大跨度钢箱梁板单元构件制造

一、前言
大跨度桥梁中，钢箱梁以制造质量稳定、跨度大、架设方便而经常采用。日本的多多罗大桥和国内的江阴长江大桥、海沧桥以及在建的南京长江第二大桥均采用钢箱梁。钢箱梁的制造由于钢板规划及运输等方面的原因，一般采用工厂、工地、桥位相结合的方式。板单元制造中，保证制造质量，提高制造效率是关键所在。本文以南京长江二桥的钢箱梁为例，介绍板单元构件的制造方法及控制要点。

二、钢箱梁板单元构件的划分
南京长江第二大桥为钢箱梁斜拉桥，全长1238m。钢箱梁主梁断面为全焊扁平流线型钢箱梁，根据架设需要分为93段制造。每段箱梁顶板分为14个顶板单元，共有54根纵向加劲U肋；底板分为15个底板、斜底板单元，共有43根纵向加劲U肋；箱梁两侧为锚箱腹板，腹板外侧为风嘴。钢箱梁板件划分见图1所示。梁段之间的底板U肋在纵向定位后通过嵌补段连接，顶板U肋通过高强螺栓连接。在如此大跨度的箱梁中，要确保纵向U的间的精确定位连接，板单元的制造精度必须特别精确。
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三、带U型加劲肋面板单元的制造
1.U肋制造
U肋制造采用双折边法。即板料在精切下料后机加工两长边坡口，使用大型压力机分两次进行压弯。主要控制 U助的开口宽度 BO＋3，两肢高低差≤2.0mm，全长扭曲≤5.0mm，端口垂直度≤1.5mm，局部不平度 2mm／m。
2.板单元制造
顶板、底板、斜底板单元均带有U型加劲肋，主要结构形式为正交异性板结构，由面板和纵向加劲的U肋和横向加劲的横肋组成，构造见图2、图3所示。其制造工艺基本相同。

（l）板单元制造工艺流程（图4）

（2）板单元的无余量精切下料
根据工艺试验所得的参数，考虑制造过程中火焰切割、焊接、热矫正等对板件尺寸的影响，对板件的外形尺寸确定适当的工艺预留量。精密切割下料并切割出板件周边的焊接坡口。
下料时控制料件长度尺寸L±1.0，坡口角度控制在 0～+2℃，板边直线度≤2.0mm。
（3）板单元胎架无码组装
正交异性桥面板直接承受汽车轮载作用，在制造时应避免加码等对运营造成疲劳隐患的组装方法，因而板单元使用专用无码组拼胎架组拼，见图5所示。

组拼作业主要控制U肋位置及U肋与面板的间隙，间隙要求≤1.0mm，U助间距在面板两端头及横隔板部位≤1.0mm，其余部位≤2.0mm。
（4）板单元反变形焊接
U肋与面板角焊缝焊接后，由于焊接热影响，面板会出现焊接角变形。焊接变形的产生不仅影响板单元的制造精度，而且若通过火焰矫正使其达到平面度要求，则需增加相当多的工作量。因而在制造中采用焊接反变形技术。
通过对焊后变形数据的实测，确定变形量，在施焊前对面板施加适当的反变形，以基本消除板单元在焊接中产生的角变形。焊接反变形胎架见图6所示。

面板焊接采用效率高、输入线能量少、焊接变形小的CO2气体保护自动焊。焊接时采用船位焊接，保证焊缝的熔深及外观成型。
由于反变形技术的应用，板单元焊接后角变形大为减小，经过820mm板厚的顶板单元的实测，未使用反变形时总角变形为40mm，使用反变形后总角变形仅为6mm，可很容易地矫正平整。

四、带锚箱的腹板的制造
钢箱梁上的荷载均通过腹板外侧的锚箱传递给斜拉索和桥塔，因而锚箱腹板是钢箱梁最重要的受力构件。全桥共有80对柱状锚箱，其角度和纵锚板长度因箱段的位置而变化。锚箱腹板由腹板、承压板、纵锚板、腹板板条肋等组成。锚箱结构如图7所示。

