北京通州北運(yùn)河橋彎扭拱肋制作技術(shù)
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王晨光 龍東利
（中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北秦皇島 066205）
摘要：隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)制作技術(shù)的成熟和發(fā)展，鋼橋的設(shè)計(jì)理念越來(lái)越新穎，鋼橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)新立異給加工制作帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。以北京通州北運(yùn)河橋主拱肋的制作為例，著重闡述彎扭箱形拱肋中單元件制作的工藝要點(diǎn)、制作難點(diǎn)及整體組焊技術(shù)工藝控制；另外對(duì)主拱肋節(jié)段間的預(yù)拼裝方案進(jìn)行介紹。
關(guān)鍵詞：拱肋；彎扭；胎架；組焊；制作技術(shù)D01:10.13206/j. gjg201604017
1 工程概況
北京通州北運(yùn)河橋采用“千荷瀉露”設(shè)計(jì)方案，主橋?yàn)?跨上承式鋼結(jié)構(gòu)拱橋，跨徑布置為(30+40 +70 +40 +30)m，見(jiàn)圖1。主橋斷面寬為42.6~68 m，橫向布置7根拱肋。外側(cè)拱肋橫向向內(nèi)傾斜，以適合橋面的變寬；內(nèi)側(cè)向外傾斜，在拱腳處形成橫向較大的間距，以實(shí)現(xiàn)景觀要求的橋下空間。拱間設(shè)置橫梁，用于加強(qiáng)拱肋的穩(wěn)定性，同時(shí)作為上部結(jié)構(gòu)橋面系的支撐。橋面系為車(chē)行道、非機(jī)動(dòng)車(chē)道及第一層人行道。橋面系為鋼箱梁形式，通過(guò)立柱支承在拱肋、橫梁之上。第二層步道為坡道，第三層步道為梯道，均為鋼結(jié)構(gòu)。
2主拱概述
主橋?yàn)?跨上承式鋼結(jié)構(gòu)拱橋（見(jiàn)圖2），橫斷面上布置7根拱肋，拱肋法向均為矩形斷面。為形成橋梁空間整體變斷面效果，將拱肋設(shè)置成面向外彎曲空間拱。為滿足受力要求，優(yōu)化拱肋保證與橫梁、立柱的連接，同時(shí)降低梁高，將豎向拱進(jìn)行橫向彎曲而形成空間拱，并非將拱肋進(jìn)行水平推倒（剛體轉(zhuǎn)動(dòng)）形成的推倒拱，因此拱肋成為彎扭箱形結(jié)構(gòu)。
3胎架設(shè)計(jì)
根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于拱肋（包括鋼筋混凝土結(jié)合段）為箱形彎扭構(gòu)件，因此本橋所有構(gòu)件均在專(zhuān)用的胎架或平臺(tái)上組裝焊接，因此胎架的制作必須滿足要求，胎架的基礎(chǔ)應(yīng)有足夠的承載力，以保證生產(chǎn)過(guò)程中基礎(chǔ)不發(fā)生沉降。胎架應(yīng)有足夠的剛度，不能隨鋼拱肋拼裝重量的增加而變形，從而造成鋼拱肋變形或使鋼拱肋產(chǎn)生較大的安裝應(yīng)力。普通箱形桿件組焊平臺(tái)和拱肋節(jié)段組焊胎架平臺(tái)設(shè)計(jì)示意見(jiàn)圖3、圖4。
4 拱肋制作方案
4.1 拱肋構(gòu)造
