懸掛式單軌軌道梁制造精度控制技術

裴雪峰

（中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006）

0 引 言

隨著我國城市化建設的飛速發展，城市交通系統面臨的壓力與日俱增，很多城市加快了城市軌道交通的建設步伐[1]。懸掛式單軌是一種高架敷設的中低運量單軌制式，列車懸掛于軌道梁下，車輪沿著軌道梁內部空間走行，具有安全、造價低、施工周期短、占地少、適應性強等優點[2]。

軌道梁一般采用標準鋼箱梁，可通過工廠預制、現場拼裝的方式來實現快速安裝，大大縮短了建設工期。基于“梁-軌”合一的結構特點，懸掛式單軌軌道梁同時實現了承重和導向功能，既是軌道又是橋梁[3]。因此，懸掛式單軌軌道梁的結構形式和尺寸精度要同時滿足橋梁和軌道的使用條件和要求，對制造精度要求高，國內已建成的懸掛式單軌僅有幾條試驗線，制造精度控制相關研究較少。

文章以武漢市光谷生態旅游專線一期工程空軌為懸掛式單軌軌道梁為依托，對軌道梁制造的精度控制技術進行研究。

1 項目簡介

武漢市光谷生態旅游專線一期工程空軌為懸掛式單軌軌道梁，全線高架敷設，由鋼橋墩蓋梁（或支座、橫梁）與軌道梁通過銷軸進行連接，列車懸掛運行于軌道梁下方。

武漢市光谷生態旅游專線空軌效果圖見圖1。

圖1 武漢市光谷生態旅游專線空軌效果圖

標準跨軌道梁主體截面采用頂部箱型底部空腔開口細長結構，梁內壁凈高1 516 mm，梁頂寬1 216 mm，頂板板厚根據軌道梁跨度不同分為20/32 mm，中隔板板厚為16 mm（支座式梁端加厚為28 mm），底板（走行面）板厚32 mm，中間開口尺寸230 mm，腹板板厚20 mm，內壁間距836 mm，兩端連接板厚70 mm，連接板與腹板及底板采用搭接焊連接。底板外側沿縱向通長設置寬80 mm 的縱向加勁及橫向小加勁，中隔板上部設置有小隔板，隔板之間有縱向加勁肋相連。

正線軌道梁包含直線梁、平面曲線梁、豎向曲線梁及平豎疊加雙曲線梁。

軌道梁主要由頂板、底板、腹板、中隔板、加勁板、連接板等組成，除連接板采用Q345qE 鋼外，其余構件均采用Q345qD 鋼。軌道梁結構示意圖、標準斷面示意圖見圖2、圖3。

圖2 軌道梁結構示意圖

圖3 軌道梁標準斷面示意圖（單位：mm）

2 軌道梁制造精度控制難點分析

軌道梁截面為底部開口的箱型截面形式，箱內無隔板支撐，故軌道梁自身抗扭剛度相對較弱，因焊接而導致的箱體彎曲、扭曲及傾斜等難以控制。由于主梁底板兼做輪軌走行面，故軌道梁的豎向和平面曲線線形還必須滿足線路的曲線要求。而且，外側腹板預留的供電滑觸線連接孔與走行面（底板）距離、主梁腹板間距、兩側軌道高低差精度要求高。這些關鍵項點的精度控制是制造過程中的重點和難點[3]，具體如下：

（1）平面曲線線形及腹板間距精度控制。軌道梁結構為空腔開口細長結構，內部無隔板作為支撐，制造時難以保證主梁腹板間距尺寸及線路線形。

（2）底板焊接角變形與腹板垂直度控制。軌道梁腹板與底板為全熔透焊接，過大的焊縫金屬引起的角變形容易導致走行面與導向面的平面度難以滿足設計要求，且腹板垂直度較難保證。

（3）底板開口間距與兩側走行面高差控制。軌道梁底板縱向通長開口，受焊接熱變形影響，開口間距發生變化，易造成兩側走行面產生高差，導致兩側底板錯臺量控制難度加大。

（4）軌道梁豎向和平面曲線線形精度控制。軌道梁主要路線包括直線、平面曲線、豎向曲線及疊加空間曲線等類型。由于主梁底板兼做輪軌走行面，故軌道梁的豎向和平面曲線線形還必須滿足線路曲線要求，尺寸精度及形位公差要求嚴格。

3 軌道梁制造精度控制技術

3.1 軌道梁設計精度要求

軌道梁精度對保障車體運行過程中的平穩性和舒適性極為重要。因此，設計單位對軌道梁成品尺寸精度要求作了嚴格規定，具體要求見表1[4]。

3.2 軌道梁制造精度控制措施

3.2.1 下料精度控制

軌道梁為開口箱型結構，底板采用2 塊厚32 mm的鋼板兼做走行面。從表1 可知，設計要求2 塊走行面錯臺量Δ1≤1.5 mm，走行面輪廓度不大于1 mm/m，且須將2 塊底板間縱向通長開口尺寸（230 mm）的誤差控制在0～+2.0 mm，對底板下料精度的要求很高。

