大跨度斜拉桥和悬索桥钢箱梁制造技术.docx

大跨度斜拉桥和悬索桥钢箱梁制造技术史永吉史志强刘晓光曾志斌孙国安文峰白玲 (铁道部科学研究院北京100081)摘要：近年来，我国建成和正在建设的大跨度钢箱梁斜拉桥和悬索桥已有十余座，跨长达到世界级水平我国钢箱 粱制造技术虽处于起步阶段，但是借鉴发达国家钢箱粱制造经验，通过这些桥梁的实践摸索了一整套钢箱梁制造 方法，生产工艺流程，焊接质量、焊接变形和几何精度的控制措施。从而在较短的时间内使我国钢箱梁制造技术有 了飞跃的进步关键词斜拉桥悬索桥钢箱梁制造工艺流程质量控制O前言自从1966年英国Severn桥(主跨988m的悬索桥)第一次采用扁平流线形钢箱梁作为主梁以 来，因其抗风稳定性能好、重量轻、工厂制造质量易于保证、安装和制造工期短等优点，现己成为 大跨度斜拉桥和悬索桥加劲梁的主流结构形式。近几年来，随着我国交通工程、高速公路网的建设， 已建成或在建的跨度超过500m的钢斜拉桥和钢悬索桥10余座(见表1)图l为斜拉桥和悬索桥 的典型例子，图2为钢箱梁典型断面。表1我国近期建造的钢箱梁悬索桥和斜拉桥类别桥名跨长(m)钢箱梁特点建造年代 单跨钢箱梁(宽x高=2063Ore)，用西陵长江大桥9001996年钢量约O76万吨单跨钢箱梁(宽x高=356x3Om)用虎门珠江大桥8881997篮钢量约13万吨三跨连续全焊钢箱梁(宽高=366 x厦门海沧大桥230州；48+2301999年30m)，用钢量约16万吨单跨全焊钢箱粱(宽高=369悬索桥江阴长江大桥13853Om)，用钢量约19万吨1999焦三跨连续全焊钢箱粱(宽x尚=37I x鹅公岩长江大桥2l纠600十212建设中30m)，用钢量约I43万吨单跨钢箱梁(宽x高=30OX3Om)。用宜昌长江大桥960建设中钢量约109万吨单跨全焊钢箱梁(宽x高=382 x 2000年底镇扬长江大桥 14903Om)。用钢量约22万吨开工混合加劲梁，2X47m为PC箱梁中间 汕头宕石大桥247+lOO+518+160+247 718m为钢箱梁(宽高=327x3Om)。 1998玺用钢量约096万吨混合加劲梁，中间9063m为钢箱梁(宽武汉长江三桥主跨6181999年高=303x3Om)，用钢量约125万吨斜拉桥三跨连续钢箱粱(宽x高=382南京长江二桥305+628+3052000釜35m)，总用钢量约19万吨五跨连续钢箱粱(宽x商=388 x军山长江大桥48+204+460+204+48建设中30m)，总用钢量约164万吨苏通长江大桥主跨约1000正在进行方案设计规划中(a)南京长江第二大桥(斜拉桥)76竹?们骶 mm，丌m椰斫 砌腑唧?、= =每k一(b)厦门海沧大桥(悬索桥) 图l典型的斜拉桥和悬索桥(a)汕头宕石大桥(斜拉桥)(b)南京长江第二大桥(斜拉桥)(c)厦门海沧大桥(悬索桥)图2典型的钢箱梁断面 钢箱梁是斜拉桥和悬索桥的主要组成部分，如何制定合理的制造工艺流程，并应用新技术、新工艺来确保钢箱梁的制造质量，降低成本，缩短工期，不仅是我国也是世界桥梁建设的重要课题。 本文结合这些桥梁的钢箱梁制造实践，概要介绍了钢箱梁的制造方法、工艺流程、焊接质量和几何 精度控制措施，以及通过新技术、新工艺的应用，大幅度提高了生产效率，缩短了工期。1钢箱梁的制造特点11从制造角度划分钢梁的类别 从制造角度看，钢梁结构可分为三类：(1)杆系结构，如板梁、桁架等是由一根根杆单元杆件组成，杆件(H型、口型、T型断面)在工厂焊接制造并制孔，工地用高强度螺栓连接成桥；(2)板 系结构，如大断面箱梁，是由一块块带纵横加劲肋的板单元构件组成，板单元构件在工厂焊接制造， 箱梁节段在便于运输的现场组装、焊接，然后吊装连接成桥；(3)管系结构，如钢管拱、网架等，是由一根根管构件组成，管构件(或管构件组成的节段)在工厂焊接制造，工地通过管一管对接和相贯线连接构成整体结构。12设计对钢箱梁制造的要求大跨度钢斜拉桥一般采用平衡悬臂法逐段安装架设，悬索桥一般采用逐段吊装铰接连接法架设，即钢箱梁应按照设计要求分段预制，然后运至桥位逐段吊装。