甌江北口大橋散索鞍鋼結構制造技術

王盛銘，董小亮，劉 郴，陳 離，李 明

（1.溫州甌江口大橋有限公司，浙江 溫州 325000；2.武漢船用機械有限責任公司，湖北 武漢 430084）

1 工程概況

溫州甌江北口大橋是浙江省繼舟山連島大橋、杭州灣跨海大橋之后又一座國家級的重大橋梁工程，是世界上首座三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋，采用寧波至東莞國家高速公路和國道228線（南金公路）共線過江的雙層橋梁方案。主橋橋型方案為215m+2×800m+275m。

該懸索橋上部結構纜索系統(tǒng)主要受力構件有主纜、索鞍、索夾及吊索等，其中索鞍又分為主索鞍、散索鞍2種，散索鞍安裝于錨碇支墩處，主要作用是支撐主纜并將主纜索股散開分布到錨碇處[1]。散索鞍結構為擺軸式，包括鞍座本體、隔板、上承板、下承板、底板、底座等構件。散索鞍長4.7m、寬4.0m、高6.0m，繩槽最小寬度為985mm，槽底最小豎彎半徑為9m，最小平彎圓弧半徑約12.5m，單件散索鞍重達92t。甌江北口大橋散索鞍結構如圖1所示。散索鞍鞍體為鑄件與鋼板焊接結構，從上到下分為鞍頭和鞍座2部分，通過焊接連接。其中，鞍頭鑄鋼件材質為ZG270-480H，鞍座鋼板材質為Q345R。

圖1 散索鞍結構圖

2 散索鞍鋼結構制造施工技術

針對該橋散索鞍體積和重量大、造型復雜的特點，在保證鑄鋼件順序凝固原則下，同時結合之前鞍頭鑄件鑄造經(jīng)驗，確定散索鞍鞍頭采用鞍槽整體朝下的鑄造工藝，造型方法采用組芯造型，在散索鞍鞍體焊接過程中，進行了焊前整體預熱并在焊接過程中進行了多次中間退火以消除焊縫應力；散索鞍鞍體機加工工藝施工采用四軸銑削，采用數(shù)控機床回轉臺多次回轉角度精加工鞍槽三維結構曲面。

散索鞍鞍體制造工藝流程包括鞍頭鑄造、鞍頭與鞍座焊接、熱處理、機加工、裝配、試驗、涂裝等。

2.1 鞍頭鑄造

散索鞍鞍頭主要作用是支撐主纜，其中設置有與主纜索股現(xiàn)狀相同的臺階，外側面設置有豎向加強筋板，形狀復雜，采用鑄鋼件鑄造成型[2]。根據(jù)散索鞍的技術要求和使用要求，確定散索鞍鞍頭采用鞍槽整體朝下的鑄造工藝，造型方法采用組芯造型。通過計算機進行CAE輔助設計，在鞍頭鑄造時綜合考慮凝固收縮自身結構和鑄造型芯的因素，該鞍頭模型收縮率設定為2.0%。根據(jù)鑄件結構及輪廓尺寸的特殊性，為保證鑄件由遠離冒口端向冒口端逐漸凝固，保證鑄件內部組織均勻及密實，同時參考計算機CAE仿真情況和實踐經(jīng)驗，最終確定了冒口設置方案，如圖2所示。

