泰州長江大橋鋼箱梁彈性索錨腹板單元制作技術(shù)
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
王歲利 常彥虎 祁寶金
（中鐵寶橋（揚(yáng)州）有限公司，江蘇揚(yáng)州 225107）
摘要：泰州長江大橋是國內(nèi)也是世界上首次建造千米級(jí)跨度的三塔懸索橋，其中中塔和主梁采用全鋼結(jié)構(gòu)，主梁在中塔處設(shè)縱向彈性索約束是該橋的亮點(diǎn)之一，彈性索錨腹板單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大。通過對(duì)制作難點(diǎn)的分析，對(duì)焊接接頭形式進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)制作工藝及效果等給予闡述。
關(guān)鍵詞：彈性索錨腹板單元；制作工藝；焊接工藝；變形控制；平面度控制
DOI:10.13206/j. gjg201603022
1工程概況
泰州長江公路大橋位于江蘇省長江的中段，上游距潤揚(yáng)長江大橋約60 km，下游距江陰長江大橋約60 km，北接泰州市，南連鎮(zhèn)江和常州市。其主橋?yàn)槿B續(xù)鋼箱梁懸索橋，其中中塔為鋼塔，跨度為(390 +2 x1 080 +390)m，鋼箱梁總長約2 160 m。2根主纜橫橋向中心間距為34.8 m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為16 m。主梁為扁平流線形封閉薄壁鋼箱梁，其壁板均為正交異性板結(jié)構(gòu)，箱梁橫斷面為單箱3室構(gòu)造，兩側(cè)邊室為風(fēng)嘴兼檢修道。在中塔兩側(cè)設(shè)彈性索，一端固定在主梁上，另一端固定在中塔上，該約束可以提高主纜與中主鞍座之間的抗滑移安全系數(shù)、改善中塔受力、降低鋼箱梁跨中撓度、并減小其縱向活載位移。彈性索錨箱設(shè)在鋼塔兩側(cè)附近梁段的直腹板外側(cè)風(fēng)嘴內(nèi)，上、下游各一對(duì)。彈性索錨箱是由厚板組成的焊接于直腹板上的箱形結(jié)構(gòu)，具體形式見圖1（直腹板長向僅示局部）。
2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制作難點(diǎn)分析
根據(jù)鋼箱梁整體方案的要求，彈性索錨箱需與直腹板組成一個(gè)錨腹板單元來參與鋼箱梁的總體拼裝，彈性索錨箱是焊接于鋼箱梁直腹板外側(cè)的箱形結(jié)構(gòu)，由錨座板、錨墊板、承力板、支撐板和錨隔板組成，直腹板、錨隔板、支撐板板厚均為30 mm，錨座板、錨墊板、承力板板厚均為40 mm，錨箱處于直腹板外側(cè)面的中部，錨座板、承力板、直腹板之間互為全熔透角焊縫，其余焊縫為部分熔透（坡口）角焊縫或貼角焊縫，錨墊板的平面度要求控制在0.2 mm以內(nèi)（使用中必須確保錨具與錨墊板緊貼），直腹板平面度要求控制在2.0 mm以內(nèi)。
2.1 錨固面平面度控制
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，錨墊板與錨座板必須緊貼，錨墊板的外表面與后安裝的錨具錨頭必須緊貼，按標(biāo)準(zhǔn)要求其結(jié)合面平面度必須控制在0.2 mm以內(nèi)，該要求需要通過機(jī)加工工藝才能實(shí)現(xiàn)。最理想的方法是結(jié)構(gòu)制作完成后整體機(jī)加工錨墊板外表面，但加工面距離逐步形成腹板端頭較遠(yuǎn)(13. 35 m)，無法選擇可加工的設(shè)備，若單件加工，后續(xù)的焊接變形會(huì)導(dǎo)致最終的平面度較差，加工方法難以確定。
