馬鞍山長江公路大橋鋼箱梁制作工藝及焊接變形控制技術(shù)

中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 （陜西寶雞 721006） 薛長利 譚敏剛 丁秀麗

1. 概述

馬鞍山長江公路大橋位于安徽省馬鞍山市境內(nèi)，主橋為三塔兩跨鋼箱梁懸索橋。鋼箱梁為扁平流線型設(shè)計，全寬38.5m，鋼箱梁中心處高3.5m，主梁橫向沿線路中心線設(shè)2.0%的雙向橫坡。沿橋軸對稱設(shè)置兩道直腹板和104道U形縱肋、10道板條縱肋，順橋向設(shè)置橫隔板，標(biāo)準(zhǔn)間距3.2m，沿橋軸線設(shè)置一道縱隔板。主橋全貌及橫斷面形式如圖1所示。

圖1 馬鞍山大橋概貌及鋼箱梁斷面形式

2. 板單元制作及焊接變形控制

為控制鋼箱梁整體結(jié)構(gòu)焊接變形，保證產(chǎn)品整體質(zhì)量，加快制造進(jìn)度，鋼箱梁按照頂板、底板、縱隔板、橫隔板及腹板5個單元分別制作。下面將重點(diǎn)闡述5種板單元的制作及焊接變形控制過程。

（1）頂、底板單元 主要由面板、U形肋（或板條肋）組成，長度與鋼箱梁一致，是組成鋼箱梁的基本構(gòu)件。

具體制作工藝如下：

將面板輥板后平輔于頂、底板單元組裝平臺，以平臺上的基準(zhǔn)線劃出頂、底板單元的縱橫基線及U肋組裝線，將U肋修整調(diào)直后按照U肋組裝線定位、組裝。采用φ1.0mm的ER50—6焊絲，CO2氣體保護(hù)焊定位。

根據(jù)板單元焊接過程中的熱量輸入、應(yīng)力分布及變形趨勢，總結(jié)焊接變形的規(guī)律，確定反變形量，設(shè)計制作焊接反變形胎架。在胎架上采用“反變形”技術(shù)控制板單元的焊接變形。板單元在胎架上采用機(jī)械夾緊固定，施焊時采用熱輸入較小的實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊機(jī)船位同向施焊，以盡量減小焊接變形。頂、底板單元的焊接如圖2所示。

圖2 頂、底板單元的焊接

頂、底板單元在組裝及焊接過程中，要注意以下四個方面：①組裝時確保U肋相對縱、橫基線的位置及U肋間的間距。②設(shè)計胎架時估算出合理的反變形量以減少頂、底板焊接時的焊接變形。③焊接U肋時，采用同方向、分散、分中對稱焊的焊接方向及順序，頂?shù)装鍐卧猆肋的焊接順序如圖3所示。④頂、底板單元焊接完成后，不得馬上松開反變形胎架上的卡蘭，等最后一道焊縫自然冷卻到工藝規(guī)定60℃以下時，逐步循環(huán)松開卡蘭，以防止局部變形。

圖3 U肋焊接順序

（2）縱、橫隔板單元 馬鞍山長江公路大橋鋼箱梁最大特點(diǎn)是縱、橫隔板主要采用空腹式結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種設(shè)計可以減輕橋梁的自重，改善主梁內(nèi)部通風(fēng)條件和施工環(huán)境，體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計理念。橫隔板單元主要由面板、水平加加肋板、豎向加加肋板、支撐角鋼及加強(qiáng)圈組成，縱隔板主要由橫板、豎板及支撐角鋼組成。由于橫隔板斷面尺寸較大，所以為提高橫隔板單元制作過程起吊的剛性，將每個橫隔板分為兩塊中間橫隔板、兩塊邊橫隔板單元，橫隔板分塊如圖4所示。

