臨海高等級公路灌河大橋鋼結(jié)構(gòu)制作質(zhì)量控制技術(shù)
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樊永清
（中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北秦皇島 066205）
摘 要：臨海高等級公路灌河大橋鋼主梁、鋼錨梁、鋼牛腿是其主要受力構(gòu)件，也是制作中質(zhì)量最難控制的部分。針對構(gòu)件的特點(diǎn)，制定了質(zhì)量控制要點(diǎn)和控制方法，并通過這些方法的實(shí)施，有效地保證了大橋的制作質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：鋼主梁；鋼錨梁；鋼牛腿；質(zhì)量控制要點(diǎn)；質(zhì)量控制方法
DOI:10.13206/j. gjg201604019
1 工程概況
臨海高級公路灌河大橋?yàn)殡p索面斜拉結(jié)構(gòu)體系（圖1），主橋鋼結(jié)構(gòu)部分跨徑布置為：(60.8+117.2+400 +117.2+60.8)m，全寬36.5 m，兩側(cè)主梁中心距34.5 m，如圖2所示。全橋共71個(gè)梁段，長度為4. 75~16. 85 m。標(biāo)準(zhǔn)梁段長10.8 m，最大吊裝質(zhì)量36. 64 t，輔助跨最大長度16. 85 m，最大吊裝質(zhì)量46. 49 t。
該橋采用H形索塔，塔高167.5 m，兩塔柱各布置17對斜拉索。斜拉索一端錨固在塔柱鋼錨梁上，另一端錨固在主梁錨拉板上。主梁、橫梁、縱梁通過摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，其上架設(shè)預(yù)制混凝土橋面板，通過在鋼梁上的剪力釘區(qū)域現(xiàn)場澆注混凝土，使面板濕連接而結(jié)合成整體。
該橋鋼構(gòu)件主要有主梁、橫梁、縱梁、索塔段（鋼錨梁和鋼牛腿）。其中主梁、索塔段制作難度較大。
2 鋼主梁制作質(zhì)量控制
2.1 鋼主粱
采用Q345D鋼板，其中上翼緣用Q345 D215鋼板。上翼緣鋼板厚36 mm，設(shè)2%單向橫坡。下翼緣水平，鋼板厚60~ 80 mm，腹板厚30 mm。如圖3所示，鋼主梁截面形式為工字形，高2.7 m。
2.2 鋼主梁制作過程質(zhì)量控制
2. 2.1零件下料
板材經(jīng)過預(yù)處理線完成預(yù)處理后，為了提高下料精度，不規(guī)則零件如錨拉板、承錨板等應(yīng)采用數(shù)控切割機(jī)床下料，錨管采用鋸切下料。下料時(shí)，對主要零件焊接邊緣預(yù)留機(jī)加工量，翼緣板及腹板預(yù)留焊接收縮量。為了防止上翼緣板因焊接產(chǎn)生層狀撕裂，在下料前先對上翼緣板焊接錨拉板的部位進(jìn)行超聲波探傷，如發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生層狀撕裂的傾向時(shí)，應(yīng)換料。
2.2.2零件機(jī)加工
