臨港公鐵兩用長江大橋鋼錨梁制造關鍵技術

康玉梅， 常彥虎，朱新華

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

0 引言

目前，斜拉橋廣泛采用的斜拉索塔端錨固方式主要有預應力加混凝土齒塊式、鋼錨梁加鋼牛腿或混凝土牛腿式(下稱鋼錨梁式)以及鋼錨箱式。預應力式錨固結構在質量控制不好時錨固區易開裂引起耐久性問題；鋼錨箱式錨固結構承載能力相對較高，但用鋼量過大，經濟性較差。鋼錨梁式錨固結構是一種組合式錨固形式，能夠發揮鋼結構受拉能力強的同時，具有良好的經濟性[1]。鋼錨梁式錨固結構中錨梁是受力的關鍵構件，主要承受斜拉索的平衡水平力[2-3]。因索塔內壁結構空間限制，且鋼錨梁承載力大，鋼錨梁設計結構特點一般為鋼板厚度大，熔透焊縫多，結構內部空間狹小，板件形狀不規則。工廠制造過程中的突出問題有鋼錨梁結構組焊施工難度大、底板焊接易變形、索導管空間角度精度控制技術要求高等。本文以臨港公鐵兩用長江大橋為例，介紹了大型鋼錨梁制造關鍵技術，針對制造難點提出了解決方案。

1 工程概況

臨港公鐵兩用長江大橋為公鐵同層布置的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，是世界跨度最大的公鐵兩用鋼箱梁斜拉橋和世界最寬的公鐵兩用橋。主橋全長1 077.3 m，主跨522 m，橋面寬度63.9 m，梁高5 m，橫橋向設雙向2%橫坡，橋面中間為4線高速鐵路，兩側各三車道城市快速路，最外側布置了人行道與非機動車道，鋼梁節段最大重量約519.6 t[4]。橋梁總體布置見圖1，標準橫斷面如圖2所示。

1號斜拉索采用齒塊構造錨固于塔壁內側上，2號～3號斜拉索直接錨固于中、上塔柱連接段的橫梁上，4號～21號斜拉索采用鋼錨梁作為塔端錨固結構，鋼錨梁水平放置于塔壁內側的鋼牛腿上，每套鋼錨梁錨固兩對四組斜拉索，鋼錨梁與鋼牛腿之間采用M30的高強螺栓連接。

2 鋼錨梁結構簡介

本橋鋼錨梁由腹板、底板、中隔板單元、錨箱、加勁板、水平板、不銹鋼板及索導管等部分組成，其中錨箱由錨墊板、承壓板、傳力板、箱內(外)加勁板及索導管固定板組成，中隔板單元由中隔板、加勁肋組成。鋼錨梁長7.36 m，寬2 m(兩腹板內側間距)，底板寬2.804 m，中間高度1 m，兩端高度約1.8 m～2.8 m，最重的鋼錨梁約19.5 t。鋼錨梁結構示意圖如圖3所示，錨箱結構示意圖如圖4所示。

3 制造重點及難點分析

本橋鋼錨梁截面輪廓尺寸大，是一般鋼錨梁的2倍～3倍，單側為雙索導管，鋼板厚度大，錨箱部位內腔結構空間狹小，焊縫密集，設計合理的組裝、焊接及涂裝工藝，是保證鋼錨梁整體制造質量及精度的重點，同時工廠制造過程中具有以下難點：

1)鋼錨梁水平放置于塔壁內側的鋼牛腿上，故鋼錨梁底板平面度要求高，腹板與底板為熔透焊縫，且腹板板厚大，底板上設置有大面積的孔洞、自由邊剛度較弱，鋼錨梁底板焊接變形及平面度控制是難點之一。

2)鋼錨梁邊、中跨側斜拉索角度不同，同側又為雙股索，錨箱傳力板與腹板斜交且為熔透焊縫，腹板又為不規則形狀，焊接收縮量不均勻，因此，錨箱組焊角度精度控制是難點之一。

3)鋼錨梁與鋼牛腿之間高強螺栓連接，制孔精度是保證鋼錨梁與鋼牛腿整體制造精度的重點。

4)索導管長且管徑小，普通噴槍難以到達待涂表面位置，索導管內壁防腐質量難以保證，索導管內壁除銹涂裝工藝設計及質量控制是難點之一。

4 制造工藝設計

4.1 制造工藝設計

根據鋼錨梁的結構特點及制造重難點，采用“鋼板預處理→零件下料、機加工→錨箱、中隔板單元制作→H型→箱型→試裝→防腐涂裝”的總體制造工藝方案。即鋼板輥平噴涂車間底漆后，腹板、底板等形狀復雜的零件采用數控火焰切割機下料，水平板等矩形板采用門式火焰切割機下料。對錨箱錨墊板、承壓板用銑床加工斜(平)面，有磨光頂緊要求的零件用刨邊機加工磨光頂緊邊及焊接坡口。制作時在平臺上先組焊錨箱及中隔板單元，再分H型、箱型兩次作業組焊完成鋼錨梁，最后機加工底板平面，鉆制底板高強螺栓孔，鋼錨梁整體除銹涂裝后組裝索導管、不銹鋼板等零件。鋼錨梁制造工藝如圖5所示。

