武芳文，張慶開，李長學(xué)(.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安　70064;.中鐵十四局集團(tuán)西安建設(shè)投資有限公司，陜西西安　70000)

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曲線橋單箱多室鋼箱梁制作技術(shù)與質(zhì)量控制

武芳文1，張慶開1，李長學(xué)2
(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064;2.中鐵十四局集團(tuán)西安建設(shè)投資有限公司，陜西西安710000)

摘要:以西安后圍寨曲線立交橋?yàn)楣こ瘫尘?，詳?xì)闡述了鋼箱梁幾何尺寸控制、箱梁預(yù)拼接、焊接質(zhì)量控制等制作工藝:采取數(shù)控精切、加入補(bǔ)償量、冷矯正、火焰矯正等方法實(shí)現(xiàn)對箱梁尺寸的精度控制;通過對鋼箱梁合理的分段分塊，不僅可以保證制作質(zhì)量，而且方便運(yùn)輸、架設(shè);采用焊接反變形和施加剛性約束技術(shù)，選擇合理的施焊方式、預(yù)留收縮量、施加臨時剛性約束以及焊縫處理措施，有利于減小焊接殘余變形和焊接殘余應(yīng)力，可以有效控制焊接變形。同時，進(jìn)行全程質(zhì)量控制，以保證箱梁制作精度，形成系統(tǒng)的鋼箱梁制作工藝。

關(guān)鍵詞:鋼箱梁制作工藝焊接變形質(zhì)量控制曲線橋

鋼箱梁以其獨(dú)特的優(yōu)勢，在橋梁工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。武漢二環(huán)線漢口段高架橋［1］、南京麒麟互通匝道橋［2］、南京長江第四大橋［3］等工程均采用了鋼箱梁技術(shù)。為保證鋼箱梁工程的質(zhì)量，選擇合理的制作工藝尤為重要，特別是鋼箱梁幾何尺寸、焊接質(zhì)量控制等工藝。若制作工藝不合理或出現(xiàn)較大偏差，則會使鋼箱梁局部受力與設(shè)計(jì)不符，出現(xiàn)焊縫開裂、鋼板扭曲甚至鋼箱梁傾覆、落梁等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅交通安全。因此鋼箱梁要嚴(yán)格按照工藝流程施工，制定各環(huán)節(jié)質(zhì)量控制措施，以確保鋼箱梁制作質(zhì)量。本文以西安后圍寨立交橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析鋼箱梁制作技術(shù)，探討其施工工藝，確保鋼箱梁的加工質(zhì)量。

1　工程概況

西安后圍寨立交橋位于三橋新街、尚航路與世紀(jì)大道的交叉處，承擔(dān)各個方向交通流的轉(zhuǎn)換作用，同時也是灃渭新區(qū)北片區(qū)重要的對外交通出口。為加快施工進(jìn)度、保證施工質(zhì)量，部分橋跨采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。鋼箱梁為單箱多室斷面，鋼箱頂面寬8～29 m，按正交異性板設(shè)計(jì)，由互相垂直的面板、縱肋和橫肋組成［4］。鋼箱梁頂板厚20 mm，底板厚24 mm，腹板厚24 mm，其中頂板和底板均采用扁鋼加勁肋，懸臂部位加勁肋間距500 mm，腹板間距400 mm。箱內(nèi)每2 m設(shè)一道普通橫隔板，厚度為24 mm。為便于節(jié)段之間現(xiàn)場施焊，中間開設(shè)進(jìn)人孔。橋墩處設(shè)支點(diǎn)隔板和豎向加勁肋，箱梁主結(jié)構(gòu)鋼材為Q345qD。不同位置的焊縫質(zhì)量要求分別為一、二級，防銹等級為Sa3.0級［5］。