2.2 狹小空間的焊接作業(yè)
由于彈性索錨箱為由厚板組成的格構(gòu)式箱形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸小，熔透焊縫多，焊接空間狹小，施焊作業(yè)人員無法進(jìn)入箱形結(jié)構(gòu)施焊內(nèi)部焊縫，給組裝、焊接帶來難度。
2.3焊接變形控制
承力板、錨座板與直腹板間互為全熔透角焊縫，支撐板與承力板、錨座板為部分熔透（坡口）角焊縫，焊縫密集，焊接變形大，特別是熔透角焊縫對(duì)錨墊板面和直腹板面平面度影響較大，且不能機(jī)械冷矯正，只能采用火焰熱矯正，熱矯正將會(huì)引起結(jié)構(gòu)的收縮變形，對(duì)幾何尺寸有影響。
3工藝措施
3.1 錨固面平面度控制措施
1)將錨座板與錨墊板先組焊成一個(gè)剛性較大的合件（兩板各加厚10 mm，總板厚度達(dá)100 mm），再對(duì)合件雙面銑削加工，錨墊板外表面留2 mm修磨量。
2)錨座板與錨墊板的合件參與整體組焊后，再對(duì)錨墊板外表面由于焊接變形引起的平度超差部位通過機(jī)械鉗工進(jìn)行配研磨平，使其平面度不大于0.2 mm。
3.2 焊接質(zhì)量控制措施
1)合理確定組裝、焊接順序，既使關(guān)鍵受力焊縫處于較好的作業(yè)環(huán)境下焊接，又使整體無法施焊的焊縫分步焊接。
2)設(shè)計(jì)合理的焊接坡口形式，既要減小焊接金屬填充量，又要盡量避免在狹小空間的焊接。
3.3 焊接變形控制措施
1)先將直腹板與其內(nèi)側(cè)的板式縱組焊成腹板單元，并在彈性索錨箱位置的背面加裝工藝加勁板，增加直腹板的面內(nèi)剛性，防止在焊接錨箱時(shí)直腹板的局部變形。
2)選擇線能量小的半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊焊接。
3)預(yù)留工藝收縮量來抵消焊接、熱矯正收縮變形。
4)采用分步組裝、焊接、矯正，使焊接變形逐級(jí)得以矯正，避免變形積累。
4 制作工藝設(shè)計(jì)
針對(duì)彈性索錨箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和難點(diǎn)，以確保施工安全、結(jié)構(gòu)質(zhì)量安前提，采取合理的制作工藝。
4.1 主要焊接接頭的坡口設(shè)計(jì)及焊接方法
焊接坡口設(shè)計(jì)是焊接工藝制定過程中非常關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容，首先要考慮焊接的可操作性、組裝順序及所采用的焊接方法，其次要盡量減少焊縫金屬填充量，還要盡可能地使接頭兩側(cè)熱輸入平衡，以達(dá)到焊后結(jié)構(gòu)變形和殘余應(yīng)力小的目的。對(duì)于這種幾何尺寸小、板件厚、全熔透焊縫多而密集的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用線能量小、焊接空間不易受限的半自動(dòng)C02氣體保護(hù)焊焊接方法，焊接位置應(yīng)以構(gòu)件擺放安全、焊接操作方便為原則，應(yīng)盡量使關(guān)鍵焊縫處在橫位或平位焊接。
1)錨座板與直腹板的全熔透角接：考慮到錨座板較厚(40 mm)，且可以較先組裝，不受其他件的空間限制，為減少焊接金屬填充量和焊接變形，錨座板采用不對(duì)稱K形坡口橫位焊接，清根后保證兩側(cè)熱輸入相同，以減小焊接變形。
