鋼箱梁橋整體拼裝焊接變形控制及補(bǔ)償方法研究

柴飛，劉申，徐向軍

中鐵山橋集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066205

1 序言

伴隨我國交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)大跨度公路橋的需求日益增加，鋼橋制作技術(shù)也不斷進(jìn)步。近年來，隨著鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)的進(jìn)步，鋼箱梁的整體焊接質(zhì)量不斷提高。橋梁建設(shè)速度的迅猛發(fā)展和自動(dòng)化焊接技術(shù)的日益成熟，促進(jìn)了鋼箱梁制作方法的改進(jìn)，焊接作為鋼箱梁橋的主要連接方法，在拼裝過程中如何對(duì)焊接變形進(jìn)行控制及補(bǔ)償，是保證鋼箱梁整體幾何尺寸精度的關(guān)鍵[1]。

2 工程概況及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

深圳至中山跨江通道項(xiàng)目（以下簡稱“深中通道”）位于珠江三角洲核心區(qū)域，北距虎門大橋約30km，南距港珠澳大橋約38km，直接連接深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)、廣州南沙新區(qū)及中山市，全線共設(shè)橋梁17034m，建設(shè)規(guī)模宏大，工程技術(shù)復(fù)雜，鋼箱梁制造技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求高。項(xiàng)目旨在全面提升鋼箱梁制造的自動(dòng)化制造水平，推進(jìn)我國橋梁制造向智能化發(fā)展，促進(jìn)我國鋼橋制造產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

中山大橋?yàn)?10m＋185m＋580m＋185m＋110m＝1170m雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，立面布置如圖1所示。鋼箱梁采用正交異性橋面板流線型扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)，索塔采用門型主塔，斜拉索采用扇形布置，在外側(cè)通過錨拉板錨固。鋼箱梁梁高4m，全寬46m（含風(fēng)嘴），橋面寬度43.5m。拉索橫向間距41.5m，拉索間為雙向8車道，橋面橫向設(shè)2.5%雙向排水坡[2]，鋼箱梁橫斷面如圖2所示。

圖1 中山大橋立面布置（單位：m）

圖2 中山大橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：m）

3 自動(dòng)化焊接技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的鋼箱梁總拼是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，焊接作業(yè)主要以人工為主，生產(chǎn)效率低，受人工因素的影響，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性較差。在深中通道項(xiàng)目鋼箱梁總拼過程中，為提高自動(dòng)化焊接水平，大量使用小型機(jī)器人、焊接跟蹤器及埋弧焊等自動(dòng)化設(shè)備施焊[3]，典型部位焊縫的焊接方法及焊接材料見表1，施焊實(shí)景如圖3所示。自動(dòng)化設(shè)備的采用，提高了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，降低了焊縫返修工作量，減小了鋼箱梁的焊接變形。

圖3 自動(dòng)焊跟蹤器及小型機(jī)器人施焊實(shí)景

表1 典型部位焊縫的焊接方法及焊接材料

4 焊接變形控制及補(bǔ)償方法

鋼箱梁為正交異性板全焊結(jié)構(gòu)，焊接工作量大，每次施焊或焊縫返修焊都會(huì)產(chǎn)生一定的焊接變形和焊接收縮[4]。焊接收縮量大體上可分為：梁段高度方向變形（豎向變形）、梁段長度向變形（縱向變形）、梁段橫向坡度方向變形（橫向變形）3種，這些收縮量會(huì)影響梁段的最終幾何尺寸。此外，頂板、底板單元作為橋梁的重要組成部分，其對(duì)接焊縫焊接變形控制直接影響到梁段的制造質(zhì)量及外觀效果。腹板單元連接錨拉板作為橋梁的主要傳力構(gòu)件，焊接變形會(huì)直接影響腹板角度，從而影響斜拉索的傳力。施工過程中必須對(duì)焊接變形進(jìn)行合理控制，并增加適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，才能保證梁段幾何尺寸的準(zhǔn)確。

4.1 梁段高度

鋼箱梁中軸線處的豎向高度為4m，產(chǎn)生豎向焊接收縮的焊縫主要有腹板及橫隔板與頂、底板間角焊縫。經(jīng)過對(duì)實(shí)際焊接收縮量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，確認(rèn)焊接收縮量在2mm以內(nèi)，綜合考慮其他次要焊縫和修整等因素，在板單元制造時(shí)橫隔板、邊腹板高度方向增加2mm，作為梁段高度焊接收縮補(bǔ)償。