拱肋為彎扭箱形結(jié)構(gòu)，由頂板單元、底板單元、腹板單元、橫隔板單元（普通橫隔板、橫梁處加勁橫隔板等）、橫梁牛腿；環(huán)形加勁板、承壓板和鋼過(guò)渡板（鋼筋混凝土結(jié)合段）等組成，其中頂板、底板、腹板均為彎曲板件，如圖5所示。
4.3 單元件制作
板材下料前經(jīng)過(guò)預(yù)處理線，通過(guò)“趕平”消除鋼板的軋制變形（尤其是局部硬彎）和應(yīng)力，從而減小制作中的變形，保證板材的平整度。下料時(shí)應(yīng)根據(jù)焊縫接頭形式及修整方法對(duì)板材的主要邊緣和焊接邊等預(yù)留加工量，頂?shù)装寮案拱孱A(yù)留二次切頭量。為保證板材的制作精度，使其長(zhǎng)、寬尺寸偏差控制在±1mm，對(duì)角線差不大于2 mm。
對(duì)于彎曲板件和形狀復(fù)雜的零件，先利用計(jì)算機(jī)建立三維模型進(jìn)行1:1放樣，精確放出其幾何尺寸和平面展開(kāi)圖形后，采用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)下料。編程時(shí)，根據(jù)零件形狀復(fù)雜程度、尺寸大小、精度要求等適當(dāng)加入補(bǔ)償量以消除切割熱變形的影響。隔板、環(huán)形加勁板、鋼過(guò)渡板、承壓板等需要保證板件的平整度、變形量及對(duì)角線尺寸，防止桿件扭曲。在頂、底、腹板上劃出折彎點(diǎn)控制線、橫基線、橫縱肋及橫隔板位置線（圖7），誤差不得大于0.5 mm，左右零件要成對(duì)劃線，注意主板的方向。
用計(jì)算機(jī)建立三維模型進(jìn)行1：1放樣，根據(jù)三維軸線，標(biāo)出各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)（圖8），利用坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)在胎架上做出各點(diǎn)的相對(duì)位置，把頂（底、腹）板放上胎架進(jìn)行折彎，用各折彎面之間的角度（圖9）做出角度樣板，利用角度樣板檢測(cè)每條折彎點(diǎn)控制線處的彎曲值，并拉線測(cè)量整體彎曲情況與理論值的差異直至鋼板彎曲值滿足制作公差要求。
由于主拱肋處于空間彎扭狀態(tài)，要辨別清楚桿件以及零件的成對(duì)關(guān)系；需要加工坡口的，要注意坡口方向，并做好方向標(biāo)記和桿件標(biāo)記，以防止桿件方向和位置錯(cuò)誤。
桿件外形復(fù)雜，焊縫多且分布不對(duì)稱(chēng)，桿件焊接后易導(dǎo)致變形，因此單元件的制作主要是精度對(duì)于整體尺寸控制至關(guān)重要，為此采用以下工藝措施來(lái)提高單元件的制作質(zhì)量。
1)頂板單元、底板單元、腹板單元（圖10）：將折彎后的各主板置于設(shè)置好拱度的組裝胎架（精準(zhǔn)隔板位置的空間相對(duì)拱度坐標(biāo)）上，核實(shí)劃線尺寸，組裝縱肋，采用增加配重配合火焰加熱的方法使主板與胎架、縱肋與主板密貼，并采用埋弧自動(dòng)焊焊接，焊后在胎架上修整并檢驗(yàn)，確保板面拱度符合要求。
2)隔板單元：主要是進(jìn)行主板與人孔鑲邊的焊接，選用線能量小的焊接方法，以減小焊接變形；注意坡口方向，標(biāo)記好組裝壁板方向。
4.4 整體組焊
整體組裝重點(diǎn)控制要素是拱肋的整體外形尺寸和空間扭曲角度，由于拱肋內(nèi)部零部件數(shù)量較多，有效焊接空間狹小，為了確保焊接質(zhì)量，利用組焊順序來(lái)保證每一條焊縫的焊接都能在最大的焊接空間內(nèi)進(jìn)行。合理的組裝和焊接順序能最大程度地減小焊接變形和焊接殘余應(yīng)力，因此制定了詳細(xì)的組焊工藝規(guī)程。
