黃茅海大橋鋼箱梁制作關鍵技術研究

李西亮

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西 寶雞 721006)

1 工程概況

黃茅海跨海通道項目東連港珠澳大橋,西接西部沿海高速,是組成粵港澳大灣區的重要跨海通道,路線全長29.93 km,設計時速100 km/h。與港珠澳大橋、深中通道、南沙大橋、虎門大橋,共同組成大灣區跨海跨江通道群,形成世界級交通樞紐。

黃茅海大橋是黃茅海跨海通道的重要組成部分,項目位于珠海市境內。黃茅海大橋主橋長2 200 m,橋梁設計為(100+280+720+720+280+100) m的獨柱塔雙索面三塔斜拉橋,豎向采用全漂浮約束體系。橋梁主體為分體式鋼箱梁結構,高跨比為0.25,邊中跨比為0.53,滿足通航要求。鋼箱梁分為16類149個梁段。中跨和兩側邊跨各設置1個合龍段,中跨合龍段長度7.5 m,邊跨合龍段長度15 m,標準梁段長度15 m,結構主體采用Q355D鋼材,橋梁總重約6萬t。黃茅海大橋橋型布置圖見圖1。

2 結構設計

黃茅海大橋主橋采用分體式鋼箱梁結構,鋼箱梁節段由兩個邊側鋼箱梁及一個橫向連接箱組成(見圖2)。分體式鋼箱梁具有自重輕、抗扭抗彎強、抗風穩定性好等優點,在大跨徑橋梁中應用廣泛。

黃茅海大橋橫向連接箱頂部設計無橫坡,兩側邊箱沿箱梁與橫向連接箱分界線向邊側設置2%橫坡。縱向設計線形為兩側邊索塔區為2.2%縱坡,中索塔區兩側各330 m范圍為R30 000 m連續圓弧曲線。

鋼箱梁梁高4.0 m,兩側拉索錨固中心橫向間距44.792 m,單側頂板寬17.088 m,風嘴寬2.798 m,平底板寬6.9 m,外側斜底板寬5.62 m,內側斜底板寬4.8 m,實腹式橫隔板間距3.0 m。鋼箱梁通長設置內腹板及外腹板,斜拉索錨箱設置在外腹板外緣。每個拉索位置對應橫斷面處設置橫向連接箱,橫向連接箱寬3.0 m,高4.01 m。鋼箱梁除頂板U肋和板肋采用高強度螺栓連接外,鋼箱梁環縫及橫向連接箱與邊箱接口均采用焊接連接。

3 制作難點分析

1)鋼橋面板制作質量控制。為有效控制鋼箱梁運行過程中在U肋與面板之間焊縫、縱橫肋交叉的弧形缺口處出現疲勞裂紋,橋梁頂板U肋焊縫設計為內外雙面焊接,要求外側檢測熔深不小于板厚的75%,鋼橋面板U肋焊接質量控制是重中之重。

2)錨腹板制作精度控制。斜拉索設計為空間三向索,鋼箱梁斜拉索錨箱設置于腹板外側,與鋼箱梁外腹板共同構成錨腹板單元,角度關系復雜,其精度關系到鋼箱梁與斜拉索的安裝,是保證鋼箱梁橋位安裝精度的關鍵。

3)分體式鋼箱梁節段制作精度及線形控制。鋼箱梁橫截面尺寸大,單個節段設置一個橫向連接箱,位于鋼箱梁端部約1/3處,節段橫向剛度小,焊接量和焊接變形大,如何保證鋼箱梁節段截面尺寸和縱向線形及橫坡是關鍵。

4)下穩定板的變形控制。下穩定板為薄板工型結構,兼有檢查小車下軌道功能,其對變形控制要求高。兩側下穩定板平行設置,橫向無連接,剛度弱。下穩定板與橫向連接箱懸挑連接,吊運過程中穩定性差,易產生下撓和側彎,影響吊運安全和橋位連接精度。

4 制作工藝

黃茅海大橋鋼箱梁制作采用“鋼板預處理→零件加工→板單元制作→總拼(預拼裝)→橋位連接”的總體工藝流程進行,即鋼板預處理完成后進行各類零件下料和加工,再制作板單元,然后分梯次總拼成鋼箱梁節段,同步在總拼胎架上進行節段預拼裝,最后解體完成節段打砂涂裝[1-3]。

根據鋼箱梁結構特點,結合鋼材加工能力、運輸特點、鋼箱梁加工工藝、輪載等因素對鋼箱梁進行制作分塊。鋼箱梁單幅頂板橫向分為5塊,底板橫向分為6塊,隔板橫向分為5塊,風嘴與橫向連接箱單獨制作,同時對塔區超長節段D(22.5 m),D1(28.5 m)梁段進行縱向分塊。鋼箱梁分塊見圖3,圖4。

4.1 頂、底板單元制作工藝

頂、底板單元由面板、U形肋(板條肋)、隔板接板等零件組成,寬度2.6 m～4.06 m之間,是鋼箱梁的主要構件。為控制板單元精度,減少焊接變形對板單元尺寸影響,頂、底板單元均采用二次切邊工藝,即下料時預留二次配切工藝量,板單元組焊并修整完成后僅切割基準端預留工藝量,總拼完成后再進行二次配切端的切割,以保證鋼箱梁節段接口尺寸和環縫間隙精度。