2)承力板與直腹板、錨座板的全熔透角接：由于4塊承力板間距較小，雙面焊無法實(shí)施，只能實(shí)施從中間向兩側(cè)分步在外側(cè)單面焊接，所以承力板與直腹板、錨座板的焊縫采用單側(cè)V形坡口橫位焊接，坡口背面貼鋼襯墊，留間隙焊接。
3)錨隔板與直腹板的全熔透角接：由于承力板先于錨隔板組裝，內(nèi)側(cè)空間很小，只能在外側(cè)單面焊接，所以此焊縫采用單側(cè)V形坡口橫位焊接，坡口背面貼鋼襯墊，留間隙焊接。
4)承力板與錨隔板的部分熔透（坡口）角接：同樣由于4塊承力板間距較小，雙面焊無法實(shí)施，只能實(shí)施從中間向兩側(cè)分步在外側(cè)單面焊接，所以承力板與錨隔板的焊接邊采用帶鈍邊的單側(cè)J形坡口立位焊接。
5)支撐板與錨座板、承力板、錨隔板的部分熔透（坡口）角接：支撐板屬于封箱板，只能在外側(cè)單面焊接，支撐板與錨座板、承力板、錨隔板的3條焊縫采用帶鈍邊的單側(cè)J形坡口平位焊接。
具體焊縫接頭形式見圖2。
4.2零部件加工工藝設(shè)計(jì)
直腹板采用門式火焰切割機(jī)下料，縱向留焊接收縮工藝量，周邊及坡口采用刨邊機(jī)加工，錨座板、錨墊板、承力板、支撐板和錨隔板全部采用數(shù)控火焰切割機(jī)下料，焊接邊及坡口采用刨邊機(jī)加工，對(duì)承力板橫向留焊接收縮工藝量，錨墊板板厚留單面加工量（增加厚板）。為了減小錨箱在整體組裝、焊接過程中錨墊板面的變形，先將錨座板、錨墊板組焊成錨座板合件，增加其面內(nèi)剛度，再對(duì)合件的錨墊板外表面進(jìn)行銑削加工，平面度控制在0. 05 mm以內(nèi)，并留2 mm的二次研磨量。
錨座板合件的制作工藝流程見圖3。
4.3整體制作工藝設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)形式及空間尺寸對(duì)各焊縫作業(yè)有影響時(shí)，在組裝順序上應(yīng)為關(guān)鍵焊縫的施焊創(chuàng)造較好的施焊條件，確保焊接質(zhì)量。彈性索錨箱和直腹板的焊接質(zhì)量尤為重要，但由于空間位置狹小，給拼焊作業(yè)帶來很大困難，采用將錨箱從內(nèi)向外、由下向上分步進(jìn)行組裝焊接的原則進(jìn)行。具體工藝如下：
1)在平臺(tái)上以直腹板縱橫向中心為準(zhǔn)在內(nèi)側(cè)面（橋軸線側(cè)）劃出縱橫基準(zhǔn)線，并返劃在板厚側(cè)；再以縱橫基線為準(zhǔn)組焊縱橫加勁肋，并在背面待裝錨箱對(duì)應(yīng)位置組裝工藝加勁板（約束勁板），對(duì)焊接變形進(jìn)行熱矯正。
2)翻身后置于平臺(tái)上，將板厚側(cè)所劃縱橫返劃在上表面，并以該縱橫基準(zhǔn)線為準(zhǔn)劃彈性索錨箱各零部件組裝位置線，即錨箱定位基準(zhǔn)線。
3)按線組裝、焊接錨座板合件，采用雙面CO2手弧焊工藝，小坡口側(cè)清根，確保熔透，并對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)、焊趾超聲波錘擊處理。
4)組裝、焊接內(nèi)側(cè)2塊錨箱承力板和錨隔板，其中承力板與直腹板、錨座板采用鋼襯墊留間隙單面CO2手弧焊，保證熔透，承力板與隔板接板采用單面坡口角焊縫焊接，并對(duì)所焊焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)。
5)組裝、焊接外側(cè)2塊錨箱承力板，焊接方法和工藝同前，無損檢測(cè)合格后組焊底層支撐板，采用單面坡口角焊縫焊接。
