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张家口外环线清水河通泰大桥制造工艺

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文针对张家口清水河通泰大桥主桥悬索拱的钢箱结构特点，对单元件制造、钢箱组装、焊接以及工地焊接等方面进行了阐述。
    关键词：钢箱梁 拱 单元件 组装 焊接

    1.工程概况
    张家口外环线清水河通泰大桥是一座下承式中国建筑金属结构信息网悬索拱桥。主梁与拱通过28根吊索连接（如图1）。

    主梁与拱材质均为Q345E，工程中国建筑金属结构信息网重量约6500吨，其中拱约1800吨。
    主梁跨径190m，宽33.34m，位于R=600m的平面曲线上，桥面不设纵坡，设置双向2％的横坡，主梁跨中设200mm预拱度。主梁为扁平钢箱梁，中心线梁高3m，顶板、底板厚16mm，边腹板为30mm；钢箱梁内设置四道中纵腹板，厚度12mm（在支座前后各3m范围内加厚至16mm），其距钢箱梁中心线间距为6m和10.8m；钢箱梁横隔板标准间距为3m，中纵腹板和横隔板上设有人孔。
    拱斜跨主梁，拱脚间距180m，矢跨比0.3451，拱中心长度223.5m，拱为单箱单室钢箱，宽7.04m，高3.8m，属于特大型陡拱。板厚26mm，在距拱角10m水平距离范围内加厚至30mm，采用T型加劲肋，高300mm、200mm，厚度16mm，拱肋上横隔板间距3m，有吊点处横隔板厚30mm，无吊点处横隔板厚12mm。
    主梁、拱通过锚箱、吊索连接。

    2.结构特点及制造方案
    2.1 主梁钢箱
    主梁钢箱是由桥顶板、底板、纵腹板、横隔板、U肋等组成的单箱五室结构。除顶板U肋在段与段间安装现场采用高强螺栓连接外，所有工厂和现场均为焊接连接。
    钢箱梁制造分为板单元制造、梁段制造和工地焊接三个工艺阶段。本桥主梁中心线长190m，起拱200mm，起拱引起的长度变化不足6mm（如图2示意），梁段制造可以忽略起拱，起拱在现场安装过程形成。

    由于所有横隔板沿平面R600m曲线径向布置，根据横隔板距离，分为65段，其中梁两端头各有2m长两段、2.5m长1段，中间3m长59段，每段分为两节共计130节（如图3示意）。

    分段接口径向布置，节段之间采用以折代曲，总体曲线线形主要在板单元制造阶段完成，横坡及成桥线形在梁段制造过程中实现。
    2.2 拱钢箱
    拱制作过程中,两侧从拱脚到拱顶对称各6段，最顶上一段为合拢段，共分13段。轴线长度分别为26m、23m、15m、13m和9.5m，其中26m、23m、13m各两段，15m六段，9.5m一段（如图4示意）。

    该工程的拱为大型陡拱，结合62m的拱高，7.04m×3.8m的截面，单段重量最小83吨，最大212吨的庞大重量，考虑到构件翻转、起重能力、场地、安全等因素，决定通过单段制造精度控制，确保单段拱的几何尺寸，从而取消预拼装。单段制造过程，由于运输限制，采取工厂制造单元件、现场组装焊接的方法。

    3 关键工序制作工艺
    3.1主桥梁段制造
    每一段主梁单元件包括：顶板单元、底板单元、横隔板单元、纵腹板单元。制造时严格控制切割下料精度、单元件制造精度、组装精度和焊接变形。
    （1）顶、底板单元（如图5）

    顶板U肋54条，底板U肋42条，U肋定位是关键，尤其是顶板U肋，现场采用的是高强螺栓连接，段与段的U肋定位、螺栓孔间距直接影响现场高强螺栓施工的对孔率。
    各制造段顶、底板单元采用专用划线平台划线，下料采用全自动数控切割机；U肋的单段下料采用数控带锯精确切割，专用胎架样板钻孔，确保孔群的精度。统一以桥梁中心线为基准，卡样板装配U肋，确保U肋接口不错位。为消除可能的错位现象，采取U肋与顶、底板之间焊缝两端头各预留300mm不焊，待段与段预拼装接口调平顺后再行焊接的措施。
    顶底板U肋在反变形胎架上焊接，反变形量通过多次实践而最终确定，焊接完后顶、底板基本平整，局部不平在专用胎架上矫正。U肋与顶、底板之间为坡口角焊缝，设计熔深为U肋板厚的80%，用二氧化碳气保焊专用小车施焊，焊接时重点控制焊丝角度、小车行走速度和电流、电压、气体流量等焊接参数。实践表明，只要操作熟练，这种U肋焊接方法效率高、焊工劳动强度小，而且能够避免焊穿，保证焊缝熔深，焊缝成型美观，无咬边等缺陷。
    （2）横隔板、纵腹板单元
    横隔板采用数控切割下料，宽度方向尺寸变化决定钢箱的截面高度，同时也形成横桥向2%的横坡。由于横隔板两侧有众多竖向、横向加筋肋（如图6示意），焊接变形控制是关键。隔板单元件组装完成后，要求在专用焊接胎架上平放、垫实、固定牢。采用二氧化碳平焊位置施焊，保证焊接质量，减少焊接变形。