本項(xiàng)目鋼箱梁結(jié)構(gòu)為曲線設(shè)計(jì)，且位于市區(qū)樞紐，施工限制因素較多;鋼箱梁為全焊結(jié)構(gòu)，焊縫密集，焊接變形控制難度大;塊體種類多，數(shù)量大，且有較高的安裝精度要求;各塊體之間預(yù)拼裝的縱橫向匹配難以控制。因此，對制作工藝提出了更高的要求。

2　鋼箱梁制作工藝

2.1鋼箱梁制作工藝流程(圖1)

圖1　鋼箱梁制作工藝流程

2.2板單元的制作工藝

2.2.1板材的下料

鋼板進(jìn)廠復(fù)檢合格后，才可投入生產(chǎn)。由于箱梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各板塊單元形狀不規(guī)則，下料時均采用CAM系統(tǒng)的數(shù)控切割機(jī)精切下料，以保證切割質(zhì)量。對于單面焊雙面成型的對接坡口，在數(shù)控下料時一并切出坡口。零件尺寸允許偏差見表1。

表1　零件尺寸允許偏差　mm

鋼板下料前，先進(jìn)行搟平、拋丸除銹、除塵、噴涂車間防銹底漆等處理。為保證切割表面不產(chǎn)生裂紋，切割硬度≤HV350;切割面垂直度≤0.05t(t為鋼板厚度)，且≤2.0 mm。由于設(shè)計(jì)圖紙未考慮制作焊接的收縮量和加工余量，因此在數(shù)控切割時，應(yīng)根據(jù)零件形狀復(fù)雜程度、尺寸大小、精度要求等規(guī)定切入點(diǎn)、退出點(diǎn)、切割方向和切割順序，并適當(dāng)加入補(bǔ)償量，消除切割熱變形的影響。剪切后的零件邊緣應(yīng)整齊、無毛刺、反口等缺陷，剪切邊邊緣的直線度＜1/1 000，缺棱≤1.0 mm。

2.2.2腹板單元的制作

頂板、底板、腹板、隔板均由鋼板和板條肋組成，寬度為1.3～3.3 m，是組成鋼箱梁單元塊的基本構(gòu)件。

將鋼板置于平臺上進(jìn)行荒料對接、焊接、探傷、修整，然后劃出縱橫基準(zhǔn)線及板條肋組裝位置線。腹板板塊不留二次切割量，不考慮預(yù)拱度，拱度在縱向?qū)涌谡{(diào)整。采用冷矯正和火焰矯正的方法，矯正板塊下料、焊接變形，重點(diǎn)矯正邊緣的波浪變形。

2.2.3橫隔板單元的制作

橫隔板是鋼箱梁組裝的內(nèi)胎，它的精度對鋼箱梁的斷面精度有很大影響，隔板零件全部采用數(shù)控切割機(jī)精切下料。由于隔板較薄，且形狀不規(guī)則，焊接時容易產(chǎn)生變形，故采用CO2氣體保護(hù)焊焊接。焊接時將橫隔板固定在剛性平臺上，然后采取對稱、分段、同方向的焊接方法。在焊接過程中嚴(yán)格按照規(guī)定的焊接順序和焊接工藝執(zhí)行，以減小焊接變形，同時采用冷矯正或火焰法進(jìn)行矯正。橫隔板的組裝見圖2。

為了方便施工，滿足現(xiàn)場吊裝要求，鋼箱梁采用橫向斷開設(shè)計(jì)，因此橫隔板也應(yīng)分段制作，在橋位安裝時再對接焊為整體。橫隔板的分段制作見圖3。

圖2　橫隔板的組裝

圖3　橫隔板的分段制作

2.2.4頂板、底板單元的制作

頂板單元與底板單元均由縱肋與箱梁頂、底板組成，單元件寬度為1.3～3.3 m，長度為10～13 m。頂板厚20 mm，底板厚24 mm，縱肋厚24 mm?？v肋與頂、底板的角接焊縫值均為14 mm×14 mm。由于焊接熱量輸入過大，板單元焊接變形量較大。為控制頂、底板單元縱向、橫向的焊接變形，采用反變形胎架進(jìn)行組裝并焊接，以減少矯正工作量。

