公路懸索橋板桁結(jié)合加勁梁整體節(jié)點(diǎn)上弦桿制造技術(shù)
2017-04-12
1 引言
懸索結(jié)構(gòu)以懸索為主要承重結(jié)構(gòu)，其傳力途徑簡捷明確，一般荷載由吊索傳至主纜，再傳至錨墩。懸索橋構(gòu)造簡單，受力明確；跨徑越大，相對(duì)來說材料耗費(fèi)越少，橋的造價(jià)越低。板桁結(jié)合加勁梁是橋面板與鋼桁架結(jié)合共同受力的一種新型組合結(jié)構(gòu)，其豎向抗彎剛度大，抗風(fēng)穩(wěn)定性好，抗扭性能好，且桿件構(gòu)造簡單、輕便，易于標(biāo)準(zhǔn)化制造，便于運(yùn)輸和用懸吊法拼裝，不受地形、航道和季節(jié)的影響，因此目前在大跨度懸索橋中被普遍采用。在板桁結(jié)合加勁梁各類桿件的制造中，制造難度最大、精度和受力要求最高的當(dāng)屬整體節(jié)點(diǎn)上弦桿。
本文以貴州至甕安高速公路清水河懸索大橋?yàn)橐劳?，圍繞板桁結(jié)合加勁梁整體節(jié)點(diǎn)上弦桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造難點(diǎn)，介紹此類桿件的制造技術(shù)。
2 工程簡介
清水河大橋?yàn)槭澜缈鐝阶畲蟮纳絽^(qū)板桁結(jié)合加勁梁懸索橋之一，主跨1130m。加勁梁包括鋼桁架和正交異性鋼橋面板兩部分，鋼桁架由主桁架、主橫桁架和下平聯(lián)組成，主桁架采用整體節(jié)點(diǎn)桿件連接，為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成。主桁架的桁高為7m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長為7.6m，兩片主桁架左右弦桿中心間距與主纜間距相同，為27m。橋梁全貌見圖1，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖見圖2。
以下是整體節(jié)點(diǎn)上弦桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造難點(diǎn)。位于該橋主跨跨中處，在主纜與加勁梁之間設(shè)有3對(duì)柔性中央扣，此處的整體節(jié)點(diǎn)上弦桿結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，制造難度最大，在制造工藝上具有代表性，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造難點(diǎn)如下：（1）每根上弦桿的長度為兩個(gè)節(jié)間，有兩個(gè)整體節(jié)點(diǎn)，在小節(jié)點(diǎn)處連接豎腹桿的節(jié)點(diǎn)板與吊索耳板共為一體，在大節(jié)點(diǎn)處連接斜、豎腹桿的節(jié)點(diǎn)板與中央扣耳板共為一體。整體立體圖，見圖3；節(jié)點(diǎn)處剖面、端頭處剖面見圖4、圖5。（2）在一個(gè)整體節(jié)點(diǎn)上有三種連接方式：銷接、栓接和焊接。（3）桿件長、斷面小、鋼板薄，即桿件長細(xì)比較大。（4）桿件與橋面橫梁連接，橫梁接頭板數(shù)量多，且位于桿件的一側(cè)，所以上弦桿橫斷面屬于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。（5）由于加勁梁為板桁結(jié)合結(jié)構(gòu)，上弦桿上水平板伸出段作為橋面板的一部分，并在節(jié)點(diǎn)部位開槽，使桿件內(nèi)側(cè)整體節(jié)點(diǎn)板從槽口穿出，作為連接吊索或中央扣的耳板。（6）由于整體節(jié)點(diǎn)板與耳板于一體，在桿件組裝時(shí)耳板需要穿出上水平板，所以需要在桿件組焊后再組焊耳板吊索孔的補(bǔ)強(qiáng)板，增加了耳板厚度公差的控制難度。（7）由于上弦桿直接與吊索連接，是加勁梁中主要的傳力桿件，加之其構(gòu)造的特殊性，桿件上的焊縫種類多，熔透焊縫及深坡口焊縫多，焊接量大，焊縫不對(duì)稱，且桿件斷面小，很容易使桿件產(chǎn)生扭曲、彎曲變形，給桿件的焊接變形控制帶來很大難度。（8）本橋架設(shè)采用整體節(jié)段吊裝，節(jié)段間的連接為多拼口、多方位、多角度對(duì)拼，對(duì)桿件的尺寸精度、栓孔重合率提出了更高的要求。
