造采用鋼-混組合鋼箱梁，1 座橋上部構造采用變截面鋼桁腹預應力混凝土組合梁，11座橋梁鋼結構工程量約3.3 萬t，工字鋼梁工程量約為3萬t，體量占比最大。

鋼-混工字組合梁橋梁上部結構由4 片工字鋼梁、2 片邊梁、2 片中梁構成，其中橋面寬12.75m，鋼梁中心線區域梁高2.05m，梁板間隔3.4m。鋼主梁通過Q345qE 工字形鋼梁，主要包含頂板、底板和腹板等焊接形成，頂、底板為變厚度鋼板，頂板厚25～30mm，底板厚35～50mm，主梁腹板為變厚度鋼板，厚度為12～16mm。主梁相互間選用高強螺栓進行連接。混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力焊釘連接，焊釘尺寸240mm×22mm，縱向間距115～300mm 不等，橫向根據結構受力布置有4 個。

鋼主梁相互間利用橫梁實現相互關聯，橫梁標準間隔距離為5.0m，端橫梁、中橫梁采通過實腹式，并運用焊接工字型截面，橫梁頂板、底板、腹板均通過等厚度鋼板，頂、底板厚度維持在16mm，端橫梁腹板厚16mm，中橫梁腹板厚20mm，設置豎向加勁肋，與鋼主梁腹板焊接。其中端橫梁采用外包混凝土加強耐久性。橫向連系采用框架式橫梁，采用L100mm×100mm×12mm Q345D 角 鋼 和TN147mm×200mm×12mm×8mm Q345DT 型鋼；平聯采用TN147mm×200mm×12mm×8mm Q345DT 型鋼。3×30m 單元工字梁平面布置圖如圖1 所示，4×30m 單元工字梁平面布置圖如圖2 所示，3×40m 單元工字梁平面布置圖如圖3 所示，4×40m 單元工字梁平面布置圖如圖4 所示。

2 施工難點及應對措施

2.1 工字梁焊接變形控制

工字梁通過鋼板不等厚完成連接，具有要求高等特性，其變形控制效果之間受到鋼梁幾何尺寸精準度干擾，所有節點構成零部件相對較多，焊縫繁瑣同時呈現集中性，極易導致焊接變形。為了有效避免以上問題，降低焊接變形缺陷的出現，需重視以下幾點：

（1）仔細研讀設計圖紙，保證組裝胎座的科學性與合理性，同時把控鋼梁組裝精準度。

（2）仔細研究不同種類焊縫焊接變形相關規律，同時總結出焊接變形相關經驗，明確焊接變形量大小，并制定成有效的控制措施。

（3）通過理論計算與模擬試驗二者融合，明確不同焊縫預留焊接收縮量，同時全方位追蹤測量并及時給予修正。

圖1 3×30m 單元工字梁平面布置圖

圖2 4×30m 單元工字梁平面布置圖

（4）對零件的下料、坡口加工、桿件整體組裝等作業質量給予有效的監督，同時通過科學的焊接方法，完善焊接工序，最大限度地避免焊接變形出現。

圖3 3×40m 單元工字梁平面布置圖

圖4 4×40m 單元工字梁平面布置圖

2.2 對接焊縫、熔透焊縫的焊接質量控制

對接以及熔透作為構件傳力重要焊縫，對其焊接質量的控制是焊接工藝的關鍵所在，特別是不等厚對接焊縫、熔透焊縫焊接變形以及質量把控作為研究重點與難點，需做到以下幾點：

（1）根據焊縫類型，通過分類完成焊接試驗，明確焊接形式、焊接設備、焊接材料、焊接工藝參數、焊接順序、坡口形式等內容。

（2）依據焊接試驗所得結果制定切實可行的焊接方案并選擇相符合的焊接工藝。

（3）設計保證焊接質量和便于控制焊接變形的工藝裝備，確保焊接工藝的有效實現和焊接變形的有效控制。

（4）編制關鍵焊縫的質量控制計劃，并從原材料復驗、下料、加工、焊接、檢測等方面給予全方位的監督。

2.3 預拼裝的質量控制

預拼裝施工技術作為廠內精度以及橋位架設精度關聯的重要內容，是實現鋼梁廠內加工和施工現場拼裝架設無縫對接非常關鍵的環節。為保證預拼裝達到預期的效果將采取如下措施：

（1）制作專用的拼裝胎架，胎架模擬橋梁架設的支墩工況，按施工設計的坡度和拱度進行拼裝。胎架通過工字型鋼進行搭設，保證剛度，明確試裝過程中不會發生變形；預拼裝施工準備環節需對胎架進行水準、平面測量，保證試裝平面度精準度滿足相關規范。