2.3整體胎型的預(yù)拼接

預(yù)拼接是鋼箱梁橋位安裝前一個極為重要的環(huán)節(jié)。為保證鋼箱梁的成型尺寸、平面線型滿足設(shè)計(jì)要求、接口錯臺及間隙滿足現(xiàn)場定位精度，鋼箱梁塊體一般在工廠進(jìn)行預(yù)拼接。組裝前必須熟悉圖紙和工藝文件，按圖紙核對零件編號、外形尺寸和坡口方向，確認(rèn)無誤后方可組裝。

按照箱梁的線型設(shè)計(jì)專用預(yù)拼裝胎架，組裝胎架應(yīng)具有足夠的剛度和幾何尺寸精度。根據(jù)預(yù)拱度計(jì)算出箱梁底板支撐點(diǎn)的標(biāo)高，每個箱梁塊體下布置2個支撐點(diǎn)，以保證箱體的穩(wěn)定性。在臺凳的一側(cè)設(shè)置定位基準(zhǔn)擋塊。塊件吊裝完成之后，要準(zhǔn)確測量底板單元的標(biāo)高、直線度、旁彎、線型等。

主體焊接完成后進(jìn)行檢查調(diào)整，然后焊接連接件，最后進(jìn)行編號，以方便橋位安裝。鋼箱梁拼裝基本尺寸允許偏差見表2，實(shí)際拼接情況見圖4。

表2　鋼箱梁拼裝基本尺寸允許偏差　mm

圖4　鋼箱梁實(shí)際拼接情況

3　塊體的焊接及控制措施

本橋?yàn)槿镐撓淞?，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫密集，焊縫形式多樣，焊接變形和殘余應(yīng)力較大。針對該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的焊接工藝試驗(yàn)，以確定合適的坡口形式、焊接方法、焊接設(shè)備、焊接材料、預(yù)熱溫度、層間溫度、工藝參數(shù)等。選擇與母材匹配的焊接材料，嚴(yán)格控制焊縫中氫的含量，確保焊縫各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1箱梁焊接變形的控制

焊縫的形成是一個連續(xù)、短時的冶金過程，在焊接過程中由于受熱不均會引起鋼板不均勻膨脹，焊接完成后焊縫收縮作用將引起鋼板變形［6］。

焊接變形的控制所采取的措施主要有以下幾種:

1)選擇合理的焊接順序和焊接方向，采用結(jié)構(gòu)對稱、接點(diǎn)對稱、全方位對稱的焊接原則;

2)采用反變形措施控制焊縫，預(yù)留合適的反變形量;

3)采用單面焊雙面成型工藝，在焊縫的另一側(cè)對接縫的底部貼陶瓷襯墊;

4)箱體整體組裝焊接時，在箱口和內(nèi)部適當(dāng)位置增加剛性橫隔板或剛性支撐，增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小由焊縫收縮引起的幾何尺寸變化。

3.2箱梁殘余應(yīng)力的控制

本橋鋼箱梁的焊接接頭的主要形式為對接接頭、T形接頭，在接頭部位由于力線扭曲，因而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力不利，特別是結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，焊縫約束度高，焊接后焊縫中存在較高的殘余應(yīng)力。

在施工前進(jìn)行接頭、坡口優(yōu)化設(shè)計(jì)，焊接過程中對焊接順序、焊接工藝進(jìn)行控制，盡量減小應(yīng)力集中。焊接前進(jìn)行預(yù)熱處理，減少母材與焊縫及熱影響區(qū)的溫差，減輕母材對焊接區(qū)域的約束，從而降低焊接接頭的應(yīng)力［7］。焊接后對焊縫的形狀進(jìn)行處理，增加焊趾處的過渡角和過渡半徑，將焊縫修磨勻順，磨削時方向應(yīng)與力線方向一致。此外，對橋位橫向?qū)雍缚p進(jìn)行余高磨平處理。