钢箱梁节段之间全断面对焊连接， 直至合龙。成桥后钢箱梁拱度应符合设计设定的要求。由此可见，钢箱梁制造中，不仅焊接质量是 重要控制项点，其几何精度的控制是另一项难度更大的课题，它包括钢箱梁长、宽、高和所有板的 平整度，相邻钢箱梁节段端口和全部纵向肋的精密匹配，以及数十段钢箱梁连接成桥后的拱度、中 心线偏差和桥梁总长度。13钢箱梁制造要点 钢箱梁为正交异性板结构，即由互为垂直的面板、纵肋和横肋组成的箱体结构，基于这一构造特点和设计要求，钢箱梁制造应周到考虑以下要素： (1)制定合理的整体工艺设计方案对于大型钢箱梁制造，首先应设计合理的工艺流程，便于质量控制和施工作业。为了提高工效、降低成本、缩短工期，应提高机械化自动化程度。 (2)影响焊接质量的因素一个箱梁节段中焊缝累计长度约5000m以上，采用C02焊、手工弧焊和埋弧自动焊等多种焊 接方法，施焊位置包括平焊、立焊和仰焊；钢箱梁制造周期在一年以上，往往在露天作业，需要考 虑春夏秋冬季节变化及温度、湿度、风雨等环境因素的影响。(3)影响几何精度的因素 钢箱梁的几何精度受组装精度和焊接变形两大因素的影响。组装精度受胎架精度及露天作业时日照变化引起的温差影响；焊接变形受焊接方法、焊缝断面、施焊顺序及约束状态的影响。2钢箱梁组装方法钢箱梁的制造依据其结构特点和设备条件等，一般采用反装法和正装法。21反装法顾名思义反装法为桥面板朝下，底板朝上的组装方法。首先组装桥面板，然后依次组装横隔板、 纵隔板、外腹板，最后组装底板。该组装方法与桥面板连接的肋板角焊缝处于平焊位置施焊，然后 旋转180。，在平焊位置施焊与底板连接的角焊缝，这就避免了仰焊，提高了焊接质量，减轻了焊 工的劳动强度，改善了作业环境。但是，对大型钢箱梁则需要大吨位的起吊设备和翻转胎具。该方 法一般在箱梁尺寸稍小或将箱梁沿纵向分成23个转小块体才便于应用。西陵长江大桥、汕头宕石 大桥和武汉长江三桥均采用反装法制造。图3为正预拼装的钢箱梁，图4为正在进行翻转的钢箱梁。 22正装法与反装法相反，正装法是先组装底板、斜底板，然后依次组装横隔板、纵隔板、外腹板、风嘴， 最后组装面板。该方法的优点是不需要将组装的钢箱梁翻转180。，同时使98以上的焊缝处于平 焊位置施焊，正装法是世界各国最常用的方法。通过几座桥的不断实践，对采用正装法组装焊接大型钢箱梁的制造工艺和生产流程进行了总 结，使之更趋合理化和标准化。钢箱梁组装时以底胎架为外胎，横隔板和工艺隔板为内胎，多段连 续匹配组装(不少于三段)。焊接时，利用它约束、自约束、半强制约束和柔性约束控制焊接变形 的原理，有效的控制了焊接变形，使所有钢箱梁节段的各项几何尺寸控制在容许的范围内，而且 相邻节段箱梁端口尺寸达到精确匹配的要求。在生产流程上采用立体阶梯型推进法进行组装和焊 接，使供料、组装定位、焊接、检验等各主要工序循序渐进的进行，既避免了无序的交叉作业，又 避免了各工序之间相互等候，形成了有序的流水线生产过程。虎门珠江大桥、厦门海沧大桥、江阴 长江大桥、南京长江第二大桥、宜昌长江大桥、鹅公岩长江大桥等均采用正装法制造。图5为正在 胎架上组装的钢箱梁。78图3钢箱梁预拼装图4正在进行翻转的钢箱梁图5正装法在胎架上组装钢箱梁3钢箱梁制造工艺流程。大跨度斜拉桥和悬索桥钢箱梁为正交异性结构，所以可将面板、底板、横隔板、纵隔板、腹板 和风嘴等所有构件分成便于起吊和运输的若干带有纵横肋的板单元构件，然后将这些板单元件运至 现场按正装法或反装法在胎架上按一定的顺序组装成钢箱梁。根据结构特点(如单箱、双箱或三箱) 又可分为二阶段或三阶段组装焊接。，31二阶段制造法 二阶段制造法是指在钢箱梁制造中分为板单元构件制造阶段和钢箱梁组装焊接阶段。带纵横肋的板单元构件尺寸宽度和长度依据结构设计图，并考虑钢板的轧制尺寸(宽X长)、起吊能力和运 输净空等条件划分，板单元构件一般在工厂制造，板单元构件的制造精度和钢板的平整度是保证钢 箱梁制造精度的基础。