公路悬索桥板桁结合加劲梁整体节点上弦杆制造技术
2017-04-12
1 引言
悬索结构以悬索为主要承重结构，其传力途径简捷明确，一般荷载由吊索传至主缆，再传至锚墩。悬索桥构造简单，受力明确；跨径越大，相对来说材料耗费越少，桥的造价越低。板桁结合加劲梁是桥面板与钢桁架结合共同受力的一种新型组合结构，其竖向抗弯刚度大，抗风稳定性好，抗扭性能好，且杆件构造简单、轻便，易于标准化制造，便于运输和用悬吊法拼装，不受地形、航道和季节的影响，因此目前在大跨度悬索桥中被普遍采用。在板桁结合加劲梁各类杆件的制造中，制造难度最大、精度和受力要求最高的当属整体节点上弦杆。
本文以贵州至瓮安高速公路清水河悬索大桥为依托，围绕板桁结合加劲梁整体节点上弦杆的结构特点和制造难点，介绍此类杆件的制造技术。
2 工程简介
清水河大桥为世界跨径最大的山区板桁结合加劲梁悬索桥之一，主跨1130m。加劲梁包括钢桁架和正交异性钢桥面板两部分，钢桁架由主桁架、主横桁架和下平联组成，主桁架采用整体节点杆件连接，为带竖腹杆的华伦式结构，由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成。主桁架的桁高为7m，标准节间长为7.6m，两片主桁架左右弦杆中心间距与主缆间距相同，为27m。桥梁全貌见图1，标准横断面图见图2。
以下是整体节点上弦杆结构特点和制造难点。位于该桥主跨跨中处，在主缆与加劲梁之间设有3对柔性中央扣，此处的整体节点上弦杆结构最为复杂，制造难度最大，在制造工艺上具有代表性，其主要结构特点和制造难点如下：（1）每根上弦杆的长度为两个节间，有两个整体节点，在小节点处连接竖腹杆的节点板与吊索耳板共为一体，在大节点处连接斜、竖腹杆的节点板与中央扣耳板共为一体。整体立体图，见图3；节点处剖面、端头处剖面见图4、图5。（2）在一个整体节点上有三种连接方式：销接、栓接和焊接。（3）杆件长、断面小、钢板薄，即杆件长细比较大。（4）杆件与桥面横梁连接，横梁接头板数量多，且位于杆件的一侧，所以上弦杆横断面属于非对称结构。（5）由于加劲梁为板桁结合结构，上弦杆上水平板伸出段作为桥面板的一部分，并在节点部位开槽，使杆件内侧整体节点板从槽口穿出，作为连接吊索或中央扣的耳板。（6）由于整体节点板与耳板于一体，在杆件组装时耳板需要穿出上水平板，所以需要在杆件组焊后再组焊耳板吊索孔的补强板，增加了耳板厚度公差的控制难度。（7）由于上弦杆直接与吊索连接，是加劲梁中主要的传力杆件，加之其构造的特殊性，杆件上的焊缝种类多，熔透焊缝及深坡口焊缝多，焊接量大，焊缝不对称，且杆件断面小，很容易使杆件产生扭曲、弯曲变形，给杆件的焊接变形控制带来很大难度。（8）本桥架设采用整体节段吊装，节段间的连接为多拼口、多方位、多角度对拼，对杆件的尺寸精度、栓孔重合率提出了更高的要求。
鉴于诸多复杂因素，需要制定合理的制造方案，采取可靠的控制措施，保证杆件的制造质量，确保大桥顺利架设连接。
3 整体节点上弦杆制造关键技术
制造工艺流程根据此类杆件的结构特点和制造难点，结合公司的工艺装备和制造经验，确定如下制造工艺流程：零件加工→单元件接料→组焊箱体→杆件钻孔→组焊吊索耳板补强板、各类接头板及加劲板→机加工耳板销轴孔。
3.1主要零件加工
（1）整体节点板精度控制。整体节点板与耳板于一体，属于最重要零件，其加工精度至关重要。
采用火焰数控切割机精确下料，销孔一并切出，并预留机加工量，待杆件箱体组焊完成后再进行机加工。在平台上，利用划针精确划线，包括斜竖腹杆轴线、水平中心线、对接端加工线及坡口、不等厚对接过渡坡线，腹杆轴线和水平中心线作为后续组装和制孔的基准，应在线的两端打上样冲眼作为标记。以竖腹杆轴线为基准加工与竖板平直段对接的端头，使之与水平中心线垂直，并加工对接端坡口及过渡坡，同时严格控制对接端至竖腹杆轴线间的距离，并预留焊接收缩量。见图6。
为了减小钢板的轧制应力，提高板件的平面度和切割精度，钢板在下料前应用赶板机进行赶平。同时为了消除切割应力和变形，板件切割后应进行二次赶平，保证板件平面度满足不大于1mm/m的精度要求。其他板件亦然，后面不再赘述。