4.2 梁段長度

標(biāo)準(zhǔn)段長度為18m，會(huì)導(dǎo)致縱向焊接收縮的焊縫主要有底板單元間縱向?qū)雍缚p、腹板及橫隔板與頂?shù)装彘g角焊縫、頂板單元縱向?qū)雍缚p。這些焊縫對(duì)稱分布，如能對(duì)稱施焊，則不會(huì)產(chǎn)生梁段縱向上翹變形。然而，在施工過程中底板、橫隔板、腹板、頂板是分布組裝焊接，導(dǎo)致這些焊縫不能同步焊接，有使梁段產(chǎn)生縱向上翹變形的趨勢(shì)，通常采取將鋼箱梁底板與胎架局部固定加以約束的方法，基本可以消除縱向上翹變形。而縱向長度方向通常采用增加二次切頭量的方法予以補(bǔ)償，長度18m的鋼箱梁預(yù)留二次切頭量25～30mm。

4.3 梁段橫向拱度

梁段橫向?qū)挾葹?1.5m（不計(jì)風(fēng)嘴），會(huì)產(chǎn)生梁段橫向拱度變形的焊縫主要有以下3種。

（1）橫隔板與底板間角焊縫 橫隔板與底板單元間的焊接，會(huì)使橫隔板兩端產(chǎn)生上翹變形[5]，采取將每道橫隔板處胎架橫梁與底板進(jìn)行定位焊固定約束的方法。

（2）橫隔板立位對(duì)接焊縫 中山大橋壓重區(qū)及支座區(qū)橫隔板采用實(shí)腹式隔板外，其他標(biāo)準(zhǔn)梁段橫隔板均為中間空腹桁架結(jié)構(gòu)，斜底板上方為實(shí)腹結(jié)構(gòu)。總拼時(shí)，實(shí)腹的橫隔板先與斜底板及U形肋完成角焊縫焊接，限制了橫隔板下部立位對(duì)接焊縫向里的收縮變形，此時(shí)橫隔板上部沒有約束，實(shí)際檢測(cè)橫隔板對(duì)接焊縫上部焊接收縮量為1.5～2.0mm。經(jīng)過放樣計(jì)算，會(huì)使梁段最外側(cè)（腹板處）產(chǎn)生約4mm的上翹變形。

（3）頂板單元縱向?qū)雍缚p 為降低梁段頂板焊接時(shí)對(duì)鋼箱梁橫向拱度變形的影響，頂板單元縱向?qū)訒r(shí)，由中間向兩邊對(duì)稱施焊。當(dāng)最后兩條頂板縱向焊縫焊接時(shí)，鋼箱梁會(huì)由開口截面變成閉合截面，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，頂板縱向?qū)雍缚p產(chǎn)生的2～3mm橫向收縮量會(huì)導(dǎo)致鋼箱梁外側(cè)有約6mm的上翹變形。

另外，梁段橫向2.5%滾水坡是成橋工況下的坡度，考慮到梁段斜拉索索力、自重及其他載荷作用下，施工監(jiān)控單位計(jì)算得出鋼箱梁中心線與腹板處橫向變形為23.3mm（無隔板位置）和22.1mm（有隔板位置），要求在鋼箱梁制造拼裝過程中，在設(shè)計(jì)橫坡基礎(chǔ)上增加15mm的拱度，以抵消其產(chǎn)生的橫向撓度。

綜合考慮上述問題，橫向焊接收縮量共計(jì)導(dǎo)致梁段兩端有約10mm上翹，施工監(jiān)控給定的橫向增加15mm的拱度，因此在梁段制造及拼裝時(shí)橫向需預(yù)加約25mm向下反變形，方能保證梁段成橋后橫坡達(dá)到2.5%的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，梁段橫向反變形設(shè)置如圖4所示。