（2）保證所有拼裝構件處于無應力狀態，提升預拼裝檢測結果精準度以及可靠度，滿足預拼裝的最終目標。

（3）胎架上定位工字鋼梁時，要對構件平面度、拼裝所有對角線差、節間長度、梁高等項點進行檢查，確保整體預拼裝精度，保證橋梁架設精度要求。

3 主要施工方法

工字鋼梁的加工主要在加工廠內完成，主要施工流程如圖5 所示。

圖5 工字鋼梁加工制作流程

3.1 工字梁構件制作

（1）制作工藝。主梁、橫梁工型桿件由翼緣板、腹板等零件組成，最大斷面尺寸為外高2050mm，外寬700mm。桿件最大制作長度20000mm，最大重量約12.8t。

（2）工字梁構件工藝。工字梁構件制作工藝流程：鋼板復檢→數控精切下料→主梁、橫梁單構件組焊→桿件矯正→加勁肋組焊→整體鉆孔，具體操作流程如圖6所示。

圖6 工字梁構件制作工藝流程

①下料。通過數控火焰切割機抑或門式切割機精切下料。下料時翼緣板、腹板長度需預設焊接收縮量、二次切頭量，保證腹板預拱曲線尺寸誤差低于2mm。在下料前期需對其外觀給予檢查，并對表層缺陷給予處理。根據零件的具體形狀和大小確定下料方法，對長度較長的矩形板件通過多嘴頭門式切割機進行精切；形態繁瑣的板件需通過CAM 系統數控切割機完成精切；較規則薄板次要板件則通過剪切下料；型鋼通過鋸切或焰切完成；鋼板對接坡口通過火焰進行切割。鋼板或型鋼切斷面如果是非焊接邊緣，切斷面需保障其光滑、整齊、無毛刺；長度的方向直線度公差需滿足相關標準；厚度方向垂直度公差需小于厚度的1/10，并低于2.0mm。所有零部件進行下料時，需依據縱、橫向焊縫焊接量大小，預留出焊接收縮量、加工余量、修邊余量等。零部件的下料需通過數控火焰切割機、數控直條切割機或半自動切割機進行切割下料。

②坡口的加工。鋼板對接前，采用半自動火焰切割機進行對接坡口加工，并用角磨機打磨清理坡口及其兩側30mm 范圍內的鐵銹、割渣及氧化皮等雜物，坡口加工尺寸根據焊接工藝、焊接工藝評定等要求進行加工。如有翼緣板接長的構件，先對翼緣板劃線、切割坡口、拼裝、焊接及修整。

③鋼板（構件）對接。盡量采用定尺鋼板減少板料對接，當需對接時必須滿足：工字鋼梁的翼緣板拼接縫和腹板拼接縫的間距不應小于200mm，翼緣板拼接長度不應小于2 倍板寬；腹板拼接寬度不小于300mm，長度不應小于600mm。鋼板（部件）對接在專用調平后的工裝胎架上進行，依據焊接工藝進行對接焊接（一般大破口方向先焊接，背面清根，埋弧自動焊蓋面），焊接完成后如圖7 所示。

④工字梁組對。H 型工字梁在H 型鋼組立機上完成組裝，如圖8 所示。先平鋪下翼緣板在組立即上，調平后再組立腹板，通過滾輪及定位來調節垂直度，最后加蓋上翼緣板進行組立。在組立時，利用組立機定位滾輪進而調整翼板平面度、翼板與腹板垂直度，并通過直角尺對其進行檢查。

圖7 翼緣板對接焊接示意圖

圖8 H 型工字鋼梁組立機及現場組立示意圖

將下翼板以及腹板完成組對后，在組立機吊裝上翼板，使得腹板以及上翼緣接觸組立。組立時，腹板與翼緣板的對接縫錯開≥200mm，如圖9 所示。組立過程中，通過直尺、角尺對腹板、翼板組立中心偏差、垂直度依次進行測量。