1)錨拉板是全橋傳力系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件。錨拉板下料后，在其上劃出錨管中心線，并在兩端各打3個(gè)樣沖眼標(biāo)記。如圖4所示，根據(jù)已知錨管角度a和高度h劃出錨拉板與主梁上翼緣焊接邊的加工線及坡口線。機(jī)加工要確保錨管中心線角度a精度達(dá)到±0. 100，機(jī)加工完焊接邊后將搭橋切除。
2)承錨板的錨固接觸面采用機(jī)加工，加工時(shí)應(yīng)確保加工面粗糙度不大于12.5 μm，加工完厚度偏差±0.5 mm。
3)橫梁接頭板下料“趕平”后，采用平板數(shù)控鉆床出孔，然后以孔為基準(zhǔn)劃線刨焊接邊及兩頭，栓孔至機(jī)加工邊預(yù)留焊接收縮量。
4)為了保證工型高度尺寸精度，在鋼板下料并趕平后，應(yīng)根據(jù)頂?shù)装搴穸葘Ω拱鍍珊附舆呥M(jìn)行配制刨邊。為了減小工形成型后鉆孔的難度，對上、下翼緣和腹板基準(zhǔn)端先卡樣出孔。下翼緣板厚度很大(60~ 80 mm)，對孔的垂直度要求較高，鉆孔時(shí)務(wù)必在堅(jiān)固的平臺上放平，要保證鉆頭與板面垂直。
2.2.3錨拉板單元件制作
錨拉板單元焊接于主梁上翼緣頂面，是主梁的主要受力構(gòu)件，組裝時(shí)應(yīng)注意承錨板與錨管和錨拉板垂直。先組裝承錨板，再組裝錨管，然后組裝相關(guān)勁板。焊接時(shí)，要先從錨管和錨拉板間的焊縫對稱施焊，待這兩焊縫完成后再焊接承錨板上焊縫以及勁板焊縫。
對錨拉板與錨管間熔透焊縫全長進(jìn)行超聲波探傷，靠近承錨板端200 mm的范圍，對焊趾進(jìn)行錘擊處理（消除焊縫應(yīng)力）。
2.2.4錨拉板單元與主梁上翼緣的組裝及焊接
錨拉板單元與上翼緣間的焊縫是全橋最關(guān)鍵的焊縫，必須嚴(yán)格控其焊接質(zhì)量，確保熔透。為了施焊方便和能夠同時(shí)采用直探頭和斜探頭來對其進(jìn)行超聲波探傷，將錨拉板單元與上翼緣先行組焊。組裝前，從上翼緣基準(zhǔn)端孔位返線到錨管中心線與上翼緣的交點(diǎn)處，在交點(diǎn)處劃縱橫向垂直十字線，并打樣沖眼（圖5）。
如圖5所示，用錨拉板上錨管中心線對準(zhǔn)上翼緣十字線交點(diǎn)，錨拉板厚度中心線對準(zhǔn)上翼緣縱向中心線，并應(yīng)注意錨拉板與上翼緣的關(guān)系，由于上翼緣設(shè)2%單向橫坡，故錨拉板與上翼緣非垂直關(guān)系，組裝時(shí)采用預(yù)制角度樣板檢查，確定其角度后用胎架固定，再次檢驗(yàn)錨管角度后才能點(diǎn)焊定位。
對錨拉板與主梁上翼緣板間熔透角焊縫全長進(jìn)行超聲波探傷，并對焊趾進(jìn)行超聲錘擊（消除焊縫應(yīng)力）。
2.2.5工形組裝與焊接
工形組裝必須在預(yù)置好的臺型上進(jìn)行。為了降低組裝工作面高度，采用平臥組裝。用工裝支撐起腹板，分別吊起上、下翼緣，使上、下翼緣，腹板基準(zhǔn)頭對齊，并要確�；鶞�(zhǔn)頭位置上、下翼緣孔與腹板孔的相對位置正確。另要確保下翼緣與腹板垂直，上翼緣有2%單向橫坡，用預(yù)制角度檢查樣板檢查確定其與腹板的角度。組裝工形時(shí)，錨腹板一端會(huì)處于懸臂狀態(tài)，因此需要對其設(shè)置支撐，使之與腹板在同一水平面上。