圖4 梁段橫向反變形設(shè)置示意

4.4 板單元對(duì)接焊縫兩側(cè)U形肋間距

對(duì)于單塊頂板和底板單元上U形肋間距，由于在板單元生產(chǎn)時(shí)，均采用了專用胎具自動(dòng)化組裝[3]，從而保證了同一板單元上U肋間距的精度。在梁段拼裝時(shí)需要將相鄰頂板、底板單元進(jìn)行縱向?qū)樱附邮湛s必然會(huì)對(duì)縱縫兩側(cè)U形肋的間距造成影響；另外，由于板單元縱向拼接采用的是單面焊雙面成形工藝，焊接也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生角變形[6]，如果采用常規(guī)的焊后修整的辦法，修整時(shí)對(duì)收縮量的影響無規(guī)律可循，會(huì)使得縱向焊縫兩側(cè)U形肋的間距控制更加困難。因此，如何預(yù)留縱向?qū)雍缚p的焊接收縮量和控制焊接角變形成為保證相鄰U形肋間距和頂、底板平面度的關(guān)鍵因素。

對(duì)于焊接產(chǎn)生的橫向收縮量，通過實(shí)際跟蹤測(cè)量得出焊縫橫向焊接收縮公式：Δ＝2.5±δ（δ隨板厚增大而增大，0.2mm≤δ≤1.0mm，當(dāng)板厚為16mm、20mm、24mm時(shí)，δ取0.3mm、0.5mm、0.8mm）。

為保證縱向焊縫兩側(cè)U形肋的間距，采用“焊前”“焊后”兩塊樣板，用來控制焊接前后U形肋間距，樣板檢查實(shí)景如圖5所示。

圖5 U形肋間距焊前、焊后樣板檢查

對(duì)于焊接角變形的控制，采用在頂?shù)装鍐卧訉挄r(shí)預(yù)加一定的反變形量，以補(bǔ)償板單元對(duì)接焊產(chǎn)生的角變形，如圖6所示。這樣既能縮減焊后修整工作量，又能保證板面平面度。根據(jù)不同板厚設(shè)置h＝20～60mm的反變形，h值根據(jù)板單元寬度及面板厚度選擇，隨面板厚度或?qū)挾戎翟龃蠖龃蟆?/p>

圖6 底板平對(duì)接焊接反變形補(bǔ)償

通過準(zhǔn)確預(yù)留焊接收縮量和反變形量，很好地控制了板單元焊后U形肋間距。對(duì)全橋橫隔板位置采用樣板控制U形肋間距后，統(tǒng)計(jì)測(cè)量縱向?qū)雍缚p兩側(cè)U形肋間距偏差均≤0.5mm。

4.5 腹板單元組裝

腹板單元上連接錨拉板，是鋼箱梁的主要受力板件，其組裝位置精度和傾斜角度都顯得尤為重要，在組裝定位前預(yù)先對(duì)焊接收縮量進(jìn)行補(bǔ)償，才能使板單元焊后位置尺寸符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。因此，腹板定位組焊分兩步進(jìn)行，斜底板組焊完成后進(jìn)行腹板初次定位，以測(cè)量網(wǎng)標(biāo)志塔的基準(zhǔn)線為依據(jù)，考慮焊接收縮量影響，預(yù)加工藝補(bǔ)償量f1＝2.5～3.5mm。橫隔板組焊完成后再進(jìn)行腹板二次定位，根據(jù)橫隔板與腹板的焊接形式預(yù)加工藝補(bǔ)償量f2＝3～6mm，如收縮量較大的熔透角焊縫時(shí)，f2取5～6mm；如不熔透角焊縫時(shí)，f2取3～4mm，如圖7所示。

圖7 腹板一次、二次定位焊接收縮補(bǔ)償示意

5 應(yīng)用效果

在鋼箱梁整體拼裝過程中，通過制定合理的拼裝焊接順序，采用自動(dòng)化焊接設(shè)備，以及適宜的焊接變形控制及補(bǔ)償方法等措施，有效地保證了鋼箱梁外形尺寸精度，全部達(dá)到了項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求，以首輪7個(gè)梁段（編號(hào)DS3～DS9）為例，具體外形尺寸檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 首輪梁段外形尺寸檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)束語

深中通道中山大橋項(xiàng)目在鋼箱梁拼裝時(shí)，通過采用自動(dòng)化焊接設(shè)備，提高了焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性，有效降低了焊縫返修、矯正導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。并從梁段高度、梁段長度、橫橋向拱度、板單元對(duì)接及腹板單元定位5個(gè)方面進(jìn)行焊接變形控制及收縮量補(bǔ)償，有效保證了鋼箱梁外形尺寸，為大斷面鋼箱梁橋整體拼裝外形精度控制提供了經(jīng)驗(yàn)。