    （3）梁段制造
    1）胎架搭设
    梁段制造过程中，采取以底板单元为制作基面进行正造，制造胎架采用H200*200轧制型钢作为立柱和横梁，胎架上平面与钢箱梁底板吻合（如图7 示意），采用水平仪、经纬仪、全站仪等仪器测量轴线、标高等控制要素。

    2）梁段的组、拼、焊
    组装前，对顶、底板、横隔板、纵腹板等单元件进行检查验收，符合质量要求后进入梁段的组装工序。
    组装焊接顺序为：底板单元上胎→横隔板单元装配→纵腹板单元装配→顶板单元装配→检查测量→总体焊接，组装过程示意图如图8。

    组装过程中，以横隔板、纵腹板位置为基本截面，保证每一横截面处的几何尺寸，通过测量顶板、底板、纵腹板的标高以及钢梁段的接口口形来控制和检查梁段的几何尺寸（图9 梁段的控制点）。

    预拼装采取每5段作为一个拼装单元，主要检查段与段之间顶、底板、纵腹板的接口是否存在错口、错边现象；检查U肋高强螺栓接口匹配情况，要求高强螺栓穿孔率100%。预拼后，对每段两节之间、段与段之间划上定位点，打上定位点，现场施工按照定位点线进行组装。
    现场顶、底板接口采用单面坡口，背面采用陶瓷焊接衬垫，正面二氧化碳打底、埋弧焊盖面的单面焊双面成型工艺。焊接顺序为：底板焊接→顶板焊接→纵腹板焊接→底板U肋嵌补段焊接→边侧腹板焊接，同时遵循从中间向两侧、多作业面对称施焊的原则。工地施工严格控制焊接程序，适时监控桥体线形，确保成桥线形符合设计和规范要求。
    3.2 拱钢箱制造
    （1）单元件制造
    拱的零件包括顶板、底板、隔板、腹板，纵向T型加筋肋。隔板开孔，纵向T型加筋肋穿过隔板全拱通长。制造过程中，为控制和便于调整单元件的变形，T型加筋肋和1/4隔板要先焊接在顶板、底板、腹板上，故拱分为顶板单元件、腹板单元件和底板单元件三部分（如图10示意）。

    为不使现场两段拱间接口出现环形焊缝，要求顶板、底板与腹板在分段接口处相互错开250mm（图11）。

    腹板采用数控编程切割，板边的曲线符合拱的六次方程复杂曲线：

    1）板单元制作
    由于顶板宽度7040mm、腹板宽度为3800mm，运输超宽。按照充分离用材料、尽量减少接缝的原则，工厂将钢板排版下料，横向焊缝工厂焊接，纵向焊缝运输到现场后再焊接。板单元在工厂开完坡口、预拼后编号、打上定位点，如下图示意（图12）。

    板单元的接宽、接长焊缝均采用二氧化碳打底、背面碳弧气刨清根、埋弧自动焊填充、盖面的焊接工艺，焊缝质量等级Ⅰ级。
    2）单元件组焊
    单元件在工地专用胎架上组焊，腹板单元的制作胎架顶面为平面，顶、底板单元件的制作胎架顶面横向平直、纵向曲线起拱，拱度与拱段的一致。以底板为例，制作顺序为：底板上胎并与胎架固定，然后隔板与底板组焊，最后后T肋组焊（如图13）。