圖2 散索鞍鞍頭冒口設置示意圖

2.2 鞍體焊接

在甌江北口大橋散索鞍鞍體焊接前，對該鞍體最厚的鑄鋼件與鋼板焊接焊縫，開展了焊接工藝評定試驗。為模擬實際焊接狀況，采用120mm厚的鑄件與鋼板對接熔透焊縫進行了焊接工藝評定試驗[3]。在焊接過程中，為防止冷裂紋、熱裂紋和熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織，需對鞍體進行預熱，預熱采用進爐整體預熱，預熱溫度為100～120℃，保持鑄鋼與鋼板焊縫的層間溫度為100～150℃，鋼板與鋼板焊縫的層間溫度為60～100℃，測溫位置離坡口邊緣150mm。與此同時，鞍體焊接后，需對焊縫進行無損探傷檢測。通過總結虎門二橋經(jīng)驗，針對設計要求的《鑄鋼件超聲檢測 第1部分:一般用途鑄鋼件》（GB/T 7233.1—2009）標準容許的缺陷尺寸也相對較大，對鑄鋼件焊縫檢測評定要求相對較為寬松，且該標準是鑄鋼件鑄造缺陷評定標準，而非對焊縫缺陷進行評判的標準。該橋鞍體鑄鋼件和鋼板以及鋼板和鋼板的連接焊縫均采用焊縫評定標準《焊縫無損檢測超聲檢測驗收等級》（GB/T 29712—2013）及《焊縫無損檢測超聲波檢測技術、檢測等級和評定》（GB/T 11345—2013）標準進行評判，Ⅱ級為合格。

2.3 鞍體熱處理

因鞍體結構尺寸大，重達92t，板厚達100mm，結構件拘束度大，焊接后應力非常大，如不及時進行消應處理，焊接可能開裂。為消除焊接產(chǎn)生的熱應力、均勻焊縫和熱影響區(qū)的組織、細化焊縫和熱影響區(qū)的晶粒、排除焊縫在焊接過程中產(chǎn)生的氫脆，在焊接過程中和焊接后進行了去應力退火熱處理，保證鞍頭與鞍體焊縫的質量。在實際焊接過程中，鞍體進行了2次中間退火熱處理，以消除焊縫應力，焊接完成后進行了總體退火熱處理。同時，因鞍體結構尺寸大，熱處理可能存在不均勻現(xiàn)象，為了保證熱處理能達到設定效果，能充分消除焊縫焊接應力，針對該索鞍結構特點開展了熱處理仿真分析，對焊接加熱及升溫、恒溫等關鍵溫度等工藝參數(shù)進行計算機仿真模擬分析。仿真分析時，采用常規(guī)斜線升溫工藝模擬升溫鞍體，鞍體外部溫度大大高于內部，內外溫差相差較大，如按該方式加熱鞍體，結構內部無法按時達到預定溫度要求，同時外表面還存在局部過熱和脫碳。為此，在升溫過程中增加了一個恒溫段，恒溫溫度為400℃，以保證熱處理鞍體內外部溫度均衡，確保熱處理效果及焊接質量，消除焊縫開裂的風險[4]。

2.4 鞍體機加工

散索鞍鞍體結構為鑄焊擺軸式，首先進行鞍頭及工裝墊塊的粗加工（作為后面加工的基準），鞍頭粗加工后與底座部分進行焊接，焊接完成后在大型落地數(shù)控鏜銑床FB260（主軸直徑為260mm，配備有400t回轉工作臺）上整體精加工鞍槽和底板。

散索鞍鞍槽為三維空間曲面，是整個散索鞍機加工的難點。鞍槽加工時需采用四軸聯(lián)動的方式，即通過機床的回轉工作臺及機床的X、Y、Z軸參與旋轉的聯(lián)動，使機床的主軸方向始終為鞍槽底弧的徑向方向，這樣才能將鞍槽槽內的全部機加工余量通過銑削的方式去除。鞍體加工采用大型數(shù)控鏜銑床加工，數(shù)控程序的編制采用了先進的三維造型及加工軟件UG進行編制。在加工鞍槽到還有3mm余量時，檢測鞍槽的型值點，合格后再進行鞍槽的精加工，確保鞍槽槽形的正確性。另外，在鞍頭粗加工時焊接了找正基準塊，粗加工時一起加工，并專門制造了超長校正桿，加工過程中用來校正鞍頭與底面的位置。