鑒于諸多復(fù)雜因素，需要制定合理的制造方案，采取可靠的控制措施，保證桿件的制造質(zhì)量，確保大橋順利架設(shè)連接。
3 整體節(jié)點(diǎn)上弦桿制造關(guān)鍵技術(shù)
制造工藝流程根據(jù)此類桿件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造難點(diǎn)，結(jié)合公司的工藝裝備和制造經(jīng)驗(yàn)，確定如下制造工藝流程：零件加工→單元件接料→組焊箱體→桿件鉆孔→組焊吊索耳板補(bǔ)強(qiáng)板、各類接頭板及加勁板→機(jī)加工耳板銷軸孔。
3.1主要零件加工
?。?）整體節(jié)點(diǎn)板精度控制。整體節(jié)點(diǎn)板與耳板于一體，屬于最重要零件，其加工精度至關(guān)重要。
采用火焰數(shù)控切割機(jī)精確下料，銷孔一并切出，并預(yù)留機(jī)加工量，待桿件箱體組焊完成后再進(jìn)行機(jī)加工。在平臺(tái)上，利用劃針精確劃線，包括斜豎腹桿軸線、水平中心線、對(duì)接端加工線及坡口、不等厚對(duì)接過渡坡線，腹桿軸線和水平中心線作為后續(xù)組裝和制孔的基準(zhǔn)，應(yīng)在線的兩端打上樣沖眼作為標(biāo)記。以豎腹桿軸線為基準(zhǔn)加工與豎板平直段對(duì)接的端頭，使之與水平中心線垂直，并加工對(duì)接端坡口及過渡坡，同時(shí)嚴(yán)格控制對(duì)接端至豎腹桿軸線間的距離，并預(yù)留焊接收縮量。見圖6。
為了減小鋼板的軋制應(yīng)力，提高板件的平面度和切割精度，鋼板在下料前應(yīng)用趕板機(jī)進(jìn)行趕平。同時(shí)為了消除切割應(yīng)力和變形，板件切割后應(yīng)進(jìn)行二次趕平，保證板件平面度滿足不大于1mm/m的精度要求。其他板件亦然，后面不再贅述。
?。?） 水平板、豎板平直段精度控制。水平板、豎板平直段精度控制的關(guān)鍵是板邊直線度和寬度公差，豎板平直段還應(yīng)控制頭與邊的垂直度不大于1.0mm，以便保證與節(jié)點(diǎn)板對(duì)接后的直線度。因此，對(duì)于嵌入式的水平板（下水平板）應(yīng)機(jī)加工兩邊，寬度公差-0.5 -1.0。使其在桿件組裝時(shí)順利嵌入兩豎板之間，在豎板平直段板邊直線度滿足要求的情況下劃線加工對(duì)接頭及坡口，同時(shí)控制其長度。
?。?）橫隔板精度控制。由于箱形橫隔板具有連接各板件和組裝時(shí)內(nèi)胎的作用，其加工尺寸的控制直接關(guān)系到桿件的截面尺寸精度，同時(shí)也是控制箱形桿件扭曲的關(guān)鍵，見圖7。切割下料后機(jī)加工四邊，一是保證其高、寬尺寸精度，寬度公差與嵌入式的下水平板相配合，控制在+1.0 +0.5公差范圍內(nèi)；二是使四邊垂直度不大于0.5mm，并注意同桿件的隔板應(yīng)同時(shí)加工，在同一邊緣做標(biāo)記，在桿件組裝時(shí)使帶標(biāo)記的邊緣處在同一側(cè)，避免桿件扭曲。如果采用高精度的等離子數(shù)控切割機(jī)下料，切割精度達(dá)到上述機(jī)加工精度的要求，可以取消機(jī)加工工序。
3.2 豎板單元接料控制
上弦桿的豎板單元由四塊不等厚板對(duì)接而成，見圖8。其接料焊縫多，接料精度直接關(guān)系到桿件的尺寸精度。接料時(shí)要嚴(yán)格控制節(jié)點(diǎn)板與豎板平直段的接料直線度及兩節(jié)點(diǎn)中心距L1，確保各段水平中心線在同一直線，直線度≤1.0mm。兩節(jié)點(diǎn)間距L1為最關(guān)鍵的項(xiàng)點(diǎn)，除應(yīng)在加工零件時(shí)預(yù)留焊接收縮量外，還應(yīng)采取分步接料的措施，減小焊接收縮的影響，即：先將每塊節(jié)點(diǎn)板與左邊的直線段接成分段，精確測量每條對(duì)接焊縫的收縮量，待直線度、平面度修至合格后再將兩分段對(duì)接，如此兩節(jié)點(diǎn)中心距L1僅受一條對(duì)接焊縫收縮量的影響，其精度很容易得到控制。 3.3 桿件組裝控制
