来源:建筑钢结构网  作者:  时间:2009-12-22   关键词:  

摘要：

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钢结构悬索拱桥。主梁与拱通过28根吊索连接（如图1）。

主梁与拱材质均为Q345E，工程钢结构重量约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.《建筑钢结构施工手册》中国钢结构协会编著
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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