探析鋼箱梁制作中的關鍵工藝及控制措施

夏 輝 童 鋒

（1.黃岡職業技術學院，湖北 黃岡 438000；2.湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北 武漢 430056）

從2000年起，鋼箱梁橋逐漸出現在公路橋梁建設領域，并得到了廣泛應用。我國鋼箱梁制作工藝雖然起步較晚，但經過我國工程技術人員的努力，已逐步形成一套有自己特色、實用性的鋼箱梁制作工藝。

1 鋼箱梁制作基本要點

鋼板箱形梁是鋼板梁的別稱，之所以叫鋼箱梁，是因為它具有箱子的外形。在大跨度橋梁的施工中經常采用這種結構形式。鋼箱主梁的跨度一般為幾百米到上千米，鋼箱梁制作和安裝都是分梁段進行的，其橫截面扁平、寬幅，高寬比基本上在1∶10左右。

鋼箱梁一般采用全焊接方式，對頂底板、腹板、橫縱隔板、錨箱等單元進行組焊。其中，頂板的正交異性橋面板由蓋板和縱向加勁肋構成。大部分鋼箱梁的板厚分別為：蓋板厚14mm，縱向U形肋厚6mm，上下口寬度分別為320mm和170mm，間距620mm；底板厚10mm，縱向U形加勁肋6mm；斜中腹板厚度分別為14mm和9mm；橫隔板間距和厚度分別為4.0m和12mm；梁高度為2～3.5m。

2 鋼箱梁制作的重點和難點

2.1 焊接要求高

鋼箱梁制作均采用小厚度和小剛度材料。在焊接時，為保證其剛度和強度符合要求，需要大量焊縫。另外，由于支座位置脆弱，當受大力擠壓時，焊接質量容易出現問題。因此，必須研究鋼箱梁制作關鍵工藝，保證鋼箱梁制作安全和質量。現場焊接時，既要進行縱向焊縫焊接，又要進行橫向全斷面焊接，增加了焊接工作量。由于焊接工作的復雜性，需要采用橫焊、仰焊等焊接方法。另外，焊接不僅工位多，而且對質量要求極高，因此，大多數焊縫都需要用超聲波和X射線類的設備進行探傷。

2.2 鋼箱梁線形控制精度高

鋼箱梁為曲線梁，在制作鋼箱梁和現場施工時，應同時滿足梁段平曲線、豎曲線、橫坡的變化要求，制作精度要求極高，鋼箱梁線形精度很難控制。

3 鋼箱梁制作工藝思路

鋼箱梁結構為全焊接形式，焊縫具有密集性，焊接處易發生變形，有較大的殘余應力。為減少和控制鋼箱梁焊接時走形，保證制作出高質量的鋼箱梁，可采用“板—板單元—兩拼板單元—鋼箱梁—預拼裝—橋位焊接”的方式進行鋼箱梁制作。按一橋三的原則制作施工，即在廠內進行錨箱單元、支座、泄水管、檢查機械等零部件生產；在沿海基地制作橫梁、隔板、檢修道等板塊；在橋位現場進行板塊、板塊單元、預拼裝及整體鋼箱梁的組焊拼裝；在橋位將每節梁段拼焊成一個整體。對鋼板進行預處理過程中，首先，按照箱梁的板單元進行劃分，并根據實際情況進行零部件的下料、矯正和加工。然后，對板單元進行組焊、檢修、補涂裝。各單元件制作完成后，運到施工現場進行整體組焊、安裝，對吊裝涂裝后的鋼箱梁段進行調整和連接。最后，完成對縫焊接、螺栓連接和最終的涂裝工作。

4 鋼箱梁制作關鍵工藝

4.1 板單元劃分

每節鋼箱梁的組成都是固定的，包括頂底腹板、橫縱隔板、錨箱、風嘴等。板單元的劃分原則是盡量做大板單元的尺寸、減少板單元的種類、降低鋼箱梁段的總體組焊工作量，從而制作出高精度的鋼箱梁。通過多個帶縱橫肋的板單元件對每個梁段進行標準劃分，包括頂板、底板、斜底板、橫縱隔板、腹板和風嘴，目的是減少使用零散部件組焊拼接整體箱梁，根據各板單元類型，采用流水作業的方式在不同的專用胎架上進行板單元制作。

4.2 板單元制作關鍵工藝

在進行板單元制作時，一般按“鋼板趕平及預處理—精確下料—組裝U形肋—反變形焊接—局部調整”的固定順序。

4.2.1 鋼板趕平

鋼箱梁所用的鋼板都需預處理。鋼板趕平有利于消除鋼板局部變形、釋放殘余應力、最大限度地保證板件平整。預處理過程中，用磁力吊進行上料和下料，可減少鋼板局部變形。鋼板趕平后進行除銹、噴漆、烘干工作。

4.2.2 精確下料

鋼箱梁中形狀復雜的零部件主要采用精密型數控切割機下料。為保證鋼箱梁形狀和尺寸的精準度，一般采用雙槍對稱的順序進行切割，必要時增加一些補償量。一些矩形的板件下料優先使用龍門式多嘴切割機，因為這種機械具有高精準度，能同時切割和加工出坡口，為后續組焊預留出準確的收縮量，有利于切割無余量。

4.2.3 組裝U形肋

U形肋機器樣板是廠家專門設計定制的，通過樣板的翻轉鉆孔胎鉆制U形肋的螺栓孔。由于先孔法工藝主要是使用機器樣板鉆孔，拼接板標準，使鉆孔質量好、效率高，因此，通常采用先孔法工藝，不使用墨孔法工藝。組裝前一次性鉆好拼接處的螺旋孔徑，預留出準確的組焊收縮量，控制組焊順序，控制焊接后較標準（偏差在允許范圍內）的U肋和邊孔距。專門設計自定位組裝胎進行U肋的高精度組裝。