為了驗證制作工藝的科學合理性，檢驗鋼錨梁的制作質量，全橋鋼錨梁及鋼牛腿在專用胎架上進行整體試裝，試裝包括試拼區間的鋼錨梁、鋼牛腿、連接板等所有零部件。本橋鋼錨梁牛腿預埋板每層之間設計有20 mm間隙，即鋼錨梁與鋼牛腿整體連接后每層之間不連接，保證單層鋼錨梁及鋼牛腿整體的制造質量即可，故本橋鋼錨梁采用單層倒裝立體試裝方案，將鋼錨梁倒置于平臺，鋼牛腿放置在鋼錨梁底板上，試裝時各桿件處于自由狀態。試裝時按標準要求數量安裝沖釘及螺栓，待牛腿預埋板間距、螺栓孔同心度等項點檢測合格后組裝匹配件，解體除銹涂裝。

鋼錨梁試裝示意圖見圖6。

4.2 焊接工藝及坡口設計

本橋鋼錨梁腹板與底板、錨箱傳力板為熔透焊縫連接，錨箱承壓板與錨箱傳力板、加勁板為磨光頂緊坡口角焊縫連接，錨箱承壓板與腹板、錨箱錨墊板為角焊縫連接，其余均為坡口角焊縫連接。為了減小焊接變形，鋼錨梁所有焊縫均采用焊接線能量小的手工電弧焊或CO2氣體保護焊。受結構空間限制，為了保證熔透焊接，滿足焊工操作需求，錨箱傳力板與腹板、腹板與底板之間的熔透角焊縫采用單面焊雙面成型焊接工藝，在箱內側貼陶質襯墊，外側焊接，以確保焊縫熔透質量。錨箱焊縫在單元件制造時焊接完成，錨箱傳力板、加勁板與承壓板焊縫有磨光頂緊要求，先焊接磨光頂緊焊縫，再焊接其他焊縫。鋼錨梁整體組裝成H型時，焊接腹板與錨箱、中隔板單元連接焊縫，箱型時依次焊接底板與腹板、水平板與腹板、加勁板連接焊縫。焊接順序按照對稱、同向施焊的原則進行。

為了減小應力集中，錨箱傳力板與腹板間熔透角焊縫端部打磨勻順后進行超聲波錘擊處理，圓弧部位錘擊區域沿中間焊縫錘擊區域連續均勻過渡并外延10 mm，如圖7所示。

4.3 涂裝工藝設計

4.3.1 鋼板預處理工藝

鋼板先進行機械輥平，然后拋丸除銹達到Sa2.5級、Rz25 μm～Rz50 μm，再噴涂無機硅酸鋅車間底漆一道25 μm。預處理合格的鋼板方可用于鋼錨梁加工制造。

4.3.2 鋼錨梁涂裝工藝

本橋鋼錨梁設置有索導管，且單側為雙索導管，索導管通過固定板上索孔穿入鋼錨梁錨箱，與錨箱承壓板連接，索導管與錨箱內壁凈距40 mm～60 mm不等，錨箱內腔結構空間非常狹小，同時索管為細長構件，整體涂裝時錨箱內表面及索導管內外壁無法除銹涂裝，故錨箱單元內表面、索導管內外壁采用先涂裝的工藝，即錨箱單元加工完成后先對內表面按涂裝體系要求進行除銹涂裝，再對索導管內外壁零件進行除銹涂裝。為了保證涂裝質量，鋼錨梁采用后涂裝的工藝，即鋼錨梁組焊成整體，底板高栓孔鉆制完成后進行除銹涂裝，同時對索導管等先涂裝部位受損漆膜進行補涂裝，涂裝工藝見表1。為了減少漆膜在鋼錨梁存儲、吊運過程中的污染受損，影響漆膜外觀，鋼錨梁外表面最后一道面漆待全橋施工結束后在現場涂裝。

表1 鋼錨梁涂裝工藝

5 制造關鍵技術

5.1 底板焊接變形控制及平面度保證技術

鋼錨梁底板與牛腿接觸面范圍平面度要求高，將底板制造厚度加厚4 mm，銑床加工底板平面至理論厚度。為了減小底板焊接變形，加強底板自由邊剛度，底板數控切割下料時端部豁口預留100 mm不切割，中間人孔的兩端500 mm范圍下料時切出，以滿足腹板與底板焊接作業施工需要，其余暫不切出，同時利用反變形原理，對底板自由邊進行預彎，見圖8，合理抵消部分焊接變形。鋼錨梁整體組焊完成，修整至底板平面度不大于3 mm后，對與牛腿接觸面底板進行整體機加工，保證底板平面度，同時切出預留未切部位。