6)組裝、焊接上層支撐板，焊接方法及工藝同上；切除背面工藝加勁板，并對(duì)焊接變形進(jìn)行全面矯正，使結(jié)構(gòu)各項(xiàng)控制要求均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求；最后，對(duì)錨固面進(jìn)行磨研處理，使其平面度達(dá)到0.2 mm的要求，錨固面機(jī)加工工藝同上。具體工藝流程見圖4。
4.4錨固面機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)
1)將錨座板與錨墊板先組焊成一個(gè)剛性較大的合件（兩板各加厚10 mm，總板厚度達(dá)100 mm），再用平面銑床對(duì)合件雙面銑削加工，錨墊板外表面留2 mm修磨量。
2)按結(jié)構(gòu)工藝將錨墊板合件及其他錨箱零件分步組焊于直腹板上，形成錨腹板單元，對(duì)焊接變形進(jìn)行矯正，使各結(jié)構(gòu)幾何尺寸滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3)用輕型鋼軌加工一個(gè)長500 mm、寬50 mm的基準(zhǔn)平尺，平面度控制在0. 03 mm以下。
4)對(duì)已組焊成錨腹板單元的錨固面進(jìn)行磨研處理。其原理和方法類似于機(jī)械鉗工的平板刮研。具體方法是：在已組焊成錨腹板單元的錨固面上涂抹紅丹油，用特制基準(zhǔn)平尺研磨錨固面，找出相對(duì)高點(diǎn)，再由機(jī)械鉗工用細(xì)質(zhì)砂輪對(duì)高點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)打磨，注意控制打磨量，以“寧欠勿超”為原則，再對(duì)錨固面涂抹紅丹油，用特制基準(zhǔn)平尺研磨錨固面，再次找出相對(duì)高點(diǎn)進(jìn)行修磨，如此多次重復(fù)以上步驟直至將整個(gè)錨固面平面度修磨到0.2 mm以內(nèi)為止。
5效果分析
按照所制定的制作工藝流程，順利地完成了全橋彈性索錨腹板單元的制作任務(wù)，解決了制作中的錨固面平面度加工、狹小空間焊接和焊接變形控制三大難題。通過單件銑面加工、整體磨研處理，使錨箱錨固面的平面度達(dá)到了TB 10212-2009《鐵路鋼橋制造規(guī)范》要求，經(jīng)用平尺和塞尺檢測(cè)，任意測(cè)點(diǎn)均不大于0.2 mm；通過設(shè)計(jì)合理的焊接坡口形式和焊接方法，采取從里向外分步組裝、焊接、無損檢測(cè)方法，解決了格構(gòu)式箱形結(jié)構(gòu)焊接空間狹小、無法施焊和無損檢測(cè)里側(cè)焊縫的難題，焊縫外觀無裂紋、未熔合、夾渣、未填滿和焊瘤等缺陷，成型較好，超聲波檢測(cè)全部達(dá)到TB 10212-2009的要求，一次探傷合格率達(dá)99. 97%，交驗(yàn)合格率為100%；通過采用小線能量焊接參數(shù)、剛性它約束條件下焊接、預(yù)留反變形工藝量和分步矯正等工藝措施，使彈性索錨腹板單元的平面度、幾何尺寸均達(dá)到了TB 10212-2009的要求。首制件( F Cl)檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。
6 結(jié)束語
根據(jù)泰州長江大橋鋼箱梁架設(shè)安裝的信息反饋，彈性索錨箱位置及角度準(zhǔn)確，錨固面接合緊密，達(dá)到了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已建成通車，運(yùn)營狀況良好，證明了三塔兩跨懸索橋在中塔處設(shè)彈性索的合理性，也驗(yàn)證了制作所采用的分步組裝、剛性它約束焊接、重要焊縫焊趾超聲波錘擊處理、錨固面二次機(jī)械鉗工研磨加工工藝的可行性，可供類似工程借鑒。