圖4 橫隔板分塊示意

邊橫隔板：面板數(shù)控下料、調(diào)直后，在平臺上劃出縱、橫基線及加肋板組裝位置線，按照加肋板組裝位置線組裝加肋板。

邊橫隔板焊接時，考慮到面板較薄，極易產(chǎn)生焊接變形故采取多人對稱、分散、同方向的焊接方法。在剛性固定平臺上先焊接加勁肋的平位角焊縫，然后焊接加勁肋之間的立位角焊縫。在焊接過程中嚴(yán)格按規(guī)定的焊接順序和焊接工藝執(zhí)行，焊接完成后不能立即起吊、翻身等作業(yè)，待所有焊縫溫度降至60℃以下時，方可進(jìn)行。

中間橫隔板、縱隔板：為了有效控制中間橫隔板、縱隔板制作過程中焊接變形，將其分為四小單元分別制作。中間橫隔板制作時，在平臺上將面板、加強(qiáng)圈及加肋板分別組焊四個T形，修整后，在整體組裝胎型上將其與支撐角鋼組焊成整體，整體數(shù)控切割出U肋槽口，中間橫隔板制作完成?？v隔板制作時，在組裝胎架上將橫板、豎板及支撐角鋼組焊成整體，修整后，縱隔板制作完成，縱隔板如圖5所示。

圖5 縱隔板

中間橫隔板及縱隔板焊接時，必須在專用焊接胎架，焊接時依次焊接支撐角鋼與面板角焊縫、加肋板與面板及加強(qiáng)圈的焊縫、加強(qiáng)圈間對接焊縫，最后焊接面板間的對接焊縫。焊接時嚴(yán)格按照規(guī)定焊接工藝執(zhí)行。

縱、橫隔板單元在組裝及焊接過程中，要注意以下四個方面：①制作時要保證對接焊縫坡口的精度。焊縫坡口過大時，焊縫填充量大焊接變形較大，焊縫坡口過小時，焊縫質(zhì)量難以保證，焊縫返修時又引起焊接變形。②焊接時，制定合理的焊接順序。③焊接面板對接焊縫及加強(qiáng)圈對接焊縫時采用碼板碼固，減小對接焊縫收縮引起焊接變形。④由于空腹式橫隔板剛性較差，要減少制作過程中的起吊及移動，可減小焊接變形。

（3）腹板單元 腹板單元為馬鞍山長江公路大橋鋼箱梁組成最簡單的單元件，由錨拉板、外腹板、加強(qiáng)圈及加肋板組成。制作時在平臺上將錨拉板、加強(qiáng)圈及加肋板組焊成錨拉板單元，將外腹板與加肋板組焊成外腹板單元。

焊接時，要同方向、分散、分中、多人對稱焊的焊接順序焊接完錨拉板單元及外腹板單元。錨拉板與兩外腹板采用埋弧焊的焊接方法，焊接時兩臺埋弧焊機(jī)同方向?qū)ΨQ焊接。

3. 總拼制作及焊接變形控制

總拼是指將零部件、板單元組裝成鋼箱梁整體的過程。要有效地控制焊接變形，保證總拼精度，必須設(shè)計合理的總拼胎架、組裝工藝及控制焊接變形措施。

（1）總拼胎架的設(shè)計 保證鋼箱梁的外輪廓尺寸及部件位置的準(zhǔn)確，針對該橋結(jié)構(gòu)特征設(shè)計鋼架式梁段總拼胎架1組。胎架總長130m、寬42m，胎架高為1.3m，可一次總拼8～9個標(biāo)準(zhǔn)梁段。以底板、斜底板外形為基準(zhǔn)面確定胎架形狀，并預(yù)留一定的焊接反變形工藝量，利用型鋼制作支承鋼架與基礎(chǔ)預(yù)埋件焊接，支承鋼架分橫向鋼架和縱向連桿，每3.2m設(shè)一橫向鋼架，用縱向連桿將橫向鋼架連接起來形成框架結(jié)構(gòu)，使其具有足夠的剛度，不會隨使用時間的延續(xù)發(fā)生變形。在胎架兩端設(shè)三對與胎架分離的測量塔，在每段梁下設(shè)與胎架分離的橫向基準(zhǔn)點(diǎn)。馬鞍山長江公路大橋鋼箱梁總拼胎架如圖6所示。