圖9 腹板與翼緣板的對接縫錯開示意圖

⑤工字梁焊接。工字梁焊縫選擇龍門自動焊機在船形位置，焊縫的兩旁實施交替焊接，同事避免角變形。焊接并探傷后，用工型矯正機修整焊接變形，控制翼緣板對腹板的傾斜度≤0.5mm，龍門焊機如圖10 所示。

圖10 龍門自動焊機示意圖

焊接前，焊接工型鋼兩端頭配以引弧板和熄弧板，保證其長度大于80mm。焊接完成后引弧板和熄弧板應采用氣割切除，禁止錘擊。焊接選用門型埋弧焊機船型位置完成焊接。引弧板、熄弧板設置及焊接順序如圖11所示。工型鋼4 條主焊縫采取門式埋弧焊機完成埋弧自動焊焊接，按交叉的焊接順序完成操作。熔透焊縫根據相關工藝要求完成作業，一般采取非對稱坡口，背縫清除后需再次進行作業。同時端頭配置引弧板和熄弧板。焊縫內部缺陷需通過碳弧氣刨、砂輪等將其清除，并利用砂輪修磨，在修改前期需對其缺陷是否消除明確，等確認后方可進行修補。其中焊縫用用無損檢驗方法進行復驗，相同焊縫同樣區域返修次數需低于2 次。如超過2 次需設定合理的方案完成相關返修工作，并作記錄。

圖11 焊接順序示意圖

⑥矯直。焊接成型后工型鋼矯正需通過型鋼翼緣矯正機完成，現場加工如圖12 所示。

圖12 工字鋼梁矯正機示意圖

⑦加勁肋裝配。工型鋼焊接完成并矯正合格后，轉至專用臺架上進行加勁肋板的裝配。在此前期需完成放樣測量，明確勁板裝配尺寸精準度。工字鋼梁預拼裝及加勁板模型圖如圖13 所示。

圖13 工字鋼梁預拼裝及加勁板模型圖

⑧主梁工型鋼制作段兩端鉆孔。主梁工型鋼制作段兩端腹板和翼緣板上的螺栓連接孔在矯正檢驗驗收合格后用節點板配鉆孔，現場施工圖如圖14 所示。在劃線平臺上重新修正桿件的中心基線，并以中心基線為基準劃出桿件的鉆孔對向線、切頭線。采用卡樣板鉆制連接孔群，小車精密切割兩端頭及腹板手孔斜邊并打磨；用預先制作的鉆模板對正基準線后進行配鉆孔。

圖14 工字鋼梁主梁鉆孔圖

⑨栓釘焊接。鋼混工字組合梁結構通過栓釘將工型梁與混凝土橋面板結合成一體，栓釘主要起傳遞剪力的作用。栓釘焊接在工廠制作完成。

3.2 端橫梁、中橫梁構件制作

延崇高速公路河北段鋼混工字組合梁的結構形式是由端橫梁、中橫梁、橫向連系等結構組合而成的金屬結構。端橫梁、中橫梁的制作流程：鋼板復檢→數控精切下料→劃線→腹板與翼板組對→焊接→加勁肋裝焊→桿件矯正→栓釘焊接。

（1）劃線。延崇高速公路河北段鋼混工字組合梁的端橫梁和中橫梁的翼板、腹板均為平直板件結構，組立時在翼板上劃出中心線。

（2）腹板與翼板組對。腹板與上下翼緣在組立機上進行組對。

（3）端、中橫梁焊接。工字梁焊縫采用埋弧自動焊機在船形位置進行焊接，焊縫兩側交替施焊，控制角變形。焊接并探傷后，用工型矯正機修整焊接變形，控制翼緣板對腹板的傾斜度≤0.5mm。焊接前，焊接工型鋼兩端頭配置引弧板和熄弧板，保證其長度＞80mm。焊接完成后引弧板和熄弧板應采用氣割切除，禁止錘擊。工型鋼4 條主焊縫利用門式埋弧焊機完成埋弧自動焊焊接，按交叉的焊接順序進行施焊。熔透焊縫根據焊接工藝要求進行焊接，采取非對稱坡口，背縫清根后再進行焊接。端頭設置引弧板和熄弧板。