為了減小焊接變形和焊接應(yīng)力，應(yīng)采取合理的焊接工藝及焊接順序，保證焊接質(zhì)量。工形主角焊縫采用船位埋弧焊對稱焊接。上翼緣板上表面與錨拉板熔透焊接，下表面與腹板熔透主角焊接，在焊接應(yīng)力的作用下易造成上翼緣層狀撕裂，必須采取可靠的預(yù)防措施，在焊接錨拉板對應(yīng)區(qū)域的焊縫施焊前應(yīng)對該區(qū)域預(yù)熱，下翼緣與腹板的主角焊縫，由于下翼緣的厚度很大(60~80 mm)，應(yīng)對待焊區(qū)域在焊前進(jìn)行預(yù)熱，在車間溫度較低時(shí)更應(yīng)如此。
工形組焊完成后，繼續(xù)在平臺上組裝、電焊縱肋、橫梁連接板。組裝縱肋、橫梁連接板時(shí)要以基準(zhǔn)頭一端腹板孔位為基準(zhǔn)，以此返線組裝。橫梁連接板的組裝必須要以確保其與工形下翼緣和腹板垂直作為前提，否則直接影響到工地架設(shè)時(shí)橫梁的連接。
2.2.6 工形修整與立體劃線
工形及縱肋和橫梁連接板焊接完成后，應(yīng)對其進(jìn)行火焰修整，以消除一部分焊接應(yīng)力和矯正焊接變形。火焰修整時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制火焰溫度不能超過600~ 800℃，嚴(yán)禁過燒。修整時(shí)，應(yīng)將其立置于平臺上進(jìn)行，修整完成后對高度、腹板平面度、下翼緣與腹板的垂直度、上翼緣與腹板的角度、扭曲等進(jìn)行檢查，確保其合格后再進(jìn)行立體劃線。
立體劃線在平臺上進(jìn)行，劃線前對梁調(diào)平，從基準(zhǔn)端上、下翼緣和腹板孔群返線到非基準(zhǔn)端，劃出非基準(zhǔn)端上、下翼緣和腹板的卡樣線，并驗(yàn)證上翼緣十字線交點(diǎn)到非基準(zhǔn)端卡樣線的距離是否準(zhǔn)確。立體劃線要經(jīng)過專檢人員的復(fù)測合格后才能進(jìn)行卡樣鉆孔。
2.2.7工形非基準(zhǔn)端制孔
縱肋、橫梁連接板、上下翼緣與腹板基準(zhǔn)端栓孔均采用先孔法在半品時(shí)鉆制，非基準(zhǔn)端栓孔的鉆制則采用后孔法，即在工形修整與立體劃線完成后，卡覆蓋式樣板鉆制，從而保證制孔精度。鉆孔前檢查樣板對線口與卡樣線是否對準(zhǔn)，樣板是否卡牢固，需要甩鉆的孔是否標(biāo)出。下翼緣板厚較大，鉆孔時(shí)必須要將桿件置于堅(jiān)固平臺上，保證鉆頭與板面垂直。
2.2.8焊接剪力釘
主梁上翼緣需要焊接剪力釘，焊接之前應(yīng)在上翼緣劃出剪力釘位置線。每臺班焊接前在試板上試焊，試焊完畢錘彎300，檢查焊縫是否有裂紋、掉釘，滿足要求后才能正式焊接。焊接在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度在5℃以上。上翼緣上所有剪力釘焊接完畢后，檢查焊縫是否飽滿，并按數(shù)量的1%錘彎300，檢查是否有裂紋、掉釘。
2.2.9 主梁成品允許偏差
主梁成品檢查允許偏差如表1所示。
3索塔（鋼錨梁、鋼牛腿）制作質(zhì)量控制
3.1 索塔基本介紹
該橋索塔采用Q345D鋼材。如圖6所示，索塔由34個(gè)節(jié)段組成，每個(gè)節(jié)段由1個(gè)鋼錨梁、1對鋼牛腿組成。鋼錨梁和鋼牛腿通過高強(qiáng)螺栓連接。