4.2.4 反變形焊接

U形肋和單元板的焊接質量在很大程度上決定著控制鋼箱梁的正交異性板質量。當焊接U形肋開坡口和頂（底）板時，設計要求其熔透深度至少達到U形肋板厚度的80%。開坡口熔透焊接時，易造成板單元的焊接角部分走形，而采用火焰修正會降低板單元尺寸的精準度，從而增加內應力。為此，專門定制焊接胎來減少板單元的走形程度，以實現反變形控制。為了保證坡口焊接的熔透深度，一般采用船位焊接方式，通過精確計算坡口焊接角的變形量來保證反變形量的準確性。實測焊接后的板單元數據顯示，采用反變形焊接方法，可使橫向平面度不超過4mm、縱向彎曲范圍在10～15mm，經過修正后，其熔透深度很容易達到板厚的95%。

按照U形肋長度精確計算所需預留的焊接收縮量，嚴格控制頂板和U形肋孔距的焊接收縮量。由于CO2在焊接過程中的變形較小，因此，優先采用自動和半自動CO2焊。采用藥芯焊絲CO2自動焊進行U形肋與頂（底）板的組焊，采用埋弧自動焊進行焊縫對接，以提高焊接質量。

4.3 鋼箱梁拼裝工藝

鋼箱梁拼裝可采用多段組焊與預拼裝同時完成的方法制作鋼箱梁。對頂底板單元、腹板、錨箱、橫縱隔板、風嘴進行流水作業。制作梁段時，先采用二拼一的作業方式制作板單元，然后按橋底板—橫縱隔板—腹板—頂板—風嘴的順序進行組裝，逐段進行單元板組焊。組裝時應嚴格控制箱梁的形狀、尺寸、精度、接口偏差和頂板U形肋栓孔重合率。

4.3.1 板單元二拼一

在進行梁段的匹配和組裝前，先在二拼一胎架上將頂底板單元組焊成吊裝板塊。為保證焊接后單元塊的尺寸、精度、平整度和焊接變形，需在兩拼胎架焊接縫隙處向上預留焊接反變形量。另外，由于預留了焊接收縮量，使焊縫兩側相鄰形肋的中心距得到很好的控制。這種方式可大大縮短制作周期。

4.3.2 整體組裝胎架線形和定位

根據橋梁線形設置整體組裝胎架的縱向線形，并根據各組裝批次的縱向線形高差表調整胎架牙板。將支撐橫梁設置在鋼箱梁橫隔板處，減少底板單元的變形程度，為保證焊接后鋼箱梁橫截面的尺寸，需要預設胎架橫向的上拱度。在考慮焊接收縮的同時，根據縱基線進行頂底板單元橫向定位。同時，根據橫基線進行頂底板單元縱向定位。用激光經緯儀進行監測定位，重點是縱向直線度、端口與中心線之間的垂直控制。

4.3.3 梁段組焊及預拼裝

結合CO2氣體保護焊與陶質襯墊單面焊雙面成型工藝，按照自下而上、自中而外、自內而外的焊接順序，完成梁段組焊和預拼裝，從而減少橋梁起拱和線形調整的工藝步驟，有利于縮短制作工期。

5 鋼箱梁施工控制措施

5.1 變形控制措施

控制鋼箱梁的變形是焊接過程中的難點。由于焊縫的接頭多，因此，在焊接時加強變形精度控制非常必要。較大的誤差會導致許多不可控的情況發生，嚴重影響鋼箱梁質量。實際生活中，為了控制焊接變形，經常使用自動化設備對板單元進行組焊。

5.2 下料尺寸控制措施

焊縫過多容易造成操作誤差。為減小焊接變形，必須控制鋼箱梁單元精準度。另外，完成焊接后，若出現差錯，則修正時會有很大難度。因此，研究發現，要減少橫隔板這些單元件對鋼箱梁尺寸的影響，使用高精密度數控機進行切割是一個很好的解決方法。

5.3 板單元組拼尺寸控制措施

（1）嚴格控制各單元板的幾何尺寸，使之符合要求，并注意焊縫接口的走形。

（2）板單元采用反變形自動定位組裝，以減少因焊接而產生的收縮和走形。

（3）采用自動化裝置焊接橫隔板，使橫隔板的幾何尺寸精確化，有利于提高單元板的精準度和質量。

5.4 梁段組拼線形控制措施

鋼箱梁線形控制，先用計算機精確放樣，再通過數控機具下料，保證零部件的線形；出廠前布置好工裝胎架，并進行橋型模擬，制作符合設計要求和橋線形的單元件，按照“全橋組拼→相鄰節段精確化匹配，調整尺寸接口、拱度→配件組裝”的順序，在專用胎架上進行梁段組拼。

5.5 裝焊質量控制措施

（1）科學合理地設計裝配間隙，考慮收縮余量，避免焊接零件不能與之匹配。

（2）定期監測橋軸線并注意其變化。

（3）科學確定焊接順序。

（4）防風雨設施必不可少。

（5）嚴格執行現場工藝紀律管理制度。

5.6 焊接重點控制事項

（1）焊接前，進行工藝評定，方便了解優劣情況，采用工藝性價比高的制作工藝流程，編寫工藝評定報告。

（2）選擇抗裂性好的焊接材料和合適的焊接方法。

（3）選擇均勻協調的材料進行焊接，保證整體協調、美觀。

6 結語

綜上所述，鋼箱梁在制作過程中必須保證其精度和質量。采用先進的設施和制作工藝，如高精度自動定位板單元組裝工藝、反變形焊接工藝、梁段組焊與預拼裝并行等，以保證制作高質量的鋼箱梁。