1.制造工艺流程（图8）

2．制造控制的重点
其包括：①部件组拼精度控制；②焊缝焊接质量控制；③腹板焊接变形控制。
3.腹板组拼
首先组焊锚箱合件。组焊时使用定位胎架进行组装，采用平角位置对称施焊，确保焊缝质量和焊接不产生大的不对称变形。
腹板组焊板条肋后，依据纵、横基准线精确定出锚箱的组装位置及组装角度，并据此在平台上组装锚箱。
4.锚箱腹板焊接
（l）腹板与板条肋的焊接
腹板与板条肋焊接使用埋弧自动焊，焊丝使用H08Mn2E，焊剂使用SJ10lq，焊接时采用船位焊。
（2）熔透焊缝的焊接
承压板与纵锚板、锚箱与腹板间均为熔透焊缝，采用开双面U型坡口焊接，坡口及焊道布置见图9所示。焊接时采用手工多道焊，焊条采用SHJ507Ni焊条。焊前预热100～150℃，层温控制在100～150℃。一侧焊后另一侧进行清根处理，确保熔透。

5．焊接变形的控制
（l）增加腹板刚度，控制竖向及弯曲变形
腹板与锚箱焊缝为大坡口熔透焊缝，焊接后在腹板锚箱位置产生局部凹凸和翘曲变形，经实测在锚箱腹板背侧竖向弯曲变形最大达16mm。
采取在腹板背侧的板条肋上增加临时连接件，使腹板上板条肋连为整体，以增大腹板的抗弯刚度，控制焊接竖向弯曲变形在6mm以内。
（2）利用刚性约束，控制焊接角变形
由于屡次的焊接热过程使得焊接角变形异常严重。采用在腹板锚箱背面加装约束马板的措施，施焊前先将马板点固于锚箱背侧，增加腹板上锚箱部位的刚性约束，制约腹板角变形的产生。马板见图10所示。腹板使用马板后焊接角变形原先的最大18mm减小为6mm，减少了矫正的工量，保证了几何尺寸的精确性。


五、带单侧加劲肋的横隔板的制造
横隔板作为钢箱梁组拼的内胎，且纵向与U肋要精确配合，加工精度要求特别高。但横隔板构造上仅竖板的一侧有板式加劲助，料件超长超大。除锚箱处的横隔板外，其余横隔板仅厚10mm，属于薄板结构，易产生焊接蕈状变形。为保证质量，将横隔板整体分为一个中间板块、两个边侧板块制造。横隔板构造见图11所示。
l.制造工艺流程（图12）


2.料件组排
将竖板置于平台上按组装位置线，组装加劲肋等件。组拼时控制加劲板条肋与竖板的缝隙小于 0.5mm，垂直度小于1.0mm。
3.焊接
由于加劲的偏于腹板一侧，焊后易在竖板上产生蕈状变形，因而焊接时需将横隔板固接于平台上，施加约束，以控制焊接变形的产生。
焊接采用线能量小，焊接效率高的CO2气体保护半自动焊。
4.矫正
由于采用了约束变形措施，焊接后仅有局部蕈状变形，使用火焰矫正。保证板面的平面度≤3mm／m，板边直线度≤lmm（局部≤2mm）。
5.精密切割
经矫形后的横隔板，依据纵横基准线定位于切割胎架上，采用数控火焰切割机精切周边。

六、桁架式纵隔板的制造工艺
桁架式纵隔板在钢箱梁的横隔板间起纵向加强作用。每段钢箱梁有8块纵隔板，构造上采用钢管作为斜杆与板件共同受力。构造见图13所示。

由于桁架式纵隔板为板系与杆系混合结构，几何尺寸定位较为困难，因而使用定位胎架作为组拼的控制手段。
焊接时将定位胎架作为变形控制胎架，以约束焊接变形。
焊接采用线能量小，焊接效率高的CO2气体保护半自动焊。由于胎架的控制，焊后基本无变形。

七、风嘴制造
风嘴为一侧开口的不规则四边形结构，风嘴构造见图14所示。由于风嘴处于箱梁外侧，对成桥后桥梁外观线形的影响很大，因而，风嘴外形尺寸的控制是制造工艺的控制重点。

风嘴的顶板、腹板、底板单件组装板条助，焊接矫正完成后，参与整体组拼。
风嘴组挤在平台上进行，以隔板作为内部定位基准，组焊其余各件。对于风嘴端部隔板间距较大的位置，使用工艺隔板保证风嘴外部尺寸。通过合理调整焊接顺序，基本控制焊接变形在精度要求的范围内。

八、结论
在大跨度钢箱梁板单元构件的制造过程中，通过采用精密切割、U形肋无码组装、焊接变形控制、无余量切割等新工艺、新方法，在提高单元构件制造质量的基础上，大幅度提高了制造效率，为以后钢箱梁板单元构件的制造提供了一个可供借鉴的范例。
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