3.2 鋼錨梁制作控制要點(diǎn)
3. 2.1 鋼錨梁
鋼錨梁是本橋主塔重要受力構(gòu)件，如圖7所示，其主要有鋼錨梁腹板、頂板、底板、錨墊板、承壓板、錨頭腹板、加勁板、隔板等。承壓板與底板之間的角度為錨梁制作的控制重點(diǎn)。
3.2.2零件下料
板材經(jīng)過預(yù)處理線完成預(yù)處理后，為了提高精度，錨梁承壓板、底板、頂板、端隔板采用數(shù)控切割機(jī)床下料。下料后用趕板機(jī)“趕平”，嚴(yán)格控制平面度1mm/m。錨梁承壓板、底板有孔部位需要用比理論厚度大5 mm（預(yù)留加工量）的鋼板下料。
3.2.3零件機(jī)加工
鋼錨梁腹板、隔板、頂板的焊接邊、錨墊板索孔等均采用機(jī)加工。加工完的隔板寬度和高度精度應(yīng)達(dá)到（-1~+1）mm，領(lǐng)邊垂直度達(dá)到1 mm。承壓板機(jī)加工兩側(cè)焊接邊并且鏜索孔。錨墊板沿厚度方向加工5 mm，加工面粗糙度不大于15μ m。
3.2.4鋼錨梁組裝與焊接
1) π型錨頭單元制作。先將錨頭腹板與承壓板焊接成π型并焊接�？刂棋^頭腹板與承壓板垂直度，然后組裝、焊接加勁板。組焊好的錨頭單元需要機(jī)加工腹板兩側(cè)焊接邊，加工時(shí)控制加工面與承壓板的垂直度不大于1mm，以及鎖孔中心到加工面的距離偏差為±1.0 mm。
2)鋼錨梁腹板劃線。如圖8所示，先在鋼錨梁腹板上劃腹板中心線，注意中心線和加工過的腹板底邊垂直；再以中心線為基準(zhǔn)，向左、右分別返x1、x3，x2、x4，劃出錨索中心線（實(shí)為中心線投影），并打樣沖眼做標(biāo)記，以錨索巾心線與腹板底邊的交點(diǎn)為基準(zhǔn)，返距離L1和L2劃垂線為承壓板組裝線，并打樣沖眼；最后，以錨索中心線為基準(zhǔn)劃錨頭單元腹板組裝線。通過已知尺寸反算角度a1和a2，檢查其精度是否達(dá)到±0. 100，900-a1、900-a2分別為鋼錨梁承壓板與底板的兩個(gè)夾角。
腹板劃線這一步對鋼錨梁鋼錨梁制造至關(guān)重要。必須要仔細(xì)劃線，認(rèn)真檢查，確保萬無一失。
3)組焊錨梁腹板、隔板。如圖9a、圖9b所示，將劃好線的一側(cè)腹板置于平臺上，將準(zhǔn)備好的錨頭放到上面并對好線，再立中隔板后點(diǎn)焊定位；然后組裝另一側(cè)鋼錨梁腹板，組裝時(shí)也要對好線，控制好上、下腹板的縱橫向錯(cuò)位；再施焊錨頭腹板、承壓板與錨梁腹板的熔透角焊縫，并作超聲波探傷。
4)組裝底板和錨墊板。如圖9c所示，將已經(jīng)組裝好的體系翻身后立于錨梁底板上，對準(zhǔn)底板上已劃好的組裝線定位。劃底板組裝線要以底板上高強(qiáng)螺栓孔位為基準(zhǔn)，分別劃出底板橫縱向中心線；橫向中心線的作用是對準(zhǔn)錨梁腹板中心線，縱向中心線的作用是以其為基準(zhǔn)劃出組裝鋼錨梁腹板的位置線；對錨墊板和承壓板長度和寬度用劃針劃出中線，然后將二者中線對中定位并焊接；然后，焊接中隔板與錨梁腹板和底板間角焊縫，以及錨梁腹板與底板間焊縫；要對錨墊板上角焊縫、錨梁腹板和底板間角焊縫進(jìn)行超聲波探傷。