經研究分析和反復試驗，底板最后采用整體數控下料的方式，即在數控精確下料時，在2 塊底板之間每隔1.5 m 設置1 處寬度為160 mm 的工藝連接勁板（厚度為32 mm，與底板厚度相同），下料時將2塊底板同時下出。通過這種方法，既避免了2 塊底板分開下料時的錯臺，又保證了2 塊底板的下料精度，為后續底板單元和軌道梁制造精度控制提供了保障。

底板下料精度控制見圖4。

圖4 底板下料精度控制

3.2.2 焊接接頭設計

腹板與底板焊縫為軌道梁主要受力焊縫，為全熔透焊接，此焊縫焊接變形將直接影響走行面與導向面的制造精度控制，因此焊接接頭設計尤為關鍵。首先考慮內側焊縫焊接量不宜過大，一是從走行面變形考慮，二是軌道梁內部設置有大量臨時加勁，連續焊接受限；同時，內側焊接量也不宜過小，內側焊接量過小將導致外側焊縫清根量增加，焊縫填充量過大，再加上靠近焊縫位置無腹板加勁加強，焊接變形約束困難，焊接變形加劇，從而導致走行面與導向面的平面度控制難度加大。

在軌道梁制造中，經過不斷總結和反復優化，最后確定的腹板與底板全熔透焊接接頭設計示意圖見圖5。

圖5 腹板與底板全熔透焊接接頭設計示意圖

3.2.3 立體工裝使用

針對軌道梁結構特點，專門設計開發了一套立體工裝用于軌道梁整體組裝焊接。工裝由平臺滑軌、標高調節裝置、限位卡蘭、外側限位頂鎬、內側工藝隔板組成。使用時，將平臺滑軌、標高調節裝置、限位卡蘭、外側限位頂鎬組合在一起，置于軌道梁節段外側，將內側工藝隔板置于軌道梁內側，內外兩側通過安裝在限位頂鎬和工藝隔板上的螺栓調節，使得軌道梁主體與內外工裝之間始終處于頂緊狀態。立體工裝的使用不但有利于軌道梁的整體組裝精度控制，同時起到了約束焊接變形的作用。

軌道梁整體組焊工裝、工裝使用見圖6、圖7。

圖6 軌道梁整體組焊工裝

圖7 軌道梁整體組焊工裝使用

3.2.4 制造拱度設置

軌道梁節段有6 道縱向主焊縫，焊縫焊接變形使軌道梁出現焊后下撓，很容易導致軌道梁焊后拱度不滿足設計要求，對軌道梁豎向曲線線型帶來影響。制造時，在“設計線形+ 預拱度”的基礎上，根據梁長不同和試驗值，按1.5‰增設工藝拱度。

軌道梁制造時拱度設置為：h=f設+1.5‰×L，式中：f設為設計拱度；L 為設計梁長。

從檢測情況可知，按1.5‰增設的工藝拱度值可以抵消軌道梁節段因焊縫收縮產生的下撓變形量。同時，工藝拱度的設置，也對軌道梁加工制造豎向線型的精度控制起到了較好的作用。

3.2.5 焊接工藝制訂

焊接工藝的制訂是軌道梁焊接變形控制的重點和難點。為滿足軌道梁焊縫力學性能要求，根據焊接工藝評定結果，選擇與母材相匹配且低溫沖擊韌性高的焊接材料。為減小軌道梁各制造環節的焊接變形，所有焊接工藝的制訂均以熱輸入較小的CO2氣體保護焊為主。

為提高全熔透角焊縫打底焊道抗裂性能，腹板與底板全熔透角焊縫采取了CO2氣體保護焊實心焊絲打底、藥芯焊絲填充蓋面工藝，軌道梁其余焊縫均采用熔敷效率高、外觀成型好的CO2氣體保護焊藥芯焊絲焊接。僅有部分鋼板接料采用了埋弧自動焊。需要注意的是，所有焊縫均在軌道梁組焊工裝的約束下焊接完成。

3.2.6 合理選用組裝-焊接順序

板單元制作檢驗合格后，參與軌道梁節段整體的組裝。根據制造工藝方案，軌道梁整體組拼采用“正裝法”進行。組裝順序為“定位底板單元—組裝一側腹板單元—組裝中蓋板單元—組裝另一側腹板單元—組裝頂板單元”。

同時，在確定合理的組裝順序基礎上，結合軌道梁構造特點，制定了嚴格的焊接順序。

軌道梁節段整體組焊順序見表2。

表2 軌道梁節段整體組焊順序

4 結 語

目前，共計884 根軌道梁廠內制造已經全部完成。經檢驗，全部滿足設計要求。實踐證明，軌道梁制造時采用的下料精度控制、焊接接頭設計、立體工裝使用、制造拱度設置、焊接工藝制訂等一系列技術措施，減小了制造中各類變形因素的影響，實現了軌道梁的制造精度控制，為項目順利施工起到了關鍵作用。