2.5 鞍體涂裝

在涂裝作業(yè)過程中，應嚴格按照涂裝環(huán)境要求進行，同時按照預涂、噴涂、漆膜修補、熱噴涂的工藝要求對散索鞍進行涂裝。涂裝完畢后，漆膜表面應無流掛、橘皮、裂紋、針孔、氣泡等缺陷，漆膜飽和豐滿，色澤一致并無漏涂現(xiàn)象，同時涂層外觀均勻一致，無明顯的氣孔及裸露的斑點，無未附著或附著不牢固的金屬熔融顆粒和影響涂層使用的一切缺陷。油漆外觀滿足相關要求后，再進行漆膜厚度及熱噴涂附著力檢測[5]。

2.6 鞍體試裝配及擺軸試驗

為保證散索鞍各零件在現(xiàn)場能順利安裝，散索鞍的各主要零件加工完后，在廠內進行了試裝配。首先裝配上、下承板，確保銷孔順利對接，然后將上、下承板落位到底座上，再依次安裝鞍體及其他附件。散索鞍裝配完成并檢驗合格后，再將鞍體吊到底座上面裝配成安裝狀態(tài)。通過在鞍槽兩端綁定手拉葫蘆拉動鞍體進行擺動，測定鞍體在兩側的擺動角度。

3 質量控制

在散索鞍的制造過程中，嚴格遵照設計施工圖，在監(jiān)理工程師的監(jiān)督下，總體上從毛坯采購、鑄造、焊接、機加工、表面涂層防護、理化檢測等方面，對產(chǎn)品質量進行了全面有效的監(jiān)控。在實施質量控制的過程中，嚴格按照施工評審后的工藝方案、檢驗工藝進行施工和檢查，每個完工的零部件都有完整的質量記錄、探傷報告，并按工程管理要求匯集成冊。具體體現(xiàn)在：

（1）無損檢測設備的質量控制。通過對現(xiàn)有無損檢測設備的現(xiàn)狀進行分析評估和策劃，保證在散索鞍制造過程中無損探傷準確，確保產(chǎn)品的內在質量。

（2）鑄件毛坯的質量控制。因鑄件毛坯關乎產(chǎn)品的最終質量，同時散索鞍噸位尺寸大，存在一定的鑄造難度，所以需按工藝要求對模具造型、爐前分析、熱處理、理化試驗等鑄造生產(chǎn)的全過程進行監(jiān)控。毛坯出廠前經(jīng)過出廠驗收，鑄造廠家提供毛坯的鑄造爐批號、化學成分、機械性能、熱處理報告等，同時提供試樣回廠復驗。試樣回廠復驗合格后，才允許進行后續(xù)加工。

（3）零部件焊接、機加工、涂裝、裝配的質量控制。毛坯回廠后的全過程，均按該項目質量管理體系文件的有關規(guī)定進行質量控制，同時執(zhí)行首件驗收制度。

（4）外購件的質量控制。在產(chǎn)品組織策劃過程中，直接從專業(yè)廠家采購緊固件等專業(yè)性較強的零件，并且從采購技術協(xié)議、制造過程監(jiān)督、出廠檢驗、回廠復驗等各個環(huán)節(jié)精心策劃，確保產(chǎn)品質量得到較好的控制。同時，嚴格規(guī)定散索鞍拉桿的拉力載荷、螺母的保載、墊圈的硬度試驗。

4 結束語

甌江北口大橋散索鞍結構復雜，散索鞍重約92t。在其鋼結構制造過程中涉及鞍頭鑄造、鞍體焊接、焊接熱處理、機加工、涂裝、裝配和試驗等多個環(huán)節(jié)。相關人員通過分析總結以往懸索橋散索鞍制造施工工藝，在優(yōu)化了相應的工藝方案及計算機模擬分析前提下，解決了甌江北口大橋散索鞍鋼結構制造過程中的難題，同時散索鞍制造后經(jīng)檢測及試驗驗證，散索鞍各項技術指標均滿足設計和相關規(guī)范要求。