由于耳板從上水平板穿出及傳遞索力的需要，此處焊縫要求全熔透焊接，以提高焊縫的疲勞強(qiáng)度，同時(shí)上水平板與豎板之間，在箱內(nèi)除耳板段外要求通長焊接貼角焊縫；下水平板與豎板之間為箱外坡口棱角焊縫，內(nèi)側(cè)無焊縫。因此，組裝應(yīng)采用倒裝法。由于上弦桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜、桿件數(shù)量多，屬于最主要的桿件，所以為了提高桿件的組裝精度和生產(chǎn)效率，桿件的組裝需要在專用胎型內(nèi)進(jìn)行。胎型的基礎(chǔ)必須有足夠的承載力，防止在使用過程中發(fā)生沉降，胎型設(shè)有端擋角及兩側(cè)擋角，擋角上設(shè)置頂緊裝置，胎型上并應(yīng)設(shè)有桿件縱向中心線和節(jié)點(diǎn)中心線，兩節(jié)點(diǎn)中心線之間根據(jù)工藝預(yù)留適當(dāng)?shù)暮附邮湛s量。桿件組裝工藝流程見圖9。
?。?）桿件的組裝以中心線為基準(zhǔn)。首先將上水平板置于胎型上，使其縱向中心線及節(jié)點(diǎn)中心線與胎型上的對(duì)應(yīng)中心線準(zhǔn)確對(duì)齊。
?。?）以上述中心線為基準(zhǔn)，劃線組裝橫隔板，見圖10。注意使帶機(jī)加工時(shí)標(biāo)記的邊緣處在同一側(cè)，避免桿件扭曲。
?。?）以節(jié)點(diǎn)中心線為基準(zhǔn)，組裝兩側(cè)豎板，形成槽形，見圖11。焊接槽形內(nèi)部焊縫，火焰矯正焊接變形。為了使下水平板順利嵌入兩豎板之間，必須嚴(yán)格控制兩豎板自由邊的直線度。
?。?）組裝下水平板，形成封閉箱形，見圖12。經(jīng)過對(duì)桿件寬度、高度、節(jié)點(diǎn)板內(nèi)距、對(duì)角線、直線度及扭曲等項(xiàng)點(diǎn)檢測合格后，將桿件吊至焊接平臺(tái)上焊接四條主焊縫。為了嚴(yán)格控制扭曲變形，必須對(duì)稱同向施焊四條主焊縫，每條主焊縫連續(xù)施焊，中間不可間斷。
?。?）四條主焊縫施焊完成并檢驗(yàn)合格后，在平臺(tái)上進(jìn)行火焰矯正，使各檢測項(xiàng)點(diǎn)符合規(guī)范要求。
3.4 焊接變形控制
焊接變形主要包括焊接收縮、角變形、彎曲變形、波浪變形及扭曲變形。箱形桿件組焊成形后，剛度很大，變形極難修整，尤其是扭曲變形，矯正十分棘手。因此必須對(duì)可能產(chǎn)生變形的因素和容易造成變形的環(huán)節(jié)進(jìn)行分析控制。
?。?）嚴(yán)格控制隔板等主要零件的加工精度。
?。?）鋼板接料、單元件及箱體的組裝、焊接、矯正均應(yīng)在平臺(tái)或胎型上進(jìn)行，防止或減少熱加工中因桿件自重影響而產(chǎn)生的變形。尤其是隔板可以起到桿件內(nèi)胎的作用，它的加工及組裝精度是控制扭曲的重要一環(huán)，必須按照上述要求嚴(yán)格控制。
?。?）制定合理的組焊工藝及焊接順序，采取剛性約束等措施。
?。?）要求每完成組焊一次，必須及時(shí)矯正，休整合格后可進(jìn)行下一次的組焊。
?。?）對(duì)于多層多道焊，應(yīng)采取邊焊邊矯的工藝，防止變形累積過大不易修復(fù)。
?。?）使用專用翻轉(zhuǎn)胎具、吊具，保證桿件在翻身、吊運(yùn)時(shí)平穩(wěn)安全，防止因翻身、吊運(yùn)不當(dāng)造成桿件的變形。
?。?）焊接收縮量受板厚、坡口形式、焊接參數(shù)及焊縫填充量等因素影響，由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，難以準(zhǔn)確把握，雖然可根據(jù)理論公式進(jìn)行粗略計(jì)算，用于指導(dǎo)預(yù)留量，但還存在焊后火焰矯正收縮的影響，所以，桿件長度方向宜在非節(jié)點(diǎn)端預(yù)留二次切頭量。另外在節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)主焊縫為熔透或深坡口焊縫，寬度方向收縮較大，故應(yīng)預(yù)留橫向收縮量，預(yù)留量應(yīng)綜合考慮板厚、焊縫填充量等因素的影響。
3.5 桿件制孔
桿件制孔一般采用三種方法，即：
方法一：在桿件組焊前將板件的孔一次鉆足，即所謂的先孔法。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以利用平板數(shù)控鉆床或樣板鉆孔，相同的板件可以摞在一起同時(shí)鉆孔，質(zhì)量穩(wěn)定，效率高。其缺點(diǎn)是對(duì)于組焊件，焊接及修整收縮量很難控制，尤其是箱形桿件焊接后可能出現(xiàn)一定的扭曲變形，這將直接影響安裝時(shí)的栓孔重合率；