3.3焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)

焊接過程中嚴(yán)格控制硫、磷等有害元素含量，以提高和穩(wěn)定焊接接頭的各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)。根據(jù)焊接工藝評定試驗(yàn)確定預(yù)熱溫度和層間溫度。所有焊縫冷卻后進(jìn)行外觀檢查，保證所有焊縫無缺陷，如裂紋、未熔合、焊瘤、夾渣、未填滿弧坑、漏焊等。施焊24 h后，焊縫外觀檢驗(yàn)合格，進(jìn)行X射線和超聲波無損檢測［8］。

4　結(jié)論

根據(jù)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的工藝試驗(yàn)，制訂了合理的鋼箱梁制作工藝。

1)對于箱梁尺寸的精度控制，采取數(shù)控精切、加入補(bǔ)償量、冷矯正、火焰矯正等方法。

2)胎型預(yù)拼接和箱梁橫向斷開設(shè)計(jì)滿足了鋼箱梁制作的精度、質(zhì)量、運(yùn)輸、架設(shè)等方面的要求，可為施工條件有限的匝道橋或者立交橋以及類似工程提供參考。

3)選擇合理的施焊方式、預(yù)留收縮量、施加臨時剛性約束以及焊縫處理措施，有利于減小焊接殘余變形和焊接殘余應(yīng)力。

4)焊接完成后的外觀檢驗(yàn)、X射線和超聲波無損檢測可以保證鋼箱梁的制作質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

［1］黃濤.武漢二環(huán)線漢口段高架橋鋼箱梁制作技術(shù)［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2011，26(2):44-48.

［2］王志翔.南京麒麟互通匝道橋鋼箱梁制作技術(shù)［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2011，26(7):47-50.

［3］徐亮，李軍平，成宇海.南京長江第四大橋鋼箱梁制作技術(shù)［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2013，28(10):55-59.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］江蘇省質(zhì)量監(jiān)督局.DB 32/T 947—2006公路橋鋼箱梁制造規(guī)范［S］.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［6］付榮柏.焊接變形的控制與矯正［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［7］張筱雨.高原山區(qū)懸索橋鋼箱梁現(xiàn)場制造質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)［J］.公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2015(8):199-201.

［8］中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50205—2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2002.

(責(zé)任審編鄭冰)

Fabricating Technique and Quality Control over Steel Box Girder with Single Room and Multiple Boxes for Curve Bridge

WU Fangwen1，ZHANG Qingkai1，LI Changxue2

(1.School of Highway，Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710064，China;2.Xi'an Construction Investment Company，China Railway 14th Bureau Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710000，China)

Abstract:T aking Houweizhai interchange engineering in Xi'an city as an example in the paper，the fabricating technique about steel box girder such as the geometric dimension control，the splice and welding quality control were discussed in detail.T he precision control of steel box girder geometric dimension was achieved by using some methods including CNC(Computer Numerical Control)precision cutting，add compensation，cold correction and flame correction.T he steel box girder is divided into some segments，the quality of production can be guaranteed.It is convenient to transport and erect for the bridge.W elding anti-deformation and rigid constraints are adopted in the steel box girder construction.T he residual deformation and stress are reduced by choosing a reasonable welding，shrinkage allowance，rigid constraints and weld treatments，so the welding deformation can be controlled effectively.T he quality control is working through the whole process to ensure the production accuracy，and form systematically fabricating technique for the steel box girder.

Key words:Steel box girder;Fabricating technique;W elding deformation;Quality control;Curve bridge

作者簡介:武芳文(1980—)，男，副教授，博士。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51408040);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2013G1211012)

收稿日期:2015-10-21;修回日期:2016-01-03

文章編號:1003-1995(2016)03-0021-04

中圖分類號:U445.47+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.06