第二阶段是在胎架上匹配组装焊接成箱梁节段。二阶段制造是采用最多的一 种方法，较适用于双箱、三箱结构，比三阶段制造法工效高、制造工期短。32三阶段制造法 三阶段制造法是将每节钢箱梁分为板单元构件、单体组装与焊接，以及将单体拼装焊接成整箱，整箱组装焊接时往往结合多段箱梁匹配组装进行，以便确保全桥安装的精度要求。33钢箱梁制造和安装工艺流程 这里以二阶段正装法为例概要介绍钢箱梁制造工艺流程。板材预处理(滚平、除锈、涂车间底漆)NC划线、NC精密切割下料(考虑热加工收缩量的补偿)、板单元件制造U形肋的加工、NC制孔 板单元件的组装、焊接、矫形、检验等 存放待运胎架组装及检验 钢箱梁节段匹配组装(考虑焊接收缩变形补偿量) 焊接(统一规划各种连接焊缝时的焊接方法、匡LLLE钢箱梁节段制造焊接工艺、约束条件，确保焊接质量和焊接变形的控制)检验(焊缝无损检测、几何形状检验) 除锈、涂装存放待运至桥位吊装 运输吊装钢箱梁桥上安装梁段精密匹配组装(考虑焊接收缩变形补偿量)EE 接头部位除锈、涂装焊接检验4全面推行先进工艺和技术钢箱梁制造质量可归纳为焊接质量和几何尺寸精度两大类。由于焊接变形的影响，两者之间 是密不可分的。焊接质量控制是指焊缝外观和内部缺欠以及焊接接头力学性能应满足相应规范规定 的要求。几何尺寸精度控制是指预制钢箱梁节段的长、宽、高，面板的平整度，相邻节段端1：3和纵 向肋应精密匹配，成桥后的线形(拱度和桥轴中心线)等应满足设计精度要求。合格的焊接钢箱梁制造离不开合理的整体工艺设计和科学的生产管理，先进的工艺和新技术的 应用，生产全过程的质量检测管理，以及具有优良素质的管理、技术人员和合格的焊工、检验人员。 41合理的工艺设计(1)将钢箱梁合理地划分成各种带纵横加劲肋的板单元构件(如面板、底板、横隔板，纵隔板、 带锚箱的外腹板、风嘴等)，在工厂内胎型上组装焊接，形成专用的生产流水线，使各种板单元件产品标准化，不仅确保了大量生产中板单元件的质量稳定性，也避免了用零散部件组装箱梁，从而提高了工效，缩短了工期。 (2)将钢箱梁各种焊接接头合理分类，认真进行焊接工艺评定试验，为了提高焊缝质量，应使所有受力焊缝处于平焊位置施焊，尽可能选用自动焊及焊接变形小的焊接方法。 (3)制定合理的工艺流程，提高自动化机械化程度，保证钢箱梁组装焊接的几何精度和焊接质量。42瞄准世界钢箱梁制造先进水平，全面推行新工艺新技术 (1)板单元构件制造中采用了以下先进工艺和技术无余量切割下料技术，即考虑焊接和焰切的收缩变形量补偿，一次精密切割下料，避免了传 统工艺的板件第一次下料切割，制成板单元件后第二次按设计规定的尺寸画线切割、刨制坡口，提 高工效三倍以上。无马板组装纵向u形肋技术，即在特制胎型上不用马板，同时组装全部u形肋，避免了传 统的设焊接马板单个组装U形肋的工艺。不仅可提高工效5倍以上，还免除了马板焊接、铲磨带 来的缺欠。反变形焊接技术。因带纵向加劲肋的板单元件焊后会产生角变形和纵向弯曲等残余变形，传统的工艺是用热矫形法来消除，这里，在特制反变形胎型上施焊，焊后板单元件基本平整，使矫形工作量减少95以上，同时避免了热矫形引起收缩变形带来的尺寸误差。推广双头和多头全自动C02焊接技术，不仅确保了大量生产中产品质量的稳定性，成倍提 高了生产效率。(2)钢箱梁组装焊接时采用了以下先进工艺和技术以底胎架为外胎，横隔板和箱口临时工艺隔板为内胎的多节段匹配组装技术，确保了钢箱梁节段的几何形状、相邻节段端口和所有纵向加劲肋的精确匹配，以及全桥的拱度精度。露天作业环境下，为避免日照变化引起的温差影响，采用了针对钢箱梁上翼缘、下翼缘和外 腹板的基准板单元件精确定位技术，并在凌晨温度相对稳定情况下实施，确保所有箱梁节段轴线一 致、对称。全部实施陶瓷衬垫单面焊双面成型技术，使所有焊缝处于平焊位置施焊，避免了仰焊，既提高了焊接质量，又减轻了劳动强度，提高工效二倍以上。采用自约束、它约束、半强制约束和柔性约束等方法控制钢箱梁焊接变形技术，使全桥94 个箱梁