頂、底板單元從下料到完成制作全程在智能生產線完成,通過數控激光劃線機、板單元自動組裝定位機、U肋板單元矯正機等智能化設備的使用,極大提高了板單元的制作質量和效率(見圖5)。頂板單元采用U肋內外埋弧焊專機從工藝上保證焊縫設計熔深要求,并采用超聲波相控陣檢測技術驗證U肋焊縫熔深。底板單元U肋設計為單面貼角焊縫,采用門式多電極焊接專機在專用船型反變形焊接胎架上完成焊接。

4.2 腹板單元制作工藝

腹板單元分為內、外腹板單元,由縱肋、接頭板等組成,采用長度方向二次配切工藝:零件數控下料完成后,在組焊平臺上完成板單元組焊工作,拼裝過程中控制接頭位置、板肋垂直度等項點,焊后矯正焊接變形并修正基線后,劃線切割基準側短邊和坡口。

4.3 錨腹板單元制作工藝

錨腹板單元由外腹板單元和錨箱單元組成,采用“外腹板單元+錨箱單元+錨墊板”的工藝:在制作完成并檢驗合格的外腹板單元上劃線依次組焊錨箱單元、錨墊板,嚴格控制錨箱組裝精度,焊后修整焊接變形,最后切割基準端預留量,完成錨腹板單元的制作。由于錨箱與腹板間焊縫均為厚板熔透焊縫,局部焊縫密集,因此焊接過程中需采取有效措施減小焊接變形,以保證錨腹板的整體制作精度。

錨箱單元制作工藝(如圖6所示)如下:

1)鋼板預處理后數控精切下料,下料時預留工藝量。對承壓板與錨墊板接觸面、加勁板磨光頂緊焊接邊等位置進行機加工。

2)在組裝平臺上劃線依次組焊錨拉板、承壓板、外側加勁板,嚴格控制磨光頂緊邊組裝間隙。

3)火焰修整焊接變形,控制錨拉板與承壓板垂直度、錨拉板板邊直線度。

4.4 橫隔板單元制作工藝

鋼箱梁隔板橫向劃分為5塊,邊側兩塊以接板形式組焊到腹板單元上,中間3塊單獨制作。隔板單元由隔板、橫向加勁、豎向加勁等部分組成。零件預留一定工藝量,數控精切下料后在平臺上完成劃線和組裝定位,利用焊接機器人完成焊接,探傷合格后修整焊接變形完成隔板單元制作。由于隔板厚度主要為10 mm和12 mm薄板結構,且加勁肋為單側設置,焊接變形較大,需采取必要的工藝措施有效控制隔板單元平面度。

4.5 抗風構造制作工藝

抗風構造主要有水平隔渦板和中央穩定板,由薄壁面板及加勁板組成,結構簡單,其制作工藝與隔板類似。

4.6 橫向連接箱制作工藝

橫向連接箱為大截面箱型構造,主要由頂板、底板、腹板、隔板單元和橫向連接箱接頭等部分組成,板單元的制作工藝與鋼箱梁板單元類似。橫向連接箱主要采用“定位底板→組立隔板→組裝腹板→組裝頂板”的工藝完成組焊(見圖7),檢驗合格后根據橫坡預設工藝量配切兩端頭接口。

4.7 風嘴制作工藝

風嘴由頂板、斜頂板、底板、隔板單元組成,為槽型結構,板單元的制作工藝與鋼箱梁板單元類似。風嘴截面為不規則四邊形,在專用組裝胎架上采用“定位底板→組立隔板→組裝斜頂板→組裝頂板”的工藝完成(見圖8),需重點控制風嘴旁彎、扭曲、錨管孔位精度等項點。

4.8 鋼箱梁總拼

鋼箱梁總拼采用“9+1”節段立體、階梯推進的方式整體進行,同步進行預拼裝,每輪次設置一個復位段(見圖9)。具體工藝如下:

底板單元定位:全面檢測總拼胎架縱橫線形,各檢測項點符合圖紙要求后以測量塔為基準,按規定次序依次鋪設底板單元,控制縱基線與測量塔距離。內側斜底板單元鋪設前需先定位組裝橫向連接箱接頭,保證接頭中心位置精度。檢測底板單元縱橫基線位置和控制點標高并進行精調,符合要求后將底板單元與胎架進行定位焊接。

橫隔板單元定位:以底板上縱、橫基線和隔板位置線為基準依次組立定位橫隔板,控制隔板垂直度、縱橫向位置偏差等項點符合規范要求后進行定位焊接,并設置臨時斜撐進行穩固。

腹板單元定位:以底板上縱、橫基線和腹板位置線為基準分別組裝內腹板、錨腹板單元,利用內、外側測量塔輔助腹板單元進行精調,控制橫隔板接頭與隔板錯臺、錨點位置、腹板單元豎向角度偏差等重要項點符合規范要求。