    先焊接横隔板，再焊接T肋，目的是横隔板焊接完后可以制约T肋焊接过程造成的底板变形。调整好弧度的T肋按照划线位置线穿过横隔板预留孔，保证T肋与底板弧度吻合，如间隙过大，用火焰调整T肋，绝对不能用外力使底板弧度与T肋弧度吻合，调整后点焊固定，最后使用二氧化碳气体保护焊焊接，T肋与底板焊缝的质量等级为Ⅱ级。底板单元焊接完成后，检查横向平直度和纵向的拱度，局部不符合采用火焰加热调整平直度和拱度。顶板与腹板的制作方法相同，各单元件制作过程中，隔板的定位误差控制在2mm之类。
    单元件的制作，顶底板、腹板在长度方向预留L/1000的余量、宽度方向预留4mm 的焊接收缩量，长度方向的余量在整段钢箱制作完成实测后切除。单元件在制造、检查过程中，主要测量板的长度、宽度和对角线，并用水平议测量标高以复核拱度。
    （2）拱钢箱制造
    由于拱肋单段重量大，为确保胎具不下沉，胎具基础采用200mm厚混凝土。为满足拱肋线型的要求，根据实体放样，胎具制作时设有预拱度。拱肋胎具采用I20、I25、[25型钢搭设，长度按拱肋分段长度确定，桩位间距2000mm；宽度设置为7200mm，桩位间距3500mm，搭设高度500mm。
    拱的装配顺序如下：
    1）底板上胎：在胎具上放出底板控制线，将制作好的底板单元上胎，调整好底板位置，测量拱度符合起拱要求后，将底板与胎架进行固定（如图14示意）。

    2）两侧腹板就位，将腹板单元吊装到底板单元上，检查腹板与底板的垂直度、截面宽度、隔板对接等情况，无误后点固焊连接固定（如图15示意）。

    3）顶板就位，将顶板单元吊装就位，检查腹板与底板的垂直度、钢箱截面宽度、截面高度、截面对角线、钢箱的长度、隔板对接情况、顶板的标高等，无误后点固焊连接固定（如图16示意）。

    4）拱的焊接
    组装后，拱段制作的焊接主要是隔板对接口、4道主焊缝的焊接，坡口如图17所示，焊缝质量等级为Ⅰ级，为了保证质量、减小焊接变形，施工中大量使用二氧化碳气体保护焊和埋弧自动焊。焊接顺序是先焊隔板焊缝，再依照分散对称的原则焊接4道主焊缝。隔板对接焊缝采用二氧化碳气体保护焊，背面碳弧气刨清根的工艺。箱体主焊缝上面两道为保证焊接质量，避免仰焊，采用加设钢衬垫，二氧化碳打底、埋弧自动焊盖面的工艺；下面两道采用单面外侧坡口，二氧化碳焊接，里侧碳弧气刨清根焊接的工艺。

    5）拱的检查验收
    由于拱不能预拼，采取精度管理的办法控制制造的质量，拱段的检查测量贯穿于整个制造过程。考虑到焊接收缩，组装过程中，使钢箱截面宽度+4mm、截面高度+2mm；焊接前、焊接过程中、焊接后分三次对钢箱截面宽度、截面高度、截面对角线、钢箱的长度、钢箱拱度等进行测量和监控。钢箱L/1000的余量实测后打点、划线切除，并开设出现场接口的坡口，为吊装焊接准备。
    6）拱的现场接口焊接
    按照专项方案搭设好临时支撑体系后，进行拱的吊装和现场接口焊接工作（图18）。

    确认标高、拱轴线偏移、拱垂直度无误后，进行接口固定、焊接。采用二氧化碳气体保护焊，腹板开设外侧坡口，里侧清根；顶、底板为避免仰焊，采用单面坡口、背面加陶瓷衬垫的单面焊双面成型的焊接工艺。接口焊接至焊缝深度的 2/3后，方可摘钩，准备下一段的吊装，以此类推完成后续各段的吊装和焊接作业。由于高空作业，特制了施工吊篮，保证组装、焊接施工的人员、设备安全，同时防风保证焊接质量。

    4.结语

    通过精心组织、精细管理、勇于创新，克服了技术要求高、加工量大、工期紧张、工地施工环境、气候条件差、超大件运输与吊装等困难，优质高效地完成了本工程的制造和现场装焊等工作，最后进行了锚箱、吊索的施工，如今，结构新颖别致，造型优美流畅的张家口清水河通泰大桥已经建成通车（如图19）。本文主要对主桥、拱钢箱的制造过程的关键工艺和施工方法进行了总结介绍，为类似结构的工程提供了一个可参考的成功实例。



    参考文献：
    1.《建筑中国建筑金属结构信息网施工手册》中国中国建筑金属结构信息网协会编著
    2.《建筑施工计算手册》中国建筑工业出版社、江正荣编著
    3.《机械设计手册》燃料化学工业出版社、联合编写组编著
    4.《工程测量规范》(GB 50023-95)
    5.《公路桥涵施工技术规范》(JTG 041-2000)
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