（2） 水平板、竖板平直段精度控制。水平板、竖板平直段精度控制的关键是板边直线度和宽度公差，竖板平直段还应控制头与边的垂直度不大于1.0mm，以便保证与节点板对接后的直线度。因此，对于嵌入式的水平板（下水平板）应机加工两边，宽度公差-0.5 -1.0。使其在杆件组装时顺利嵌入两竖板之间，在竖板平直段板边直线度满足要求的情况下划线加工对接头及坡口，同时控制其长度。
（3）横隔板精度控制。由于箱形横隔板具有连接各板件和组装时内胎的作用，其加工尺寸的控制直接关系到杆件的截面尺寸精度，同时也是控制箱形杆件扭曲的关键，见图7。切割下料后机加工四边，一是保证其高、宽尺寸精度，宽度公差与嵌入式的下水平板相配合，控制在+1.0 +0.5公差范围内；二是使四边垂直度不大于0.5mm，并注意同杆件的隔板应同时加工，在同一边缘做标记，在杆件组装时使带标记的边缘处在同一侧，避免杆件扭曲。如果采用高精度的等离子数控切割机下料，切割精度达到上述机加工精度的要求，可以取消机加工工序。
3.2 竖板单元接料控制
上弦杆的竖板单元由四块不等厚板对接而成，见图8。其接料焊缝多，接料精度直接关系到杆件的尺寸精度。接料时要严格控制节点板与竖板平直段的接料直线度及两节点中心距L1，确保各段水平中心线在同一直线，直线度≤1.0mm。两节点间距L1为最关键的项点，除应在加工零件时预留焊接收缩量外，还应采取分步接料的措施，减小焊接收缩的影响，即：先将每块节点板与左边的直线段接成分段，精确测量每条对接焊缝的收缩量，待直线度、平面度修至合格后再将两分段对接，如此两节点中心距L1仅受一条对接焊缝收缩量的影响，其精度很容易得到控制。 3.3 杆件组装控制
由于耳板从上水平板穿出及传递索力的需要，此处焊缝要求全熔透焊接，以提高焊缝的疲劳强度，同时上水平板与竖板之间，在箱内除耳板段外要求通长焊接贴角焊缝；下水平板与竖板之间为箱外坡口棱角焊缝，内侧无焊缝。因此，组装应采用倒装法。由于上弦杆结构复杂、杆件数量多，属于最主要的杆件，所以为了提高杆件的组装精度和生产效率，杆件的组装需要在专用胎型内进行。胎型的基础必须有足够的承载力，防止在使用过程中发生沉降，胎型设有端挡角及两侧挡角，挡角上设置顶紧装置，胎型上并应设有杆件纵向中心线和节点中心线，两节点中心线之间根据工艺预留适当的焊接收缩量。杆件组装工艺流程见图9。
（1）杆件的组装以中心线为基准。首先将上水平板置于胎型上，使其纵向中心线及节点中心线与胎型上的对应中心线准确对齐。
（2）以上述中心线为基准，划线组装横隔板，见图10。注意使带机加工时标记的边缘处在同一侧，避免杆件扭曲。
（3）以节点中心线为基准，组装两侧竖板，形成槽形，见图11。焊接槽形内部焊缝，火焰矫正焊接变形。为了使下水平板顺利嵌入两竖板之间，必须严格控制两竖板自由边的直线度。
（4）组装下水平板，形成封闭箱形，见图12。经过对杆件宽度、高度、节点板内距、对角线、直线度及扭曲等项点检测合格后，将杆件吊至焊接平台上焊接四条主焊缝。为了严格控制扭曲变形，必须对称同向施焊四条主焊缝，每条主焊缝连续施焊，中间不可间断。
（5）四条主焊缝施焊完成并检验合格后，在平台上进行火焰矫正，使各检测项点符合规范要求。
3.4 焊接变形控制
焊接变形主要包括焊接收缩、角变形、弯曲变形、波浪变形及扭曲变形。箱形杆件组焊成形后，刚度很大，变形极难修整，尤其是扭曲变形，矫正十分棘手。因此必须对可能产生变形的因素和容易造成变形的环节进行分析控制。
（1）严格控制隔板等主要零件的加工精度。
（2）钢板接料、单元件及箱体的组装、焊接、矫正均应在平台或胎型上进行，防止或减少热加工中因杆件自重影响而产生的变形。尤其是隔板可以起到杆件内胎的作用，它的加工及组装精度是控制扭曲的重要一环，必须按照上述要求严格控制。
（3）制定合理的组焊工艺及焊接顺序，采取刚性约束等措施。
（4）要求每完成组焊一次，必须及时矫正，休整合格后可进行下一次的组焊。