5.2 錨箱及索導管組裝精度控制技術

錨箱是鋼錨梁索力傳遞的關鍵構件，其組裝精度直接影響拉索角度。根據錨箱結構特點，錨箱采用“零件→合件→槽型→錨箱”的組裝工藝順序，如圖9所示。為了保證錨墊板與承壓板密貼，控制斜拉索錨座的角度，錨墊板、承壓板零件下料后用銑床加工斜(平)面，其中錨墊板雙面機加工，承壓板機加工與錨墊板密貼面。對有磨光頂緊連接要求的零件頂緊傳力面進行機加工，以滿足表面粗糙度要求。組裝時先將錨墊板、承壓板組焊成合件，箱內加勁板組焊成合件，再將錨墊板合件、傳力板、箱內加勁板合件、箱外加勁板組焊成整體，其中箱內加勁板合件從中心向兩端依次組焊，控制頂緊傳力面的組裝間隙，最后組焊索導管固定板及兩側加勁板。錨箱單元組裝時以索孔為基準定位組裝錨墊板、承壓板及索導管固定板，保證索孔的空間角度，在鋼錨梁整體組裝時以承壓板、索導管固定板上索孔及基線為基準組裝索導管，控制索導管的組裝精度。

另外，鋼錨梁腹板為不規則形狀，錨箱傳力板與腹板斜交且為熔透焊縫，受構造空間限制，錨箱傳力板與腹板采用單面焊雙面成型焊接工藝，鋼板厚、坡口深，焊縫填充量大，焊接變形大，焊接收縮量不均勻。根據錨箱傳力板與腹板的熔透焊縫焊接變形規律，在鋼錨梁腹板下料時預留焊接收縮量，同時錨箱組裝角度預設焊接反變形工藝量，如圖10所示，腹板上斜拉索軸線為錨箱中心線，對斜拉索軸線上、下兩端設置工藝量，且上、下工藝量值不相等，通過不等值的工藝量對斜拉索軸線角度預設工藝量，合理抵消焊接變形，保證錨箱組焊角度，控制鋼錨梁的焊接變形。

5.3 制孔精度保證技術

鋼錨梁底板高強螺栓孔的制孔精度是控制鋼錨梁與鋼牛腿整體制作質量精度的關鍵之一。為了保證質量，減少焊接、矯正等變形影響，采用后孔法鉆制鋼錨梁底板兩端的高強螺栓孔，即鋼錨梁完成整體組焊，進行全面修整，各項點檢測合格后，整體翻轉至底板朝上狀態擺放，以基線為基準采用數控機床鉆制兩端螺栓孔，保證孔群的整體幾何尺寸精度。

5.4 索導管除銹涂裝工藝設計及質量保證技術

索導管內壁的防腐質量是鋼橋梁防腐涂裝的一個死角，由于空間狹小，普通噴槍難以到達待涂表面位置。故索導管內壁采用內置式自動噴砂槍、噴漆槍進行除銹涂裝。自動噴砂(漆)槍采用合理的行進速度及噴嘴旋轉速度，獲得良好的除銹涂裝質量，同時提高涂裝作業效率。該工藝解決了索導管內壁除銹涂裝質量不易保證的難題，提高了自動化程度，確保了索導管涂裝耐久性。索導管內壁噴砂機見圖11，噴漆機見圖12。

6 關鍵技術實施效果

通過對成品的質量檢測，鋼錨梁底板與牛腿接觸范圍平面度不大于0.5 mm，底板兩端高強螺栓孔中心距偏差不大于0.2 mm，錨點位置偏差等均滿足相關標準要求，詳見表2[5]。此外，索導管內壁采用內置式自動噴砂槍、噴漆槍進行防腐涂裝，內壁除銹粗糙度滿足Sa2.5，Rz40 μm～Rz60 μm的技術要求，層漆膜厚度及漆膜總厚度均滿足設計要求。該技術解決了傳統的人工手持噴槍作業對狹小空間無法施工、涂裝質量不易保證的難題。

表2 鋼錨梁檢查數據

7 結語

本項目鋼錨梁已全部順利安裝完成，鋼錨梁長度、斜拉索軸線空間角度等各項技術指標檢測均符合設計及相關規范要求。本文針對大型鋼錨梁的結構特點及制作難點，詳細闡述了工廠加工制造工藝，采取的關鍵制造技術科學合理，為同類結構的設計制作提供了參考。