方法二：桿件所有的孔均在組焊后鉆制，即所謂的后孔法。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以避免焊接變形及收縮的影響，可以利用龍門數(shù)控鉆床（圖13）或樣板鉆孔，確保桿件各個(gè)面的孔的相對(duì)位置，保證安裝時(shí)的栓孔重合率；
方法三：采用先孔和后孔相結(jié)合的方法，即桿件一端采用先孔法，另一端采用后孔法（用樣板接鉆）。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以解決焊接在長度方向收縮的影響，減輕龍門數(shù)控鉆床的壓力，適當(dāng)提高鉆孔效率。但是由于是箱形桿件，先出孔的一頭不能避免焊接扭曲變形的影響。
綜上所述，權(quán)衡三種制孔方法，為了保證栓孔精度，保證工地安裝順利，選擇了后孔法方案。采用龍門數(shù)控鉆床鉆孔與樣板鉆孔相結(jié)合的方案，即：桿件組焊修合格后，采用龍門數(shù)控鉆床鉆制兩節(jié)點(diǎn)板及豎板定位孔（孔群間預(yù)留焊接收縮量）及上水平板兩端定位孔，利用龍門數(shù)控鉆床，可以確保兩側(cè)節(jié)點(diǎn)板螺栓孔同心度達(dá)到0.25mm的精度。利用鉆孔樣板，接鉆其余豎板及節(jié)點(diǎn)板螺栓孔。
利用U形樣板，鉆制下水平板螺栓孔。
桿件用龍門數(shù)控鉆床鉆孔時(shí)，要確保箱體的水平圍線作為鉆孔的水平基準(zhǔn)，確保桿件節(jié)點(diǎn)端面作為鉆孔的橫向基準(zhǔn)，依靠龍門數(shù)控鉆床定位擋塊控制桿件直度，依靠龍門數(shù)控鉆床的設(shè)備精度和自動(dòng)檢測功能控制豎板孔群縱、橫向相對(duì)偏移。
另外，值得注意的是由于桿件橫斷面的非對(duì)稱性，在制孔前應(yīng)嚴(yán)格控制桿件的直線度，且不得向橋梁中心線側(cè)彎曲，即彎曲的矢高不得在外側(cè)，以避免內(nèi)側(cè)焊完橫梁接頭板后使彎曲進(jìn)一步加大。
3.6組焊吊索耳板補(bǔ)強(qiáng)板、各類接頭板及加勁板
由于板桁組合結(jié)構(gòu)，在桿件組裝時(shí)耳板需要穿出上水平板，所以不能在桿件組裝前組焊吊索耳板補(bǔ)強(qiáng)板，機(jī)加工補(bǔ)強(qiáng)板外平面，控制耳板的組合厚度公差。此時(shí)組焊耳板，耳板的組合厚度公差就成為關(guān)鍵控制項(xiàng)點(diǎn)，因此，組焊前需要根據(jù)耳板的實(shí)際厚度偏差來配制補(bǔ)強(qiáng)板的厚度（銑補(bǔ)強(qiáng)板平面），組裝時(shí)必須使補(bǔ)強(qiáng)板與耳板密貼，嚴(yán)格控制焊接變形，使耳板的組合厚度公差滿足設(shè)計(jì)要求，見圖14。
以豎板栓孔為基準(zhǔn)，劃線組裝斜豎桿接頭板及橫梁接頭板、耳板加勁板。接頭板上的栓孔于組裝前用平面數(shù)控鉆床或樣板鉆制。
3.7 機(jī)加工吊耳耳板銷軸孔
待所有組焊工作完成后，以豎板孔為基準(zhǔn)，機(jī)加工耳板銷軸孔及孔內(nèi)槽口，其加工精度滿足圖14的要求。
4 結(jié)語
桿件所有工序完成后，進(jìn)行了全面檢查，各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。同時(shí)首輪桿件（共八個(gè)節(jié)間）在工廠進(jìn)行了節(jié)段立體預(yù)拼裝，檢測結(jié)果表明：預(yù)拼裝幾何尺寸、栓孔通過率高等各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，檢測結(jié)果見表1。
通過桿件的成品檢驗(yàn)、預(yù)拼裝檢驗(yàn)和橋址架設(shè)拼裝結(jié)果證明：所制定的板桁結(jié)合加勁梁整體節(jié)點(diǎn)上弦桿的工藝及控制措施合理、可行、生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量合格。
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