（5）对于多层多道焊，应采取边焊边矫的工艺，防止变形累积过大不易修复。
（6）使用专用翻转胎具、吊具，保证杆件在翻身、吊运时平稳安全，防止因翻身、吊运不当造成杆件的变形。
（7）焊接收缩量受板厚、坡口形式、焊接参数及焊缝填充量等因素影响，由于结构形式复杂，难以准确把握，虽然可根据理论公式进行粗略计算，用于指导预留量，但还存在焊后火焰矫正收缩的影响，所以，杆件长度方向宜在非节点端预留二次切头量。另外在节点范围内主焊缝为熔透或深坡口焊缝，宽度方向收缩较大，故应预留横向收缩量，预留量应综合考虑板厚、焊缝填充量等因素的影响。
3.5 杆件制孔
杆件制孔一般采用三种方法，即：
方法一：在杆件组焊前将板件的孔一次钻足，即所谓的先孔法。此方法的优点是可以利用平板数控钻床或样板钻孔，相同的板件可以摞在一起同时钻孔，质量稳定，效率高。其缺点是对于组焊件，焊接及修整收缩量很难控制，尤其是箱形杆件焊接后可能出现一定的扭曲变形，这将直接影响安装时的栓孔重合率；
方法二：杆件所有的孔均在组焊后钻制，即所谓的后孔法。此方法的优点是可以避免焊接变形及收缩的影响，可以利用龙门数控钻床（图13）或样板钻孔，确保杆件各个面的孔的相对位置，保证安装时的栓孔重合率；
方法三：采用先孔和后孔相结合的方法，即杆件一端采用先孔法，另一端采用后孔法（用样板接钻）。此方法的优点是可以解决焊接在长度方向收缩的影响，减轻龙门数控钻床的压力，适当提高钻孔效率。但是由于是箱形杆件，先出孔的一头不能避免焊接扭曲变形的影响。
综上所述，权衡三种制孔方法，为了保证栓孔精度，保证工地安装顺利，选择了后孔法方案。采用龙门数控钻床钻孔与样板钻孔相结合的方案，即：杆件组焊修合格后，采用龙门数控钻床钻制两节点板及竖板定位孔（孔群间预留焊接收缩量）及上水平板两端定位孔，利用龙门数控钻床，可以确保两侧节点板螺栓孔同心度达到0.25mm的精度。利用钻孔样板，接钻其余竖板及节点板螺栓孔。
利用U形样板，钻制下水平板螺栓孔。
杆件用龙门数控钻床钻孔时，要确保箱体的水平围线作为钻孔的水平基准，确保杆件节点端面作为钻孔的横向基准，依靠龙门数控钻床定位挡块控制杆件直度，依靠龙门数控钻床的设备精度和自动检测功能控制竖板孔群纵、横向相对偏移。
另外，值得注意的是由于杆件横断面的非对称性，在制孔前应严格控制杆件的直线度，且不得向桥梁中心线侧弯曲，即弯曲的矢高不得在外侧，以避免内侧焊完横梁接头板后使弯曲进一步加大。
3.6组焊吊索耳板补强板、各类接头板及加劲板
由于板桁组合结构，在杆件组装时耳板需要穿出上水平板，所以不能在杆件组装前组焊吊索耳板补强板，机加工补强板外平面，控制耳板的组合厚度公差。此时组焊耳板，耳板的组合厚度公差就成为关键控制项点，因此，组焊前需要根据耳板的实际厚度偏差来配制补强板的厚度（铣补强板平面），组装时必须使补强板与耳板密贴，严格控制焊接变形，使耳板的组合厚度公差满足设计要求，见图14。
以竖板栓孔为基准，划线组装斜竖杆接头板及横梁接头板、耳板加劲板。接头板上的栓孔于组装前用平面数控钻床或样板钻制。
3.7 机加工吊耳耳板销轴孔
待所有组焊工作完成后，以竖板孔为基准，机加工耳板销轴孔及孔内槽口，其加工精度满足图14的要求。
4 结语
杆件所有工序完成后，进行了全面检查，各项质量指标满足规范和设计要求。同时首轮杆件（共八个节间）在工厂进行了节段立体预拼装，检测结果表明：预拼装几何尺寸、栓孔通过率高等各项质量指标均符合规范及设计要求，检测结果见表1。
通过杆件的成品检验、预拼装检验和桥址架设拼装结果证明：所制定的板桁结合加劲梁整体节点上弦杆的工艺及控制措施合理、可行、生产效率高，产品质量合格。
参考文献：
[1]候兆欣，何奋韬.王文涛.《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205-2001）.
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