（4）栓釘裝焊。延崇高速公路河北段鋼混工字組合梁結構通過栓釘將工型梁與混凝土橋面板結合成一體，栓釘主要起傳遞剪力的作用，栓釘焊接在工廠制作完成，具體結構物如圖15 所示。栓釘的形狀、尺寸應符合圖紙及規范要求。在進行焊接時需選用螺柱焊機及焊槍等設備。在前期需消除焊釘焊接區鐵銹、油污及水分，焊接瓷環需放置于烘干箱中150℃烘2h。焊釘組焊面完成打砂除銹，并對其水、銹、氧化皮等相應雜質進行清除。栓釘焊接保證在室內、溫度在5℃以上完成操作。若溫度低于5℃時，需對工件進行預熱至50℃后才能夠進行焊接。若底面金屬潮濕，需通過火焰烘烤去濕進行下步工序。在具體焊接過程中，焊釘與鋼板需維持垂直，焊槍不可搖晃，直至焊接金屬完全固化。

3.3 橫向連系梁制作

橫向連系梁是工字鋼梁主梁的梁結構件。橫向連系梁的制作流程：下料→鉆孔→預拼裝。

（1）下料。采用火焰切割和數控切割機進行型鋼和連接板的下料。

（2）劃線鉆孔。將下料完成的連接板和型鋼置于專用劃線工裝胎架上，進行劃線鉆孔。

圖15 端橫梁及中橫梁施工模型圖

（3）預拼裝。將加工完成后的部件在專用工裝上進行預拼裝。

橫向連系梁現場施工圖及模型圖如圖16 所示。

圖16 橫向連系梁現場施工圖及模型圖

3.4 施工永久鋼模板制作

施工永久鋼模板是鋼混工字組合梁上部與混凝土的連接構件，由面板、T 型鋼、圓鋼組合裝焊而成。制作流程：下料→折彎→裝焊。

（1）下料。①鋼板（面板）下料：采用剪板進行剪切下料；②T 型鋼下料：采用火焰切割進行T 型鋼下料加工；③圓鋼下料：采用火焰切割進行圓鋼下料。

（2）鋼折彎。將下料完成的鋼板在自制的專用折彎機進行折彎處理。將下料完成的圓鋼在專用鋼筋折彎機上進行折彎處理，如圖17 所示。

圖17 永久鋼模板成型機器及半成品圖

（3）板裝焊。將下料完成和折彎完成的構件在水平工裝胎架上進行焊接組裝。

3.5 廠內整體預拼裝

（1）預拼裝目的。為驗證施工的合理性，圖紙及工藝文件的正確性，工藝裝備及設備精度的可靠性，確保橋位架設順利架設，廠內需進行首跨橋梁預拼裝。鋼混工字組合梁預拼裝將左右兩主梁單元構件與中間橫梁進行廠內拼裝。試拼裝主要采用平面試裝法，構件放置在試拼裝胎座上，各單元構件處于自由狀態進行，重點檢查其外形尺寸、拱度、坡度及彎度是否合格。

（2）鋼梁試裝場地布置。預拼裝安排在長度、寬度滿足要求的場地進行，要求地面平整，基礎良好。按橋梁的立面線型參數進行預拱度和縱坡設置，平面線型按底面放樣投影進行控制，鋼梁預拼如圖18 所示。

圖18 鋼梁預拼裝示意圖

（3）預拼裝操作程序。①拼裝用胎架進行布置和全面檢測；②將首個組合梁單元擺放在胎架上，調整主梁與中梁的高度差，然后吊裝第二個單元構件，調整好左右構件的組裝間距和高度差，進行臨時固定；③安裝中間橫梁及其他聯系桿件，調整好其組裝尺寸，檢測構件中心距、節間長度、對角線等關鍵尺寸，滿足規范要求后，將組裝定位板用安裝螺栓及沖釘定位；④重復上程序工作，完成至少兩跨組件的首件試拼裝；⑤拱高、節間長度、旁彎、預拼裝全長、拱度、坡度、彎度、對角線、中心距、螺栓栓孔通過率等項點。

4 結束語

延崇高速河北段GQ2 合同項目工字鋼梁在中交路建所屬項目中體量大，在施工上尚未形成成熟且成套的標準化施工工藝，項目在管理過程中采取了有效的技術、質量、安全措施后，在計劃工期內圓滿完成了工字鋼梁的施工任務，對于中交路建后續承接類似項目的工字鋼梁的施工工藝標準化上有積極的指導意義和推動作用。