5)組裝頂板與縱肋、勁板。如圖9d、圖9e所示，檢查錨梁底板栓孔部位平面度、扭曲、腹板對底板垂直度，組裝頂板插入端隔板并定位，再組裝縱肋與加勁板，并對以上板件進(jìn)行焊接。
3.2.5 鋼錨梁成品允許偏差
鋼錨梁成品檢查允許偏差如表2所示。
3.3鋼牛腿制作控制要點(diǎn)
3.3.1 鋼牛腿構(gòu)件
鋼牛腿也是主塔的重要受力構(gòu)件，如圖10所示，其主要由上承板、壁板、托架單元（腹板及下翼緣板）、加勁板、鋼套筒、連接件、預(yù)埋鋼板等組成。
3.3.2零件下料
板材經(jīng)過預(yù)處理線完成預(yù)處理后，為了提高精度，壁板最好采用數(shù)控切割下料。下料時(shí)，對上承板、托架腹板和加勁板焊接邊預(yù)留刨邊量。
3.3.3鉆孔
上承板栓孔采用平板數(shù)控機(jī)床鉆制。鉆孔前要將鋼板趕平，鉆孔時(shí)要將板件卡固牢靠。鉆制的第一塊板件要對照施工圖詳細(xì)檢查合格后，才能鉆制后續(xù)板件。
3.3.4零件機(jī)加工
上承板、加勁板板件焊接邊均采用機(jī)加工。上承板焊接邊加工要以栓孔為基準(zhǔn)找正。托架腹板與梯形加勁板加工時(shí)要控制好兩條焊接邊的垂直關(guān)系。
3.3.5 組裝、電焊鋼牛腿
1)組焊壁板單元。在平臺上劃線組裝預(yù)埋板并焊接，然后在同側(cè)劃線焊接剪力釘；組裝預(yù)埋板時(shí)根據(jù)橢圓孔的走向確定組裝在壁板的準(zhǔn)確位置。這一點(diǎn)容易疏忽，組裝時(shí)應(yīng)必須注意。剪力釘?shù)暮附优c鋼主梁類似，這里不再贅述。
2)組焊托架單元。在平臺上將托架腹板和腹板間加勁板劃線組裝于上承板呈π型并焊接；組裝時(shí)應(yīng)控制好腹板與上承板的垂直度，并且要對齊腹板、上承板與壁板的焊接邊；π型焊接完成后，檢查上承板的平面度（精度要達(dá)到1mm），以及腹板與上承板的垂直度，然后焊接梯形加勁板。
3)鋼牛腿整體組焊。檢查壁板單元平面度，以上承板螺栓孔位為基準(zhǔn)劃出上承板中心線；向下用劃針延長橢圓長軸線，向下平移橢圓短軸線至圖紙位置，用劃針劃出并向兩端延長；將托架單元吊至壁板上（非剪力釘側(cè)），將其上承板對準(zhǔn)橢圓短軸平移線，橫向平移上承板使其中心線與橢圓長軸延長線相交，檢查上承板與壁板的垂直度（垂直度控制在1mm以內(nèi)），然后定位并焊接。
以橢圓位置為基準(zhǔn)組裝連接板并焊接。再次檢查壁板單元平面度，如果平面度達(dá)不到要求，用火焰配合修整。翻身，將套筒插入橢圓孔內(nèi)，從套筒最低母線吊線錐使其對準(zhǔn)壁板中心線，并通過測量套筒口至壁板的距離確定套筒與壁板的夾角。用預(yù)先做好的工裝支撐套筒，同時(shí)用工裝限制套筒橫向偏轉(zhuǎn)。
鋼牛腿托架上承板、腹板與壁板的焊縫為主要受力焊縫，應(yīng)對其進(jìn)行超聲波探傷。
3.3.6鋼牛腿成品允許偏差
鋼牛腿成品檢查允許偏差如表3所示。
4結(jié)束語
臨海高等級公路灌河大橋鋼主梁、索塔（鋼錨梁、鋼牛腿）是本橋的主要受力構(gòu)件，也是制作中質(zhì)量最難控制的部分。本文對以上構(gòu)件在制作中的質(zhì)量控制方法作了較為詳細(xì)的總結(jié)。通過這些方法的實(shí)施，有效地保證了大橋的制作質(zhì)量，也為以后類似大橋的制作提供了參考依據(jù)。