頂板單元定位:以縱、橫基線為基準按照規定次序依次組裝頂板單元,并根據線形、橫坡進行微調,各控制點標高檢測合格后碼固定位。

風嘴定位:以鋼箱梁縱橫基線為基準,吊裝風嘴,嚴格控制風嘴縱向位置,確保錨管位置精度。

橫向連接箱定位:以橫基線為基準組裝橫向連接箱,注意控制橫向連接箱箱口與橫向連接箱接頭錯臺,符合要求后組裝接口嵌補段并定位焊接。

抗風構造定位:以縱橫基線為基準,組裝水平隔渦板和中央穩定板。為保證下穩定板穩定性,避免下撓,用型鋼對其設置橫向臨時支撐,增強其整體剛度。檢測組裝定位等項點符合要求后進行定位焊接。

焊接與修整:按照工藝進行焊接,焊縫探傷檢測合格后修整焊接變形。

接口匹配:全面檢測預拼長度、縱向線形、橫坡、錨固定位點位置及鋼箱梁節段尺寸,并進行調整,檢查并修整節段接口間隙、錯臺,各項點均檢測合格后安裝匹配件并解體出胎,移交打砂涂裝。

5 關鍵技術與措施

5.1 鋼箱梁精度控制技術

1)由于斜拉索設計為空間三向索,鋼箱梁錨箱角度定位關系復雜。為此,利用CATIA軟件進行三維建模,結合制造線形對錨箱等關鍵結構進行精準放樣,根據轉換的二維圖紙確定零件下料輪廓,保證零件尺寸精度。

2)頂板縱肋孔群精度控制:鋼箱梁頂板U肋、板肋節段間為高強螺栓連接。為避免因施工誤差過大而導致的高強螺栓孔群超差使橋位連接困難,拼接板采用“先孔法”與“后孔法”結合的工藝,即部分拼接板采用先孔法鉆制兩端全部孔群,其余部分則僅鉆制一端頭孔群,另一端頭橋位測量后配鉆。

3)設計專用組裝胎架:根據錨箱、橫向連接箱、風嘴等結構特點和尺寸分別設計專用組裝胎架,對板單元組裝定位進行精確控制。

4)橫向預拱設置:鋼箱梁制作時,橫向連接箱橫向水平放置,通過整體旋轉兩側邊箱設置0.15%的橫向預拱,抵消焊接反彈量和橋位施工載荷影響,保證了成橋后鋼箱梁設計橫坡2%的驗收要求(見圖10)。

5)縱向線形控制:鋼箱梁縱向制造線形=設計線形+橋梁恒載預拱+1/3車道荷載預拱。根據分體式鋼箱梁[4]截面特點和幾何尺寸,設計制作專用總拼胎架。總拼胎架主體固定,橫梁上設置活動牙板,牙板標高可根據鋼箱梁底板縱向線形進行調整。根據高程控制點要求在鋼箱梁頂板、底板上設置測量控制點,利用經緯儀測量輔助調整標高,保證鋼箱梁總拼各階段整體線形符合設計和規范要求。總拼線形和高程控制如圖11所示。

6)節段長度控制:板單元制作時以索塔為中心,遠離索塔側設置為配切端,板單元制作時預留配切工藝量。鋼箱梁總拼后,根據梁段設計長度、彈性壓縮量、焊接收縮、焊接間隙等計算配切量,按線進行鋼箱梁節段環口的配切。

7)合龍段設置:為消除施工誤差和溫度影響,保證鋼箱梁整體長度,根據架設方案,邊、中跨各設置1處合龍段,全橋共設置合龍段3個。合龍段制作時預留充足配切量,根據橋位架設時測量的數據進行配切,保證合龍接口精準就位。

5.2 測量監控措施

結合鋼箱梁截面尺寸大等特點,分幅設置外、中、內測量塔共6個,與橫向基線形成“六縱一橫”測量網,配合板單元基線定位,控制各板單元、橫向連接箱、風嘴等組裝時的位置和標高(見圖12),以避免過程累計誤差,保證節段制作精度。

5.3 焊接變形控制措施

1)設計合理的焊接接頭坡口形式。根據接頭構造形式、焊接空間,盡量采用金屬填充量小、尺寸對稱的坡口形式。

2)選用焊接線能量小的焊接方法。厚板焊縫采用多層多道焊接工藝;通過焊接試驗選用合理焊接參數,減小焊接過程熱輸入。

3)采用焊接反變形措施,在反變形胎架上進行板單元焊接。

4)采用合理的焊接順序和焊接方向,橫向連接箱等箱型構件縱向主焊縫同方向焊接,隔板焊縫宜從中間向兩邊焊接。

6 結語

根據黃茅海大橋分體式鋼箱梁結構特點,通過在板單元制作、節段總拼、線形控制等過程中結合智能生產設備和生產線,采取合理有效的工藝方法和質量控制措施,能保證鋼箱梁節段的制作精度,滿足鋼箱梁驗收質量的要求。同時,通過對黃茅海大橋分體式鋼箱梁的制作工藝和關鍵技術的總結,也為同類型鋼箱梁的制作積累了經驗。