圖6 馬鞍山鋼箱梁總拼胎架

（2）鋼箱梁的組焊 結(jié)合該橋的特點(diǎn)，梁段整體組裝采用立體的生產(chǎn)方式，在總拼胎架上采取“正裝法”拼裝，即以總拼胎架為外胎，橫隔板及直腹板為內(nèi)胎，依次將梁段的底板單元、斜底板單元、縱、橫隔板單元、腹板單元、頂板單元及其他零部件在胎架上組焊成箱體梁段整體。

其組焊的工藝如下：

首先，底板、斜底板單元組焊。以中間測量塔和總拼胎架對應(yīng)橫基線為基準(zhǔn)定位橋軸線處的底板單元（即基準(zhǔn)板單元，宜在無太陽直射時定位），再按縱、橫基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)對稱組裝橋軸中心線向兩側(cè)的底板單元、斜底板單元。底板單元、斜底板單元用彈性碼板與胎架彈性焊連接固定。

焊接底板單元、斜底板單元間縱縫時采用對稱施焊的焊接方法。

其次，縱、橫隔板的組焊。以中間測量塔為基準(zhǔn)，交替定位組裝中間橫隔板單元、縱隔板單元，再以中間橫隔板單元基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)組裝邊橫隔板單元。在組裝過程中輔以頂拉工具控制隔板位置精度和垂直度等項點(diǎn)。焊接時，先焊接縱隔板與橫隔板角焊縫，再焊接橫隔板間對接焊縫。

焊接橫隔板間的對接焊縫時必須采用碼板固定，以減小對接焊縫收縮所引起變形。

第三，腹板單元組焊。以邊測量塔和橫基線為基準(zhǔn)組裝腹板單元，重點(diǎn)控制腹板與橋軸中心線的距離，耳板與縱基線間距。待耳板中心距（含工藝量）及其他項點(diǎn)合格后，點(diǎn)焊定位，檢測合格后施焊。

焊接時，先焊接腹板與斜底板角焊縫，再焊接腹板與橫隔板間的熔透焊縫。這樣的焊接順序可以避免熔透焊縫收縮引起的腹板移動。

第四，頂板單元組焊。先以中間測量塔為基準(zhǔn)組裝橋軸中心線處頂板單元，并從中間向兩側(cè)對稱組裝兩邊頂板單元，最后配裝封箱頂板單元。組裝時以中間測量塔為基準(zhǔn)組裝，縱向?qū)雍缚p位置采用馬板控制橫向收縮。

頂板間縱縫對接焊接時，先將頂板單元兩兩焊接形成二拼單元，再將二拼單元間焊接完成，最后完成斜頂板與頂板焊接。以上所有焊縫均采用碼板固定的工藝。

為了有效地控制總拼過程中的焊接變形，設(shè)計總拼胎架時續(xù)估算合理的反變形量，對接焊縫預(yù)留合理的焊接收縮量及反變形量，熔透焊縫采用碼板剛性固定。

4. 鋼箱梁整體檢測

為了驗證制作工藝及焊接變形控制措施的可行性，首輪鋼箱梁總拼結(jié)束后，對8個梁段中的4個進(jìn)行隨機(jī)檢測，檢測腹板間距、鋼箱梁總寬度、橋軸線處的高度及鋼箱梁橋軸線兩側(cè)頂板2%的斜坡等主要項點(diǎn)。按照馬鞍山長江公路大橋制造驗收規(guī)則要求，鋼箱梁的腹板間距、鋼箱梁總寬度及橋軸線處高度公差為±2mm，橋軸線兩側(cè)頂板斜坡a值為2.0%≤a≤2.05%。檢測數(shù)據(jù)如附表所示。

鋼箱梁主要項點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)

從附表不難看出，各個項點(diǎn)控制良好，所有數(shù)據(jù)均滿足鋼箱梁制造驗收規(guī)則要求。

5. 結(jié)語

2011年11月11日，馬鞍山長江公路大橋鋼箱梁首輪8個梁段總拼專家評審會在江蘇揚(yáng)州舉行，與會專家首輪總拼的質(zhì)量控制給予了很高的評價，一致認(rèn)為馬鞍山長江公路大橋鋼箱梁板單元、總拼制作工藝及焊接變形控制措施制定合理，可以作為批量生產(chǎn)依據(jù)。