4.4.1 底板、隔板、鋼混凝土結(jié)合段的組裝
拱肋組裝采用專(zhuān)用組裝胎架、劃線平臺(tái)、焊接胎架，設(shè)置合理的反變形量，通過(guò)工裝進(jìn)行約束，確保胎架的空間相對(duì)拱度坐標(biāo)。將底板單元置于胎架上，以縱向、橫向基線為基準(zhǔn)核實(shí)劃線尺寸，組裝橫隔板單元（在組裝鋼混凝土結(jié)合段加勁板和鋼過(guò)渡板時(shí)注意與橫梁對(duì)應(yīng)處隔板的位置關(guān)系，鋼過(guò)渡板與橫隔板碰撞的，需先組裝鋼過(guò)渡板，后組橫隔板），將隔板與底板點(diǎn)焊（圖11a）。
4.4.2 內(nèi)、外腹板的組裝
組裝內(nèi)外腹板單元，將基準(zhǔn)端基線對(duì)齊，調(diào)整隔板與腹板上的隔板位置線對(duì)齊（鋼混凝土結(jié)合段的橫向加勁板和橫向鋼過(guò)渡板組裝與腹板上相應(yīng)的線對(duì)齊），使用頂緊裝置將兩側(cè)腹板頂緊使之與隔板密貼，待槽形組裝后，箱體外形尺寸檢驗(yàn)合格，焊接隔板與底板和腹板焊縫（圖11b）。
4.4.3頂板的組裝
組裝頂板單元，組裝時(shí)以基準(zhǔn)端為基準(zhǔn)，保證頂板與隔板、腹板密貼；箱體尺寸檢驗(yàn)合格后，完成箱體四條主焊縫的焊接（圖11c）。
4.4.4組焊箱體外的橫梁牛腿
組焊箱體外的橫梁牛腿，組裝前檢測(cè)核實(shí)箱體腹板外側(cè)組裝位置線，按線組裝。組裝時(shí)注意牛腿與拱肋腹板相交處的角度，確保牛腿與拱肋的空間位置關(guān)系（與斜立柱相連的牛腿與頂?shù)装屙樈�，需板件散拼，正箱形橫梁牛腿組焊件與拱肋對(duì)接）（圖11d）。
5 拱肋節(jié)段預(yù)拼裝
由于主拱肋受運(yùn)輸和工地吊裝等外部因素的制約，主拱肋在制作時(shí)分成2～5個(gè)節(jié)段。主拱肋的各個(gè)節(jié)段在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)拼裝，將各個(gè)節(jié)段置于設(shè)置好空間線形的胎架上，以節(jié)段基準(zhǔn)端為坐標(biāo)系統(tǒng)基準(zhǔn)面，通過(guò)立體放樣計(jì)算拱肋節(jié)段的控制點(diǎn)空間坐標(biāo)，量測(cè)實(shí)際的拱肋節(jié)段相應(yīng)控制點(diǎn)幾何參數(shù)，與理論坐標(biāo)比較，進(jìn)行調(diào)整，可適當(dāng)加以火焰修整，保證拱肋的架設(shè)安裝角度。修整檢驗(yàn)合格后，按立體放樣中腹板上各主要控制點(diǎn)間的弦弧長(zhǎng)尺寸（圖12）劃線切割箱體配切端及工地坡口，確保桿件長(zhǎng)度及空間扭曲角度的精準(zhǔn)。
6 結(jié)束語(yǔ)
北京通州北運(yùn)河橋主拱肋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接量大、焊接空間狹小，通過(guò)采取以上的工藝制作方案可保證拱肋外形尺寸和空間扭曲角度的準(zhǔn)確，且可提高焊縫質(zhì)量。本文介紹了彎扭箱形拱肋中單元件制作的工藝要點(diǎn)、制作難點(diǎn)及整體組焊技術(shù)工藝控制。
該橋的順利架設(shè)，說(shuō)明該方案是合理可行的，可為同類(lèi)拱肋結(jié)構(gòu)提供參考和借鑒。
